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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gas-Fluid-Gegenstromwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
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Regenerative Gas-Fluid-Gegenstrom-Wärmetauscher sind allgemein bekannt und werden beispielsweise in der Klimatechnik zu Wärmegewinnungszwecken benutzt. Die bekannten Wärmetauscher werden zwar als Gegenstrom-Wärmetauscher bezeichnet, jedoch handelt es sich um sog. Kreuz-Gegenstromwärmetauscher, bei denen Fluidkanäle und Gaskanäle letztlich quer oder sich kreuzend zueinander verlaufen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art dahingehend hinsichtlich des Wirkungsgrades, der Gesamteffizienz, des konstruktivem Aufwandes und der Hygiene zu verbessern.
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Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Schutzanspruches 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Erfindungsgemäß sind bei einem Gas-Fluid-Gegenstromwärmetauscher mit mehreren, jeweils in einem Außenmantel parallel angeordneten Fluidkanälen und mehreren im Wesentlichen in dem Außenmantel parallel angeordneten Gaskanälen, die jeweils an beiden Enden von Gas- bzw. Fluidverteilern mit Gas bzw. Fluid versorgt werden, die Gaskanäle und die Fluidkanäle ebenfalls parallel zueinander mit gegenläufiger Hauptströmungsrichtung angeordnet.
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Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher also um einen echten Gegenstromwärmetauscher, wodurch sich aufgrund der nachfolgend beschriebenen Verschränkung von Gas- und Fluidkanälen sehr hohe Wirkungsgrade von typischerweise 90% und mehr erzielen lassen.
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Die Gaskanäle sind durch mehrere, im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung in dem Außenmantel angeordnete metallische Lamellen begrenzt. Durch die Lamellen, die auch z.B. eine flächenvergrößernde Wellen- oder Zickzackform aufweisen können, werden damit Register für den Gasdurchtritt begrenzt, die an den Stirnseiten durch die Begrenzungsflächen des Außenmantels zusätzlich begrenzt werden.
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Diese Gaskanäle werden erfindungsgemäß außerdem zusätzlich noch jeweils durch wenigstens einen mit den Lamellen wärmeleitend verbundenen Fluidkanal in wenigstens zwei Teilkanäle unterteilt. D.h., der oder die Fluidkanäle stellen wenigstens eine weitere Begrenzungsfläche für die Gaskanäle dar. Der Wärmeaustausch erfolgt sowohl über diese Begrenzungsflächen als auch über die Lamellen.
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Im Allgemeinen ergibt sich durch eine Zahl n unterteilende Fluidkanäle eine Zahl von mindestens n + 1 resultierenden aufgeteilten Gaskanälen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind in den Fluidkanälen wenigstens teilweise Drallkörper vorgesehen. Durch die Drallkörper wird die Strömung in den Fluidkanälen verwirbelt und verlangsamt und damit die Wärmeübertragungsleistung verbessert.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher lässt sich in einer bevorzugten Ausführungsform besonders gut dadurch desinfizieren, dass im Mittenbereich des Außenmantels ein oder mehrere Einspeisungseinrichtungen vorgesehen, durch die ein Desinfektionsmedium, insbesondere ein Desinfektionsschaum oder Dampf, in sämtliche Gaskanäle eingelassen werden kann, so dass das Desinfektionsmedium in beide Richtungen strömt.
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In einer Ausführungsform können die Fluidkanäle als Rohrleitungen mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sein, die mit den angrenzenden Lamellen wärmeleitend verbunden sind.
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Zur Verbesserung des Wärmeübergangs können die Lamellen – wie vorstehend schon kurz erwähnt – flächenvergrößernd, insbesondere wellenförmig ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher;
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2 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsmäßen Wärmetauschers entlang der Schnittebene A-A von 1;
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3 eine schematische Schnittdarstellung, die ein Bündel von Fluidkanälen und deren wärmeleitende Anbindung an die Lamellen zeigt;
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4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform mit wellenförmigen Lamellen;
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5 eine Ausführungsform, bei der vier Wärmetauschermodule gemäß 1 übereinander gestapelt sind (in Schnittdarstellung); und
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6 eine Ausführungsform, bei der zwei parallele Fluidkanäle in einem Wärmetauscher vorgesehen sind, in Schnittdarstellung.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher kann für vielfältige Applikationen eingesetzt werden, beispielsweise in der Klimatechnik zur Wärmerückgewinnung, in der Kraftwerkstechnik, z.B. bei Blockheizkraftwerken, bei Wärmepumpen, bei der Fluidkühlung von technischen Anlagen, bei einem Stirlingmotor etc.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann in beiden Richtungen, d.h. sowohl zur Heizung des Gasstroms unter gleichzeitiger Abkühlung des Fluidstroms als auch zur Heizung des Fluidstroms unter gleichzeitiger Abkühlung des Gasstroms eingesetzt werden. Es sind abhängig von der Materialwahl verschiedenste gasförmige und fluidförmige Medien denkbar. Die häufigste Medienkombination dürfte Luft / Wasser darstellen.
