EP0865599B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms Download PDF

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EP0865599B1
EP0865599B1 EP96943043A EP96943043A EP0865599B1 EP 0865599 B1 EP0865599 B1 EP 0865599B1 EP 96943043 A EP96943043 A EP 96943043A EP 96943043 A EP96943043 A EP 96943043A EP 0865599 B1 EP0865599 B1 EP 0865599B1
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EP
European Patent Office
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fluid flow
fluid
disc
flow
heat exchanger
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP96943043A
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English (en)
French (fr)
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EP0865599A1 (de
Inventor
Harry Cremers
Guennadi A. Nesterov
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP0865599A1 publication Critical patent/EP0865599A1/de
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Classifications

    • 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
    • F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
    • F28D19/045—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier with radial flow through the intermediate heat-transfer medium

Definitions

  • the invention relates to a method for temperature control of at least one directed fluid flow, and a device for conveying fluid flows with heat recovery.
  • the directed fluid flow is suitably tempered Brought into contact so that the fluid flow in can absorb or release energy in the desired manner.
  • the surface can be tempered in any suitable manner , but often the one with the surface Body by contact with a second fluid stream tempered at a different temperature.
  • recuperative in which the surface is tempered by a second fluid flow one between recuperative and regenerative systems.
  • recuperative one is heat-exchanging Body over a first surface with the first fluid flow and over a second surface with the second fluid stream in thermal contact. Because of the thermal conductivity of the heat-exchanging body becomes the first fluid flow or both fluid flows are tempered as desired.
  • the heat-exchanging Body or its surface alternating with the first and brought into thermal contact with the second fluid stream.
  • a regenerative heat exchanger is known in which the principle described above is implemented.
  • This heat exchanger has rotating solid heat carriers for recovery of waste heat from exhaust air flows, the heat transfer medium at a predetermined distance from each other Round metal discs attached to a common axis of rotation consist.
  • the axis of rotation is perpendicular to the flow directions of the exhaust air and the supply air are arranged, while the exhaust air and the supply air are parallel to each other be performed.
  • the heat exchanger has a housing on, the two flow channels separated from each other in terms of flow for a first heat transfer medium with a higher temperature and for a second, lower in temperature Heat transfer medium on.
  • the flow direction of the heat transfer media is opposed to each other in the flow channels.
  • the rotor is like this within the heat exchanger arranged that it was divided equally by the first and the second heat transfer medium runs so that everyone Point of the surface of the rotor alternately through the first and the second heat transfer medium runs.
  • the direction of rotation of the rotor is chosen so that the surface of the Rotor in both flow channels opposite to the direction of flow the heat exchange media moves. This will a high relative movement between the heat exchange media on the one hand and the continuous rotor disc areas on the other hand, so that the heat transfer is increased.
  • a disadvantage of this configuration of the heat exchanger is the fact that because of the opposite Movements of the heat transfer media and the surface of the rotor disc To a great extent, turbulence arises which inevitably increases of the flow resistance of the heat exchanger. Additionally reduced the flow rate of the respective heat transfer medium.
  • the document SU 1084-586-A discloses a device, e.g. B. for agricultural buildings, for ventilation and heat exchange between supply air and exhaust air.
  • the fresh outside air is blown through a heat exchanger rotatable discs fed to the building.
  • Exhaust air used is via a blower and the other half of the heat exchanging rotatable disc pressed outwards.
  • throttle bodies provided for the fluid flow conveyed by the associated blower.
  • To the fluid temperature, e.g. B. for agricultural buildings to be able to regulate is the speed of the heat-transferring rotating disks adjustment of the throttle valve changed.
  • the invention has for its object to provide a generic device or a generic temperature control method in which the flow resistance of the heat exchanger itself is as low as possible despite the relatively large surface coming into contact with the directed fluid flow.
  • the same directional movement of the surface or surface area compared to the fluid flow largely prevents the occurrence of turbulence, which inevitably increases the flow resistance of the heat exchanger would lead. Because the one near the surface Velocity gradient in the fluid flow is reduced and thereby the Reduced risk of turbulence.
  • the speed of the surface or the surface area can with a suitable design of the Heat exchanger be increased so that this - at least in the area of heat-exchanging body, especially in the area of the above / n surface Surface area - the flow of the directed fluid flow is not significant Opposes flow resistance, and even movement promotes the fluid flow.
  • the heat exchanger is suitable for one of two tempered, facing each other, essentially towards yourself even surfaces or surface areas moving tangentially and parallel to each other has limited space through which the Fluid flow flows, the fluid flow between the surfaces or surface areas one of the direction of movement of the surfaces or surface areas has rectified movement component. This is it further enables the velocity gradient occurring in the fluid to reduce this even if suitable boundary conditions are selected - reduce to zero.
  • suitable boundary conditions are selected - reduce to zero.
  • the advantageous properties of a device according to the invention arise in particular if the distance of the surfaces or surface areas between 1 mm and 50 mm, preferably between 5 mm and 6 mm.
  • the moving surface (s) can moving surface area (s) in any suitable way - z. B. by heat conduction, electrical heating or cooling devices, electromagnetic radiation or the like - in be tempered as desired.
  • a heat exchanger according to the invention regeneratively between a first fluid stream and a second To design fluid flow so that the different Fluid flows flow through different areas of the room and moving surface (s) or the moving surface area (s) at least one area and the other Alternating spatial area, preferably alternating periodically, limited.
  • the surface / n or the surface area (s) in the meantime other, z. B. not flowed through by a fluid or not in the invention Delimit areas that flow through them can / can.
  • the aforementioned features according to the invention can be found in realize in a particularly simple manner if the surface / n or the surface area (s) arranged on a rotor is / are. It is advantageous if the rotor is one standing perpendicular to a flow plane of the fluid flow Axis rotates.
  • the flow level is defines a level in which at least one leading through the heat exchanger according to the invention Streamline lies. Before or after passing through the heat exchanger Deviations occurring from this flow level on the other hand, restrict the aforementioned definitions of Flow level not one.
  • a heat exchanger in which the rotor rotates at least two around a common axis, spaced apart discs.
  • the disks should be essentially parallel to each other be arranged. This can cover almost the entire surface the discs serve for heat exchange.
  • the one to be tempered Gas flow is rotating on each other spaced disks passed that the streamlines of the fluid flow are perpendicular to the disc axis.
  • the fluid flow is oriented so that predominantly the part of the discs rotating in the direction of flow or the space between these parts of the flow lines of this fluid stream is interspersed.
  • the surface of the rotating moves Disks in the manner according to the invention tangentially and with a component identical to the fluid flow, so that this Disc heat exchangers no or a reduced Has flow resistance.
  • the rotating disks accelerate the fluid flow from the disc axis away. This will streamline the a plane perpendicular to the disc axis, namely a flow plane, deflected.
  • the rotating discs can be in any suitable Way desired temperature. Particularly advantageous however, the use of these rotating disks appears with a counter-flowing, regenerative heat exchanger.
  • the rotating disks or their surface arrives periodically alternately in contact with the fluid flows, see above that an intermediate form between recuperative and regenerative Heat exchange takes place. - Basically, this type of heat exchange with only one rotating Advantageously use the disc.
  • the rotational speeds, Washer thickness, washer diameter, Disc spacing, number of discs compared to this conditional or to the required flow conditions can be adjusted so that the mutual Fluid outflows have the same temperature.
