EP1800079A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher

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Publication number
EP1800079A1
EP1800079A1 EP05794759A EP05794759A EP1800079A1 EP 1800079 A1 EP1800079 A1 EP 1800079A1 EP 05794759 A EP05794759 A EP 05794759A EP 05794759 A EP05794759 A EP 05794759A EP 1800079 A1 EP1800079 A1 EP 1800079A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
exchanger according
channels
flow medium
turns
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05794759A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Bachmaier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1800079A1 publication Critical patent/EP1800079A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/04—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by spirally-wound plates or laminae
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2240/00—Spacing means

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • heat exchangers are known, for example tubular heat exchangers, plate heat exchangers, etc. As different as they are in their nature, so are the fields of application. For example, heat exchangers are used for room ventilation, but are also used, for example, in Stirling engines or nitrogen engines. In addition to a high degree of efficiency and low production costs, a small space requirement and a high pressure and / or heat resistance are often required.
  • the object of the invention is to provide a heat exchanger which meets these requirements.
  • the heat exchanger is produced in a simple manner in that at least one sheet-shaped material is wound around the longitudinal axis of the heat exchanger. In cross section, a spiral with spaced windings is thus formed. The turns thus form the partitions while the channels are spaced through the space between the ones Turns are formed.
  • separating webs can additionally be provided between adjacent turns which extend along the heat exchanger from one end face to the other. Thus, a channel is formed between two turns and two separating webs.
  • the heat exchanger can be pre-produced by the meter with any number of turns and with any desired dimensions.
  • the channels are alternately flowed through in countercurrent of one or the other flow medium, between which the heat transfer takes place. That is, the innermost or first channel between the innermost or first turn and the second turn is flowed through by the one, for example, warm flow medium in one direction and the second channel between the second turn and the third turn of the other, colder flow medium in the opposite direction ⁇ tion, the third channel again from the warm flow medium, etc.
  • the flow medium can be both a gas and a liquid, but for example also a solid heat storage mass having a melting temperature below the temperature of the warm flow medium, for example paraffin, wax or fat.
  • the sheet-like material may be metal, plastic or another material, as long as it can be wound or produced in a gewi ⁇ ckelt.
  • the sheet-like material can be plastic.
  • a stainless steel sheet can be used.
  • the heat exchanger according to the invention has a high pressure and temperature resistance.
  • punctiform connection points can be provided between the windings, preferably in the longitudinal direction and around the circumference.
  • the individual channels are preferably closed at the end faces of the heat exchanger via a pitch circle and open at the other end face via a pitch circle. If the separating webs run parallel to the pole axis of the spiral, that is to say parallel to the longitudinal axis of the heat exchanger, the closed pitch circle of a channel preferably faces an open pitch circle on one end face on the other end face.
  • the flow medium does not flow straight through the channels, but is deflected in the circumferential direction, so that it emerges on the other end face, based on the cross section of the heat exchanger, on the Nielseneau ⁇ the side. In other words, if, in the case of a horizontally arranged heat exchanger, it enters the channel at the top or at the right in the channel, it exits at the other end side at the bottom or at the left.
  • the pitch circles are preferably formed by semicircles.
  • the open pitch circles or semicircles, via which the flow medium enters the heat exchanger, are preferably arranged on the same side or half of one side of the heat exchanger, and the open pitch circles or semicircles over which the other flow medium on the other end face in the opposite direction, on the wholie ⁇ ing side or half of the other end face. That is, in a horizontally arranged heat exchanger and extending parallel to the longitudinal axis separating webs, the open part or semicircles are hen vorgese ⁇ example, bottom or right for the entry of a flow medium, and the open part or semicircles on the other end face for the entrance of the other Flow medium in countercurrent top or left.
  • the connection of the heat exchanger is much easier, because the one Strö ⁇ tion medium at one end face and the other flow medium in countercurrent on the other end side in each case on one side or half of the respective end side can be connected sen sen.
  • the dividers can also extend helically around the polar axis of the spiral, ie the longitudinal axis of the heat exchanger.
  • the helix angle can be 180 ° or a multiple thereof.
  • the flow medium can in each case on the same side on the one end face and emerge on the other end face ren, ie. enter at a horizontally arranged heat exchanger in the upper half at one end face and emerge at the upper half from the other end face.
  • the heat exchanger according to the invention can be used in different fields. For example, it can be used in nitrogen engines in which liquid nitrogen is expanded with air, that is, in which the nitrogen forms the cold flow medium and the air or water countercurrently forms the warm flow medium. Another possibility is the Stirling machine, since the heat exchanger according to the invention is able to withstand a high pressure and high temperature.
