[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Lüftungsanlagen, aus
mittels eingelegter oder ausgeformter Distanzhalter in Abstand aufeinander gestapelten,
formgleichen Flächenelementen, welche zur Bildung von Anströmungsquerschnitten auf
den einander gegenüberliegenden Seiten zweimal in gleicher Richtung rechtwinklig abgekantet,
jeweils um 90° zueinander gedreht, und die abgekanteten Schenkel das nächstliegende
Flächenelement umgreifen, wobei jeweils drei dieser Flächenelemente zwei benachbarte
Strömungskanäle mit sich rechtwinklig kreuzenden Strömungsrichtungen bilden.
[0002] Für die Wärmeübertragung zwischen zwei Strömungsmedien sind Kreuzstrom-Wärmetauscher
bekannt. Sind die Strömungsmedien Dämpfe oder Gase, so sind infolge der insbesondere
bei Gasen gegenüber Flüssigkeiten wesentlich geringeren Wärmekapazität und -leitfähigkeit
grössere Austauschflächen erforderlich. So muss beispielsweise Luft zur Kompensation
ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit in dünnen Schichten zwischen den Austauschflächen
strömen, wenn eine gute Wärmeübertragung erzielt werden soll. Zudem ist für die Austauschflächen
ein Material mit kleiner Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit vorteilhaft.
[0003] Der Einsatz bekannter Wärmetauscher für Lüftungsanlagen in der Industrie wird durch
weitere Faktoren beeinträchtigt. So enthält z.B. Wärmetauschern zugeführte Luft oft
dampfförmige oder feste Stoffe, welche an den Austauschflächen kondensieren bzw. sich
ablagern. Durch einen sich immer stärker ausbildenden isolierenden Belag wird der
Wirkungsgrad des Wärmetauschers erheblich vermindert. Eine periodische Reinigung des
Wärmetauschers ist erforderlich, was bei hartnäckigem Belag einen hohen Zeit- und
Kostenaufwand verursacht.
[0004] Es sind deshalb Kreuzstrom-Wärmetauscher vorgeschlagen worden, welche aus Folien
oder Dünnbändern bestehen und bei starker Verschmutzung ohne grossen Kostenaufwand
ausgewechselt werden können.
[0005] So wird in der CH-A5 610 648 ein insbesondere für Lüftungsanlagen geeigneter Wärmetauscher
beschrieben, welcher aus einzelnen Lagen, die aus wellenförmigen Elementen bestehen
und durch Zwischenwände voneinander getrennt sind, aufgestapelt ist. Die Herstellung
des Wärmetauschers ist dadurch vereinfacht, dass die Abdichtung der einzelnen, alternierend
kreuzweise zueinander verlaufenden Strömungswege durch auf zwei gegenüberliegenden
Seiten die wellenförmigen Elemente überragende Enden der Zwischenwände erfolgt. Die
Enden umgreifen die nächste Lage wellenförmiger Elemente und die darauf folgende Zwischenwand.
Die umgreifenden Enden werden der dann folgenden, also der übernächsten Lage der wellenförmigen
Elemente gegen die von ihnen überlappte, benachbarte Zwischenwand gepresst, wodurch
eine ausreichende Abdichtung zwischen zwei benachbarten Lagen wellenförmiger Elemente
erreicht wird. Neben den gegenüber bekannten Ausführungsformen erzielten Vorteilen
müssen jedoch auch Nachteile in Kauf genommen werden:
- Die zweifach rechtwinklig abgekanteten Enden bilden rechteckige Strömungsquerschnitte
die am Einlauf dem einströmenden Medium einen grossen Widerstand entgegensetzen, sie
haben einen hohen zeta-Wert.
- Die bei Transport und Montage exponierten Sichtkanten sind beschädigungsempfindlich.
- Die Abdichtung der sich kreuzenden Medienströme ist mangelhaft.
[0006] Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, einen Wärmetauscher der eingangs
genannten Art zu schaffen, welcher bei geringerem Druckverlust einen hohen Wirkungsgrad
aufweist, im Kantenbereich keine Probleme bietet, robustere Sichtkanten aufweist und
wirtschaftlich herzustellen ist.
[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Anströmungsquerschnitte
wenigstens auf der Einlaufseite der Medienströme ohne Aenderung der Aussenmasse des
Wärmetauschers bis auf die flach bleibenden Aussenbereiche eingefaltet sind, wobei
jeweils mindestens das eine benachbarte Flächenelement dichtend im gebildeten Längsfalz
des Anströmungsquerschnitts eingeklemmt ist. Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
[0008] Die erfindungsgemässe Ausbildung des Längsfalzes in den Anströmungsquerschnitten
mit dem/den eingeklemmten Flächenelement/en ist nicht mit der Ausbildung der gefalteten
Kantenbereiche des Wärmetauschers zu verwechseln, welche Gegenstand von zahlreichen
Veröffentlichungen ist.
