DE7010210U - Waermetauscher zum hauptsaechlichen bewirken von feuchtigkeitsuebertragung. - Google Patents

Description

DIt. HVG. K. HOFFMANN · DIPL. Ι·Κ'φ7γ\-^Γ·. filt^IS: * Ι?ίϊ.,It^It. Λ'ΛΤ. U. ΙΙΟΚ1·\ΜΛΛΝ

D-8000 MÖNCHEN 81 ■ ARABELLASTfiASSE i · TELEFON (0811) 911087

G 70 10 PÜ0.2 ?6. Wdrz 1973

Mitsubishi Denki Kabushiki Kair.ha, Tokyo / Japan

/_y/ärmetauscher zum hauptsächlichen Bewirken von Feuchtigkeitsübertragung ^

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zum hauptsächlichen Bewirken von Feuchtigkeitsübertragung mit einer Mehrzahl ebener in bestimmten irn wesentlichen gleichen Abständen übereinandergelegter Blätter unter Bildung einer Mehrzahl von Spalten zwischen ihnen, und einer Einrichtung zum Durchtritt eines ersten Luftstromes durch abwechselnde Spalte in einer Richtung und Durchtritt eines zweiten Luftstromes durch die übrigen

Spalte in' einer die Richtung des ersten Luftstromes schneidenden Richtuns, wobei beide Luftstrüme sowohl in ihrer Temperatur als auch im Feuchtigkeitsgehalt unterschiedlich sind.

Beim Belüften von Räumen in Gebäuden unter Vorwendung eines Ventilator:; zurr. Absaugen der Raumluft nach draußen und beim gleichseitigen Einbringen von Außenluft in den Raum ist es wünschenswert, die Außenluft in den Raum einzubringen, nachdem sie sich sowohl im Feuchtigkeitsgehalt als auch in der Temperatur an die Raumluft angenähert hat. Dies ist vor allern deshalb wünschenswert, weil das Kindringen von Außenluft, welche in ihrem Feuchtigkeitsgehalt und in ihrer Temperatur von der Raumluft verschieden 1st, durch das Aufwärmen die Abkühlungs- oder Erwärmungswirkung so stark vermindert, daß es erforderlich wird, die Kühl- oder Heizkapazität der zugeordneten Klimaanlage zu erhöhen.

Es sind schon feuchtigkeitsabsorbierende und wärmesammelnde, sich drehende Wärmetauscher verwendet worden, welche in die Belüftungseinrichtung eingesetzt waren, um die Außenluft in den Raum einzubringen, nachdem sie sich sowohl in ihrei:; Feuchtigkeitsgehalt als auch in ihrer Temperatur der Raumluft durch diesen letzteren Wärmetauscher angenähert hatte, welche auch als ¹¹ECON VSIiT" bezeichnet v/erden und eine Mehrzahl radialer Flügel enthielten., die aus einem Material mit feuchtigkeitsabsorbierenden und wärmesammelnden Eigenschaften bestanden und in im wesentlichen gleichen Winkelabständen an einer sich drehenden Welle befestigt waren, um einen Hauptdrehkörper des Wärmetauschers zu bilden. Im Betrieb ist der Hauptdrehkörper mit seiner einen Hälfte in einer Saugleitung angeordnet, über welche die Außenluft in den Raum eingebracht wird, und die andere Hälfte ist in einer

Ausstoßleitung angeordnet, durch welche die Raumluft nach draußen abgesaugt wird. Unter diesen Bedingungen wird der Hauptdrehkörper um die Achse seiner Welle gedreht, so daß jeder Flügel, welcher in einen der Außenluft oder Raumluftströme bewegt wird, Feuchtigkeit absorbiert und trägt, und Wärme von der Luft in dem einen Strom sammelt, während jeder Flügel, welcher in den anderen Strom bewegt wird, die Feuchtigkeit freigibt und die Wärme in die Luft in diesem Strom abgibt. Auf diese Weise werden Feuchtigkeit und Wärme intermittierend zwischen den zwei Luftströmen übertragen, um so die Feuchtigkeit und Temperatur der Außenluft durch die nach draußen herausgesaugte Raumluft der der Raumluft anzunähern, worauf die in ihrem Feuchtigkeitsgehalt und ihrer Temperatur eingestellte Außenlft in den Raum eingebracht wird.

