EP2307839A1 - Wärmetauscher, verfahren zum betreiben des wärmetauschers und verwendung des wärmetauschers in einer klimaanlage - Google Patents

Abstract

Bei einem Wärmetauscher mit einem Kapillarrohrregister, bei dem ein zu kühlendes und/oder zu erwärmendes Fluid durch Kapillarohre geführt wird und die Kapillarohre im Gegenstrom zum Fluid von Luft umströmt werden, besteht das Kapillarrohrregister aus zumindest einer Kapillarrohrmatte, die aus für den Fluiddurchgang netzartig miteinander verbundenen Kapillarlängs- (1) und -querrohren (2) gebildet ist. Zumindest die Kapillarlängsrohre sind mit ihren Enden gemeinsam jeweils an einen Stamm (3) für die Zuführung bzw. einen Stamm (4) für die Abführung des Fluids angeschlossen.

Description

Wärmetauscher, Verfahren zum Betreiben des Wärmetauschers und Verwendung des Wärmetauschers in einer Klimaanlage

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben dieses Wärmetauschers sowie eine Verwendung von mindestens zwei dieser Wärmetauscher in einer Klimaanlage .

Kapillarrohre bieten gute Voraussetzungen für eine Verwendung beispielsweise in Luft/Wasser-Wärmetauschern. Sie benötigen relativ wenig sowie kostengünstiges Material zu ihrer Herstellung und bieten eine relativ große Außenfläche für den Wärmeübergang und damit einen mehrfach höheren Wärmeübergangswert z.B. im Vergleich mit Plattenwärmetauschern. Zudem sind sie korrosionsfest gegenüber Wasser und Sorptionslösungen. Als Kapillarrohre werden flexible Kunststoff- röhre mit einem Außendurchmesser von 0,5 bis 5 mm bezeichnet .

Die Kapillarrohre sind im Allgemeinen zu Matten zu- sammengefasst, wobei die Rohre im Abstand von etwa 10 bis 20 mm parallel zueinander angeordnet und an dem einen Ende mit einem gemeinsamen Stamm für den Zulauf von Wasser oder eines anderen Heiz- bzw. Kühlfluids sowie an dem anderen Ende mit einem gemeinsamen Stamm für den Rücklauf des Wassers oder anderen Heiz- bzw. Kühlfluids verbunden sind. Die Kapillarrohre werden durch Abstandshalter in ihrer gegenseitigen Lage gehalten. Eine derartige Matte ist beispielsweise in der DE 196 40 514 Al gezeigt. Dennoch ergeben diese Kapillarrohrmatten noch keinen zufriedenstellenden Wirkungsgrad für einen Wärmetauscher. Auch ist der Materialaufwand für ihre Herstellung durch die Verwendung der Abstandshalter noch erheblich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher mit einem Kapillarrohrregister, durch das ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Kapillarrohrregister im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, an- zugeben, der zumindest einen höheren Wirkungsgrad als der bisherige, Kapillarrohrmatten verwendende Wärmetauscher aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Wärmetauschers, ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben dieses Wärmetauschers sowie eine zweckmäßige Verwendung von mindestens zwei Wärmetauschern in einer Klimaanlage ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dadurch, dass das Kapillarrohregister aus zumindest einer Kapillarrohrmatte besteht, die aus für den Fluiddurchgang netzartig miteinander verbundenen Ka- pillarlängs- und Kapillarquerröhren gebildet ist, wo- bei zumindest die Kapillarlängsrohre jeweils an einen Stamm für die Zu- bzw. Abführung des Fluids angeschlossen sind, kann die Wärmeaustauschfläche gegenüber der Verwendung einer nur aus Kapillarlängsrohren bestehenden Matte deutlich vergrößert, gegebenenfalls sogar verdoppelt werden, so dass auch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers entsprechend erhöht wird. Da die Kapillarquerröhre den gegenseitigen Abstand der Kapillarlängsrohre sicherstellen, entfallen auch die Abstandshalter, wobei davon ausgegangen werden kann, dass der Materialaufwand für die Kapillarquerröhre etwa dem für die Abstandshalter entspricht.

Die Ausbildung der Matte mit Kapillarlängs- und Kapillarquerrohren ermöglicht auch, den Strömungsver- lauf des Fluids in der Matte durch Sperren des Durchgangs in einzelnen Kapillarlängs- und/oder -querroh- ren in gewünschter Weise zu steuern. Dadurch kann die Matte mit Aussparungen sowohl im Innern als auch am Rand versehen werden oder es kann ein mäanderförmiger Strömungsverlauf in der Matte eingestellt werden. Es ist hierdurch auch möglich, die Zu- und/oder Abführleitung für das Fluid an den jeweiligen Enden der Kapillarrohre kürzer als die entsprechende Seite der Matte auszubilden, so dass die Strömung der zu küh- lenden bzw. zu erwärmenden Luft durch diese weniger stark behindert wird.

Die Kapillarrohre der Matte können derart angeordnet sein, dass die Kapillarlängs- und die Kapillarquer- röhre unter einem rechten Winkel zueinander verlaufen. Vorteilhafter für den Strömungsverlauf ist es jedoch, wenn sich die Kapillarlängs- und -querrohre unter einem von einem rechten Winkel um 5° bis 20° abweichenden Winkel kreuzen. In dieser Hinsicht besonders vorteilhaft ist es, wenn sich Kapillarlängs - und -querrohre unter einem rechten Winkel kreuzen, jedoch jeweils um 45° gegenüber den Rändern der Matte und damit gegenüber den Stämmen geneigt sind. In diesem Fall sind sowohl die Kapillarlängs- als auch die Kapillarquerrohre direkt mit den Stämmen verbunden.

