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Während in Ballungszentren die Wärmeversorgung zur Raumheizung durch zentrale Fernheiz- anlagen wirtschaftlich erfolgen kann, ist dieses System für Siedlungsräume mit geringer Bebauungs- dichte unwirtschaftlich. In solchen Gebieten sind Wärmepumpenanlagen eine ausgezeichnete Möglich- keit zur umweltfreundlichen und energiesparenden Raumheizung, soferne geeignete Wärmequellen zur Verfügung stehen.
Wärmepumpenanlagen zur Raumheizung benötigen auch an kalten Wintertagen eine Wärme- quelle von ausreichend hoher Temperatur. Daher sind etwa Wärmepumpen, die die Wärme der
Umgebungsluft entziehen, zur Raumheizung nur in der Übergangszeit geeignet, wenn die Luft eine ausreichend hohe Temperatur (um bzw. über 0 C oder wenige Grade darunter) besitzt, da bei tieferen Temperaturen die Leistungszahl der Wärmepumpe auf unwirtschaftliche Werte sinkt. Wäremepumpen, die die Wärme dem Grundwasser entziehen, stellen zwar technisch eine sehr gute Lösung dar, doch ist die hiefür zur Verfügung stehende Grundwassermenge sehr be- schränkt, so dass nur wenige Anlagen diese Möglichkeit nutzen können.
Eine weitere Schwie- rigkeit bei der Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle liegt in der Gefahr einer Verseuchung desselben durch Halogenkohlenstoffverbindungen (Arbeitsmittel der Wärmepumpe) im Falle eines
Defekts des Wärmetauschers. In vielen Gebieten werden aus diesem Grund von den Behörden keine Baugenehmigungen für derartige Anlagen erteilt.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, Wärmespeicher zu entwickeln, denen in der Heizperiode
Wärme durch eine Wärmepumpenanlage entzogen wird, die dem Speicher in der wärmeren Jahres- zeit zugeführt wurde (Erdspeicher mit und ohne solare Wärmezufuhr, Steinspeicher). Eine gute
Möglichkeit der Energiespeicherung besteht an sich darin, Wasser in Eis überzuführen, die dabei freiwerdende Wärme durch eine Wärmepumpe zu nutzen und das Eis in der wärmeren Jahres- zeit durch die Umgebungswärme wieder aufzuschmelzen. Auch dieses Prinzip wurde versucht zu realisieren, doch scheiterte bisher eine breitere Anwendung dieses Prinzips am Fehlen eines geeigneten Wärmetauschers, in welchem dem Wasser die Gefrierwärme entzogen werden kann.
Im Gegensatz zu üblichen Wärmetauschern mit flüssigen bzw. gasförmigen Medien auf beiden
Seiten der Wärmetauscherwand verfestigt sich eines der beiden Medien, nämlich das Wasser, bei einem derartigen Wärmetauscher auf der Wärmetauscherfläche und muss in geeigneter Weise von dieser entfernt werden. Es wurde etwa vorgeschlagen, in bestimmten Intervallen die Wärme- stromrichtung im Wärmetauscher umzukehren und das Eis lokal an der Grenzfläche zur Wärmetau- scherwand wieder aufzuschmelzen. Anschliessend kann das gebildete Eis relativ leicht, unter Umständen sogar durch den Auftrieb im Wasser, von der Wärmetauscheroberfläche entfernt werden.
Dieses Verfahren weist einige wesentliche Nachteile auf.
So muss der Wärmepumpenprozess diskontinuierlich betrieben werden, ein nicht unwesentlicher Teil der gewonnenen Energie wird für den Aufschmelzprozess und die damit verbundene Erwärmung der Bauteile wieder aufgewendet u. dgl. Andere Vorschläge zielen auf eine mechanische Entfernung des Eises durch Abkratzen und Abschaben hin, was nicht nur zu unbefriedigenden Resultaten bei relativ hohem Energieverbrauch führt, sondern auch eine starke Verschleissgefahr für die Wärmetauscherwände darstellt.
Es ist ferner ein Eiserzeuger bekannt, bei dem das Eis auf einer sich unter Wasser drehenden, von innen durch Sole gekühlten Trommel gebildet und durch Verformen der Trommeloberfläche mittels innen liegender Rollen abgelöst wird. Um die Trommel dünnwandig und verformbar gestalten zu können, kommt hiebei nur die indirekte Kühlung mittels Sole in Frage, wodurch relativ geringe Wärmestromdichten bzw. Gefrierleistungen pro Fläche realisierbar sind.