Jedoch haben Wärmetauscher der oben beschriebenen Art, bei welchen der Wärmetauscherteil sich drehte, zu verschiedenen Nachteilen geführt. Z.B. muß jeder Flügel aus dickem Plattenmaterial hergestellt sein, damit der Flügel zuerst sowohl die Feuchtigkeit absorbieren und halten kann, als auch genügend Wärme sammeln kann. Der sich drehende Aufbau war groß und kompliziert, was zum leichten Auftreten von Beschädigungen führte. Darüberhinaus war es unmöglich, den Strom der Außenluft vollständig von dem Strom der Raumluft zu isolieren, so daß die Außenluft mit der ausgesaugten Raumluft im Wärmetauscher gemischt wurde und dann in den Raum eingebracht wurde.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten Wärmetauscher zum Bewirken fortlaufender und gleichzeitiger Übertragung von Feuchtigkeit und Wärme zwischen zwei Luftströmen zu be-

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• · a · · β

wirken, welche in ihrem Feuchtigkeitsgehalt und ihrer Temperatur voneinander verschieden sind und zwar durch eine Teilung oder eine Schicht, welche keine bewegten Teile aufweist, während beide Luftströme vollständig daran gehindert werden, sich miteinandar zu mischen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ebenen Blätter in der Hauptsache aus einem faserigen Material hergestellt sind, welches genügend wärmeleitend und feuchtigkeitsdurchlässig ist, um eine fortlaufende Übertragung von Wärme und Feuchtigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Luftstrom zu bewirken.

Vorteilhaft ist die Vorrichtung so aufgebaut, daß das Fasermaterial Japanpapier ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die dünnen Blätter so übereinander angeordnet werden, daß ein Abstand zwischen den benachbarten Schichten gebildet ist, welcher zwischen 1 und 4 mm liegt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teiles des in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers;

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche die Temperaturverteilungen zweier Luftströme an den entsprechenden Ausstoßseiten der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zeigt;

Fig. K eine graphische Darstellung einer Temperatur und einer absoluten Feuchtigkeit im Verhältnis zu einem Luftstromanteil in zwei Luftströmen an den Einstrüm- und Abstrüniseitcn der Vorrichtung gemäß Fig. 1 während des Winterbetriebes;

Fig. 5 eine der Fig. h ähnliche Darstellung, wobei in diesem Falle der Sommerbetrieb de:,·· Vorrichtung der Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. β eine graphische Darstellung einer Durchflußleistung von Luft gegenüber den Austauschwirkungsgraden von Temperatur, Feuchtigkeit und Gesanitviärme, welche auf der Basis (^;or in den Fig. K und 5 gezeigten Daten berechnet sind;

Fig. 7 eine graphische Darstellung einer Durchflußleistung von Luft gegenüber den Wirkungsgrade:". des Feuchtigkeitsaustausches für verschiedene Materialien, aus welchen das in F:.g. 1 gezeigte Blatt hergestellt ist;

Fig. ο eine Darstellung ähnlich Pig. 'J, jedoch stellt sie die Wirkungsgrade des Warne- oder Tcs:.peraturaustausehes dar;

Fig. 9 eine Darstellung ähnlich Fig. 7,· jedoch stellt sie den Prozentsatz des Lu-ftveriustus dar; und

Fig. 10

ist eine graphische Darstellung, welche einen Zwischenraum zwischen den Blättern den Wirkungsgraden des gesamten Wärme- und Druckabfalles in der Vorrichtung nach Fig. 1 gegenüberstellt.

·- O

Bei dem in Fig. 1 darger:':vllten Ausfuhrungnbeispiel der Erfindung besteht ■-: V-•■me tau:.; eher 20 aus einer Mehrzahl flacher Blätter Γ2 in For·;.·! von Quadraten, v.'elche übereinander in vorbestimmten im v.'esentliehen gleichen Abständen angeordnet .sind, um eine Mehrzahl von Spalten dazwischen zu bilden, und ein gerippter oder gev:elltcr Abstandhalter 2'l ist in jedem der Spalte angeordnet, ,30 daß er zwischen benachbarten Blättern 22 eingelegt ist, um einen aus vielen Blättern und Abstandhalten! bestehenden Stapel zu bilden. Bei jedem zv.^Teiten Abstandhalter verlaufen die Wellenberge im viesentlichen parallel zu einem Paar einander gegenüberliegender Seiten der Blätter, uin Luftkanale 26 zwischen den zugeordneten Blättern zu bilden, während die übrigen Abstandhalter 2-1 mit ihren Wellenbergen im Viesentlichen parallel zum andern Paar der gegenüberliegenden Seiten der Blätter 22 angeordnet sind, um Luftkanäle 26 zwischen den zugeordneten Blättern zxi bilden. So schneiden die Luftkanale 2.6 die Luftkanäle 2o, welche ober-, und unterhalb derselben angeordnet sind.