  • the heat exchanger according to the invention can furthermore be used as an absorber for heat pumps, furthermore, for example as a water / air heater, eg as pre- or post-heating register. It is also ideal for geo-thermal plants.
  • the heat exchanger according to the invention can also be used to obtain thermo-power according to the Peltier effect.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger according to a firstticians ⁇ form in a perspective view
  • Figure 2 and 3 is a plan view of the one or the other end face of the heat exchanger
  • Figure 4 is a cross-section along the line IV-IV in Figure 1;
  • Figure 5 shows a cross section through the heat exchanger according to a further embodiment
  • Figure 6 and 7 is a plan view of an end face of the
  • FIG. 8 is a plan view corresponding to FIG. 7, however, of a heat exchanger designed as a mixer;
  • FIG. 9 shows a cross section through the heat exchanger according to a third amongsf ⁇ rm.
  • FIG. 10 shows a plan view of an end face of the heat exchanger according to FIG. 9 with the cover for one of the two flow media.
  • the heat exchanger according to the invention consists of a sheet-like material 1, which is spirally wound around the longitudinal axis of the heat exchanger or polar axis P of the spiral.
  • the turns 2.1, 2.2, 2.3, ..., 2.6 of the spiral form the partitions of the heat exchanger, while the channels 3.1, 3.2, ..., 3.5 are formed by the space between the adjacent turns.
  • additional dividers 4.1, 4.2, ..., 4.5 are provided between adjacent turns 2.1, 2.2, 2.3, ..., extending along the heat exchanger from one end face A to the other end face B.
  • the channels 3.1, 3.2, ... are alternately flowed through in countercurrent by the warm flow medium W or the cold flow medium K, wherein the warm flow medium W enters at the end face A and exits cooled at the other end B as Wk, while the cold Flow medium K enters at the end face B and exits heated at the end face A as Kw.
  • the innermost or first channel 3.1 between the inners ⁇ th or first turn of 2.1 and the second winding 2.2 is of the cold flow medium K in the one direction by ⁇ flows and the second channel 3.2 between the second winding 2.2, and the third turn 2.3 from the warm flow medium W in the opposite direction, the third channel 3.3 again from the cold flow medium K, the fourth channel 3.4 from the warm flow medium W and the fifth channel 3.5 again from the cold flow medium K.
  • the individual channels 3.1, 3.2, ... are closed at both ends A and B of the heat exchanger via a semicircle 5.1, 5.2, ..., 5.5 and open therebetween.
  • connection points 6 ' are provided between the turns 2.1, 2.2,..., Distributed in the longitudinal direction and in the circumferential direction, which are produced, for example, by spot welding.
  • a bypass channel 9 is provided, by means of which, for example, cold air, for example in summer, can be conveyed into the room when the heat exchanger is used for room ventilation.
  • channels 13.1 and 13.2 for example, helical dividers may be provided to extend the flow path.
  • the channels 13.1 and 13.2 may have a different width by spacers 15 of different lengths.
  • a wide duct 13.2 for the passage of air and a narrow duct 13.1 for the passage of water can be provided.
  • the heat exchanger according to the invention can also be designed for three or more media.
  • a divider is provided in one of the channels 13.1, 13.2 to form three channels, e.g. through a channel
  • the heat transfer fluid heated by a solar system flow in the second channel may be provided a heat storage mass, e.g. Paraffin or fat, and through the third channel in the passage e.g. Water flows to get warm water.
  • the channel 13.1 can be closed on one end side on one, for example the left side and open on the other side, while the channel 13.2 on this front side is open on the left side and on the right side closed is.
  • corresponding covers 17, 18 with pipe connections 19, 20 on the respective side of each end face the corresponding inlets and outlets for the respective flow medium can be connected.
  • the bypass channel 6 is closed.
  • the heat exchanger can also be used as a mixer. As shown in FIG. 8, the cover 18, from which the warmer flow medium emerges, then also extends over the bypass channel 16.
  • FIGS. 9 and 10 differs from that according to FIG. 5 essentially in that the two blades 10, 11 of each pair act at a first predetermined angle ⁇ and the inner blade 11 turns with the outer blade 10 of the adjacent inner Winding after a second predetermined angle ß, the predetermined to the first Angle ⁇ , are interconnected to form the channels 20.1, 20.2, 20.3 for one and 21.1, 21.2 and 21.3 for the other flow medium.
  • connections between the leaves 10, 11 of a pair are formed by constrictions 23 of the pairs of leaves.
  • the angle at which the constrictions 23 are offset relative to the connections 24 between the inner blade 11 of one turn and the outer blade 10 of the respectively adjacent inner turn is .alpha. / 2.
  • the channels 20.1, 20.2 and 20.3 for the one, for example, cold flow medium K, and the channels 21.1, 21.2, 21.3 for the warm flow medium Wk are each arranged radially one behind the other.