Weiterhin ist ein Eiserzeuger mit direkter Verdampfung und Eisbildung auf einem flexiblen Stahlband bekannt. Bei dieser Ausführung ist an eine drehende Trommel, in deren Innerem Kältemittel direkt verdampft, ein flexibles endloses Metallband gelegt, dessen Umfang etwas grösser als der Trommelumfang ist. Zwischen zwei Gummiwalzen, die das Band an die Trommel pressen und von denen eine angetrieben wird, bildet das Band eine Schleife, welche das Eis zum Abplatzen bringt. An die Seiten des Stahlbandes sind Gummischürzen anvulkanisiert und mit der Trommel verbunden, damit kein Wasser zwischen Band und Trommel gelangt. Die einwandfreie Abdichtung des Bandes gegen eindringendes Wasser bereitet erhebliche Schwierigkeiten.
Eine ähnliche Konstruktion sieht zwischen einer feststehenden Trommel und einem um sie gelegten endlosen Metallband eine umlaufende Rolle vor, die das Metallband in ihrer unmittel-
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baren Umgebung von der Trommel abhebt und dadurch verformt, aber gleichzeitig den übrigen
Teil des Bandes fest an die Trommel presst. Hier besteht wieder das Problem der Abdichtung des Metallbandes gegen eindringendes Wasser.
Schliesslich ist aus der US-PS Nr. 4, 186, 797 eine Vorrichtung bekanntgeworden, die zum
Kühlen einer Produktenbahn dient, die kontinuierlich der Vorrichtung zugeführt wird. Das sich hiebei erwärmende Kühlmittel wird im Wärmetauscher rückgekühlt. Es bestehen demnach keine Berührungspunkte mit der Erfindung.
Ziel der Erfindung ist ein Wärmetauscher zur Gewinnung der Gefrierwärme aus einem Me- dium, z. B. Wasser im Wärmepumpenprozess, der die angeführten Nachteile nicht besitzt.
Die Erfindung bezieht sich demnach auf einen Wärmetauscher, bei dem die Wärmetauscherwand auf einer Seite Gefrierwärme eines flüssigen Mediums aufnimmt und auf der andern Seite als nutzbare Wärme, vorzugsweise als Verdampfungswärme eines zweiten Mediums, abgibt, wobei die Wärmetauscherwand aus in Richtung des Wärmestromes hintereinander geschalteten Schichten besteht, von denen die mit dem wärmeabgebenden Medium unmittelbar in Kontakt stehende Schicht die Form eines Bandes aufweist und ist dadurch gekennzeichnet, dass die bandförmige Schicht auf den übrigen Schichten der Länge nach leitend angeordnet ist.
Zwischen diesen Schichten können sich weitere Zwischenschichten befinden, so z. B. eine aus einer wärmeleitenden Flüssigkeit, vorzugsweise einer Salzlösung. In Ausgestaltung der Erfin- dung kann das Band mittels eines Antriebes absatzweise oder kontinuierlich gegenüber einer, vorzugsweise in Bewegungsrichtung des Bandes schwach konvex ausgebildeten, mit dem wärme- aufnehmenden Medium in Kontakt stehenden starren Schicht bewegt werden. Nach Verlassen dieser starren Schicht wird das Band über eine Umlenkwalze geführt, wo sich das angesetzte Eis ab- löst. Es ist zweckmässig, das Band von unten nach oben zu bewegen und zumindest eine der
Zuführungseinrichtungen zum Aufbringen des zu gefrierenden Mediums in der Nähe des oberen
Endes der Wärmetauscherwand vorzusehen.
Die starre Schicht kann aus einem Rohrsystem, das vom wärmeaufnehmenden Medium durchströmt ist und einer mit diesem wärmeleitenden festverbun- denen Tragplatte bestehen.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf bauliche Ausgestaltungen.
In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung in zwei beispielsweisen Ausführungs- formen schematisch dargestellt. Es zeigen Fig. l den Wärmetauscher in seiner Gesamtheit, in seitlicher Ansicht, Fig. 2 einen Schnitt durch die Wärmetauscherwand und Fig. 3 eine abgeänderte
Ausführungsform für die Verformung der hochelastisch verformbaren Schicht.