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Gemäß 1 weist ein insgesamt mit 10 bezeichneter Wärmetauscher eine Vielzahl paralleler metallischer Lamellen 16 auf, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium od. dgl. Diese Lamellen 16, die in 1 quer zur Zeichnungsebene verlaufen, begrenzen Gaskanäle 20a, über die in der mit den Doppelpfeilen angedeuteten Hauptströmungsrichtung ein Gasstrom (beispielsweise Luft) geführt wird.
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Der Gasstrom wird in einem nicht dargestellten Verteilerbereich auf die einzelnen Gaskanäle 20a aufgeteilt. Hierzu wird der Wärmetauscher 10 beispielsweise in einen Lüftungskanal so integriert, dass dieser zwangsdurchströmt wird.
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Den Verlauf der Fluidkanäle 22 erkennt man aus der Schnittdarstellung gemäß 2 entlang der Linie A-A von 1. Der in 2 dargestellte Fluidkanal 22 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf, der so gewählt ist, dass dieser eine im Wesentlichen gasdichte Barriere zwischen den angrenzenden Lamellen 16 bildet, wodurch der Zwischenraum zwischen den Lamellen 16 in zwei – in 2 oben und unten angeordnete – Gaskanäle 20a und 20b und den Fluidkanal 22 separiert wird. Diese Anordnung wiederholt sich für sämtliche Zwischenräume zwischen den Lamellen 16 gemäß 1, so dass ein Bündel parallel angeordneter Fluidkanäle 22 realisiert wird.
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Randseitig ist der Wärmetauscher 10 im Übrigen von einem Außenmantel 24 umgeben, der die Gaskanäle 22a,b nach oben und unten (bezogen auf die Darstellung in 2) begrenzt, jedoch an den Stirnseiten oberhalb und unterhalb der Verteilerrohre 12, 14 selbstverständlich Durchlässe für den Gasein- bzw. -austritt lässt.
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Jeder Fluidkanal 22 wird an beiden Stirnenden des Wärmetauschers 10 von Verteilerrohren 12 bzw. 14 (vgl. auch 1) mit dem Fluidmedium (z.B. Wasser oder einer anderen wärme- oder kältetransportierenden Flüssigkeit, z.B. Öl oder Kältemittel) versorgt. Diese Verteilerrohre 12 bzw. 14 werden, wie in 1 durch entsprechende endseitige Verschlüsse angedeutet, bevorzugt an entgegengesetzten Stirnenden an eine (nicht dargestellte) Fluidzufuhr bzw. eine (ebenfalls nicht dargestellte) Fluidabfuhr (auch als Vorlauf bzw. Rücklauf zu bezeichnen) angeschlossen, so dass sich für sämtliche parallel angeordnete Fluidkanäle insgesamt näherungsweise gleiche Strömungsverhältnisse ergeben, was auch als Tichelmann-Anordnung bezeichnet wird. Diese Konfiguration bewirkt eine selbstregulierende gleichmäßige Durchströmung der Fluidkanäle 22.
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Die Verteilerrohre 12 bzw. 14 sind bevorzugt so ausgeführt und angeordnet, dass der Gasstrom durch die Gaskanäle 20a, b oberhalb bzw. unterhalb der Fluidkanäle 22 nicht oder möglichst geringfügig beeinträchtigt wird.
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Die Fluidkanäle 22 können weiterhin innenseitig mit sog. Drallkörpern 18 versehen sein, z.B. eine in 1 schematisch angedeutete Wendelanordnung, die der durchströmenden Flüssigkeit eine rotatorische Komponente verleiht und auf diese Weise den Wärmeaustausch verbessert.
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Die Gaskanäle 20a, b weisen dagegen bevorzugt keine Strömungshindernisse auf, um eine laminare Strömung zu gewährleisten und einen niedrigen Gas-Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang des Wärmetauschers zu bewirken.
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Um dem Prinzip des Gegenstrom-Wärmetauschers gerecht zu werden, weisen Gas- und Fluidkanäle entgegengesetzte Strömungsrichtungen auf (d.h. diese bilden einen Winkel von etwa 180°), wie in den 1 und 2 anhand der Pfeile angedeutet (der obere Pfeil in 2 bezieht sich auf die Gaskanäle und unterer Pfeil auf den Fluidkanal bzw. die Fluidkanäle).