  • the heat exchange surface is increased in this embodiment.
  • the lid 26 is shown schematically, the channels 21.1, 21.2, 21.3 closes at one end face of the heat exchanger to connect them with the drain line for the flow medium Wk.
  • the cover 26 has radially extending wings 27 which cover the channels 21.1, 21.2 and 21.3.
  • the gussets 28 at the constrictions 23 and connections 24 are closed in order to separate the two flow media from one another.
  • the cover, not shown, at this end face for connecting the supply line for the cold flow medium K to the heat exchanger 1 is constructed in a manner similar to the cover 26.
  • the inlet and outlet of the flow media at the two end faces of the heat exchanger 1 also take place in several pitch circles, ie not only in the form of semicircles, as shown in Figure 1 to 4 or 5 to 8.
  • the inlet and outlet openings can be adapted to the volume changes due to the cooling or heating via the size of the opening angles of the individual partial circles to the inlet and outlet volumes. That is, if a high-temperature gas over a Crystal Vietnamese ⁇ area of e.g. 60% or a total proportion of Generalnik ⁇ surfaces of e.g. 60% enters at one end face, the volume decreases as a result of the cooling and occurs at the other end face of the heat exchanger with e.g. 40% of ⁇ ff ⁇ ff mbis Diagram again off.
  • the cold gas e.g. 40% of the total area for entry at one end and e.g. 60% of the total area to be provided for exit on the other Stirn ⁇ side of the heat exchanger.
  • a preferred field of application of this variant of the heat exchanger is the exhaust gas heat recovery, for example in biomass combustion, in which the exhaust gas heats the combustion air.
  • particularly high-efficiency ventilation heat exchangers can be produced cost-effectively.
  • the bypass 6 in the interior is advantageous, especially in conjunction with a mixing valve.

Landscapes

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Abstract

Ein Wärmetauscher mit durch Trennwände getrennten Kanälen (3.1, 3.2,...), die abwechselnd im Gegenstrom von dem einen bzw. anderen Strömungsmedium (W, K) durchströmt werden, ist durch ein spiralförmig gewickeltes, blattförmiges Material (1) gebildet. Die Windungen (2.1, 2.2,...) der Spirale bilden dabei die Trennwände zwischen den Kanälen (3.1, 3.2,...). Die Kanäle (3.1, 3.2,...) sind zusätzlich durch Trennstege (4.1, 4.2,...) zwischen benachbarten Windungen (2.1, 2.2,...) voneinander getrennt.

Description

Wärmetauscher
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind die unterschiedlichsten Arten von Wärmetauschern bekannt, beispielsweise Röhrenwärmetauscher, Plattenwärmetau¬ scher, usw. So unterschiedlich sie in ihrer Art sind, so unterschiedlich sind auch die Einsatzgebiete. So werden Wär¬ metauscher beispielsweise zur Raumbelüftung verwendet, jedoch beispielsweise auch bei Stirling-Maschinen oder Stickstoffmo¬ toren eingesetzt. Neben einem hohen Wirkungsgrad und einem geringen Herstellungsaufwand wird dabei häufig ein geringer Platzbedarf sowie eine hohe Druck- und/oder Wärmefestigkeit verlangt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bereitzu¬ stellen, der diese Anforderungen erfüllt.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeich¬ neten Wärmetauscher erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Nach der Erfindung wird der Wärmetauscher auf einfache Weise dadurch hergestellt, dass wenigstens ein blattförmiges Mate¬ rial um die Längsachse des Wärmetauschers gewickelt wird. Im Querschnitt wird damit eine Spirale mit beabstandeten Windun¬ gen gebildet. Die Windungen bilden damit die Trennwände, während die Kanäle durch den Raum zwischen den beabstandeten Windungen gebildet werden. Um die einzelnen Kanäle voneinan¬ der zu trennen, können zwischen benachbarten Windungen zu¬ sätzlich Trennstege vorgesehen sein, die sich entlang des Wärmetauschers von einer Stirnseite zur anderen erstrecken. Damit wird zwischen zwei Windungen und zwei Trennstegen je¬ weils ein Kanal gebildet. Dadurch wird ein kompakter, platz¬ sparender Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sicher¬ gestellt. Darüber hinaus kann der Wärmetauscher als Meterware mit einer beliebigen Windungszahl und mit beliebigen Abmes¬ sungen vorproduziert werden.