Der Wärmetauscher weist ein elastisch gut verformbares, in sich geschlossenes ("endloses")
Band --1-- aus Polyäthylen, eine starre, metallische Platte --2-- mit aufgelötetem Verdampferrohr --3-- als starre Schicht, eine Wasserzufuhr- und Verteileinrichtung --4--, eine Antriebswalze --5--, eine oder mehrere Umlenkrollen --6--, eine Eisabtransporteinrichtung --7-- und einen Solekreislauf --8--, welcher aus einem Sammelbehälter --9--, einer Pumpe --10--, Rohr- leitungen --11-- und Verteilerdüsen --12-- in der Platte --2-- auf.
Die Antriebswalze --5-- zieht das Band --1-- mit geringer, von den Auslegungsbedingungen abhängiger Geschwindigkeit über die Platte --2--, wobei die an sich nicht grossen Reibungskräfte durch das Eindrücken der auch als Gleitmittel wirkenden Sole durch die Düsen --12-- hindurch und Bildung einer Soleschicht auf sehr geringen Werten gehalten werden. Durch die Wasserzufuhr- und Verteileinrichtung --4-- wird kontinuierlich Wasser auf das Band--1- gesprüht, wobei die Wassermenge entsprechend dem Bedarf geregelt wird. Als Regelgrösse kann etwa die am unteren Wärmetauscherende abfliessende und gegebenenfalls über eine nicht dargestellte Pumpe wieder zur Wasserverteilvorrichtung --4-- rückgeförderte Wassermenge je Zeiteinheit dienen.
Im Verdampferrohrsystem --3-- strömt flüssiges Arbeitsmittel der Wärmepumpenanlage niedriger Temperatur (z. B. -100C) und wird durch die vom Wasser höherer Temperatur (0 C) durch das Band --1--, die Soleschicht --14--, die Platte --2-- dem Rohr --3-- zuströmende Wärme verdampft. Der Dampf des Arbeitsmittels wird in dem nicht dargestellten Kompressor der Wärmepumpenanlage verdichtet und dabei erwärmt, anschliessend in einem ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauscher konventioneller Bauart kondensiert, wobei er seine Kondensationswärme an den
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Wasserkreislauf der Raumheizungsanlage (Zentralheizungskreislauf) abgibt, d. h. dieses Wasser erwärmt.
Das kondensierte Arbeitsmittel der Wärmepumpenanlage wird anschliessend in einer nicht dargestellten Drossel entspannt und wieder dem Verdampfer zugeführt.
Durch den Wärmeentzug friert auf dem Band-l-befindliches Wasser, wobei das überschüs- sige Wasser jeweils weiter nach unten abfliesst. Bei gleichmässiger Verteilung des Verdampferrohres - über die gesamte Fläche der Wand --2-- würde die Eisschicht --13-- bei stillstehendem
Band an allen Punkten der Oberfläche gleich schnell wachsen. Durch eine geeignete Verlegung des Verdampferrohres --3-- lässt sich die Wärmestromdichte und damit die Eisanwachsgeschwin- digkeit in ihrer örtlichen Verteilung beeinflussen und damit auch der Wärmewiderstand der unterschiedlich starken Eisschicht ausgleichen. Das Verdampferrohr --3-- ist mäanderförmig verlegt und der Abstand der im wesentlichen parallelen Rohrabschnitte kann abschnittsweise grösser oder kleiner sein oder in seiner Richtung abnehmen.
Durch die Bewegung des Bandes - wird ständig Eis vom unteren Ende des Wärmetauschers zu dessen oberem Ende transpor- tiert, so dass im oberen Bereich des Wärmetauschers das Wasser, abgesehen von der Anfahr- phase, nicht direkt auf das Band, sondern auf die bereits darauf befindliche Eisschicht auf- gesprüht wird und auf dieser ausfriert. Die Stärke der Eisschicht kann durch die Bandgeschwin- digkeit gesteuert werden, wobei höhere Geschwindigkeiten dünnere Eisschichten ergeben. Dünne
Eisschichten ergeben bessere Wärmedurchgangszahlen und damit höhere spezifische Leistung des Wärmetauschers bzw. erfordern weniger tiefe Temperaturen des Arbeitsmittels der Wärmepumpenanlage als dicke Eisschichten, was zu einer Verbesserung der Leistungszahl der Wärmepumpe beiträgt.