  • the distance the discs between 1 mm and 50 mm, preferably between 5 mm and 6 mm, the disc diameter between 10 mm and 1,000 mm and the slice thickness between 0.1 mm and 10 mm, preferably between 0.5 mm and 2 mm.
  • the disks are not necessarily one must have a constant thickness. Rather, it can be beneficial if the slice thickness varies over the radius, and by the design of the disc diameter Heat exchangers meet the hydro- or thermodynamic requirements is adjusted.
  • the facing surfaces or surface areas do not necessarily have to be parallel be arranged to each other, rather it is sufficient if these sufficiently enclose a spatial area, in which they move the fluid flow through their tangential movement influence in the manner according to the invention.
  • baffles of this type can also be designed as wipers.
  • Heat exchanger can be increased by 50% if the heat exchanger arranged one behind the other in the flow direction Has axes with rotating discs around them.
  • the surfaces or rotating disks should be spaced much further than in all known fin or cooling fin arrangements.
  • the one according to the invention is reduced Intervention in the flow path due to heat exchanger additionally in an unpredictable way, so the pressure drop or a resulting flow noise is further reduced become.
  • the heat exchanger according to the invention is proportional quiet because it enables a laminar flow of fluid.
  • the surfaces or surface areas according to the invention having heat-exchanging bodies - rotors, disks u. a. - can be made from any suitable material consist, in particular also of plastic, paper, ceramic. It can also be beneficial to the surface of this body to influence their heat exchanging and the flow path to influence influencing properties, to roughen or otherwise suitable to treat.
  • a heat exchanger according to the invention have all devices that can be removed from the prior art can, the heat exchangers assigned or associated can be - such as B. Heaters, coolers, humidifiers, Evaporators, evaporators, condensers and the like.
  • a heat exchanger according to the invention with the prior art removable heat exchangers to combine in an advantageous manner or the state The heat exchanger which can be removed from the art with an inventive Retrofit heat exchanger.
  • a heat exchanger in which a first fluid stream and a second Fluid flow through different areas of the room and the moving surface (s) or the moving surface region (s) at least one area and the alternately delimit or pass through another area of the room, one of the two fluid flows prior to entering it area with a vaporized liquid apply. The energy required for evaporation is then withdrawn from this liquid flow, whereby its temperature lowers. It is particularly advantageous such a heat exchanger or such a method for tempering an air space, if the one with the evaporating Liquid pressurized fluid flow a gas flow is preferably an air stream and the evaporating liquid in the form of fine droplets or as fog Includes water.
  • a heat exchanger with the above Features are advantageously used as air conditioners, the one not being charged with an evaporating liquid Fluid flow is an air flow that is cooler Air is supplied to the interior to be supplied.
  • a heat exchanger can maintain itself known principle of air cooling by acting on it an evaporating liquid for a relatively long time Paths on which the liquid evaporates are dispensed with become.
  • no risk of violating existing guidelines or regulations according to which the addition of liquid droplets is prohibited in indoor air because the Liquid is only added to the second fluid stream. On only incomplete evaporation of the liquid is therefore harmless.
  • liquid droplets can also be used get onto the heat-exchanging surfaces themselves.
  • Movement of these surfaces can be designed such that the liquid droplets by centrifugal force or by the wipers mentioned above before entering the first fluid stream are removed from the surface.
  • the heat exchanger is designed in such a way that only sufficiently small droplets of liquid the heat-exchanging surfaces that even while they are in contact with the second fluid stream, evaporate.
  • the air conditioner trained in this way is, in particular because of the lack of need for a proportionate long evaporation path, compared to that the air conditioner known from the prior art for the same Performance and use of the same air cooling principle designed much smaller.
  • the heat exchanger In the heat exchanger according to the first and third embodiments (see Fig. 1, 2 and 4) becomes a first Fluid inflow 1 and a second fluid inflow 2 several an axis 3 arranged, spaced by spacers 4, rotatable about the axis 3 by a motor 11 (see Fig. 4) rotationally driven discs 5 supplied. According to them Cooling down or heating up and - if necessary - done Acceleration the fluid flows leave the area between the disks 5 as the second fluid outflow 6 and the first Fluid outflow 7.
  • the fluid inflows 1 and 2 are in this way onto the disks 5 aligned that one half of each disc 5 or the effective disk ring from the first fluid stream 1, 7 and the other half is washed by the second fluid stream 2, 6 becomes.
  • the rotation of each disc 5 means that each Alternate surface area of each disc 5 with the first Fluid stream 1, 7 and the second fluid stream 2, 6 in direct Contact comes.
  • the fluid inflow 1, 2 is so aligned that the fluid flow and the direction of the rotating disc 5 a rectified movement component exhibit.
  • the limit plates 17 and 26 of the first embodiment run essentially in the area of the fluid inflows 1, 2 rectilinear while these limits in the area the fluid flows 7 and 6 point away from the axis 3. While the operation of the heat exchanger is so - also through the Formation of the separating plates 16 and 27 - the fluid outflow 7, 6 in a plane perpendicular to axis 3 away from axis 3 inclined. This will, in an advantageous manner, by the disks 5 caused acceleration of the fluid particles during passage through the heat exchanger without loss of energy converted into a flow direction change. A such angle change is common in applications of Heat exchangers are desirable and can usually be found at the known heat exchangers only by Baffles or under pressure loss can be realized.
  • the radius of the discs 5 is chosen so that the entire Cross section of flow 1, 7 and 2, 6 of each fluid cut through completely or limit laterally.
  • the respective fluid flow is through the rotating disks 1, 7; 2, 6 each accelerated away from the axis 3. hereby is a relatively good separation of the two fluid flows 1, 7; 2, 6 conditional.
  • two baffles 8 are provided, between the disks 5 up to the spacers 4 intervene and a separation of the respective fluid particles convey from the discs 5.
  • the disc spacing, disc thickness and the speed of rotation the discs are on top of each other or on the Fluid flows 1, 7; 2, 6 and the respective temperatures of the Fluid inflows 1, 2 matched that the fluid outflows 6, 7th have the same temperature.
  • 35 disks each 5 mm apart, with a thickness of 1 mm and a diameter of 200 mm are driven by a 15 W electric motor.
  • the panes themselves are made of polypropylene with a smooth surface.
  • the heat exchanger itself has a size of 215 ⁇ 220 ⁇ 250 mm 3 .
  • the heat exchanger 2 promotes fluid flows of 250 m 3 / h each. Exemplary temperature conditions are listed in Table I.
  • an electric motor with a power of 150 W With a size of the heat exchanger of 360 ⁇ 450 ⁇ 900 mm 3 , two fluid flows of 2500 m 3 / h each can be conveyed with this heat exchanger.
  • the temperature conditions shown in Table II were measured. T inflow 1 / [C °] T inflow 2 / [C °] T effluent 6 / [C °] T discharge 7 / [C °] 26 10 18 18 20 260 140 140
  • the second embodiment comprises two in the direction of flow axles 3 arranged one behind the other, on which disks 5 and rotate spacers 4 arranged between them.
  • the structure corresponds essentially to the structure of the first embodiment. However, in this embodiment each without a baffle 8. Between the respective disk arrangement rotating about an axis 3 a partition plate 10 is provided, which is a mixing of the two fluid streams 1, 7 and 2, 6 outside the Disc arrangement prevented.
