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Wärmeaustauscher, insbesondere Warmwasserbereiter
Für die Warmwasserbereitung im Durchflussverfahren sind Rohrbatterien z. B. mit gewendelten Rohren bekannt, die an höchster Stelle in einem drucklosen Wasserbehälter eingehängt sind. Im untersten Teil dieses Behälters eingebaute Heizrohrschlangen oder Elektroheizpatronen übertragen die Heizwärme an das im Behälter befindliche Wasser, welches nicht gewechselt wird und nur der Wärmeübertragung sowie als Speichermasse wirkt. Das aufgeheizte Speicherwasser überträgt seine Wärme an das die Batterie durchströmende Frischwasser. Unter dem Einfluss der Abkühlung des wärmeübertragenden Wasserkörpers an diese Durchflussbatterie und der Erwärmung des Speicherwassers durch die Wärmequelle bildet sich ein Schwerkraftumlauf der Wassermenge aus, der durch Leitbleche gelenkt wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das jeweils wärmste Wasser zum Wärmeaustausch an die Durchflussbatterie gelangt. Der Wärmedurchgang an das zu bereitende Warmwasser ist befriedigend, kommt aber naturgemäss nicht über jene Werte hinaus, welche durch die Wärmeübergangszahlen für Wasser-Rohrwand-Wasser bestimmt sind.
Sehr häufig wird diese Art der Bereitung von Warmwasser in Verbindung mit einer Warmwasser-Zentralheizungsanlage angewendet. Hiebei wird der als Speicher fungierende Wasserbehälter direkt vom Heizwasser, unter Wärmeabgabe an die Durchflussbatterie, durchströmt. Durch entsprechende Bemessung des Wasserbehälters wird eine jeweils erforderliche Wärmespeicherkapazität geschaffen. Der Warmwasserspeicher steht unter dem statischen Druck des Expansionsgefässes der Zentralheizungsanlage.
Durchflussbatterien der im vorstehenden angeführten Art können schliesslich auch durch Abdampfwärme geheizt werden. In diesem Falle ist es zweckmässig und vorteilhaft, die Durchflussbatterie in den Brüdendampfkondensator oberhalb des Kondenswasserspiegels einzubauen (und nicht unter diesen Spiegel), um die Tatsache auszunützen, dass der Wärmeübergang von kondensierendem Dampf auf das Metall der Durchflussbatterie und damit das zu erwärmende Wasser wesentlich günstiger ist, als von Wasser auf Metall.
Da es unter Ausnützung des günstigen Wärmeübergangwertes, den kondensierender Dampf hinsichtlich des Metalls, auf welchen er kondensiert, aufweist, theoretisch möglich sein muss, die Leistung eines Wärmeaustauschers auf ungefähr das Zweifache gegenüber jener Bauweise zu erreichen, bei der die Batterie (Rohrschlangen, System von flachen Flüssigkeitsleitern od. dgl.) unterhalb des Spiegels der Speicherflüssigkeit liegt, wäre es erwünscht, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, der tatsächlich diese günstigen Wärmeübergangsverhältnisse auch bei Fehlen einer Dampfspeisung als Wärmequelle verwertet. Dies wurde dadurch ermöglicht, dass ein Behälter nur so weit mit Wasser gefüllt wird, dass die Frischwasserbatterie im darüberliegenden wasserfreien Raum liegt.
Aus diesem kann nun die Luft evakuiert werden, worauf Dampf von der dem angewendetenVakuum zugeordneten jeweiligen Temperatur des Speicherwassers entsteht, der seine latente Wärme an die Frischwasserbatterie unter Kondensation an derselben abgibt.
Auf diese Art kann der beabsichtigte Dampfraum zwar hergestellt werden, doch erfordert die Erhaltung des Vakuums besondere Massnahmen bei Abdichtung der Flanschverbindungen und es muss ausserdem der Speichermantel verstärkt werden, um dem Aussendruck standzuhalten. Dadurch geht der wirtschaftliche Vorteil zum Teil wieder verloren. Auch ist es nötig, ein Sicherheitsventil vorzusehen, dessen Dichthaltung bei Vorhandensein von Unterdruck umständliche Massnahmen konstruktiver Art erfordert.
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Die Erfindung schafft eine einfache Lösung des Problems, welches darin besteht, die Batterie in einem dampferfüllten Raum des Speichergefässes ohne apparativen Mehraufwand unterzubringen. Die Erfindung betrifft demnach einen Wärmeaustauscher, insbesondere Warmwasserbereiter mit in einem Speichergefäss untergebrachtem, flüssigem Wärmespeicherkörper und einer von diesem erwärmten, vom Frischmedium, insbesondere von zu erwärmendem Wasser, durchflossenen Batterie, die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Speicherkörpers in einem nach aussen abgeschlossenen Raum angeordnet ist, und sie zeichnet sich dadurch aus, dass dieser Raum bei arbeitendem Wärmeaustauscher mit einem den Wärme- übergang zur Batterie begünstigenden, Wasserdampf und einen dessen Dampfdruck herabsetzenden Zusatz enthaltenden Gas bzw.
Dampf oder einem Gemisch daraus erfüllt ist. Eine besonders zweckmässige Bauweise erhält man, wenn man im Sinne der Erfindung der Speicherflüssiglteit, welche aus Wasser besteht, einen beträchtlichen unterhalb des Siedepunktes des Wassers, etwa schon bei a0 C verdampfenden Zusatz beifügt, welcher die Bildung des die Batterie bei arbeitendem Wärmeaustauscher umgebenden Dampfkörpers begünstigt. Als solcher Zusatz kommen vor allem Alkohole in Frage, welche bei etwa 500 C sieden.