Für einen Betrieb des Wärmetauschers zur Be- oder Entfeuchtung von Luft kann die äußere Oberfläche der Kapillarrohre hydrophil oder wasserspreitend ausgebildet sein, die möglichst gleichmäßig mit Wasser zur Befeuchtung oder einer Sorptionslösung zur Entfeuchtung benetzt wird. Für eine gleichmäßige Benetzung empfiehlt sich die Aufbringung eines Vliesstoffes o- der einer Schicht aus wasserspreitendem Material auf die Oberfläche der Kapillarrohre. Die bei der Luftbe- feuchtung benötigte Verdunstungswärme wird durch das durch die Kapillarrohre strömende Fluid geliefert; andererseits muss bei einer Luftentfeuchtung das Fluid die entsprechende Kondensationswärme aufnehmen.

Die gleichmäßige Benetzung ist erforderlich, damit die benötigte Menge Sorptionslösung möglichst gering ist. Da der erwünschte Wärmeübergang zwischen dem Fluid und der Luft erfolgen soll, ist eine Wärmeaufnahme durch die Sorptionslösung störend, das diese einen Wärmeverlust darstellt. Dieser ist jedoch umso größer, je größer die Menge der verwendeten Sorptionslösung ist. Daher sollte das Mengenverhältnis von Sorptionslösung zu durch die Kapillarrohre strömendem Fluid nicht mehr als 5%, vorzugsweise nicht mehr als 1% betragen. Dies ist jedoch nur durch eine möglichst gleichförmige Benetzung der Kapillarrohre zu erreichen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Fi- guren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig: 1 eine Kapillarrohrmatte mit innerem Ausschnitt,

Fig: 2 eine Kapillarrohrmatte mit Randausschnitt,

Fig: 3 eine Kapillarrohrmatte mit verkürztem Stamm für die Abführung des Fluids,

Fig: 4 eine Kapillarrohrmatte mit mäanderförmigem Strömungsverlauf ,

Fig: 5 eine Kapillarrohrmatte mit unter jeweils 45° zu den Stämmen verlaufenden Kapillar- längs- und -querröhren,

Fig: 6 einen Luftwärmetauscher mit mehreren parallelen Kapillarrohrmatten, und

Fig: 7 die schematische Darstellung einer Klimaanlage .

Fig: 8 einen Wärmetauscher mit Fluidverteilungs- kammern in der Fläche der Kapillarrohrmatte in der Draufsicht,

Fig. 9.1: die obere Folie der Kapillarrohrmatte und die Abdeckung der in Fig. 8 gezeigten obe- ren Kammer im Schnitt, Fig. 9.2: die in Fig. 8 obere Kammer im Schnitt vor dem Verschweißen der beiden Folien der Kapillarrohrmatte,

Fig. 9.3: die in Fig. 8 obere Kammer im Schnitt nach dem Verschweißen der beiden Folien der Kapillarrohrmatte,

Fig. 9.4 einen horizontalen Schnitt durch die Kam- tne nach Fig. 9.3,

Fig. 10: einen vertikalen Schnitt durch eine Kammer mit modifizierter Konfiguration, und

Fig. 11: die Draufsicht auf einen Wärmetauscher mit Sammelrohren außerhalb der Fläche der Kapillarrohrmatte .

Fig. 1 zeigt eine Kapillarrohrmatte mit sich unter einem rechten Winkel kreuzenden Kapillarlängsrohren 1 und Kapillarquerrohren 2, deren Innenräume an den Kreuzungspunkten jeweils so miteinander verbunden sind, dass ein in dem einen Kapillarrohr strömendes Fluid in das andere Kapillarrohr eintreten kann. Die Kapillarlängsrohre 1 sind mit ihrem oberen Ende gemeinsam mit einem Stamm 3 für die Zuführung eines Fluids, vorzugsweise Wasser, und mit ihrem unteren Ende gemeinsam mit einem Stamm 4 für die Abführung des Fluids verbunden. Das Fluid bewegt sich somit in der durch die Pfeil 5 angezeigten Richtung durch die

Matte, wobei es jedoch nicht nur durch die Kapillarlängsrohre, sondern auch durch die Kapillarquerröhre 2 strömt. Da die Kapillarquerröhre 2 den gleichen gegenseitigen Abstand wie die Kapillarlängsröhre 1 auf- weisen, ist ihre Gesamtlänge gleich der der Kapillarlängsrohre 1, und somit ist die für einen Wärmeaus- tausch zur Verfügung stehende Oberfläche doppelt so groß wie bei einer nur aus Kapillarlängsrohren bestehenden Matte. Dementsprechend ist auch der Wirkungsgrad höher. Die Kapillarquerrohre 2 stellen auch si- eher, dass der gegenseitige Abstand der Kapillarlängsrohre 1 nicht verändert wird. Daher sind Abstandshalter entbehrlich.

Die Kapillarrohrmatte in Fig. 1 enthält einen inneren Ausschnitt 6, der frei von Kapillarrohren ist. Die an dem Ausschnitt 6 mündenden Kapillarrohre sind unmittelbar vor diesen mit Abklemmungen 7 ausgebildet, so dass kein Fluid aus ihnen austreten, sondern vorher in ein kreuzendes Kapillarrohr umgeleitet werden kann.