  • 35 disks arranged on each of the two axes are each driven by a 15 W electric motor with 2500 rotations per minute.
  • the discs were made of polypropylene with a thickness of 1 mm and a diameter of 200 mm and 5 mm apart.
  • the entire heat exchanger had a size of 215 ⁇ 220 ⁇ 500 mm 3 and conveyed two fluid flows of 250 m 3 / h each. Selected temperature relationships are shown in Table III.
  • the structure of the third embodiment largely corresponds the structure of the first embodiment. Indeed are - as in the second embodiment Boundary plates 17 and 26 and the partition plates 16 and 27 just trained.
  • the fourth embodiment corresponds to the third embodiment, in which the first fluid inflow 1 over a water supply 14 and two mist nozzles 15 with a water mist is charged. Withdraw the evaporating droplets the fluid stream 1, 7 for vaporizing energy. A part the water droplet hits the rotating discs 5 or the radially outer surfaces of the spacers 4 down. The rotating disks 5 and the Spacers 4 are consequently on the one hand by the evaporating water droplets attached to their surface and on the other hand through the already pre-cooled fluid stream 1, 7 cooled. Similar to the rotation of the disks to penetrate prevents the fluid flow 1, 7 into the fluid flow 2, 6, an entry occurs due to the rotation of the disks 5 of water in the fluid stream 2, 6 avoided.
  • Air cooling method by evaporating a water mist can be used without the moisture content the fluid flow 2, 6 is increased.
  • This fluid stream 2, 6 can then be an interior to be supplied with cool air are fed.
  • an air conditioner designed according to the fourth exemplary embodiment has 35 polypropylene disks with a thickness of 1 mm, a diameter of 200 mm and a smooth surface, which are spaced 5 mm apart and are driven by a 15 W electric motor with 2500 rotations per minute ,
  • the fluid inflow 1 is given 1 l / h of water in the form of 20 to 50 ⁇ m 3 large water drops.
  • this air conditioner conveys a fluid flow 2, 6 of 250 m 3 / h into an interior.
  • a heat exchanger which largely corresponds in structure to the second embodiment, three axes, each with 35 polypropylene disks, are rotated at 2500 rotations per minute by three 15 W electric motors.
  • the discs are 1 mm thick, 200 mm in diameter, 5 mm apart and have a smooth surface. With a size of 215 ⁇ 250 ⁇ 750 mm 3 , this heat exchanger conveys 250 m 3 / h of air.
  • the temperature conditions are shown in Table IV.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms, sowie eine Vorrichtung zum Fördern von Fluidströmen mit Wärmerückgewinnung.
Bei derartigen Vorrichtungen bzw. Temperierungsverfahren wird der gerichtete Fluidstrom mit einer geeignet temperierten Oberfläche in Kontakt gebracht, so daß der Fluidstrom in gewünschter Weise Energie aufnehmen bzw. abgeben kann.
Zwar kann die Oberfläche in jeder geeigneten Weise temperiert werden, jedoch wird häufig der die Oberfläche aufweisende Körper durch Kontakt mit einem zweiten Fluidstrom anderer Temperatur temperiert. Andererseits werden auch andere, bekannte Wärmequelle bzw. -senken - z. B. Heizungen oder Kühleinrichtungen, insbesondere auch elektrische - zur Temperierung dieser Oberflächen genutzt.
Bei oben genannten Vorrichtungen, bei welchen die Oberfläche durch einen zweiten Fluidstrom temperiert wird, unterscheidet man zwischen rekuperativen und regenerativen Systemen. Bei rekuperativen Systemen ist ein wärmetauschender Körper über eine erste Oberfläche mit dem ersten Fluidstrom und über eine zweite Oberfläche mit dem zweiten Fluidstrom in thermischen Kontakt. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des wärmetauschenden Körpers wird der erste Fluidstrom bzw. werden beide Fluidströme wie gewünscht temperiert.
Bei regenerativen Systemen wird der wärmetauschende Körper bzw. dessen Oberfläche abwechselnd mit dem ersten und dem zweiten Fluidstrom in thermischen Kontakt gebracht. Hierbei nimmt die mit dem entsprechenden Fluid in thermischen Kontakt gebrachte Oberfläche bzw. der in der Umgebung der Oberfläche befindliche Teil des wärmetauschenden Körpers die Temperatur des entsprechenden Fluides an und temperiert auf diese Weise - in Abhängigkeit von Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Dauer des thermischen Kontaktes der beteiligten Medien u. ä. - das Fluid bzw. die Fluide.
Aus der DE 29 31 942 A1 ist ein Regenerativ-Wärmetauscher bekannt, bei dem das zuvor dargestellte Prinzip realisiert ist. Dieser Wärmetauscher weist rotierende feste Wärmeträger zur Rückgewinnung von Abwärme aus Fortluftströmen auf, wobei die Wärmeträger aus mit einem vorgegebenen Abstand voneinander auf einer gemeinsamen Rotationsachse befestigten runden Metallscheiben bestehen. Die Rotationsachse ist dabei senkrecht zu den Strömungsrichtungen der Abluft und der Zuluft angeordnet, während die Abluft und die Zuluft parallel zueinander geführt werden. Der Wärmetauscher weist dazu ein Gehäuse auf, das zwei voneinander strömungsmäßig getrennte Strömungskanäle für ein erstes, in der Temperatur höheres Wärmeträgermedium und für ein zweites, in der Temperatur niedrigeres Wärmeträgermedium auf. Die Strömungsrichtung der Wärmeträgermedien in den Strömungskanälen ist einander entgegengesetzt. Der Rotor ist innerhalb des Wärmetauschers derart angeordnet, daß er zu gleichen Teilen durch das erste und das zweite Wärmeträgermedium verläuft, so daß jeder Punkt der Oberfläche des Rotors abwechselnd durch das erste und das zweite Wärmeträgermedium verläuft. Die Drehrichtung des Rotors ist dabei so gewählt, daß sich die Oberfläche des Rotors in beiden Strömungskanälen entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Wärmetauschermedien bewegt. Dadurch wird eine hohe Relativbewegung zwischen den Wärmeaustauschmedien einerseits und den durchlaufenden Rotorscheibenflächen andererseits erhöht, so daß die Wärmeübertragung erhöht wird. Nachteilig bei dieser Ausgestaltung des Wärmetauschers ist jedoch die Tatsache, daß wegen der entgegengesetzten Bewegungen der Wärmeträgermedien und der Oberfläche der Rotorscheibe in hohem Maße Turbulenzen entstehen, die unweigerlich zur Erhöhung des Strömungswiderstandes des Wärmetauschers führen. Zusätzlich verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Wärmeträgermediums.