[0009] Der Unterschied der vorliegenden Erfindung zum bekannten Stand der Technik ist z.B.
besonders gut aus Fig. 1 der FR,A, 2317617 ersichtlich. Die über ihre ganze Länge
vollflächig ausgebildeten Anströmflächen (dort mit Lamellen 10 bezeichnet) setzen
dem Medienstrom grossen Widerstand entgegen, die umgebogenen Kanten sind überall in
einfacher Schichtdichte ausgebildet und daher gegen mechanische Stösse empfindlich.
Nach der vorliegenden Anmeldung dagegen sind die Anströmflächen, abgesehen von den
beiden äusseren Bereichen unter Bildung eines Längsfalzes eingefaltet. Dies bedeutet
offensichtlich eine mehrfache Verstärkung gegen mechanische Stösse und eine Herabsetzung
des Strömungswiderstandes in bedeutendem Ausmass.
[0010] Zweckmässig werden auch die einmal rechtwinklig abgekanteten Flächen der Auslaufseite,
statt An- auch Ausströmungsquerschnitte genannt; eingefaltet; der Wärmetauscher wird
dadurch mit geringen Mehrkosten universell verwendbar, weil Ein- und Ausläufe vertauscht
werden können. Diese Diffusor-Ein- und Ausläufe erlauben äusserst geringe Druckverluste,
weil die Medien laminar ein- bzw. ausströmen können.
[0011] Mehrere Wärmetauscher können parallel und/oder in Serie zu grösseren, leistungsfähigeren
Einheiten zusammengebaut werden. Bei in Serie zusammengebauten Wärmetauschern weist
vorzugsweise nur der Einlauf und allenfalls der Auslauf des letzten Elements eine
Faltung auf, während die aneinanderliegenden inneren Flächen ungefaltet bleiben können.
[0012] Bevorzugt erfolgt die Einfaltung aus dem Anströmungsquerschnitt auf der Einlaufseite
oder auf der Einlauf- und Auslaufseite so, dass der Längsfalz einen nach innen umgelegten
Lappen umfasst. So sind die Einläufe, zusammen mit dem benachbarten Flächenelement
wenigstens fünffach verstärkt. Damit wird das Beschädigungsrisiko beim Transport und
Einbau von Wärmetauschern auf ein Minimum erniedrigt.
[0013] In den vertikal zu den Flächenelementen ausgebildeten Kantenbereichen, welche nach
der vorliegenden Erfindung auf keinen Fall ausgeschnitten werden, bleiben die Anströmungsquerschnitte
stets ungefaltet. Die Breite des ungefalteten Anströmungsquerschnitts entspricht in
der Praxis höchstens dem doppelten Abstand der Flächenelemente, vorzugsweise entspricht
die Breite des ungefalteten Anströmungsquerschnitts etwa dem Abstand der Flächenelemente.
Diese Breite ist unter anderem abhängig von der Dicke, Härte und dem Material der
eingesetzten Flächenelemente. Die vertikal zu den Flächenelementen verlaufende Kante
darf beim Einfalten nicht geknickt oder sonstwie beschädigt werden.
[0014] Es ist durchaus möglich, aus einem Anströmungsquerschnitt mehr als einen Lappen einzufalten,
dies ist jedoch in der Praxis meist weniger günstig als ein Lappen. Zum einen ist
das Falten an sich komplizierter, zum andern bleibt der Anströmungswiderstand grösser,
ohne dass besondere vorteilhafte Effekte erzielt werden können.
[0015] Die Distanzhalter üben, wie dies aus der Bezeichnung zum Ausdruck kommt, in erster
Linie eine Stützfunktion aus, welche ein Schwingen und bei unterschiedlichen Drücken
der Strömungsmedien ein Verbiegen der Flächenelemente verhindern. Weiter wird durch
die Distanzhalter die Austauschfläche vergrössert.
[0016] Nach einer ersten Variante sind die Distanzhalter aus den Flächenelementen ausgeformt,
beispielsweise als in Strömungsrichtung verlaufende Sicken, Noppen, Warzen oder dgl.
Die Ausformung kann nach verschiedenen, an sich bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise
mittels Tiefziehens.
