Raumlüftungssysteme mit Wärmerohr-Wärmeübertrager
Das Dresdener Institut für Luft- und Kältetechnik stellt zwei neue Entwicklungsprojekte vor
Das Herzstück dezentraler und zentraler Raumlüftungssysteme ist eine effiziente Wärmerückgewinnung. Im Rahmen einer energetischen Sanierung von Bestandsbauten sind dezentrale Lüftungssysteme favorisiert, weil diese den Bauaufwand senken. Bei Neubauten können zentrale Lüftungssysteme unter bestimmten Bedingungen energetisch und wirtschaftlich vorteilhaft sein. Für beide Systemanwendungen hat das Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH (ILK), Dresden, im Rahmen zweier Entwicklungsprojekte Lüftungskonzepte mit Wärmerohr-Wärmeübertrager entwickelt und untersucht.
Wärmerohre sind luftleere zumeist metallische Hohlkörper, in denen sich ein Wärmeträgerfluid (Kältemittel) befindet. Für eine maximale Leistungsnutzung werden diese in der Funktion eines Gravitationswärmerohres idealerweise senkrecht zwischen zwei unterschiedlich temperierten Fluidströmen angeordnet. Das Arbeitsfluid zirkuliert zweiphasig im Hohlkörper. Das Wärmepotenzial (z. B. warme Abluft) umströmt den unteren Teil. Dabei verdampft das Wärmeträgerfluid und steigt gasförmig in der Mitte nach oben. Der kühle Luftstrom führt zur Kondensation des Gases an der Rohrinnenwand, an der es flüssig wieder zurück in den Fußbereich strömt. Die Verdampfung im unteren Bereich führt zu einer Abkühlung des warmen Luftstroms während sich der kühle Luftstrom erwärmt (Bild 1).
Infolge der Phasenwechsel des Arbeitsfluids sind Wärmerohre sehr gute Wärmeleiter und das bereits ab Temperaturdifferenzen ab ca. 1,5 K. Diese Eigenschaft ist hervorragend geeignet, um zwischen Fluidströme in getrennten Kanalführungen Wärmepotenziale zu übertragen. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten hinsichtlich der Umsetzung strömungstechnischer und akustischer Anforderungen in kompakten Bauräumen. Insbesondere in hygienisch sensiblen Nutzungsbereichen ist eine effiziente Wärmübertragung bei strikt einzuhaltenden Bereichstrennungen möglich. Im Weiteren werden zwei am ILK Dresden neu entwickelte Lösungsansätze vorgestellt.
Wärmerohr-Wärmeübertager für die dezentrale Raumlüftung
Eine Maßnahme im Rahmen der energetischen Sanierung von Bestandsgebäuden sind neue dicht schließende Fenster und Türen in Verbindung mit einem dezentralen Lüftungssystem. Von Vorteil dabei ist es, wenn beide neuen Komponenten in der vorhandenen Maueröffnung für die Fenster und Türen integriert werden können. Für ein solches Konzept ist beim ILK Dresden ein flaches modular aufgebautes System entwickelt worden, welches z. B. zwischen dem Fensterrahmen und der Mauerlaibung rechts und/oder links installiert werden kann (Bild 2). Das 1200 mm lange, 240 mm tiefe und 55 mm hohe Demonstrationsgerät ist für einen maximalen Luftvolumenstrom von 30 m³/h dimensioniert, akustisch optimiert und verfügt über drei Leistungsstufen. Es kann für den Winter- (Erwärmung der Außenluft) und für den Sommerbetrieb (Kühlung der Außenluft) genutzt werden.
Der hier entwickelte Wärmeübertrager besteht aus drei Wärmerohrreihen, die einzeln montierbar sind. Jede Reihe verfügt über vier Flachwärmerohre. Diese haben eine Aluminiumhülle und sind mit dem Arbeitsfluid Aceton gefüllt (Anwendungsbereich für -40 °C bis 80 °C). Sie sind 400 mm lang, 40 mm breit und 2,5 mm dick. Zwischen den Wärmerohren ist eine Lammellenstruktur aus Aluminiumblech installiert. Die wärmetechnischen und akustischen Zielstellungen – Rückwärmzahl von über 60 % und max. 35 dB(A) bei 2/3 des maximalen Luftvolumenstroms – sind mit dieser Entwicklung erreicht worden (Bild 3).