In der Anordnung der-Fig. 1 ermöglichen die Luftkanäle 26 ein Fließen von Luftströmen in einer Richtung, wie sie durch die Pfeile C und D in Fig. 1 angedeutet ist, und die Luftkanäle 2o ermöglichen das Strömen anderer Luftstrom© in einer Richtung, wie sie durch die Pfeile E und F in Fig. 1 angedeutet ist, welche die Richtung der Pfeile C und D schneiden oder in diesem Falle im wesentlichen senkrecht dazu verlaufen. Somit versteht es sich, daß bei der Anordnung nach Fig. 1 die Luftströme in Richtung der Pfeile C und D vollständig von den Luftströmen in Richtung der Pfeile E und F isoliert sind.

Erfindungsgemäß sollen die Blätter vorwiegend aus irgend einem geeigneten Fasermaterial hergeäbeHt sein, welches

lässig ist, wie z.B. Japanpapier. Z.B. können die Blätter 22 in der Hauptsache aus einem Japanpapier hergestellt sein, welches J50 Gew.-jS eines synthetischen Fasermaterials enthält und eine Dicke aufweist, die dem Gewicht eines Papieres von 70 g/rc entspricht. Das Japanpapier wurde in Abmessungen von 110 χ 110 cm zugeschnitten, um die quadratischen Blätter herzustellen. Auf der anderen Seite wurde ein Packpapier mit einer dem Gewicht eines Papieres von 120 g/m entsprechenden Dicke zum Herstellen der gewellten Abstandhalter 24 verwendet, welche eine Amplitude von 1,8 mm und eine Wellenlänge 2,1 mm hatten (Fig. 2). Die so vorbereiteten Blätter und Abstandhalter wurden überdnandergelegt, um einen Stapel von 110 Blättern mit einer Gesamtdicke von 220 mm zu bilden, wobei der Abstand zwischen den Blättern 1,8 mm betrug. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht durch oder auf die Figuren, die Form der Blätter und das dafür verwendete Material, wie es oben beschrieben wurde, beschränkt ist.

Im Betrieb fließt ein erster Luftstrom, z.B. der Außenluftstrom, durch die Luftkanäle 26, während gleichzeitig ein zweiter Luftstrom oder der Raumluftstrom durch die Luftkanäle 28 hindurchtritt, worauf zwischen den zwei Luftströmen sowohl Wärme als auch Feuchtigkeit fortlaufend und gleichzeitig durch die Blätter 22 übertragen werden, welche genügend wärmeleitend und genügend feuchtigkeitsdurchlässig sind,wie durch Versuchsergebnisse bestätigt wurde und wie im folgenden beschrieben ist.

Die Anordnung der Fig. 1 wurde in eine nicht dargestellte zweckmäßige Belüftungsanlage eingebaut und im Winter betrieben, wobei die erwärmte Itaumluft eine absolute Feuch-

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tJLgkeit hw, von 0,0072 kg/kg und eine Temperatur tw, von 20⁰C hatte und die kalte Außenluft eine absolute Feuchtigkeit hc, von 0,0055 kg/kg und eine Temperatur te, von 5°C. Nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher 20 hatte die sowohl in Temperatur als auch im Feuchtigkeitsgehalt niedrigere Außenluft eine Temperatur tc_? und eine absolute Feuchtigkeit von hc_?, Vielehe der Temperatur tw, und der absoluten Feuchtigkeit hw, der Raumluft angenähert waren, bevor diese in den Wärmetauscher eintritt, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Dann wurde die so erwärmte und befeuchtete Außenluft in den Raum eingebracht. Auf der anderen Seite wies die den Wärmetauscher 20 verlassende Raumluft sowohl verminderte Temperatur als auch verminderte Feuchtigkeit auf. In Fig. 4 ist festzustellen, daß die Außenluft vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 20 sowohl geringere Temperatur als auch geringere Fexichtigkeit als die Raumluft aufweist, während sie nach Verlassen des Wärmetauschers sowohl höhere Temperatur als auch höhere Feuchtigkeit als die Raumluft aufweist. In Fig. K bezeichnen tw₂ und hWp die Temperatur und absolute Feuchtigkeit der Raumluft, nachdem sie durch den Wärmetauscher 20 hindurchgeströmt ist. D.h., die Außenluft und die Raumluft haben nach Verlassen des Wärmetauschers 20 ihre Temperatur- und Feuchtigkeitszustände in bezug auf die die Anordnung verlassende Raumluft umgekehrt.