[0017] Nach einer zweiten Variante sind die Distanzhalter in die Strömungskanäle eingelegte,
in Strömungsrichtung offene Wellbänder. Die Funktionen beiben unverändert. Es sind
alle bekannten Querschnitte von Wellbändern geeignet, beispielsweise sinusförmig,
sägezahnartig, rechteckig oder trapezförmig.
[0018] Die Wellbänder sind bevorzugt in wenigstens einen den Anströmungsquerschnitt vermindernden
Längsfalz eingelegt und dort dichtend festgeklemmt. So wird ein Falz mit einem nach
innen umgelegten Lappen wenigstens sechsteilig, die mechanische Stabilität gegen eine
Beschädigung wird damit weiter verbessert. Bei beidseitig ausgebildeten Falzen werden
die Wellbänder zweckmässig beidseitig eingeklemmt.
[0019] In bezug auf die Längsrichtung der Wellenberge und -täler sind die Wellbänder gegenüber
den Flächenelementen bzw. den Aussenmassen des Wärmetauschers vorzugsweise verkürzt
ausgebildet. Mit andern Worten reichen die in den Wärmetauscher eingelegten Wellbänder
nicht bis zu den Falzen, sondern sind beidseits beispielsweise 1 bis 3 cm verkürzt,
sie erstrecken sich im wesentlichen über den Bereich paralleler Flächenelemente.
[0020] Die eingelegten Wellbänder können einstückig ausgebildet sein, mit durchlaufenden
Wellenbergen und Wellentälern. Diese Ausführungsform ist insbesondere für stark verschmutzte
Strömungsmedien zweckmässig.
[0021] Die Leistung des Wärmetauschers kann verbessert werden, indem die Wellenberge und
-täler ein oder mehrmals versetzt sind. Diese Versetzungen können sowohl in bezug
auf die Anzahl als auch in bezug auf den Versetzungsgrad variiert werden. Je grösser
die Anzahl von Versetzungen und je höher der Versetzungsgrad sind, desto höher ist
die Leistung bei einer gegebenen Wärmetauscheroberfläche. Andrerseits steigt jedoch
wegen der Versetzungen die Tendenz für Schmutzablagerungen mit der Leistung. Je nach
dem Verschmutzungsgrad der Strömungsmedien ist ein Wärmetauscher mit entsprechendem
Wellband zweckmässig.
[0022] Wenigstens die Innenseite des Falzes kann mit einer Klebe- oder Kittmasse gefüllt
sein. Damit wird die Dichtigkeit des Wärmetauschers, dessen Stabilität und die mechanische
Widerstandsfähigkeit der Kanten erhöht. Andrerseits muss jedoch ein erhöhter Arbeits-
und Materialaufwand in Kauf genommen werden, was die Gestehungskosten in spürbarem
Ausmass erhöhen kann.
[0023] Auch die Aussenseite der nach innen eingelegten Faltung kann mit einer Klebe- oder
einer Kittmasse gefüllt und überzogen werden, womit die im vorstehenden Absatz erwähnten
Vorteile noch stärker ausgebildet sind.
[0024] Die Flächenelemente und auch die Wellbänder bestehen vorzugsweise aus einem 0,05
- 0,25 mm dicken Metallband, beispielsweise Bandstahl, einer harten Aluminiumlegierung,
Messing oder Kupfer. Selbstverständlich können die metallischen Flächenelemente mit
einer dünnen Schutzschicht überzogen sein, welche jedoch thermisch gut leiten und
eine geringe Wärmekapazität haben sollte. Die Flächenelemente können beispielsweise
lackiert oder im Fall von Aluminium mit einer Oxidschicht überzogen sein.
[0025] Im Prinzip eignen sich auch Flächenelemente und Wellbänder aus einem Kunststoff,
welcher jedoch wegen des verhältnismässig niedrigen Wärmeleitfähigkeit weniger geeignet
ist als die entsprechenden metallischen Bauteile.
[0026] Zusammengefasst liegen die Vorteile der vorliegenden Erfindung darin, dass der Wärmetauscher
folgende Eigenschaften aufweist:
- der stossempfindliche Bereich ist durch Um- und Einlegen mehrfach verstärkt (fünf-
bis siebenfach)
- Strömungsgünstiger Ein- und Auslauf
- niedriger Druckverlust
- hohe Leistung
- keine oder geringe Verschmutzung
- auch bei Kondensation horizontal verwendbar.
[0027] Der Wärmetauscher ist bevorzugt auf eine maximale Druckdifferenz von 1 m Wassersäule
(10′000 Pa, 0,1 bar) ausgelegt.
[0028] Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele,
welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen
schematisch:
- Fig. 1 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers,
- Fig. 2 die Vergrösserung eines endständigen Falzes von Fig. 1,
- Fig. 3 eine Ansicht im Bereich einer Kante,
- Fig. 4 eine Variante eines Falzes, und
- Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht eines Wellbandes mit Versetzungen.