Die Herstellung der gitterförmigen Kapillarrohrmatte ist relativ einfach. Es werden zunächst zwei Halbschalen mit jeweils der Kontur von halben Kapillar- röhren hergestellt und die beiden Halbschalen dann zusammengeschweißt. Das Abklemmen der Kapillarrohre kann bei einer fertigen Matte in der Weise erfolgen, dass das betreffende Kapillarrohr zusammengedrückt und durch Wärmezufuhr die zusammengedrückte Innenwand verschweißt wird.

Die Kapillarrohrmatte nach Fig. 2 entspricht der nach Fig. 1, jedoch ist diese nicht mit einem inneren Ausschnitt, sondern mit einem Randausschnitt 8 versehen.

Bei der Kapillarrohrmatte nach Fig. 3 ist der untere Stamm 4 für die Abführung des Fluids stark verkürzt und die nicht mit diesem Stamm verbundenen Kapillarlängsrohre 1 sind an ihrem unteren Ende mit Abklem- mungen 7 versehen, so dass das Fluid aus diesen durch die Kapillarquerrohre 2 zu den mit dem Stamm 4 ver- bundenen Kapillarlängsrohren 1 umgeleitet wird. Damit die Strömungswege für das Fluid weitgehend gleichmäßig sind, sind weiterhin durch Abklemmen gebildete Barrieren 9 in den mit dem Stamm verbundenen oder un- mittelbar angrenzenden Kapillarlängsrohren 1 vorgesehen, so dass auch das durch diese strömende Fluid nur über eine Umleitung zum Stamm 4 gelangt.

Die Kapillarrohrmatte nach Fig. 4 enthält zwei durch Abklemmen von Kapillarlängsrohren 1 erhaltene Barrieren 9, die sich von gegenüberliegenden Rändern der Matte jeweils über die Hälfte von deren Breite in Richtung der Kapillarquerrohre 2 erstrecken. Hierdurch wird der Strömungsweg des Fluids mäanderförmig verlängert. Dies kann sinnvoll sein, wenn das Mengenverhältnis Fluid/Luft klein ist, da die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids einen Mindestwert nicht unterschreiten sollte, weil sonst der Wärmeübergang zwischen Fluid und Luft sinkt und die Strömung des Fluids ungleichmäßig wird.

Bei der in den Fign. 1 bis 4 gezeigten Kapillarrohrmatte mit einer Fluideinspeisung nur in die Kapillarlängsrohre und mit einander senkrecht kreuzenden Ka- pillarlängs- und -querrohren erfolgt an den Verbindungsstellen eine Umleitung des Fluids um 90°. Dies ergibt eine ausreichende Durchströmung auch der Kapillarquerrohre, wobei diese jedoch noch dadurch verbessert werden kann, dass die Kapillarquerrohre nicht im rechten Winkel, sondern in einem von diesem um etwa 5° bis 20° von diesem abweichenden Winkel verlaufen. Hierdurch kann der durch die Kapillarquerrohre hindurchgehende Teilstrom des Fluids vergrößert werden, was eine Erhöhung des Wärmeaustauschs zwischen Fluid und Luft bewirkt. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Kapillar- rohrmatte zeigt Fig. 5. Hier kreuzen die Kapillarlängsrohre 1 und die Kapillarquerröhre 2 einander zwar ebenfalls unter einem rechten Winkel, jedoch verlaufen sie jeweils unter einem Winkel von 45° gegenüber den Stämmen 3, 4 und sind auch jeweils direkt mit diesen verbunden. Das Fluid strömt somit aus dem Stamm 3 direkt sowohl in die Kapillarlängsrohre 1 als auch in die Kapillarquerrohre 2, so dass diese in gleichem Maße hiermit versorgt werden und nur ein geringer Fluidaustausch zwischen ihnen erfolgt. Jedoch ist sichergestellt, dass das Wärmeaustauschvermögen der Kapillarlängsrohre 1 und der Kapillarquerröhre 2 einander gleich ist, wodurch ein optimaler Wirkungs- grad erzielt wird.

Fig. 6 zeigt den Einsatz von gitterförmigen Kapillarrohrmatten, so wie sie beispielsweise in den Fign. 1 bis 5 dargestellt sind, in einem Luft/Wasser-Wärme- tauscher. Die in der Seitenansicht wiedergegebenen Kapillarrohrmatten 10 sind parallel zueinander und vertikal in einem Gehäuse 11 angeordnet. Die jeweiligen Stämme 3 der einzelnen Matten sind an eine gemeinsame Vorlaufleitung 12 für das Wasser (Fluid) an- geschlossen und die jeweiligen Stämme 4 der Matten 10 sind an eine gemeinsame Rücklaufleitung 13 angeschlossen. Die zu erwärmende oder zu kühlende bzw. zu befeuchtende oder zu entfeuchtende Luft strömt parallel zu den Kapillarrohrmatten 10 im Gegenstrom zum Wasser, d.h. von unten nach oben, wie durch die Pfeile 14, 15 angezeigt ist, durch das Gehäuse 11.

Zum Zwecke der Be- oder Entfeuchtung der Luft sind die Kapillarrohre der Matten 10 auf ihrer äußeren Oberfläche mit einer hydrophilen oder wasserspreitenden Beschichtung versehen. Dieser wird an einer mög- liehst hohen Stelle der jeweiligen Matte 10 im Falle der Befeuchtung Wasser und im Falle der Entfeuchtung eine Sorptionslösung, die beispielsweise aus einer wässrigen Lithiumchloridlösung besteht, zugeführt. Die hydrophile oder wasserspreitende Beschichtung dient dazu, die Kapillarohre der Matten 10 über ihre gesamte Länge möglichst gleichmäßig mit dem Wasser bzw. der Sorptionslösung zu benetzen. Für diesen Zweck hat sich eine vliesartige Beschichtung als be- sonders vorteilhaft erwiesen.