Die Kanäle werden abwechselnd im Gegenstrom von dem einen bzw. anderen Strömungsmedium durchströmt, zwischen denen die Wärmeübertragung stattfindet. D.h., der innerste oder erste Kanal zwischen der innersten oder ersten Windung und der zweiten Windung wird von dem einen, beispielsweise warmen Strömungsmedium in einer Richtung durchströmt und der zweite Kanal zwischen der zweiten Windung und der dritten Windung von dem anderen, kälteren Strömungsmedium in der Gegenrich¬ tung, der dritte Kanal wieder von dem warmen Strömungsmedium, usw.
Das Strömungsmedium kann sowohl ein Gas wie eine Flüssigkeit sein, aber beispielsweise auch eine feste Wärmespeichermasse mit einer Schmelztemperatur unterhalb der Temperatur des warmen Strömungsmediums, beispielsweise Paraffin, Wachs oder Fett. Das blattförmige Material kann Metall, Kunststoff oder ein anderes Material sein, sofern es sich wickeln oder gewi¬ ckelt produzieren lässt. Bei einem gasförmigen Strömungsmedi¬ um und weniger extremen Anforderungen, beispielsweise beim Einsatz zur Raumlüftung, kann das blattförmige Material Kunststoff sein. Bei hohen Temperaturen kann beispielsweise auch ein Edelstahlblech verwendet werden. Insbesondere wenn die Trennwände aus dem blattförmigen Mate¬ rial einstückig ausgebildet sind, weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine hohe Druck- und Temperaturfestigkeit auf. Um die Druckfestigkeit zu erhöhen, können zwischen den Win¬ dungen vorzugsweise in Längsrichtung und um den Umfang ver¬ teilt punktförmige Verbindungsstellen vorgesehen sein.
Um den Strömungsweg bei gleicher Länge und gleichem Durchmes¬ ser des Wärmetauschers zu verlängern und damit den Wirkungs¬ grad zu erhöhen, sind vorzugsweise die einzelnen Kanäle an den Stirnseiten des Wärmetauschers über einen Teilkreis ge¬ schlossen und an der anderen Stirnseite über einen Teilkreis offen. Wenn die Trennstege parallel zur Polachse der Spirale, also parallel zur Längsachse des Wärmetauschers verlaufen, liegt vorzugsweise dem geschlossenen Teilkreis eines Kanals an der einen Stirnseite ein offener Teilkreis an der anderen Stirnseite gegenüber. Damit fließt das Strömungsmedium nicht gerade durch die Kanäle, sondern wird in Umfangsrichtung umgelenkt, so dass es an der anderen Stirnseite, bezogen auf den Querschnitt des Wärmetauschers, auf der gegenüberliegen¬ den Seite austritt. D.h., wenn es bei einem waagerecht ange¬ ordneten Wärmetauscher an der einen Stirnseite oben oder rechts in den Kanal eintritt, tritt es an der anderen Stirn¬ seite unten bzw. links aus.
Die Teilkreise werden vorzugsweise durch Halbkreise gebildet. Die offenen Teilkreise bzw. Halbkreise, über die das Strö¬ mungsmedium in den Wärmetauscher eintritt, sind vorzugsweise auf der gleichen Seite oder Hälfte der einen Seite des Wärme¬ tauschers angeordnet, und die offenen Teilkreise bzw. Halb¬ kreise, über die das andere Strömungsmedium auf der anderen Stirnseite in Gegenrichtung eintritt, auf der gegenüberlie¬ genden Seite bzw. Hälfte der anderen Stirnseite. D.h., bei einem waagerecht angeordneten Wärmetauscher und parallel zur Längsachse verlaufenden Trennstegen sind die offenen Teil- oder Halbkreise beispielsweise unten oder rechts für den Eintritt des einen Strömungsmediums vorgese¬ hen, und die offenen Teil- oder Halbkreise an der anderen Stirnseite für den Eintritt des anderen Strömungsmediums im Gegenstrom oben bzw. links. Damit wird der Anschluss des Wärmetauschers wesentlich erleichtert, weil das eine Strö¬ mungsmedium an der einen Stirnseite und das andere Strömungs¬ medium im Gegenstrom auf der anderen Stirnseite jeweils auf einer Seite bzw. Hälfte der jeweiligen Stirnseite angeschlos¬ sen werden kann.