Die Druckschrift SU 1084-586-A offenbart eine Vorrichtung, z. B. für Landwirtschafts-Gebäude, zur Belüftung und zum Wärmeaustausch zwischen Zuluft und Abluft. Die frische Außenluft wird mittels eines Gebläses über wärmeaustauschende drehbare Scheiben dem Gebäude zugeführt. Verbrauchte Abluft wird über eine Gebläse und die jeweils andere Hälfte der wärmeaustauschenden drehbaren Scheibe nach außen gedrückt. Zwischen den jeweiligen Gebläsen und den wärmeaustauschenden drehbaren Scheiben sind Drosselklappen für den von dem zugeordneten Gebläse geförderten Fluidstrom vorgesehen. Um die Fluidtemperatur, z. B. für landwirtschaftliche Gebäude, regeln zu können, wird die Drehzahl der wärmeübertragenden drehbaren Scheiben durch verstellen der Drosselklappen verändert. Falls eine vorgegebene Mindestgeschwindigkeit der drehbaren Scheiben aufgrund von landschaftlichen gebäudeüblichen Luftverschmutzungen nicht mehr erreicht wird, werden die drehbaren Scheiben bei weit geöffneten Drosselklappen entgegengesetzt zu ihrer normalen Betriebsrichtung gedreht. Gemäß diesem Dokument sind also für die Fluidförderung zwei in den Strömungskanälen eingesetzte Gebläse vorgesehen, insbesondere ein Gebläse für die Zuluft und ein Gebläse für die Abluft, so daß es zu einer Mitnahme der drehbaren Wärmeaustauscherscheiben kommt.
Schließlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, zur Verbesserung der wärmetauschenden Eigenschaften von Wärmetauschern die wärmetauschende Oberfläche zu erhöhen. Die Vergrößerung der mit den jeweiligen Fluiden in Kontakt kommenden Oberfläche bedingt jedoch eine entsprechende Erhöhung des Strömungswiderstandes dieser Wärmetauscher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein gattungsgemäßes Temperierungsverfahren bereitzustellen, bei welchem trotz verhältnismäßig großer, mit dem gerichteten Fluidstrom in Kontakt kommender Oberfläche der Strömungswiderstand des Wärmetauschers ansich möglichst gering ist.
Als Lösung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Vorrichtung nach Anspruch 12 vorgeschlagen.
Die gleich gerichtete Bewegung der Oberfläche bzw. des Oberflächenbereichs gegenüber dem Fluidstrom vermeidet weitgehend ein Entstehen von Turbulenzen, die unweigerlich zur Erhöhung des Strömungswiderstandes des Wärmetauschers führen würden. Denn der in der Nähe der Oberfläche vorhandene Geschwindigkeitsgradient in dem Fluidstrom wird reduziert und hierdurch die Gefahr der Turbulenzentstehung verringert. Die Geschwindigkeit der Oberfläche bzw. des Oberflächenbereichs kann bei geeigneter Ausgestaltung des Wärmetauschers so erhöht werden, daß dieser - zumindest im Bereich der wärmetauschenden Körper, speziell im Bereich obiger/n Oberfläche bzw. des Oberflächenbereichs - dem Fluß des gerichteten Fluidstromes keinen nennenswerten Strömungswiderstand entgegen setzt, und sogar die Bewegung des Fluidstroms fördert.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Wärmetauscher einen von zwei geeignet temperierten, aufeinander zuweisenden, sich im wesentlichen zu sich selbst tangential und parallel zueinander bewegenden Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen begrenzten Raumbereich aufweist, durch welchen der Fluidstrom strömt, wobei der Fluidstrom zwischen den Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen eine der Bewegungsrichtung der Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche gleichgerichtete Bewegungskomponente aufweist. Hierdurch ist es möglich den in dem Fluid auftretenden Geschwindigkeitsgradienten weiter zu reduzieren, diesen sogar - bei Wahl geeigneter Randbedingungen - auf Null zu reduzieren. Durch die parallele Tangentialbewegung der Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche wird der zwischen diesen Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen vorhandene bzw. obengenannten Raumbereich durchströmende Fluidstrom in besonders geeigneter Weise, weil ohne Vorhandensein unnötiger Geschwindigkeitsgradienten, laminar beschleunigt.
Die vorteilhaften Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich insbesondere, wenn der Abstand der Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche zwischen 1 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 6 mm, liegt.
Zwar kann/können die bewegte/n Oberfläche/n bzw. die/der bewegte/n Oberflächenbereich/e in jeder geeigneten Weise - z. B. durch Wärmeleitung, elektrische Heiz- bzw. Kühlvorrichtungen, elektromagnetische Strahlung oder ähnliches - in gewünschter Weise temperiert werden. Es ist jedoch insbesondere vorteilhaft einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher regenerativ zwischen einem ersten Fluidstrom und einem zweiten Fluidstrom auszugestalten, derart daß die verschiedenen Fluidströme verschiedene Raumbereiche durchströmen und die bewegte/n Oberfläche/n bzw. die/der bewegte/n Oberflächenbereich/e zumindest den einen Raumbereich und den anderen Raumbereich abwechselnd, vorzugsweise periodisch abwechselnd, begrenzt. Es versteht sich, daß die Oberfläche/n bzw. die/der Oberflächenbereich/e zwischenzeitlich andere, z. B. nicht von einem Fluid durchströmte oder nicht in erfindungsgemäßer Weise durchströmte, Raumbereiche begrenzen kann/können.
Durch eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit der Oberfläche/n bzw. des/der Oberflächenbereiche/s - und gegebenenfalls eine entsprechend hochfrequente Periodizität des Wechsels der Oberfläche oder des Oberflächenbereiches zwischen ersten und zweiten Fluidstrom - und/oder durch eine möglichst geringe Masse bzw. Wärmekapazität des die Oberfläche/n bzw. den/die Oberflächenbereich/e aufweisenden Körper läßt sich ein besonders schneller, erfindungsgemäßer Wärmeaustausch gewährleisten. Es ist auch denkbar, die Geschwindigkeit der Oberfläche/n bzw. des/der Oberflächenbereiche/s wesentlich höher als die Fluidgeschwindigkeit zu wählen, um die wärmetauschenden Eigenschaften unter leichter Erhöhung des Risikos einer Turbulenzentstehung zu verbessern. Es versteht sich, daß die gewählten Geschwindigkeiten, Materialien und Massen den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden können.
Die vorgenannten erfindungsgemäßen Merkmale lassen sich in besonders einfacher Weise realisieren, wenn die Oberfläche/n bzw. der/die Oberflächenbereich/e auf einem Rotor angeordnet ist/sind. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Rotor um eine senkrecht auf einer Strömungsebene des Fluidstromes stehende Achse rotiert. Als Strömungsebene wird in vorliegender Offenbarung eine Ebene definiert in welcher zumindest eine durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher hindurchführende Stromlinie liegt. Vor bzw. nach dem Passieren des Wärmetauschenden Körpers auftretende Abweichungen aus dieser Strömungsebene hingegen schränken vorgenannte Definitionen der Strömungsebene nicht ein.
Besonders wirkungsvoll und besonders einfach in der Konstruktion ist ein Wärmetauscher, bei welchem der Rotor zumindest zwei um eine gemeinsame Achse rotierende, voneinander beabstandete Scheiben umfaßt. Insbesondere sollten die Scheiben im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Hierbei kann fast die gesamte Oberfläche der Scheiben dem Wärmeaustausch dienen. Der zu temperierende Gasstrom wird derart auf die rotierenden, voneinander beabstandeten Scheiben geleitet, daß die Stromlinien des Fluidzustroms senkrecht auf der Scheibenachse stehen. Desweiteren ist der Fluidzustrom so ausgerichtet, daß überwiegend der in Strömungsrichtung rotierende Teil der Scheiben bzw. der zwischen diesen Teilen liegende Raumbereich von den Strömungslinien dieses Fluidstromes durchsetzt ist. Auf diese Weise bewegt sich die Oberfläche der rotierenden Scheiben in erfindungsgemäßer Weise tangential und mit einer zum Fluidstrom identischen Komponente, so daß der diese Scheiben umfassende Wärmetauscher keinen bzw. einen reduzierten Strömungswiderstand aufweist.