Durch die Schwerkraft sowie durch Kapillarwirkung verteilt sich das Wasser bzw. die Sorptionslösung gleichmäßig über die Länge der Kapillarrohre. Hierfür ist die Konfiguration der Kapillarrohrmatte nach Fig. 5 geeigneter als die nach den Fign. 1 bis 4, da alle Kapillarrohre in gleichem Maße gegenüber der Horizontalen geneigt sind.

Die Sorptionslösung nimmt während des Herabfließens an den Kapillarrohren der Matten 10 Feuchtigkeit aus der entgegenströmenden Luft auf und wird mit dem aufgenommenen Wasser am unteren Ende der Matte 10 in einen Auffangbehälter geleitet. Sie kann dann regene- riert und den Matten wieder zugeführt werden. Die durch die Kondensation der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit entstandene Wärme wird durch Wärmeaustausch auf das Wasser in den Kapillarrohren übertragen und durch dieses abgeführt. Umgekehrt wird die bei einer Luftbefeuchtung für die Verdunstung des

Wassers auf den Kapillarrohren benötigte Wärme über das in den Kapillarrohren strömende Wasser herbeigeführt .

Generell gilt für Luft/Wasser-Wärmetauscher, dass der höchste Wirkungsgrad erzielt wird, wenn die so ge- nannte Wasserzahl, d.h. das Verhältnis der Temperaturänderung der Luft zur Temperaturänderung des Wassers, über die gesamte Fläche gleich ist. Diese Forderung stellt bei der trockenen Kühlung von Luft kein Problem dar, denn die spezifische Wärme der Luft bleibt wie die des Wassers konstant. Bei gleichzeitiger Entfeuchtung der Luft kann jedoch durch die frei werdende Kondensationswärme die spezifische Wärmekapazität der Luft auf ein Mehrfaches des Wertes der trockenen Luft ansteigen, und zwar bei höheren Lufttemperaturen stärker als bei niedrigen.

Verwendet man jedoch eine Kapillarrohrmatte nach Fig. 4 mit mäanderförmiger Fluidströmung, dann kann durch unterschiedlich starke Mäanderbildung die Verweilzeit des Fluids (Wassers) im Bereich der stärkeren Entfeuchtung verlängert und hierdurch die Wasserzahl für beide Medien angenähert konstant gehalten werden.

Da der Grad der Entfeuchtung sich im Betrieb stark ändern kann, wird die Mäanderbildung für den Betriebspunkt ausgelegt, bei dem ein guter Wirkungsgrad besonders wichtig ist.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Klimaanlage, in der zwei Wärmetauscher gemäß Fig. 6 Verwendung finden. Bei dieser Klimaanlage findet eine extrem hohe Wärme - rückgewinnung statt, die eine zusätzliche Erwärmung oder Kühlung der Zuluft erübrigt, indem je ein Wärme- tauscher als Enthalpietauscher für die Zuluft und die Abluft geschaltet wird.

Im Sommerbetrieb wird die Zuluft 16 in einem ersten Enthalpietauscher 17 gekühlt und entfeuchtet. Das Kühlwasser strömt im Kreislauf durch beide Wärmetauscher. Es wird in dem Register des ersten Enthalpie- tauschers 17 bei der Kühlung und Entfeuchtung der Zuluft 16 erwärmt. Im Register des zweiten Enthalpie- tauschers 18 wird das Kühlwasser durch die Abluft 19 wieder abgekühlt, nachdem diese in einem vorgeschal- teten Befeuchter adiabat auf ihre Taupunkttemperatur gekühlt wurde. Die Abluft 19 wird hierdurch erwärmt und befeuchtet und anschließend aus dem Gebäude herausgeführt.

Im oberen Teil des Registers des ersten Enthalpietau- schers 17 werden die beschichteten Kapillarrohre mit Sorptionslösung beaufschlagt, die innerhalb der Be- schichtung nach unten diffundiert, wobei sie mit durch Kondensation von Luftfeuchtigkeit gebildetem Wasser angereichert wird.

In gleicher Weise wird im oberen Teil des Registers des zweiten Enthalpietauschers 18 Wasser auf die beschichteten Kapillarrohre gegeben, das zumindest teilweise verdunstet und mit der Abluft 19 abgeführt wird.

Fig. 8 zeigt eine Kapillarrohrmatte mit sich unter einem rechten Winkel kreuzenden Kapillarlängsrohren 1 und Kapillarquerröhren 2, deren Innenräume in den Kreuzungspunkten jeweils so miteinander verbunden sind, dass sie einen zusammenhängenden Raum bilden. Es besteht an den Rändern der Kapillarrohrmatte keine Verbindung des Innenraums der Kapillarrohre nach au- ßen.