Die Trennstege können jedoch auch schraubenförmig um die Polachse der Spirale, also die Längsachse des Wärmetauschers verlaufen. Der Schraubenwinkel kann 180 ° oder ein Vielfaches davon sein. Damit kann das Strömungsmedium jeweils an der gleichen Seite an der einen Stirnseite ein- und an der ande¬ ren Stirnseite austreten, also z.B. bei einem waagerecht angeordneten Wärmetauscher in der oberen Hälfte an einer Stirnseite eintreten und an der oberen Hälfte aus der anderen Stirnseite austreten.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann auf unterschiedlichen Gebieten zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann er bei Stickstoffmotoren verwendet werden, bei denen flüssiger Stickstoff mit Luft entspannt wird, d.h., bei denen der Stickstoff das kalte'Strömungsmedium und die Luft oder Wasser im Gegenstrom das warme Strömungsmedium bildet. Als weitere Verwendungsmöglichkeit ist die Stirling-Maschine zu nennen, da der erfindungsgemäße Wärmetauscher einem hohen Druck und hoher Temperatur standzuhalten vermag. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann ferner als Absorber für Wärmepumpen einge¬ setzt werden, ferner beispielsweise als Wasser/Luft-Erhitzer, z.B. als Vor- bzw. Nachheizregister. Auch ist er für Geowär- meanlagen hervorragend geeignet.
Wenn an der einen und der anderen Seite jeder Windung ein elektrischer Kontakt angebracht wird, kann der erfindungsge- mäße Wärmetauscher auch zur Gewinnung von Thermostrom nach dem Peltier-Effekt genutzt werden.
Nachstehend sind drei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 einen Wärmetauscher nach einer ersten Ausführungs¬ form in perspektivischer Ansicht;
Figur 2 und 3 eine Draufsicht auf die eine bzw. andere Stirnseite des Wärmetauschers;
Figur 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Figur 1;
Figur 5 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher nach einer weiteren Ausführungsform;
Figur 6 und 7 eine Draufsicht auf eine Stirnseite des
Wärmetauschers ohne bzw. mit Deckel nach Figur 5;
Figur 8 eine der Figur 7 entsprechende Draufsicht jedoch auf einen als Mischer ausgebildeten Wärmetauscher;
Figur 9 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher nach einer dritten Ausführungsfόrm; und Figur 10 eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Wärmetau¬ schers nach Figur 9 mit dem Deckel für eines der beiden Strömungsmedien.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht aus einem blatt¬ förmigen Material 1, das spiralförmig um die Längsachse des Wärmetauschers oder Polachse P der Spirale gewickelt ist. Die Windungen 2.1, 2.2, 2.3, ... , 2.6 der Spirale bilden die Trennwände des Wärmetauschers, während die Kanäle 3.1, 3.2, ... , 3.5 durch den Raum zwischen den benachbarten Windungen gebildet werden.
Um die einzelnen Kanäle strömungsmediumdicht voneinander zu trennen, sind zwischen benachbarten Windungen 2.1, 2.2, 2.3, ... zusätzlich Trennstege 4.1, 4.2, ... , 4.5 vorgesehen, die sich entlang des Wärmetauschers von einer Stirnseite A zur anderen Stirnseite B erstrecken.
Die Kanäle 3.1, 3.2, ... werden abwechselnd im Gegenstrom von dem warmen Strömungsmedium W bzw. dem kalten Strömungsmedium K durchströmt, wobei das warme Strömungsmedium W an der Stirnseite A eintritt und an der anderen Stirnseite B als Wk abgekühlt austritt, während das kalte Strömungsmedium K an der Stirnseite B eintritt und an der Stirnseite A als Kw erwärmt austritt.
D.h., der innerste oder erste Kanal 3.1 zwischen der inners¬ ten oder ersten Windung 2.1 und der zweiten Windung 2.2 wird von dem kalten Strömungsmedium K in der einen Richtung durch¬ strömt und der zweite Kanal 3.2 zwischen der zweiten Windung 2.2 und der dritten Windung 2.3 von dem warmen Strömungsmedi¬ um W in der Gegenrichtung, der dritte Kanal 3.3 wieder von dem kalten Strömungsmedium K, der vierte Kanal 3.4 von dem warmen Strömungsmedium W und der fünfte Kanal 3.5 wieder von dem kalten Strömungsmedium K. Um den Strömungsweg zu verlängern und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen, sind die einzelnen Kanäle 3.1, 3.2, ... an beiden Stirnseiten A und B des Wärmetauschers jeweils über einen Halbkreis 5.1, 5.2, ... , 5.5 geschlossen und dazwischen offen. Dem geschlossenen Halbkreis 5.1, 5.2, ... auf der einen Stirnseite A liegt dabei ein offener Halbkreis 6.1, 6.2, ... auf der anderen Stirnseite B gegenüber. Die ge¬ schlossenen Halbkreise 5.1, 5.2, ... erstrecken sich jeweils bis zum jeweiligen Trennsteg 4.1, 4.2, ... . Da die Trennste¬ ge 4.1, 4.2, ... parallel zur Polachse P verlaufen, fließt das Strömungsmedium W bzw. K nicht gerade durch die Kanäle 3.1, 3.2, ... , sondern es wird in Umfangsrichtung umgelenkt, so dass es an der anderen Stirnseite B bzw. A auf der gegenü¬ berliegenden Hälfte austritt. D.h., das Strömungsmedium W tritt an der einen, linken Hälfte der Stirnseite A ein und an. der gegenüberliegenden, also rechten Hälfte der Stirnseite B, als Wk wieder aus, während das andere Strömungsmedium K an der linken Hälfte der Stirnseite B eintritt und an der rech¬ ten Hälfte der Stirnseite A als Kw wieder austritt, so dass dort die entsprechenden Zu- und Ablaufleitungen angeschlossen werden können.