Zur Sicherstellung einer einwandfreien Ablösung der Eisschicht vom Band darf allerdings die Stärke der Eisschicht einen Mindestwert nicht unterschreiten, der von einer Reihe von Parametern (z. B. Bandmaterial, Durchmesser der Umlenkrollen, Unterkühlung des Eises) abhängt. Eine weitere, theoretische, obere Begrenzung der Bandgeschwindigkeit ergibt sich durch die auftretenden Reibungsverluste.
Das Band --1-- wird nach Verlassen der Platte --2-- über eine Umlenkrolle --6-- geführt, wobei die Eisschicht --13-- aufbricht und sich vom Band-l-löst. Die Eisstücke fallen bei weiterer Umlenkung des Bandes durch die Schwerkraft auf eine Abtransporteinrichtung --7--, welche die Eisstücke in konventioneller Weise zu einer Lagerstelle transportiert. Als Abtransporteinrichtung können Rutschen, Förderbänder usw. dienen. Das Band --1-- wird schliesslich wieder über die Antriebstrommel --5-- dem Wärmetauscher zugeführt.
Zur Verminderung der Reibung, insbesondere aber zur Verbesserung des Wärmeüberganges vom Band --1-- auf die Platte --2-- wird in den Spalt zwischen Band --1-- und Platte --2-eine Flüssigkeit eingeführt. Hiefür eignet sich vorzugsweise eine Salzlösung (Sole), wegen deren guter Wärmeleitfähigkeit. Grundsätzlich können hiefür aber auch andere Flüssigkeiten, etwa Öle, verwendet werden.
Die Sole wird vom Band in Bewegungsrichtung, also von unten nach oben, mitgenommen und am oberen Ende der Platte Band-l-mittels einer Abstreifvorrichtung --15-- abgestreift und in den Sammelbehälter --9-- geleitet. Von dort strömt es durch die Schwerkraft über Leitungen --8-- und den Verteilerdüsen --12-- in den Zwischenraum zwischen Band --1-- und Platte --2-- zurück. Wenn erforderlich, kann die Förderung der Sole durch eine Pumpe --10-- unterstützt werden. Die wärmeleitende Flüssigkeit bildet somit eine Zwischenschicht der Wärmetauscherwand.
Sole, die am unteren Ende der Platte --2-- trotz einer dort befindlichen Dichtung --16-austritt, kann über einen Abstreifer --17--, einen Zwischenbehälter --18-- und von diesem über eine Pumpe --19-- und eine Rohrleitung --20-- wieder dem Solekreislauf-8-zugeführt werden.
Um ein Abrinnen von aufgesprühtem Wasser vom Band --1-- über dessen seitliche Begrenzung zu verhindern, wird das Band --1-- im Bereich der Platte --2-- gemuldet, so dass es eine wannenartige Form aufweist, s. Fig. 2. Diese Muldung verhindert auch ein seitliches Austreten von Sole.
In Bewegungsrichtung ist die Platte --2-- leicht konvex gekrümmt. Durch diese Krümmung wird ein besseres Anliegen des Bandes --1-- an der Platte --2-- erreicht.
Erforderlichenfalls kann das Band --1-- zur Verbesserung der Eisablösung auch mehrfach
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umgelenkt werden, wobei auch die Umlenkungsrichtung wechseln kann, s. Fig. 3.
Als Werkstoff für Band --1-- kommen neben Polyäthylen insbesondere auch korrosionsbestän- diger Stahl, Messing sowie andere Metalle, aber auch makromolekulare Stoffe in Betracht.
Weiters können mehrere Wasseraufbringungsstellen --4-- vorgesehen sein.
Die Platte --2-- kann auch nur leicht geneigt oder waagrecht angeordnet sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmetauscher, bei dem die Wärmetauscherwand auf einer Seite Gefrierwärme eines flüssigen Mediums aufnimmt und auf der andern Seite als nutzbare Wärme, vorzugsweise als Verdampfungswärme eines zweiten Mediums, abgibt, wobei die Wärmetauscherwand aus in Richtung des Wärmestromes hintereinander geschalteten Schichten besteht, von denen die mit dem wärme- abgebenden Medium unmittelbar in Kontakt stehende Schicht die Form eines Bandes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die bandförmige Schicht auf den übrigen Schichten der Länge nach gleitend angeordnet ist.