Es versteht sich auch, daß die gerade beschriebenen Temperaturen und absoluten Feuchtigkeiten Mittelwerte für die Außen- und Raumluft an der Abströmseite des Wärmetauschern 20 sind. In Wirklichkeit ist die Außenluft an der Abströmseite des Wärmetauschers 20 in ihrer Temperatur von Punkt zu Punkt verschieden, wie in der Kurve b in Fig. 5 gezeigt ist, in welcher eine Temperatur als Ordinate gegenüber der

Querabmes'sung eines Luftstrornes aufgezeichnet ist, wobei P₁₁ und P₁

Punkte angrenzend en die Ecken bezeich-

Γ-'ittci """!'*■ d·'

;c,

T.r-i

Fig. 1 dargestellt ist. Die Kurve a bezeichnet die Raumluft. Dies« c entspricht im Falle der absoluten Feuchtigkeit der Wirklichkeit.

Ähnliche Versuche wurden irr. Sommer durchgeführt, wobei die gekühlte Raumluft eine absolute Feuchtigkeit lic, von 0,01 kg/kg und eine Temperatur tw, von 25°C hatte und die Außenluft eine absolute Feuchtigkeit hc, von 0,0215 kg/kg und eine Temperatur te, von 30 C. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Fig. 3 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen Komponenten bezeichnen, welche mit denen der Fig. 4 identisch sind. Aus Fi^, ^/<L :'.ot zu entnehmen, daß die Außenluft gekühlt und dvir-f·;. axe ausgesaugte Raumluft getrocknet wird, um sich ^ow'.il in bezug auf die Temperatur als auch auf die Feuchtigkeit der Raumluft zum Einbringen in den Raum zu näh«_. n.

Somit versteht es sich, daß die Erfindung einen Wärmetauscher zum Bewirken fortlaufenden und gleichzeitigen Übertragens von Wärme und Feuchtigkeit zwischen zwei Luftströmen durch die Blätter schafft, welche v/irksam einen der Luftströme vorn andern Luftstrom isolieren.

Unter Verwendung der Parameter tw,,

te,,

te~, hw.

hc

und hCp, vjie oben beschrieben, kann der Wirkungsgrad des Temperatur- und Feuchtigkeitsaustausches E bzw. H für die Außenluft relativ zur Raumluft entsprechend den folgenden Gleichungen berechnet v/erden:

und

H =

χ 100

x. 100

- ίο -

Ebenso kann der Wirkungsgrad des Wärmetauschers ausge drückt werden durch die Gleichung:

U -

UCrj -

X 100

wobei uv.^r, - Enthalpie an der Einströmseite der Raumluft, uc, - Enthalpie an der Einströmseite der Außenluft und uc_o = Enthalpie an der Abströmseite der Außenluft.

Unter Vervrendung der in Fig. 4 und 5 gezeigten Werte wurden die Austauschwirkungsgrade E, H und U sowohl für den Sommer als auch für den Winter berechnet. Die Berechnung hat die Wirkungsgrade für Temperatur, Feuchtigkeit- und Ge-GamtwärmeauGtausch Ej H und U ergeben, welche im wesentlichen zv.^risehen Winter und Sommer unverändert bleiben, vile in Fig. β dargestellt ist.

Um den Wirkungsgrad der Erfindung gegenüber der bekannten Technik zu demonstrieren, wurden Versuche mit Wärmetauschern, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, durchgeführt. Ein Unterschied bestand darin, daß die Schichten aus einem Packpapier hergestellt waren, welches geringer feuchtigkeitsdurchlässig ist als das vorliegende Material und aus Aluminium, welches nicht feuchtigkeitsdurchlässig ist.

Fig. 7 stellt den Wirkungsgrad des Feuchtigkeitsaustausches als Ordinate gegenüber einer Durchflußleistung von Luft auf der Abrisse für Japanpapier gemäß der Erfindung, ein Packpapier und Aluminiumfolie dar. Fig. 8 ist eine der Fig. 7 ähnliche Darstellung, jedoch stellt sie den Wirkungsgrad des Wärmeaustausches dar. Aus den Fig. 7 und δ ist zu sehen, daß die Verwendung von Packpapier oder

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ι- ·1Ί♦ ·· ·.