[0029] Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher 10 ist in einem offenen Gehäuse mit zwei
Deckeln 12 und vier kantenabdeckenden Winkelprofilen 14 angeordnet. Die U-förmig abgebogenen
Deckel und die Winkelprofile 14 verleihen dem Wärmetauscher Schutz gegen Deformationen
und mechanische Beschädigungen und erlauben, den Wärmetauscher an einem Träger zu
befestigen und/oder die Wärmetauscher untereinander parallel oder in Serie zu verbinden.
[0030] Der eigentliche Wärmetauscher 10 besteht aus aufeinander gestapelten Flächenelementen
16, welche die Zwischen- oder Trennwände bilden. Diese Flächenelemente bestehen im
vorliegenden Fall aus Hartaluminiumbändern einer Dicke von 0,1 mm, welche auf zwei
gegenüberliegenden Seiten zweimal abgekantet sind und einen umgelegten Schenkel 16′
(Fig. 4) bilden. Bezüglich der Stapelung zur Bildung von kreuzweisn Strömungsräumen
wird auch auf die bereits erwähnte CH-A5 610 648 verwiesen.
[0031] Zwischen den Flächenelementen 16 sind Wellbänder 18 eingelegt, welche die Flächenelemente
16 stützen und den Wärmeaustausch verbessern. Die Wellbänder 18 sind alternierend
um 90° gedreht in die Strömungskanäle 34, 36 eingelegt. So kann beispielsweise durch
einen Pfeil dargestellte Luft beim Fliessen in Strömungsrichtung 20 durch den Wärmetauscher
10 Wärme an durch einen weiteren Pfeil dargestellte, in Strömungsrichtung 22 fliessende
Luft abgeben. Dieser Kreuzstrom-Wärmeaustauscher hat grosse Austauschflächen, gebildet
aus den Flächenelementen 16 und den Wellbändern 18.
[0032] Auf den Eintrittsseiten E des Wärmetauschers 10 sind die ursprünglich ebenen Anströmquerschnitte
im sichtbaren Bereich durch Einfalten zu einem Längsfalz 24 zusammengedrückt, wodurch
ein Diffusor-Einlauf gebildet wird. Die äusseren Abmessungen des Wärmetauschers werden
dadurch nicht verändert.
[0033] In Fig. 2 ist der Längsfalz 24 stark vergrössert dargestellt. Der ursprünglich abgekantete,
den Anströmungsquerschnitt 30 (Fig. 3) bildende Teil des Flächenelements 16 ist als
nach innen umgelegter Lappen 26 ausgebildet. Zwischen diesem Lappen und den aussenliegenden
Teilen des Flächenelements 16 sind ein benachbartes Flächenelement 16 und ein Wellband
18 eingeklemmt. Der so gebildete Längsfalz 24 ist als sechsfache Schicht ausgebildet,
was einen soliden Schutz gegen mechanische Schädigungen bedeutet.
[0034] Die in Fig. 3 gezeigte, vertikal zu den Flächenelementen 16 verlaufende Kante 18
wird im wesentlichen durch die einmal rechtwinklig abgekanteten Flächen aufeinander
gestapelten Flächenelemente 16 gebildet. Diese Flächen bilden die Anströmungsquerschnitte
30, welche zum Teil von vorn, zum Teil im Schnitt erkennbar sind. Die Höhe der Anströmungsquerschnitte
30, entsprechend dem Abstand der Flächenelemente 16, ist mit a bezeichnet, deren ungefalzte
Breite mit b. Im vorliegenden Beispiel sind a und b etwa gleich gross. Zwischen den
Längsfalzen 24 ist der Einlauf bedeutend vergrössert worden.
[0035] Aus Fig. 3 ist auch ersichtlich, dass im Bereich der Kante 28 keine besonderen Massnahmen
getroffen werden müssen, insbesondere muss dieser Kantenbereich nicht entfernt und
durch eine Dichtmasse ersetzt werden.
[0036] Punktiert ist das um 90° gedrehte Flächenelement 16 angedeutet, welches ebenfalls
einen Falz 24 umfasst.
[0037] Fig. 4 zeigt eine weitere Variante eines Falzes 24 mit einem nach innen umgelegten
Lappen 26. Das abgekantete und eingefaltete Flächenelement 16 ist gestützt durch ein
sägezahnförmig ausgebildetes Wellband 18 welches im Falz 24 mittels einer Kittmasse
dichtend befestigt ist. Auf der gleichen Seite des Lappens 26 in den Falz eingeführt
ist das eine benachbarte Flächenelement 16N.