Innerhalb der von der Kapillarmatte eingenommenen Fläche befinden sich zwei Kammern 20 und 21, einerseits für die Zuführung eines Fluids in das Innere der Kapillarrohre und andererseits für die Abführung des Fluids aus diesen. In den Kammern 20 und 21 sind die jeweils zu diesen hinzuführenden bzw. von diesen wegführenden Kapillarlängs- und Querrohre unterbrochen, d.h. in der oberen Kammer 20 zwei Längsrohre 1 und zwei Querrohre 2 sowie in der unteren Kammer 21 drei Längsrohre 1 und zwei Querrohre 2. Zwischen dem Inneren der unterbrochenen Kapillarrohre und dem Inneren der jeweiligen Kammer besteht eine Verbindung, so dass in den Kapillarrohren befindliches Fluid in die Kammer und in der Kammer befindliches Fluid in die Kapillarrohre eintreten kann. Die Kammern 20 und 21 sind zusätzlich mit jeweils einem nicht gezeigten Anschluss für die Zu- oder Abführung des Fluids von/nach außen versehen; so ist beispielsweise die Kammer 20 über den Anschluss mit einer Zuführleitung und die Kammer 21 über den Anschluss mit einer Abführleitung verbunden.

Die Lage und die Größe der Kammern ist so gewählt, dass sich das durch die Kapillarrohrmatte strömende Fluid möglichst gleichmäßig über diese verteilt. Gegebenenfalls können auch mehrere kleinere Kammern an verschiedenen Stellen der Kapillarrohrmatte jeweils für die Zuführung und/oder Abführung des Fluids vorgesehen sein. Die Größe und die Verteilung der Kam- mern wird im Wesentlichen durch die durch die Kapillarrohrmatte hindurchgeführte Fluidmenge und den zulässigen Druckverlust bestimmt.

Der Aufbau beispielsweise der Kammer 20 ist in den Fign. 9.1 bis 9.4 dargestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Kapillarrohrmatte nicht aus Einzelrohren besteht, sondern aus zwei durchgehenden Kunststofffolien besteht, von denen die eine dem Verlauf der Kapillarrohre entsprechende Erhebungen und die andere komplementäre konkave Vertiefungen aufweisen. Zur Herstellung der Kapillarrohrmatte werden die Folien ganzflächig zusammengeschweißt, wobei eine Erhebung und eine Vertiefung jeweils ein Kapillarrohr bilden. Am Rand der Matte kann das betreffende Kapillarrohr zusammengedrückt und durch Wärmezufuhr die zusammengedrückte Innenwand verschweißt werden, so dass die Verbindung nach außen unterbrochen wird.

Fig. 9.1 zeigt einen Teil nur der oberen Folie 22 mit Erhebungen, die jeweils die obere Hälfte 1.1 der Ka- pillarlängsrohre 1 sowie die obere Hälfte 2.1 der Kapillarquerrohre 2 bilden. Im Bereich der Kammer 20 ist die Folie 22 ausgeschnitten, wobei sich der quadratische Ausschnitt 23 über zwei Kapillarlängsrohre 1 und senkrecht dazu über zwei Kapillarquerrohre 2 er- streckt.

Auf die Folie 22 wird eine Abdeckung 24 gesetzt, deren Seitenwände ein Quadrat bilden und den Ausschnitt 23 umgeben. Die Unterseite der Seitenwände ist der Kontur der Folie 22 angepasst, d.h. in den Bereichen zwischen Kapillarrohren ist sie eben und im Bereich der Kapillarrohre mit den Erhebungen entsprechenden Vertiefungen versehen. Die Abdeckung 24 besteht vorzugsweise aus Kunststoff und ist mit der Folie 22 fluiddicht verschweißt.

Fig. 9.2 zeigt einen entsprechenden Teil der unteren Folie 25 mit den Erhebungen in der Folie 22 entsprechenden Vertiefungen, die jeweils die untere Hälfte 1.2 der Kapillarlängsrohre 1 sowie die untere Hälfte 2.2 der Kapillarquerrohre 2 bilden. Die untere Folie 25 ist durchgehend, d.h. ohne einen dem Ausschnitt 23 in der oberen Folie 22 entsprechenden Ausschnitt. Wenn daher die untere Folie 25 gemäß Fig. 9.2 an die obere Folie 22 angelegt und verschweißt wird, werden nicht nur die Kapillarlängs- und -querrohre 1, 2 ge- bildet, sondern auch die Kammern 20 und 21 werden von unten geschlossen.

Fig. 9.3 zeigt die geschlossene Kammer 20 nach dem Verschweißen der Folien 22 und 25. Da innerhalb der Kammer 20 die obere Folie 22 ausgeschnitten ist, besteht eine Verbindung zwischen dem Inneren der Kammer 20 und dem Inneren der in die Kammer mündenden Kapil- larlängs- und -querrohre. Da die Abdeckung 24 zusätz- lieh mit einem nicht dargestellten Anschluss für die Verbindung über ein Stemmrohr mit einer Fluidquelle oder Fluidsenke versehen ist, kann über die Kammer 20 die Kapillarrohrmatte mit Fluid gespeist oder Fluid aus dieser abgezogen werden. Die Ausbildung der An- Schlüsse kann sehr vielfältig sein,- sie können in der Seitenwand oder der Decke der Kammer 20 angeordnet sein.

In Fig. 9.3 sind außerhalb des Bereichs der Abdeckung 24 die zwischen den sich kreuzenden Kapillarlängs - und -querrohren 1, 2 der Matte liegenden ebenen Bereiche der Folien 22 und 25 ausgeschnitten, so dass nur noch das Rohrnetz verbleibt. Hierdurch kann das Gewicht der Kapillarrohrmatte reduziert werden und es wird eine Materialersparnis erzielt.