Die rotierenden Scheiben beschleunigen den Fluidstrom von der Scheibenachse weg. Hierdurch werden die Stromlinien in einer senkrecht auf der Scheibenachse stehenden Ebene, nämlich einer Strömungsebene, abgelenkt.
Zwar können die rotierenden Scheiben in jeder geeigneten Weise gewünscht temperiert werden. Besonders vorteilhaft erscheint jedoch die Verwendung dieser rotierenden Scheiben bei einem gegenströmenden, regenerativen Wärmetauscher. Hierbei werden zwei gegeneinander gerichtete Fluidzuströme in oben beschriebener Weise den rotierenden Scheiben zugeführt. Da beide Fluidströme während des Passierens der rotierenden Scheiben von der Scheibenachse weg beschleunigt werden, läßt sich durch geeignete Anordnung der Zu- bzw. Abströmdüsen eine Vermengung der beiden Fluidströme vermeiden. Die rotierenden Scheiben bzw. deren Oberfläche gelangt periodisch abwechselnd mit den Fluidströmen in Kontakt, so daß eine Zwischenform zwischen rekuperativem und regenerativem Wärmeaustausch stattfindet. - Grundsätzlich läßt sich diese Art des Wärmeaustausches auch mit nur einer rotierenden Scheibe vorteilhaft nutzen. Es zeigt sich, daß die Rotationsgeschwindigkeiten, Scheibendicken, Scheibendurchmesser, Scheibenabstände, Scheibenanzahl im Vergleich zu den hierdurch bedingten bzw. zu den geforderten Strömungsverhältnissen derart angepaßt werden können, daß die beiderseitigen Fluidabströme die gleiche Temperatur aufweisen. Hierbei hat es sich konkret als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand der Scheiben zwischen 1 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 6 mm, der Scheibendurchmesser zwischen 10 mm und 1.000 mm und die Scheibendicke zwischen 0,1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2 mm, beträgt.
Es versteht sich, daß die Scheiben nicht unbedingt eine konstante Dicke aufweisen müssen. Vielmehr kann es von Vorteil sein, wenn die Scheibendicke über den Radius variiert, und durch die Ausgestaltung des Scheibendurchmessers der Wärmetauscher den hydro- bzw. thermodynamischen Erfordernissen angepaßt wird. Die aufeinander zuweisenden Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche müssen also nicht unbedingt parallel zueinander angeordnet sein, vielmehr genügt es, wenn diese in ausreichender Weise einen Raumbereich einschließen, in welchen sie durch ihre Tangentialbewegung den Fluidstrom in erfindungsgemäßer Weise beeinflussen.
Zur Vermeidung eventuell auftretender Leckströme kann zwischen den rotierenden Scheiben jeweils ein Abstandhalter mit kleinerem Durchmesser als dem Scheibendurchmesser angeordnet sein. Hierdurch wird vermieden, daß Partikel in einen Bereich verhältnismäßig niedriger Oberflächengeschwindigkeit gelangen, die eine diese Partikel ausreichend ablenkende Beschleunigung nicht gewährleistet. Die den Partikeln zugewandte Oberfläche der Abstandhalter dient desweiteren ebenfalls dem Wärmeaustausch und der Beschleunigung der Fluidpartikel in die gewünschte Richtung.
Wie bei regenerativen Wärmetauschern häufig der Fall, besteht die Gefahr von Leckströmen durch an der/den Oberfläche/n bzw. dem/den Oberflächenbereich/en anhaftende Partikel. Durch geeignete, bezüglich der/des sich bewegenden Oberfläche/n bzw. Oberflächenbereiche/s ortsfeste Leitbleche lassen sich derartige Lecks minimieren. Insbesondere können derartige Leitbleche auch als Abstreifer ausgebildet sein.
Der Gütegrad eines rotierende Scheiben aufweisenden, erfindungsgemäßen Wärmetauschers von 50% läßt sich erhöhen, wenn der Wärmetauscher in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Achsen mit um diese rotierende Scheiben aufweist. Der Gütegrad E folgt dann in Abhängigkeit von der Achsenanzahl n nach E = 100% * n/(n+1). Es versteht sich, daß generell die Anordnung mehrere wärmetauschender Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche und auch die Anordnung mehrerer Rotoren in Strömungsrichtung hintereinander vorteilhaft den Gütegrad eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers erhöht.
Zur Erhöhung der Eindringtiefe der durch die sich tangential bewegenden Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche aufgebrachten Beschleunigung können diese Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche eine Struktur aufweisen. Bei der Verwendung rotierender Scheiben können dieses z. B. in den Scheiben befindliche, im wesentlichen parallel zur Scheibenachse ausgerichtete Bohrungen sein. Hierbei wird zwischen der durch diese Oberflächenstrukturen bedingten Störung der laminaren Strömung und der Erhöhung der Eindringtiefe - sprich einer virtuellen Viskositätserhöhung - abzuwägen sein.
Es zeigt sich, daß der Wirkungsgrad der sich bewegenden Oberflächen, insbesondere bei der Verwendung rotierender Scheiben, sehr hoch ist, so daß die Oberflächen bzw. die Scheiben verhältnismäßig weit beabstandet sein können. Durch eine Oberflächenstruktur läßt sich dieser notwendige Abstand weiter erhöhen.
Aufgrund des durch diese guten wärmetauschende Eigenschaften bedingten großen Abstandes können die Oberflächen bzw. die rotierenden Scheiben wesentlich weiter beabstandet sein als bei allen bekannten Lamellen- bzw. Kühlrippenanordnungen. Hierdurch bedingt reduziert sich der durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher bedingte Eingriff in den Strömungsweg zusätzlich in nicht vorhersehbarer Weise, so daß der Druckabfall bzw. ein entstehendes Strömungsgeräusch weiter reduziert werden. Trotz der sich bewegenden Baugruppen eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist dieser verhältnismäßig leise, da dieser einen laminaren Fluidstrom ermöglicht.
Die die erfindungsgemäßen Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche aufweisenden, wärmetauschenden Körper - Rotoren, Scheiben u. a. - können aus jedem beliebigen, geeigneten Material bestehen, insbesondere auch aus Kunststoff, Papier, Keramik. Ebenso kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche dieser Körper zur Beeinflussung ihrer wärmetauschenden und den Strömungsweg beeinflussenden Eigenschaften zu beschichten, aufzurauhen oder sonstig geeignet zu behandeln.
Es versteht sich, daß ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher alle dem Stand der Technik entnehmbaren Einrichtungen aufweisen kann, die derartigen Wärmetauschern zu- bzw. beigeordnet werden können - wie z. B. Heizungen, Kühleinrichtungen, Befeuchtungseinrichtungen, Verdampfer, Verdunster, Kondensatoren und ähnliches. Insbesondere ist es denkbar einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit dem Stand der Technik entnehmbaren Wärmetauschern in vorteilhafter Weise zu kombinieren bzw. diese dem Stand der Technik entnehmbaren Wärmetauscher mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher nachzurüsten.