Um die Druckfestigkeit des Wärmetauschers zu erhöhen, sind zwischen den Windungen 2.1, 2.2, ... in Längsrichtung und in Umfangsrichtung verteilt punktförmige Verbindungsstellen 6' vorgesehen, die beispielsweise durch Punktschweißen erzeugt werden.
Die Trennstege 4.1, 4.2, ... zwischen den einzelnen Windungen 2.1, 2.2 sind einander benachbart auf einer Seite des Wärme¬ tauschers angeordnet. Der Endabschnitt der inneren bzw. der äußeren Längskante 7 bzw. 8 des spiralförmig gewickelten Materials 1 ist mit der benachbarten Windung 2.2 bzw. 2.5 dicht verbunden. In der Mitte des Wärmetauschers ist ein Bypass-Kanal 9 vorge¬ sehen, durch den bei Verwendung des Wärmetauschers zur Raum¬ lüftung beispielsweise kalte Luft, z.B. im Sommer, in den Raum gefördert werden kann.
Um den Wärmeübergang zu verbessern, können in den Kanälen 3.1, 3.2, ... auch Lamellen oder dergleichen Oberflächen vergrößernde Körper vorgesehen sein.
Bei der weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers nach Figur 5 und 6 sind zwei, also ein Paar von Blättern 10 und 11, welche durch Abstandshalter 14 voneinander getrennt sind, spiralförmig um die Längs- oder Polachse P gewickelt. Der Kanal 13.1 für das eine, z.B. warme Strömungsmedium W, wird dabei durch den Abstand zwischen den beiden Blättern 10 und
11 gebildet, und der Kanal 13.2 für das andere, z.B. kalte Strömungsmedium K, durch den Abstand zwischen dem inneren Blatt 11 der jeweiligen äußeren Windung des Blattpaares 11,
12 und dem äußeren Blatt 10 der benachbarten inneren Windung des Blattpaares 10, 11.
In den Kanälen 13.1 und 13.2 können (nicht dargestellte) beispielsweise schraubenförmige Trennstege vorgesehen sein, um den Strömungsweg zu verlängern. Auch können die Kanäle 13.1 und 13.2 durch unterschiedlich lange Abstandshalter 15 eine unterschiedliche Breite besitzen. So kann beispielsweise bei einem Luft/Wärme-Tauscher ein breiter Kanal 13.2 für den Luftdurchtritt und ein schmaler Kanal 13.1 für den Wasserdurchtritt vorgesehen sein.
In Figur 5 sind zugleich die Kontakte 15, 16 zur Abnahme des Thermostroms nach dem Peltier-Effekt von dem Blatt 11 darge¬ stellt, das auf der einen Seite durch das warme Strömungsmit¬ tel W in dem Kanal 13.1 erwärmt und auf der anderen Seite durch das kalte Strömungsmedium K in dem Kanal 13.2 gekühlt wird.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann auch für drei und mehr Medien ausgelegt sein. Wenn beispielsweise ein Trennsteg in einem der Kanäle 13.1, 13.2 vorgesehen ist, um drei Kanäle zu bilden, kann z.B. durch einen Kanal die von einer Solaran¬ lage erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit fließen, im zweiten Kanal eine Wärmespeichermasse vorgesehen sein, z.B. Paraffin oder Fett, und durch den dritten Kanal im Durchlauf z.B. Wasser fließen, um warmes Wasser zu erhalten.
Gemäß Figur 6 kann auch bei der Ausführungsform nach Figur 5 der Kanal 13.1 an einer Stirnseite auf einer, beispielsweise der linken Seite geschlossen und auf der anderen Seite offen sein, während der Kanal 13.2 auf dieser Stirnseite auf der linken Seite offen und auf der rechten Seite geschlossen ist. Durch Anbringung entsprechender Deckel 17, 18 mit Rohran¬ schlüssen 19, 20 auf der jeweiligen Seite jeder Stirnseite können die entsprechenden Zu- und Ablaufleitungen für das jeweilige Strömungsmedium angeschlossen werden. Mit dem De¬ ckel wird der Bypass-Kanal 6 verschlossen.