Die Folien 22 und 25 haben eine Stärke von nur 0,2 bis 0,3 mm. Die aus den halbkreisförmigen Erhebungen und Vertiefungen gebildeten Kapillarrohre haben einen Innendurchmesser von z.B. 1,0 mm. Die in der Folie auftretende Zugspannung ist proportional zur Foliendicke, dem Innendurchmesser und dem Innendruck. Die Foliendicke ist beispielsweise so ausgelegt, dass sie bei einem Innendruck von 10 bar die für das Folienma- terial, das üblicherweise Polypropylen ist, zugelassene MaximalSpannung nicht überschritten wird. Dies gilt dann für den jeweiligen Innendurchmesser der Kapillarrohre; wird demgegenüber der Innendurchmesser verdoppelt, muss auch die Foliendicke verdoppelt werden, damit die Zugspannung gleich bleibt.

Der Ausschnitt in der Folie 22 im Bereich der Kammern bewirkt faktisch eine Vergrößerung des Innendurchmessers bei der Folie 25 auf den Innenabstand von zwei gegenüberliegenden Seitenwänden der Abdeckung 24. Dies hat eine entsprechende Erhöhung der Zugspannung in der Folie 25 zur Folge. Demgemäß müsste die Folie 25 im Bereich der Kammern entsprechend verdickt werden. Da dies fertigungstechnisch zu erheblichen Schwierigkeiten führen würde, könnte man die Folie 25 über die gesamte Länge entsprechend dicker ausbilden, was jedoch zu einem stark erhöhten Materialaufwand führt .

Aus diesem Grund weist die Abdeckung 24 im Innern ab- hängig von ihrer Größe mindestens einen Zuganker 26 auf, dessen oberes Ende in der Abdeckung 24 fixiert ist und dessen unteres Ende, das um die Stärke der Folie 22 über die Seitenwände der Abdeckung 24 hinaus nach unten vorsteht, mit der Folie 25 verschweißt wird. Der Zuganker 26 ist daher vorzugsweise einstückig mit der Abdeckung 24 ausgebildet und besteht aus demselben Material wie diese.

Die Draufsicht auf einen horizontalen Schnitt durch die Kammer gemäß Fig. 9.4 zeigt, dass der Zuganker 26 einen Querschnitt hat, der dem ebenen Bereich der Folie 25 entspricht, der von zwei benachbarten unteren Hälften 1.2 der Kapillarlängsrohre 1 und zwei benachbarten unteren Hälften 2.2 der Kapillarquerröhre 2 umgrenzt ist. Dieser ebene Bereich ist somit vollflächig mit dem Zuganker 26 verbunden. Die Anzahl der Zuganker 26 richtet sich nach der Größe der jeweiligen Kammer, d.h. der Anzahl der von der Abdeckung 24 umschlossenen ebenen Bereiche der Folie 25. Die Kammer 21 in Fig. 8 weist dementsprechend zwei Zuganker 26 auf.

Die Zuganker 26 haben die Wirkung, dass die Zugspannung in der Folie 25 im Bereich der Kammern nicht ansteigt und dass ein Ausbeulen der Folie 25 durch den Fluiddruck im Innern der Kammern verhindert wird.

Wird die Kapillarrohrmatte in der Weise hergestellt, dass zunächst die Abdeckung 24 und der Zuganker 26 mit der oberen Folie 22 verschweißt werden und erst dann der Ausschnitt 23 hergestellt wird, dann werden nur die entsprechenden Kapillarlängs- und -querrohre 1, 2 ausgeschnitten, während der zwischen den ausgeschnittenen Rohren liegende ebene Teil der Folie 22 unter dem Zuganker 26 verbleibt und nachfolgend mit der unteren Folie 25 verschweißt wird. Die untere

Fläche des Zugankers 26 liegt dann in einer Ebene mit den unteren Stirnflächen der Seitenwände der Abdeckung 24.

Das obere Ende der Zuganker 26 kann, wie die Fign. 9.1 bis 9.3 zeigen, an der Decke der Abdeckung 24, oder, wie Fig. 10 zeigt, an einem von gegenüberliegenden Seitenwänden getragenen Quersteg 27 befestigt sein. Der Quersteg 27 darf jedoch nicht die Strömung des Fluids zwischen Kapillarröhren und der Anschluss- leitung behindern.

Die Ausführungsform nach Fig. 11 kann vorteilhaft sein, wenn es aus Platzgründen nicht sinnvoll ist, die aus der Mattenebene herausragenden Abdeckungen sowie die innerhalb der Mattenfläche, jedoch eben- falls außerhalb der Mattenebene verlaufenden Anschlussleitungen für das Fluid zu verwenden. Die ist beispielsweise der Fall, wenn die Matten in Luftwärmetauschern eingesetzt werden, bei denen mehrere Mat- ten dicht hintereinander angeordnet sind.

Es wird hier eine Matte verwendet, bei der die sich kreuzenden Kapillarrohre nicht parallel oder senkrecht, sondern jeweils um 45° geneigt zu den Seiten der Matte verlaufen. Zu deren Unterscheidung werden die von unten links nach oben rechts verlaufenden Rohre als Kapillarlängsrohre 1 und die von unten rechts nach oben links verlaufenden Rohre als Kapillarquerrohre 2 bezeichnet, die Kapillarlängsrohre und die Kapillarquerrohre können jedoch auch unter anderen Winkeln als 45° gegenüber den Seiten der Matte verlaufen.