Ein Ausführungsbeispiel der zuletzt genannten Art ist im folgenden an Hand der rein schematischen Zeichnung erläutert, welche einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit überwiegend aus Wasser mit Alkoholzusatz bestehenden Speicherkörper darstellt.
In einem Gefäss 1 ist bei 2 eine (nicht näher dargestellte) Heizpatrone, Heizschlange, oder sonstige, absatzweise wärmeabgebende Wärmequelle eingesetzt, die den Flüssigkeitskörper 3 erwärmt. In einem Dom 4 ist die Batterie, hier als Heizschlange 5 dargestellt, untergebracht, durch die das zu erwärmende Frischwasser bei 5a ein-und bei 5b austritt. Ein Ausgleichsgefäss 6 steht über ein Tauchrohr 7 mit dem Flüssigkeitskörper 3 und über ein Rohr 8 mit der Atmosphäre in Verbindung. Der Flüssigkeitskörper 3 enthält als Zusatz Methylamin.
Die Wirkungsweise dieses Warmwasserbereiters ist folgende : Im kalten Zustand des Speichers ist das Gefäss 1 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, es besteht lediglich im obersten Teil entsprechend der Flüssigkeitstemperatur ein kleiner Dampfraum : die Rohrschlange 5 liegt also in der Speicherflüssigkeit. Wird nun durch die Heizbatterie bei 2 Wärme zugeführt, so tritt die leichtsiedende Komponente in Dampfform aus und verdrängt zunehmend Speicherwasser in das Expansionsgefäss 6. Bei einer vorher festgelegten Temperatur, z. B. 50OC, ist die Frischwasserbatterie 5 bereits vollständig von einem Gemisch von Alkohol- und Wasserdampf umgeben. Bei weiterer Erwärmung auf die Speicherendtemperatur nehmen Druck und Volumen dieses Dampfgemisches weiter zu.
Die gewünschten Betriebsdrücke werden durch die Höhenlage des Expansionsgefässes 6 bestimmt. Durchfliesst nun bei Inbetriebnahme des Gerätes Kaltwasser die Batterie 5, so kondensiert das Dampfgemisch an den Rohren der Batterie wie in einem Kondensator. Gleichzeitig dampft sofort Flüssigkeit nach und es stellt sich ein Flüssigkeitsspiegel im Speicher 1 bzw. im Expansionsgefäss 6 ein, welcher der Volumenänderung aus Verdampfung und Verflüssigung entspricht.
Das vorliegende System stellt also einen Gleichdruckwärmespeicher dar, dessen Druck ständig mit der Atmosphäre in Ausgleich steht. Der Prozentsatz des Alkohols oder des an dessen Stelle gewählten Zusatzes (Methyl- bzw. Äthylamin, Ammoniak od. dgl.) richtet sich nach den Partialdrücken der beiden Komponenten. Natürlich ist es nicht Bedingung, dass der Wasserkörper 3 nur den Zusatz eines einzigen Stoffes aufweist, es können auch verschiedene Gemische zusammengestellt werden.
In der Praxis wird Warmwasser auch so gewonnen, dass eine Durchlaufbatterie nicht in ein gesondertes Speichergefäss, sondern direkt in das Warmwasser einer Zentralheizungsanlage, also z. B. in den Heizkessel derselben oder ein diesem benachbartes Gefäss eingesetzt wird. In diesem Falle wäre es nicht zulässig, der Wasserfüllung der Heizanlage eine niedrigsiedende Flüssigkeit beizumischen, denn diese würde sich sofort im gesamten Heizungssystem verteilen und durch das Expansionsgefäss desselben entweichen.
In diesem Falle wird erfindungsgemäss der wasserfreie Raum, in welchem die Batterie des Warmwasserbereiters untergebracht wird, durch einen Gaspolster gebildet, zweckmässig aus Wasserstoff, Helium oder einem andern indifferenten Gas bestehend. Das Volumen dieser Gasfüllung ist so bemessen, dass bei der unteren Speichergrenztemperatur die Batterie eben noch über dem Flüssigkeitsspiegel liegt. Mit zunehmender Temperatur dehnt sich das Gas aus und verdrängt Wasser in das Expansionsgefäss bzw. in das System der Heizungsanlage. In die Gasatmosphäre verdunstet nun das als Wärmeübertrager arbeitende Speicherwasser. Ein solches System wird somit ähnlich, wie dies die Zeichnung darstellt, beschaffen sein, wobei man sich aber vorzustellen hat, dass das Gefäss 1 bei 2 geschlossen ist und von dem Heisswasser der Zentralheizungsanlage durchströmt wird.
An Stelle von Wasserstoff oder Helium kommen auch andere
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Gase in Frage, nicht jedoch Luft, weil diese die Verdunstungsgeschwindigkeit herabsetzt und das Vorhandensein von Luft die Wärmeübergangszahlen verschlechtert.
An der Aussenseite des Gefässes 1 wird, wie üblich, eine wärmeisolierende Schicht aufgebracht, der eine gewisse Speicherwirkung zukommt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmeaustauscher, insbesondere Warmwasserbereiter, mit in einem Speichergefäss untergebrachtem, flüssigem Wärmespeicherkörper und einer von diesem erwärmten, von Frischmedium, insbesondere Wasser, durchflossenen Batterie, die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Wärmespeicherkörpers in einem nach aussen abgeschlossenen Raum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Raum bei arbeitendem Wärmeaustauscher mit einem den Wärmeübergang zum Rohrsystem begünstigenden, Wasserdampf und einen dessen Dampfdruck herabsetzenden Zusatz enthaltenden Gas oder Dampf bzw. einem Gemisch daraus erfüllt ist.