[0038] Auf der andern Seite des Lappens 26 ist der rechtwinklig ausgebildete, nach innen
umgelegte Schenkel 16′ des nicht dargestellten, andern benachbarten Flächenelements
eingefaltet. Damit wird ein siebenfacher Falz 24 gebildet.
[0039] Bezüglich des nach innen umgelegten Schenkels 16′ eines Flächenelements 16 unterscheidet
sich Fig. 2 darin, dass dieser dort trapezförmig ausgebildet und nicht in den Falz
24 geführt ist.
[0040] Die aushärtende Kittmasse 32 ist ebenfalls von aussen in den Falz 24 eingeführt.
Sie hat keine dichtende Funktion, bildet jedoch eine zusätzliche Verfestigung und
einen weiter verbesserten Schutz des Falzes 24 gegen äussere mechanische Einwirkungen.
[0041] Das in Fig. 5 teilweise dargestellte Wellband 18 weist seitliche Versetzungen auf,
welche eine Länge L haben. Dadurch werden beidseits des Wellbandes 18 trapezförmiger
Grundstruktur vermehrt Turbulenzen erzeugt, was den Wirkungsgrad des Wärmetauschers
erhöht.
[0042] Bei grossem L ist der Wirkungsgrad des Wärmetauschers weniger hoch, Schmutzablagerungen
werden jedoch weitgehend verhindert. Bei einem kleinen L mit in kurzen Abständen ausgebildeten
Versetzungen wird durch die erzeugten starken Turbulenzen ein sehr hoher Wirkungsgrad
bewirkt.
1. Wärmetauscher, insbesondere für Lüftungsanlagen, aus mittels eingelegter oder ausgeformter
Distanzhalter in Abstand (a) aufeinander gestapelten, formgleichen Flächenelementen
(16), welche zur Bildung von Anströmungsquerschnitten (30) auf den einander gegenüberliegenden
Seiten zweimal in gleicher Richtung rechtwinklig abgekantet, jeweils um 90° zueinander
gedreht, und die abgekanteten Schenkel (16′) das nächstliegende Flächenelement (16)
umgreifen, wobei jeweils drei dieser Flächenelemente (16) zwei benachbarte Strömungskanäle
(34, 36) mit sich rechtwinklig kreuzenden Strömungsrichtungen (20, 22) bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anströmungsquerschnitte (30) wenigstens auf der Einlaufseite (E) der Medienströme
(20, 22) ohne Aenderung der Aussenmasse des Wärmetauschers (10) bis auf die flach
bleibenden Aussenbereiche eingefaltet sind, wobei jeweils mindestens das eine benachbarte
Flächenelement (16) dichtend im gebildeten Längsfalz (24) des Anströmungsquerschnitts
(30) eingeklemmt ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsfalz (24) einen
nach innen umgelegten, aus dem Anströmungsquerschnitt (30) gebildeten Lappen (26)
umfasst.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmungsquerschnitt
(30), ausgehend von den Kanten (28), auf einer Breite (b), welche höchstens dem doppelten
Abstand (a), vorzugsweise etwa dem Abstand (a), der Flächenelemente (16) entspricht,
ungefaltet bleibt.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er in
ein auf den Ein- (E) und Auslaufseiten offenes Gehäuse mit zwei Deckeln (12) und die
im Bereich der Kanten (28) ungefalteten Anströmungsquerschnitte (30) abdeckenden Winkelprofile
(14) eingebaut ist.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhalter
als aus den Flächenelementen (16) ausgeformte, in Strömungsrichtung (20, 22) verlaufenden
Sicken, Noppen, Warzen oder dgl. ausgebildet sind.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhalter
in die Strömungskanäle (34, 36) eingelegte, in Strömungsrichtung (20, 22) verlaufend
offene Wellbänder (18) sind.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellbänder (18) in
den/die Falz/e (24) eingelegt und in Längsrichtung der Wellenberge und -täler gegenüber
den Flächenelementen (16) vorzugsweise beidends verkürzt sind.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellbänder
(18) zur Verhinderung von Schmutzablagerungen nicht oder wenig, zur Erzeugung höchster
Leistung in kurzen Abständen (L) versetzt sind.
9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nach
innen umgelegten Schenkel (16′) der Flächenelemente (16) rechtwinklig ausgebildet
und eingefaltet oder trapezförmig zugeschnitten und nicht eingefaltet sind.
10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsfalz
(24) wenigstens auf der Innenseite mit einer Klebe- oder Kittmasse (32) gefüllt ist.