Die sich kreuzenden Kapillarrohre sind an den Längs- Seiten der Matte geschlossen. An den Stirnseiten sind die beiden sich jeweils kreuzenden Kapillarrohre unverschlossen und werden als ein gemeinsames Anschlussrohr 28 aus der Mattenfläche herausgeführt. Die Anzahl der Anschlussrohre 28 auf jeder Stirnseite ist somit gegenüber der Anzahl der die Matte bildenden Kapillarrohre, d.h. der Kapillarlängsrohre 1 und der Kapillarquerrohre 2, auf die Hälfte reduziert.

Die Anschlussrohre 28 wiederum sind über Querrohre 29 in der für den jeweiligen Anwendungsfall günstigsten Weise miteinander verbunden, mit dem Ziel, die Anzahl der Rohre weiter zu verringern. So zeigt das in Fig. 11 dargestellte Beispiel vierzig Mattenrohre 1, 2, zwanzig Anschlussrohre 28 und schließlich fünf Quer- röhre 29. Die freien Enden der Querrohre 29 werden so geführt, dass sie parallel zueinander verlaufen und in möglichst engem gegenseitigem Abstand in Durchgangslöchern in der Wand eines Stammrohrs 30 münden. Der Ab- stand kann dadurch sehr gering gehalten werden, dass die Rohrenden in die Durchgangslöcher gesteckt werden und dann die Rohrenden innerhalb der Durchgangslöcher mit deren Wand verschweißt werden. Die Durchgangslöcher für eine Kapillarrohrmatte sind in Umfangsrich- tung des Stammrohrs 30 nebeneinander angeordnet, und die Durchgangslöcher der für die mehreren hintereinander liegenden Kapillarrohrmatten sind in Längsrichtung des Stammrohrs 30 hintereinander angeordnet. Das Stammrohr 30 auf der einen Stirnseite der Kapillar- rohrmatten dient zur Zuführung des Fluids zu diesem, und das Stammrohr 30 auf der anderen Stirnseite der Kapillarrohrmatten dient zur Abführung des Fluids von diesen.

Die Gesamtanordnung aus den Kapillarlängs- und -quer- rohren 1, 2, den Anschlussrohren 28 und den Querrohren 29 kann wie in den Fign. 9.1 bis 9.4 für die Kapillarrohrmatte nach Fig. 1 aus zwei miteinander verschweißten Kunststofffolien bestehen. Dabei ist es insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft, wenn die Kapillarlängs- und -querrohre 1, 2, die Anschlussrohre 28 und die Querrohre 29 denselben Innendurchmesser haben. Die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in diesen Rohren ist dann entspre- chend dem Verhältnis ihrer Anzahl unterschiedlich.

Um die freien Enden der Querrohre 29 in die Durchgangslöcher im Stammrohr 30 stecken zu können, müssen die ebenen Folienbereiche zwischen diesen Enden, so- weit wie diese in die Durchgangslöcher eingesetzt werden, ausgeschnitten sein.

Claims

Donald Herbst 097PCT 1529Patentansprüche

1. Wärmetauscher mit einem Kapillarrohrregister, durch das ein zu kühlendes und/oder erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Kapillarrohrregister im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kapillarrohregister aus zumindest einer Kapillarrohrmatte (10) besteht, die aus Fluid- durchgang netzartig miteinander verbundenen Ka- pillarlängs- (1) und Kapillarquerrohren (2) gebildet ist, wobei zumindest die Kapillarlängsrohre (1) jeweils an einen Stamm (3, 4) für die Zu- bzw. Abführung des Fluids angeschlossen sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Strömungsverlaufs des Fluids in der Kapillarrohrmatte (10) in einzelnen Kapillarlängs- (1) und/oder Kapillarquerrohren (2) der Durchgang für das Fluid gesperrt ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Stamm (4) einer Kapillarrohrmatte (10) kürzer als die Länge der hierzu parallelen Seite der Kapillarohrmatte (10) ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarohrmatte (10) im Innern oder am Rand mit Ausschnitten (6, 8) versehen ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsver- lauf in der Kapillarrohrmatte (10) mäanderförmig ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Grad der Mäanderung des Strömungsverlaufs innerhalb der Kapillarrohrmat- te (10) ändert.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarlängs- rohre (1) unter einem Winkel von 90° und die Kapillarquerrohre (2) unter einem Winkel 5° bis 20° gegenüber den Stämmen (3, 4) verlaufen.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kapillarlängsrohre (1) und die Kapillarquerrohre (2) jeweils schräg gegenüber den Stämmen (3, 4) verlaufen.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarlängsrohre (1) und die Kapillarquerrohre (2) jeweils unter einem Winkel von 45° gegenüber den Stämmen (3, 4) für die Zu- und Abführung des Fluids verlaufen und direkt mit diesen verbunden sind.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarrohrregister aus mehreren parallel zueinander angeordneten Kapillarrohrmatten (10) besteht, mit einer gemeinsamen Zuführleitung (12) für das Fluid auf der einen Seite und einer gemeinsamen Abführlei- tung (13) für das Fluid auf der gegenüberliegenden Seite.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohre eine hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche aufweisen.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohre mit einem Vliesstoff überzogen sind.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kapillarrohre mit einer

Schicht aus wasserspreitendem Material überzogen sind.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum Zuführen ei- ner Flüssigkeit zur Benetzung der hydrophilen oder wasserspreitenden Oberfläche vorgesehen ist.