Intensivierung des Wärmeübergangskoeffizienten
Unter der Bezeichnung „luftfördernder Wärmeübertrager“ wird aktuell ein zweites Anwendungspotenzial für Wärmerohr-Wärmeübertrager untersucht.Das Entwicklungsziel ist ein neuer kompakter Lüftungskern, der aus der Kombination eines zweiflutigen Axial- bzw. Diagonallaufrades mit einem mitrotierenden Wärmerohr-Wärmeübertrager besteht. Diese Funktionsweise verspricht eine Intensivierung des Wärmeübergangskoeffizienten im Wärmeübertrager dank der höheren Relativgeschwindigkeit zwischen Wärmerohr und Fluid. So kann auf diese Weise im Vergleich zum leistungsäquivalenten Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager die volumetrische Leistung des Wärmeübertragers von ca. 11 kW/m³ auf 20 kW/m³ gesteigert werden. Des Weiteren werden beide zu fördernden Luftströme mit nur einem Antrieb generiert. Damit entfällt eine potenziell akustisch dominante Quelle. Zusätzlich eröffnen der Aufbau und die Funktionsweise dieses Lüftungskerns neue Designmöglichkeiten für ein zentrales Lüftungsgerät als „Rohr in Rohr“-System, wodurch zusätzliche nutzbare Wärmeübertragerflächen generiert werden können.
Das Funktionsprinzip des luftfördernden Wärmerohr-Wärmeübertragers und den Aufbau veranschaulicht Bild 4. Das Wärmerohrrad mit einem Außendurchmesser von ca. 275 mm besteht aus zwei Reihen mit jeweils 16 Flachwärmerohren. Die marktverfügbaren Wärmerohre sind 100 mm lang, 40 mm breit und 2,5 mm dick. Das Arbeitsfluid ist Aceton. Infolge der Drehung des Wärmeübertragers beeinflusst die Zentrifugalkraft die Wirkungsweise der Wärmerohre. In Abhängigkeit des Arbeitsmediums, der Temperaturdifferenz und der Wärmerohrlänge definiert sich eine maximale Grenzdrehzahl bis zu der die Wärmerohre funktionieren.
Eine Herausforderung dieser Entwicklung besteht darin, diese Grenzdrehzahl und die erforderliche Drehzahl für die optimale Leistung der Laufschaufelgitter konstruktiv zu vereinen. Dafür wird ein Planetengetriebe mit einem definierten Übersetzungsverhältnis erforderlich. Eine weitere Herausforderung ist die Entwicklung geeigneter Dichtungssysteme zwischen den rotierenden und feststehenden Elementen im Lüftungskern, weil zu hohe Leckagen dem Vorteil der Intensivierung der Wärmeübertragung zu und von den Fluidströmen entgegenstehen.
Der aktuell entwickelte Demonstrator ist für maximale Luftvolumenströme von 220 m³/h bei 70 Pa Druckaufbau (extern) dimensioniert. Er ist 600 mm lang und hat einen Außendurchmesser von 280 mm. Er besteht aus 6 Wärmerohrringen. Zwischen den Wärmerohren vergrößert eine Wabenstruktur die nutzbare Wärmeübertragerfläche um ungefähr das 14-Fache pro Kanal. Die Förderung der Luftströme übernehmen gleichdimensionierte diagonale Schaufelgitter. Diese drehen 5-mal schneller als das Wärmerohrregister. Es sind drei Leistungsstufen vorgesehen, in denen definierte Zuluftvolumenströme gefördert werden. Als Anschlussdurchmesser können für das Innenrohr DN 200 und für das Außenrohr DN 280 empfohlen werden. In der 3D-Schnitt-Darstellung in Bild 5 ist der Aufbau mit den wichtigsten Komponenten veranschaulicht.
Autoren: Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt und Dipl.-Ing. (FH) Christian Friebe, beide Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden
Bilder: Institut für Luft- und Kältetechnik
Die Forschungsvorhaben
- Fensterintegriertes Raumlüftungssystem mit Wärmerohr, PT: EuroNorm, Inno-Kom-Ost (MF120119)
- Effizienter, kompakter undluftfördernder Wärmeübertrager, PT: EuroNorm, Inno-Kom-Ost (MF150137) wurden gefördert durch dasBundesministerium für Wirtschaft und Energie.