Zum Beispiel läßt sich bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher, bei welchem ein erster Fluidstrom und ein zweiter Fluidstrom durch verschiedene Raumbereiche geleitet werden und die bewegte/n Oberfläche/n bzw. der/die bewegte/n Oberflächenbereich/e zumindest den einen Raumbereich und den anderen Raumbereich abwechselnd begrenzen oder durchlaufen, einer der beiden Fluidströme vor Eintritt in den von ihm durchströmten Raumbereich mit einer verdampfenden Flüssigkeit beaufschlagen. Die für das Verdampfen notwendige Energie wird dann diesem Flüssigkeitsstrom entzogen, wodurch sich dessen Temperatur absenkt. Besonders vorteilhaft ist ein derartiger Wärmetauscher bzw. ein derartiges Verfahren zur Temperierung eines Luftraumes, wenn der mit der verdampfenden Flüssigkeit beaufschlagte Fluidstrom ein Gasstrom, vorzugsweise ein Luftstrom ist und die verdampfende Flüssigkeit in Form feiner Tröpfchen bzw. als Nebel aufgegebenes Wasser umfaßt.
Insbesondere kann ein Wärmetauscher mit den obengenannten Merkmalen als Airconditioner vorteilhaft Verwendung finden, wobei der nicht mit einer verdampfenden Flüssigkeit beaufschlagte Fluidstrom ein Luftstrom ist, der einem mit kühler Luft zu versorgenden Innenraum zugeleitet wird. Bei einem derartigem Wärmetauscher kann unter Beibehaltung des ansich bekannten Prinzip der Luftkühlung durch Beaufschlagung mit einer verdampfenden Flüssigkeit auf verhältnismäßig lange Wegstrecken, auf welchen die Flüssigkeit verdampft, verzichtet werden. Insbesondere besteht bei einer derartigen Anordnung keine Gefahr der Verletzung bestehender Richtlinien bzw. Vorschriften, gemäß welcher die Zugabe von Flüssigkeitströpfchen in Innenraumluft untersagt ist, denn die Flüssigkeit wird nur dem zweiten Fluidstrom aufgegeben. Ein nur unvollständiges Verdampfen der Flüssigkeit ist somit unschädlich. Insbesondere können auch Flüssigkeitströpfchen auf die wärmetauschenden Oberflächen selbst gelangen. Um einen Übertritt dieser Flüssigkeitströpfchens in den ersten, zu dem Innenraum geleiteten Luftstrom zu vermeiden, kann die Bewegung dieser Oberflächen derart ausgestaltet sein, daß die Flüssigkeitströpfchen durch die Fliehkraft oder aber durch oben angesprochene Abstreifer vor Eintritt in den ersten Fluidstrom von der Oberfläche entfernt werden. Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher jedoch derart ausgelegt, daß nur ausreichend kleine Flüssigkeitströpfchen auf den wärmetauschenden Oberflächen niederschlagen, daß diese, noch während sie mit dem zweiten Fluidstrom in Kontakt sind, verdampfen.
Der auf diese Weise ausgebildete Airconditioner ist, insbesondere wegen der fehlenden Notwendigkeit einer verhältnismäßig langen Verdampfungsstrecke, im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Airconditioner bei gleicher Leistung und Verwendung des gleichen Luftkühlungsprinzips wesentlich kleiner ausgebildet.
Die vorgenannten, sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen hinsichtlich ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wärmetauscher dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1
eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2;
Fig. 2
den Wärmetauscher nach Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 in einem Ausschnitt;
Fig. 3
eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in ähnlicher Darstellungsart wie Fig. 1;
Fig. 4
eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in perspektivischer Darstellung zum Teil aufgebrochen; und
Fig. 5
eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmestauschers als Airconditioner in ähnlicher Darstellungsart wie Fig. 1.
Bei dem Wärmetauscher gemäß der ersten und dritten Ausführungsbeispiele (siehe Fig. 1, 2 und 4) wird ein erster Fluidzustrom 1 und ein zweiter Fluidzustrom 2 mehreren, auf einer Achse 3 angeordneten, durch Abstandhalter 4 beabstandeten, um die Achse 3 drehbaren, durch einen Motor 11 (siehe Fig. 4) drehangetriebenen Scheiben 5 zugeführt. Nach deren Abkühlung bzw. Aufheizung sowie - gegebenenfalls - erfolgter Beschleunigung verlassen die Fluidströme den Bereich zwischen den Scheiben 5 als zweiter Fluidabstrom 6 und erster Fluidabstrom 7.
Durch zwei seitliche Begrenzungsflächen 12 und 13, die im wesentlichen parallel zu einer Strömungsebene und senkrecht zur Achse 3 angeordnet sind, werden die Fluidströme 1, 7 und 2, 6 seitlich begrenzt (siehe Fig. 4). Von der Achse 3 wegweisend wird der erste Fluidstrom 1, 7 durch ein Begrenzungsblech 17 und der zweite Fluidstrom 2, 6 durch ein Begrenzungsblech 26 begrenzt. Zwischen den beiden Fluidströmen 1, 7 und 2, 6 sind zwei Trennbleche 16 und 27 angeordnet, wobei das Trennblech 16 den ersten Fluidzustrom 1 und den zweiten Fluidabstrom 6 und das Trennblech 27 den zweiten Fluidzustrom 2 und den ersten Fluidabstrom 7 trennt. Es versteht sich, daß sowohl die Trennbleche 16 und 27 als auch die seitlichen Begrenzungsbleche 12 und 13 zum Wärmetausch beitragen.
Die Fluidzuströme 1 und 2 sind derart auf die Scheiben 5 ausgerichtet, daß jeweils eine Hälfte jeder Scheibe 5 bzw. des wirksamen Scheibenringes von dem ersten Fluidstrom 1, 7 und die andere Hälfte von dem zweiten Fluidstrom 2, 6 umspült wird. Die Rotation jeder Scheibe 5 bedingt, daß jeder Oberflächenbereich jeder Scheibe 5 abwechseln mit dem ersten Fluidstrom 1, 7 und dem zweiten Fluidstrom 2, 6 in direkten Kontakt kommt. Hierbei ist der Fluidzustrom 1, 2 jeweils so ausgerichtet, daß der Fluidstrom und der Richtungssinn der rotierenden Scheibe 5 eine gleichgerichtete Bewegungskomponente aufweisen.
Die Begrenzungsbleche 17 und 26 des ersten Ausführungsbeispiels verlaufen im Bereich der Fluidzuströme 1, 2 im wesentlichen geradlinig, während diese Begrenzungen im Bereich der Fluidabströme 7 und 6 von der Achse 3 wegweisen. Während des Betriebes des Wärmetauschers ist so - auch durch die Ausbildung der Trennbleche 16 und 27 - der Fluidabstrom 7, 6 in einer Ebene senkrecht zur Achse 3 von der Achse 3 weg geneigt. Hierdurch wird, in vorteilhafter Weise, die durch die Scheiben 5 bedingte Beschleunigung der Fluidpartikel während des Durchgangs durch den Wärmetauscher ohne Energieverlust in eine Strömungsrichtungsänderung überführt. Eine derartige Winkeländerung ist häufig bei Anwendungen von Wärmetauschern erwünscht und kann in der Regel bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschern nur durch Umlenkbleche bzw. unter Druckverlust realisiert werden.
Der Radius der Scheiben 5 ist so gewählt, daß diese den gesamten Querschnitt der Strömung 1, 7 und 2, 6 jedes Fluides zur Gänze durchschneiden bzw. seitlich begrenzen.