15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohr- matte jeweils für die Zuführung sowie die Abführung von Fluid zu/von den Kapillarlängs- (1) und Kapillarquerrohren (2) mindestens einen Ausschnitt (23) aufweist, in dem eine geschlossene Kammer (20, 21) gebildet ist, in die mindestens ein Kapillarlängs- (1) und/oder Kapillarquerröhr

(2) mündet und die außerhalb der Mattenebene mit einer Anschlussleitung für die Zuführung des Fluids von einer Fluidquelle oder die Abführung des Fluids mit einer Fluidsenke verbunden ist.

16. Wärmetauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohrmatte aus zwei flächig miteinander verbundenen Kunststofffolien (22, 25) besteht, die einerseits konvexe Erhebungen (1.1, 2.1) und andererseits komplementäre konkave Vertiefungen (1.2, 2.2) zur Bildung der Kapillarlängs- (1) und Kapillarquerröhre (2) aufweisen.

17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt (23) nur in einer der Kunststofffolien (22) besteht und die andere der Kunststofffolien (25) in dem dem Ausschnitt (23) gegenüberliegenden Bereich durchgehend ist.

18. Wärmetauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckung (24) den Ausschnitt (23) umschließt und mit der den Ausschnitt (23) aufweisenden Kunststofffolie (22) durchgehend verbunden ist, wobei die der Kunststofffolie (22) zugewandte Fläche der Abdeckung (24) deren Kontur angepasst ist.

19. Wärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Kammer (20) an der Abdeckung (24) befestigte Zuganker (26) vorgesehen sind, die mit den in der Mattenebene verlaufenden, flachen Bereichen der nicht ausgeschnittenen Kunststofffolie (25) innerhalb der Kammer (20) verbunden sind.

20. Wärmetauscher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Zuganker (26) jeweils einem von Erhebungen bzw. Vertiefungen (1.2, 2.2) umgebenen, flachen Bereich der nicht ausgeschnittenen Kunststofffolie (25) ent- spricht.

21. Wärmetauscher nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den beiden Kunststofffolien (22, 25) , die Verbindung zwischen der Abdeckung (24) und der ausgeschnittenen Kunststofffolie (22) sowie die Verbindung zwischen den Zugankern (26) und der nicht ausgeschnittenen Kunststofffolie (25) Schweißverbin- düngen sind.

22. Wärmetauscher mit einem aus zumindest einer Kapillarrohrmatte bestehenden Kapillarrohrregister, wobei die Kapillarrohrmatte aus Kapillarlängsrohren (1) und Kapillarquerrohren (2) ge- bildet ist, die ein zu kühlendes und/oder zu erwärmendes Fluid aufnehmen und für den Fluid- durchgang netzartig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarlängs- rohre (1) und die Kapillarquerrohre (2) jeweils unter einem Winkel gegenüber den Stirnseiten der

Kapillarrohrmatte verlaufen, das an mindestens einer der Stirnseiten jeweils ein Paar aus einem Kapillarlängsrohr (1) und einem sich mit diesem kreuzenden Kapillarquerröhr (2) mit einem ge- meinsamen Anschlussrohr (28) für die Zu- oder

Abführung des Fluids, die außerhalb der Kapillarrohrmatte verläuft, verbunden ist, dass die Anschlussrohre (28) über Querrohre (29) mit einer gegenüber der Anzahl der Anschlussrohre (28) reduzierten Anzahl miteinander verbunden sind und die freien Enden der Querrohre (29) jeweils in einer Öffnung in einer Außenwand eines Stammrohrs (30) für die Zu- oder Abführung des Fluids münden .

23. Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohrmatte, die Anschlussrohre (28) und die Querrohre (29) aus zwei flächig miteinander verbundenen Kunststofffolien bestehen, die einerseits konvexe Erhebun- gen und andererseits komplementäre konkave Ver- tiefungen zur Bildung der Kapillarlängs- (1) und Kapillarquerrohre (2) , der Anschlussleitungen (28) sowie der Querleitungen (29) aufweisen.

24. Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Innenquerschnitt jeweils der

Kapillarlängs- (1) und Kapillarquerrohre (2) , der Anschlussrohre (28) und der Querrohre (29) einander gleich ist.

25. Wärmetauscher nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien an den in das Stammrohr (30) mündenden Enden der Querrohre (29) zwischen diesen ausgeschnitten sind.

26. Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zum Entfeuch- ten von Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche gleichförmig mit einer Sorptionslösung benetzt wird und das durch das Kapillarrohrregister geführte Fluid die Kondensationswärme der der Luft entzogenen Feuchtigkeit abführt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionslösung eine wässrige Lithiumchloridlösung ist.

28. Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zum Befeuchten von Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche gleichförmig mit Wasser benetzt wird und das durch das Kapillarrohrregister geführte Fluid die zum Befeuchten der Luft erforderliche Verdunstungswärme für das Wasser liefert.

29. Verwendung von mindestens zwei Wärmetauschern

(17, 18) nach einem der Ansprüche 1 bis 25 in einer Klimaanlage, die von dem Fluid in einem geschlossenen Kreislauf nacheinander durchströmt werden, wobei der erste Wärmetauscher (17) zur

Kühlung und Entfeuchtung von Zuluft (16) und der zweite Wärmetauscher (18) zur Kühlung des Fluids durch Abluft (19) verwendet werden.

30. Verwendung nach Anspruch 29, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Abluft (19) vor der Durchströmung des zweiten Wärmetauschers (18) adiabat auf ihre Taupunkttemperatur gekühlt wird.

31. Verwendung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile oder was- serspreitende Oberfläche der Kapillarrohre des ersten Wärmetauschers (17) mit Sorptionslösung und die des zweiten Wärmetauschers (18) mit Wasser benetzt wird.