Wenn der Bypass-Kanal 6 mit dem Kanal 13.1 und/oder 13.2 verbunden ist, kann der Wärmetauscher auch als Mischer ver¬ wendet werden. Wie in Figur 8 dargestellt, erstreckt sich dann der Deckel 18, aus dem das wärmere Strömungsmedium aus¬ tritt, auch über den Bypass-Kanal 16.
Die Ausführungsform nach Figur 9 und 10 unterscheidet sich von der nach Figur 5 im Wesentlichen dadurch, dass die beiden Blätter 10, 11 jedes Paares nach einem ersten vorgegebenen Winkel α und das innere Blatt 11 einer Windung mit dem äuße¬ ren Blatt 10 der benachbarten inneren Windung nach einem zweiten vorgegebenen Winkel ß, der zu dem ersten vorgegebenen Winkel α versetzt ist, miteinander verbunden sind, um die Kanäle 20.1, 20.2, 20.3 für das eine und 21.1, 21.2 und 21.3 für das andere Strömungsmedium zu bilden.
Die Verbindungen zwischen den Blättern 10, 11 eines Paares werden durch Einschnürungen 23 der Blätterpaare gebildet.
Der Winkel, um den die Einschnürungen 23 gegenüber den Ver¬ bindungen 24 zwischen dem inneren Blatt 11 einer Windung mit dem äußeren Blatt 10 der jeweils benachbarten inneren Windung versetzt sind, beträgt α/2. Auf diese Weise sind die Kanäle 20.1, 20.2 und 20.3 für das eine, beispielsweise kalte Strö¬ mungsmedium K, und die Kanäle 21.1, 21.2, 21.3 für das warme Strömungsmedium Wk jeweils radial hintereinander angeordnet. Gegenüber der Ausführungsform nach Figur 5 wird bei dieser Ausführungsform die Wärmeaustauschfläche vergrößert.
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In Figur 10 ist schematisch der Deckel 26 gezeigt, der an einer Stirnseite des Wärmetauschers die Kanäle 21.1, 21.2, 21.3 verschließt, um diese mit der Ablaufleitung für das Strömungsmedium Wk zu verbinden. Der Deckel 26 weist radial verlaufende Flügel 27 auf, die die Kanäle 21.1, 21.2 und 21.3 abdecken. Die Zwickel 28 an den Einschnürungen 23 und Verbin¬ dungen 24 sind verschlossen, um die beiden Strömungsmedien voneinander zu trennen. Der nicht dargestellte Deckel an dieser Stirnseite zur Verbindung der Zulaufleitung für das kalte Strömungsmedium K mit dem Wärmetauscher 1 ist in glei¬ cher Weise aufgebaut wie der Deckel 26.
Bei den beiden Ausführungsformen nach Figur 1 bis 4 bzw. 5 bis 8 kann der Ein- und Austritt der Strömungsmedien an den beiden Stirnseiten des Wärmetauschers 1 auch in mehreren Teilkreisen erfolgen, also nicht nur in Form von Halbkreisen, wie in Figur 1 bis 4 bzw. 5 bis 8 dargestellt. So ist es beispielsweise möglich, zwei Teilkreise mit je 90 ° zum Eintritt und zwei Teilkreise mit je 90 ° zum Austritt oder sechs Teilkreise mit je 30 ° zum Eintritt und sechs Teilkreise mit je 30 ° zum Austritt oder vier Teilkreise mit je 60 ° zum Eintritt und zwei Teilkreise mit je 60 ° zum Austritt oder zwei Teilkreise mit je 160 ° zum Eintritt und zwei Teilkreise mit je 20 ° zum Austritt auf jeder Stirnseite des Wärmetauschers vorzusehen.
So können bei Gasen und hohen Temperaturen die Ein- und Aus¬ trittsöffnungen den Volumenveränderungen durch die Abkühlung oder Erwärmung über die Größe der Öffnungswinkel der einzel¬ nen Teilkreise den Ein- und Austrittsvolumen angepasst wer¬ den. D.h., wenn ein hochtemperiertes Gas über eine Teilkreis¬ fläche von z.B. 60 % oder einen Gesamtanteil der Teilkreis¬ flächen von z.B. 60 % an einer Stirnseite eintritt, verrin¬ gert sich durch die Abkühlung das Volumen und es tritt an der anderen Stirnseite des Wärmetauschers mit z.B. 40 % der Öff¬ nungsfläche wieder aus. Ebenso können für das kalte Gas z.B. 40 % der Gesamtfläche zum Eintritt an einer Stirnseite und z.B. 60 % der Gesamtfläche zum Austritt an der anderen Stirn¬ seite des Wärmetauschers vorgesehen sein.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet dieser Variante des Wärmetau¬ schers ist die Abgaswärmerückgewinnung, beispielsweise bei der Biomasseverbrennung, bei der das Abgas die Verbrennungs- luft erwärmt.