Durch die rotierenden Scheiben wird der jeweilige Fluidstrom 1, 7; 2, 6 jeweils von der Achse 3 wegbeschleunigt. Hierdurch wird eine verhältnismäßig gute Trennung beider Fluidströme 1, 7; 2, 6 bedingt. Zur Verminderung eines etwa auftretenden Leckstroms sind jeweils zwei Leitbleche 8 vorgesehen, die zwischen die Scheiben 5 bis zu den Abstandhaltern 4 eingreifen und ein Trennen der jeweiligen Fluidpartikel von den Scheiben 5 fördern.
Exemplarisch sind in den Figuren 1 und 2 zwei Raumbereiche 9' und 9" dargestellt, in denen das durch diese Raumbereiche 9' und 9" strömende Fluid eine der Bewegung der diese Raumbereiche 9' bzw 9" begrenzenden, auf den Scheiben 5 ausgebildeten Oberflächen gleichgerichtete Geschwindigkeitskomponente besitzt. Der den Raumbereich 9' zu einem Zeitpunkt begrenzende Oberflächenbereich der Scheiben 5 begrenzt nach einer gewissen Zeit den Raumbereich 9". Diese Begrenzung wechselt in erfindungsgemäßer Weise periodisch ab.
Die Scheibenabstände, Scheibendicken und die Rotationsgeschwindigkeit der Scheiben sind so aufeinander bzw. auf die Fluidströme 1, 7; 2, 6 und die jeweiligen Temperaturen der Fluidzuströme 1, 2 abgestimmt, daß die Fluidabströme 6, 7 die gleiche Temperatur aufweisen.
In konkreter Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispieles werden 35, jeweils 5 mm beabstandete Scheiben mit einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 200 mm durch einen 15 W Elektromotor angetrieben. Die Scheiben selbst bestehen aus Polypropylen mit einer glatten Oberfläche. Der Wärmetauscher ansich hat eine Größe von 215 × 220 × 250 mm3. In dieser Ausführungsform fördert der Wärmetauscher 2 Fluidströme von jeweils 250 m3/h. Beispielhafte Temperaturverhältnisse sind in Tabelle I aufgelistet.
T Zustrom 1/ [C°] T Zustrom 2/ [C°] T Abstrom 6/ [C°] T Abstrom 7/ [C°]
40 20 30 30
20 0 10 10
20 - 10 5 5
20 18 19 19
- 40 60 10 10
In einer zweiten konkreten Ausführungsform des Wärmetauschers werden 110 Aluminiumscheiben mit einem Durchmesser von 350 mm und einer Dicke von 1 mm, die 6 mm von einander beabstandet sind, durch einen Elektromotor mit einer Leistung von 150 W angetrieben. Bei einer Größe des Wärmetauschers von 360 × 450 × 900 mm3 können mit diesem Wärmetauscher zwei Fluidströme von jeweils 2500 m3/h gefördert werden. Hierbei wurden die in Tabelle II dargestellten Temperaturverhältnisse gemessen.
T Zustrom 1/ [C°] T Zustrom 2/ [C°] T Abstrom 6/ [C°] T Abstrom 7/ [C°]
26 10 18 18
20 260 140 140
Das zweite Ausführungsbeispiel umfaßt zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Achsen 3, auf welchen Scheiben 5 und zwischen diesen angeordneten Abstandhalter 4 rotieren. Der Aufbau entspricht im wesentlichen dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels. Jedoch wird bei diesem Ausführungsbeispiel auf jeweils ein Leitblech 8 verzichtet. Zwischen den jeweils um eine Achse 3 rotierenden Scheibenanordnung ist ein Trennblech 10 vorgesehen, welches ein Vermischen der beiden Fluidströme 1, 7 und 2, 6 außerhalb der Scheibenanordnung verhindert.
Insbesondere bei diesem Ausführungsbeispiel wird deutlich, daß die durch die rotierenden Scheiben bedingte Beschleunigung der Fluidströme 1, 7 und 2, 6 jeweils eine Reduktion des Kanalquerschnitts im Bereich des Fluidabstroms 7 bzw. 6 ermöglicht. Denkbare weitere Leitbleche 8' sind in Fig. 3 strichpunktiert eingezeichnet.
In konkreter Ausgestaltung dieses zweiten Ausführungsbeispiels werden jeweils 35, auf jeder der beiden Achsen angeordnete Scheiben durch jeweils einen 15 W Elektromotor mit 2500 Rotationen pro Minute angetrieben. Die Scheiben waren aus Polypropylen mit einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 200 mm sowie 5 mm von einander beabstandet. Der gesamte Wärmetauscher wies eine Größe von 215 × 220 × 500 mm3 auf und förderte zwei Fluidströme von je 250 m3/h. Ausgewählte Temperaturverhältnisse sind in Tabelle III dargestellt.
T Zustrom 1/ [C°] T Zustrom 2/ [C°] T Abstrom 6/ [C°] T Abstrom 7/ [C°]
0 20 6,8 13,2
- 20 40 0 20
Der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels entspricht weitgehend dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels. Allerdings sind - wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Begrenzungsbleche 17 und 26 sowie die Trennbleche 16 und 27 eben ausgebildet.
Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht dem dritten Ausführungsbeispiel, bei welchem der erste Fluidzustrom 1 über eine Wasserzufuhr 14 und zwei Nebeldüsen 15 mit einem Wassernebel beauschlagt wird. Die verdampfenden Tröpfchen entziehen dem Fluidstrom 1, 7 zum Verdampfen Energie. Ein Teil der Wassertröpfchen schlägt sich auf den rotierenden Scheiben 5 bzw. der radial außenliegenden Oberflächen der Abstandhalter 4 nieder. Die rotierenden Scheiben 5 sowie die Abstandhalter 4 werden folglich zum einen durch die auf ihrer Oberfläche angelagerten, verdampfenden Wassertropfen und zum anderen durch den bereits vorgekühlten Fluidstrom 1, 7 gekühlt. Ähnlich wie die Rotation der Scheiben ein eindringen des Fluidstromes 1, 7 in den Fluidstrom 2, 6 verhindert, wird durch die Rotation der Scheiben 5 auch ein Eintreten von Wasser in den Fluidstrom 2, 6 vermieden. Insbesondere dienen hierfür die durch die Rotation bedingten Zentrifugalkräfte. Auf diese Weise kann das ansich bekannte Verfahren der Luftkühlung mittels Verdampfen eines Wassernebels genutzt werden, ohne daß hierdurch der Feuchtigkeitsgehalt des Fluidstrom 2, 6 erhöht wird. Dieser Fluidstrom 2, 6 kann dann einem mit kühler Luft zu versorgenden Innenraum zugeführt werden.
In konkreter Ausgestaltung weist ein gemäß des vierten Ausführungsbeispiels ausgestalteter Airconditioner 35 Polypropylenscheiben mit einer Dicke von 1 mm, einem Durchmesser von 200 mm und einer glatten Oberfläche auf, die 5 mm voneinander beabstandet sind und von einem 15 W Elektromotor mit 2500 Rotationen pro Minute angetrieben werden. Dem Fluidzustrom 1 wird 1 l/h Wasser in Form von 20 bis 50 µm3 großen Wassertropfen aufgegeben. Bei einer Größe von 215 × 220 × 300 mm3 fördert dieser Airconditioner einen Fluidstrom 2, 6 von 250 m3/h in einen Innenraum. Mit einer Temperatur von 27 C° und einer relativen Feuchtigkeit von 46 % zugeführte Fluidzuströme 1 und 2 ermöglichen auf diese Weise einen Fluidabstrom 6 von 22 C° bei einer Kühlleistung von 350 W und einer COP von COP = 23. Weisen die Fluidzuströme 1 und 2 eine Temperatur von 35 C° und eine relative Feuchtigkeit von 50 % auf, so folgt eine Temperatur des Fluidabstroms 6 von 26,5 C° bei einer Kühlleistung von 400 W und einer COP von COP = 26.