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Insbesondere im Falle der Luftkühlung kann sich bekanntlich Luftfeuchtigkeit an den Wandungen der Gaskanäle niederschlagen, die ggf. mittels eines entsprechenden Gefälles einem (nicht dargestellten) Wasserablass zugeführt werden kann.
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Um eine einfache Desinfektion zu ermöglichen, können im Bereich der Kanalmitten seitlich des Außenmantels 24 selektiv über eine Lanze mit Desinfektionsschaum oder Dampf beaufschlagbare Öffnungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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Wie in 3 schematisch dargestellt, weist das zwischen den Lamellen 16 angeordnete Fluidkanalbündel 22 bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf, durch den das mit 28 bezeichnete Fluid strömen kann, ggf. mit einer durch Drallkörper 18 induzierten Verwirbelung. Alternativ zu Drallkörpern können auch Siebe oder Netze oder andere Strömungshindernisse vorgesehen sein.
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Der Wärmeübertrag erfolgt zum einen direkt über die Wände der Rohre 22. Zum anderen sind die Rohre peripher an beiden Seiten, z.B. durch Einbringen eines gut wärmeleitenden Metalls (Verzinnen, Hartlöten, galvanische Abscheidung) an den mit 26 gekennzeichneten Stellen möglichst optimal wärmeleitend mit den Lamellen 16 verbunden, so dass auch die Lamellen 16 an der Wärmeübertragung in die Gaskanäle teilnehmen. Die wärmeleitende Verbindung 26 bewirkt gleichzeitig eine weitgehend luftdichte Trennung zwischen den oberen und unteren Gaskanälen.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform erstrecken sich die Lamellen jeweils mittig oben und unten (bezogen auf die Orientierung in 3) aus den Fluidkanälen, d.h. nach oben ausgehend von der 12-Uhr-Winkelposition und nach unten ausgehend von der 6-Uhr-Winkelposition des im Wesentlichen kreisförmigen Fluidkanals. In dieser Ausführungsform werden die Lamellen durch die Fluidkanäle jeweils unterbrochen. An den 3- bzw. 9-Uhr-Winkelpositionen stoßen die Fluidkanäle bevorzugt aneinander und bilden so die Trennung zwischen oberem und unterem Gaskanal.
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Alternativ wären auch elliptische oder rechteckige Formgebungen der Fluidkanäle 22 denkbar.
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In einer schematisch angedeuteten alternativen Ausführungsform gemäß 4 können die Lamellen 16' eine Wellenform aufweisen, um die Wärmeübertragung in die Gaskanäle (bzw. aus den Gaskanälen) aufgrund des Flächenzuwachses zu vergrößern. Obwohl hierdurch möglicherweise die Laminarität der Gasströmung geringfügig beeinträchtigt wird, kann durch diese Maßnahme der Strömungswiderstand in den Gaskanälen dadurch reduziert werden, dass die Gaskanäle kürzer als bei nicht gewellten Lamellen 16 dimensioniert werden können.
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Alternativ wären auf dreieckige, sägezahnförmige oder rechtweckwellenförmig konturierte Lamellen denkbar.
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In den 5 und 6 sind Ausführungsformen dargestellt, bei denen mehrere der beschriebenen Wärmetauscher als Sandwich modular übereinander gestapelt werden, wobei mehrere parallele Bündel von Fluidkanälen 22a–d vorgesehen sind. Dabei ist in 5 eine Ausführungsform dargestellt, bei der jeder Wärmetauscher noch einen "eigenen" Gehäusemantel aufweist, so dass jeweils zwei Gaskanäle aneinandergrenzen (was in 2 Gaskanälen pro Fluidkanal resultiert), wohingegen in 6 diese Gaskanäle zu einem einzigen Gaskanal 20b vereinigt sind, so dass sich bei n Fluidkanälen insgesamt n + 1 Gaskanäle ergeben. Es sind also bei beiden Ausführungsformen bei n Fluidkanälen mindestens n + 1 Gaskanäle vorhanden.
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Trennwände zwischen Gaskanälen, wie bei der Ausführungsform gemäß 5, sind statisch geringer beansprucht und können ggf. auch mittels einer festen Folie realisiert werden.
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Da bei den erfindungsgemäßen Wärmetauschern 10 bevorzugt keine Presspassung zwischen Fluidrohr 22 und Lamelle 16 vorgesehen ist, weist das Gesamtgebilde eine hohe inhärente Stabilität auf, wobei durch das Gegenstromprinzip und den guten internen Wärmeaustausch sehr gute Wirkungsgrade von über 90% erzielbar sind.