Aluminiumfolien einen Unterschied zwischen den Wirkungsgraden des Temperatur- und Feuchtigkeitsaustausches hervorbringt, welcher gleich oder mehr als hO% beträgt, wodurch der Wirkungsgrad des Feuchtigkeitsaustausches niedriger als mindestens 50$ liegt. Daher ist es unmöglich, mit diesem Material einen wirksamen Wärmetauscher zu schaffen.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen einer Leckluftmenge durch die Blätter und eine Durchflußleistung der Luft darstellt. Wie in Fig· 9 gezeigt ist, kann das zur Verwirklichung der Erfindung am meisten vorzuziehende Japanpapier einen Betrag von 0,5 bis 0,9 % durch die Blätter hindurchlecken lassen, welcher im Vergleich zum Packpapier oder zur Aluminiumfolie groß ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß solch ein kleiner Betrag von Leckluft für den Einbau des vorliegenden Wärmetauschers in Lüftungssysteme für praktische Zwecke zulässig ist.

Fig. 10 schließlich zeigt einen Abstand zwischen den Schichten, welcher gegenüber einem Wirkungsgrad des gesamten Wärmeaustausches und einem Druckabfall über den Wärmetauscher dargestellt ist, wobei eine Durchflußleistung von einem Wert von ungefähr 1 nr/min. aufrechterhalten wird. Aus Fig. 10 ist zu ersehen, daß für die Abstände von 1 mm und weniger der Druckabfall oder der Widerstand für den Luftstrom hoch wird, während für Abstände von h mm und mehr der Wirkungsgrad des Gesamtwärmeaustausches geringer als 50 % ist, was dazu führt, daß die Vorrichtung nicht mehr wirksam verwendet werden kann.

Aus dem Vorhergehenden versteht es sich, daß jedes ausgev.ählte Blattmaterial einen Unterschied zwischen den

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Wirkungsgraden von Temperatur und Feuchtigkeitsaustausch haben muß, welcher gleich oder geringer als 4o?u ist, was zu einem Wirkungsgrad beim Temperaturaustausch von ungefähr 90^ führt, um dadurch die zugeordnete Wirksamkeit des Feuchtigkeitsaustausches bei einem Wert von höchstens 50/<> zu halten. Auch kann der Abstand zwischen den Blättern im Bereich von 1 bis 4 mm liegen,und es. werden vorzugsweise 1,6 mm angewendet. Anstatt aus Japanpapier können die Blätter meistens aus irgendeinem anderen geeigneten Fasermaterial hergestellt sein, welches genügend wärmeleitend und genügend feuchtigkeitsdurchlässig ist und im wesentlichen im Aufbau dem Japanpapier äquivalent ist. Z.B. kann ein Asbestpapier wirksam zur Bildung der Blätter verwendet werden. Auch ist die Erfindung in gleicher Weise auf eine Vielzahl von Klimaanlagen anwendbar und dazu gedacht, fortlaufende und gleichzeitige Übertragungen sowohl von Wärme als auch von Feuchtigkeit zwischen zwei Luftströmen verschiedener Temperatur und Feuchtigkeit durchzuführen, wobei beide Luftströme daran gehindert sind, sich miteinander zu vermischen.

Claims (2)

■ ι ι * ♦ »- iii: ο 7'· ίο gio.P :·!:.':·:'. ?6· μηγζ i973 ·»,* ^ ■- - - . ι ι Ii lit·..* r . S c h u t ζ a nsorüche

1. Wärmetauscher zum hauptsächlichen Bewirken von Feuchtigkeitsübertragung mit einer Mehrzahl ebener in bestimmten im wesentlichen gleichen Abständen übereinandergelegter Blätter unter Bildung einer Mehrzahl von Spalteii zwischen linien, und einer Einrichtung zürn Durchtritt eines ersten Luftstromes durch abwechselnde Spalte *in einer Richtung und Durchtritt eines zweiten Luftstrornes durch die übrigen Spalte in einer die Richtung des ersten Luftstromes schneidenden Richtung, wobei beide: Luftströme sowohl in ihrer Temperatur als auch im Feuchtigkeitsgehalt unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet , daß die ebenen Blütter (22) in der

-. Hauptsache aus einem faserigen Material hergestellt sind, welches genügend wärmeleitend und feuchtigkeitsdurchlässig ist ., um eine fortlaufende Übertragung von Wärme und Feuchtigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Luftstrom zu bewirken.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ._, daß das Fasermaterial Japan-

. papier ist.