Bei einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, welcher im Aufbau weitgehend der zweiten Ausführungsform entspricht werden durch drei 15 W Elektromotoren drei Achsen mit jeweils 35 Polypropylenscheiben mit 2500 Rotationen pro Minute rotiert. Die Scheiben sind jeweils 1 mm dick, haben einen Durchmesser von 200 mm, sind jeweils 5 mm voneinander beabstandet und weisen eine glatte Oberfläche auf. Bei einer Größe von 215 × 250 × 750 mm3 fördert dieser Wärmetauscher jeweils 250 m3/h Luft. Die Temperaturverhältnisse sind der Tabelle IV entnehmbar.
T Zustrom 1/ [C°] T Zustrom 2/ [C°] T Abstrom 6/ [C°] T Abstrom 7/ [C°]
0 20 5 15
- 20 + 20 - 10 + 10
10 50 20 40
Bezugszeichenliste
1
erster Fluidzustrom
2
zweiter Fluidzustrom
3
Achse
4
Abstandhalter
5
Scheibe
6
zweiter Fluidabstrom
7
erster Fluidabstrom
8
Leitblech
8'
Leibleche
9'
Raumbereich
9''
Raumbereich
10
Trennblech
11
Motor
12
seitliches Begrenzungsblech
13
seitliches Begrenzungsblech
14
Wasserzufuhr
15
Nebeldüse
16
Trennblech
17
Begrenzungsblech
26
Begrenzungsblech
27
Trennblech

Claims (26)

  1. Verfahren zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms (1, 7; 2, 6),
    bei dem der Fluidstrom (1, 7; 2, 6) in die unmittelbare Nähe zumindest einer/s geeignet temperierten, sich bewegenden Oberfläche bzw. Oberflächenbereichs geführt wird, wobei die Bewegungsrichtung in jedem Punkt der Oberfläche bzw. des Oberflächenbereiches im wesentlichen parallel zur Oberfläche bzw. zum Oberflächenbereich verläuft,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Oberflächen motorisch angetrieben werden und
    daß die Bewegungsrichtung der Oberfläche bzw. des Oberflächenbereiches eine dem Fluidstrom (1, 7; 2, 6) gleichgerichtete Bewegungskomponente aufweist so daß die Fluidströme gefördert werden ohne den Einsatz von zusätzlichen Fluidförderwerten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Oberfläche/n bzw. des/der Oberflächenbereiche/s zumindest an einer Stelle gleich oder höher als die gleichgerichtete Geschwindigkeitskomponente des Fluidstromes (1, 7; 2, 6) ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom (1, 7; 2, 6) durch einen von zwei geeignet temperierten, aufeinander zuweisenden, sich im wesentlichen parallel zueinander bewegenden Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen begrenzten Raumbereich (9', 9'') geführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein erster Fluidstrom (1, 7) durch einen ersten Raumbereich (9') und ein zweiter Fluidstrom (2, 6) durch einen zweiten Raumbereich (9'') geführt wird und
    daß die bewegten Oberflächen bzw. die bewegten Oberflächenbereiche zumindest den ersten Raumbereich (9') und den zweiten Raumbereich (9'') abwechselnd, vorzugsweise periodisch abwechselnd, begrenzen oder durchlaufen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Verfahrensschritt der Beaufschlagung des ersten Fluidstroms (1, 7) vor dessen Eintritt in den ersten Raumbereich (9') mit einer verdampfenden Flüssigkeit.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Verfahrensschritt des Zerstäubens der zu verdampfenden Flüssigkeit, bevor oder während diese mit dem ersten Fluidstrom (1, 7) beaufschlagt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Fluidstrom (1, 7) ein Gasstrom, vorzugsweise ein Luftstrom ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfende Flüssigkeit Wasser in Form feiner Tröpfchen bzw. in Form von Nebel umfaßt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Fluidstrom (2, 6) ein Luftstrom ist und daß der Luftstrom einem mit kühler Luft zu versorgendem Innenraum zugeleitet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß überwiegend ein zwischen den sich in Strömungsrichtung bewegenden Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen liegende Raumbereich von den Strömungslinien dieses Fluidstromes (1, 7; 2, 6) durchlaufen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18.
  12. Vorrichtung zum Fördern von Fluidströmen mit Wärmerückgewinnung, vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    mit zumindest einem Kanal für einen ersten Fluidstrom (1, 7) und zumindest einem Kanal für einen zweiten Fluidstrom (2, 6), wobei die Kanäle jeweils einen Zustromkanal und einen Abstromkanal aufweisen und die Zustromkanäle im wesentlichen gegensinnig aufeinander zulaufen,
    mit mindestens einem als Förder- und Wärmerückgewinnungsmittel wirkenden motorisch angetriebenen Rotor zum Fördern der Fluidströme, wobei der zumindest eine Rotor um eine im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der beiden Fluidströme (1, 7; 2, 6) verlaufende Achse (3) rotiert, wobei der Rotor zumindest eine um die Achse (3) rotierende Scheibe (5) umfaßt und wobei sich die mindestens eine Scheibe (5) in den Kanal für den ersten Fluidstrom und in den Kanal für den zweiten Fluidstrom hinein erstreckt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, mit mehreren Scheiben (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Scheiben zwischen 1 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 6 mm, beträgt.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Scheibe (5) oder der mindestens eine Rotor eine verhältnismäßig geringe Masse bzw. Wärmekapazität aufweisen/t.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibendurchmesser zwischen 10 mm und 1000 mm beträgt.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Scheibe (5) eine über den Radius der Scheibe variierende Dicke aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Scheiben (5) Abstandhalter (4) mit kleinerem Durchmesser als dem Scheibendurchmesser angeordnet sind.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Scheibe (5) eine Dicke zwischen 0,1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2 mm, aufweist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustromkanäle einen größeren Querschnitt als die zugehörigen Abstromkanäle aufweisen.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die der Scheibenachse (3) abgewandte Begrenzung des Abstromkanals bezüglich der der Scheibenachse (3) abgewandten Begrenzung des Zustromkanals in einer Ebene senkrecht zu der Scheibenachse (3) von der Scheibenachse (3) weg geneigt ist.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch zumindest ein bezüglich der mindestens einen Scheibe (5) ruhendes Leitblech (8), welches an gewünschter Position eine Trennung des Fluidabstromes (6, 7) von der mindestens einen Scheibe (5) fördert.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, gekennzeichnet durch zumindest zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Rotoren.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, gekennzeichnet durch Mittel zur Beaufschlagung des ersten Fluidstroms (1, 7) vor Eintritt in den von ihm durchströmten Raumbereich (9' oder 9'') mit einer verdampfenden Flüssigkeit.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Scheibe (5) eine strukturierte, z. B. durchbohrte Oberfläche aufweist.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Scheibe (5) aus Aluminium besteht.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Scheibe (5) aus Polypropylen besteht.
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