Nach der Erfindung sind insbesondere hocheffiziente Lüftungs¬ wärmetauscher kostengünstig herstellbar. Hierbei ist vor allem der Bypass 6 im Inneren von Vorteil, insbesondere in Verbindung mit einem Mischventil.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher mit durch Trennwände getrennten Kanälen
(3.1, 3.2, ... , 13.1, 13.2), die abwechselnd im Gegen¬ strom von dem einen bzw. anderen Strömungsmedium (K, W) durchströmt werden, gekennzeichnet durch wenigstens ein spiralförmig gewickeltes blattförmiges Material (1, 10, 11) , wobei die Windungen (2.1, 2.2, ...) der Spirale die . Trennwände bilden und die Kanäle (3.1, 3.2, ... , 13.1, 13.2, 20.1, 20.2, 20.3, 21.1, 21.2, 21.3) durch die Ab¬ stände zwischen den einzelnen Windungen (2.1, 2.2, ...) gebildet sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (3.1, 3.2, ...) durch Trennstege (4.1, 4.2, ...) zwischen benachbarten Windungen (2.1, 2.2, ...) voneinander getrennt sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch we¬ nigstens ein Paar spiralförmig, im Abstand voneinander gewickelter Blätter (10, 11), wobei der Kanal (13.1) oder die Kanäle (20.1, 20.1, 20.3) für das eine Strömungsmedi¬ um (W, K) durch den Abstand zwischen den beiden Blättern (10, 11) des Paares und der Kanal (13.2) oder die Kanäle (21.1, 21.2, 21.3) für das andere Strömungsmedium (K, W) durch den Abstand zwischen den Windungen des Blätterpaa¬ res (10, 11) gebildet wird.
4. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kanäle (3.1, 3.2, ...) an einer Stirnseite (A, B) des Wärmetauschers .über einen Teilkreis (5.1, 5.2, ...) geschlossen und an der anderen Stirnseite (B, A) über einen Teilkreis (6.1, 6.2, ...) offen sind.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstege (4.1, 4.2, ...) parallel zur Polachse (P) der Spirale verlaufen.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem geschlossenen Teilkreis (5.1, 5.2, ...) eines Kanals (3.1, 3.2, ...) an der einen Stirnseite (A, B) ein offener Teilkreis (6.1, 6.2, ...) an der anderen Stirn¬ seite (B, A) gegenüberliegt.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossenen Teilkreise (5.1, 5.2, ...) und die offenen Teilkreise (6.1, 6.2, ...) durch einen Halbkreis gebildet werden.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstege (4.1, 4.2, ...) schraubenförmig um die Polachse (P) der Spirale verlaufen.
9. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstege (4.1, 4.2, ...) einander benachbart zwischen den Windungen (2.1, 2.2, ...) angeordnet sind.
10. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Windungen (2.1, 2.2, ...) jeweils ein einziger Trennsteg (4.1, 4.2, ... ) angeordnet ist.
11. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (2.1, 2.2, ...) punktförmig (6) miteinander verbunden sind.
12. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spiralförmig gewickelte, blattförmige Material (1) einen Bypass-Kanal (9) in der Mitte des Wärmetauschers umschließt.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Blätter (10, 11) jedes Paares nach einem ersten vorgegebenen Winkel (α) und das innere Blatt (11) einer Windung mit dem äußeren Blatt (10) der benachbarten inneren Windung nach einem zweiten vorgegebenen Winkel (ß) , der zu dem ersten vorgegebenen Winkel (α) versetzt ist, miteinander verbunden sind, um die Kanäle (20.1, 20.2, 20.3) für das eine Strömungsmedium (K) und die Ka¬ näle (21.1, 21.2, 21.3) für das andere Strömungsmedium
(Wk) zu bilden.
14. Wärmetauscher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und der zweite Winkel (ß) gleich groß sind.
15. Wärmetauscher nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Winkel, um den die Verbindungen (24) zwischen dem inneren Blatt (11) einer Windung mit dem äu¬ ßeren Blatt (10) der jeweils benachbarten inneren Windung gegenüber den Verbindungen der beiden Blätter (10, 11) jedes Paares versetzt sind, die Hälfte des ersten Winkels (α) beträgt.
16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zwischen den Blät¬ terpaaren (10, 11) durch Einschnürungen (23) der Blätter¬ paare gebildet sind.
17. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (20.1, 20.2, 20.3) für das eine Strömungsmedium (K) und die Kanäle (21.1, 21.2, 21.3) für das andere Strömungsmedium (Wk) zur Polachse (P) jeweils radial hintereinander angeordnet sind.
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