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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere zum Verdampfen des Kältemittels einer Wärmepumpe, mit einer Wärmeübertragungswand zwischen dem Kältemittel und Wasser.
Wärmepumpen zum Beheizen von Gebäuden oder zur Brauchwassererwärmung nützen im allgemeinen die Wärme der Umgebungsluft, die Wärme eines Grundwassers oder die Erdwärme zum Verdampfen des Kältemittels aus. Da bei einem Wärmeaustausch zwischen der Umgebungsluft und dem Kältemittel die Wärmepumpe wegen der für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeabgebenden Wärmeträger und dem zu verdampfenden Kältemittel nur bis zu einer vorgegebenen, minimalen Lufttemperatur betrieben werden kann, wäre der Ausnützung der Wärme eines Grundwassers oder der Erdwärme der Vorzug zu geben, die über das ganze Jahr in einem ausreichenden Temperaturniveau zur Verfügung steht.
Die Ausnützung der Erdwärme und der Wärme des Grundwassers ist jedoch teuer, wobei die Einbeziehung des Grundwassers in Wärmepumpen von einer behördlichen Genehmigung abhängt und durch behördliche Auflagen begrenzt wird.
Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen, Wasserspeicher vorzusehen, denen die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Wärme über im Speicher vorgesehene Wärmeübertragungswände entzogen wird, so dass das Wasser während der kalten Jahreszeit nach und nach eingefroren wird, um in der wärmeren Jahreszeit wieder aufzutauen. Nachteilig bei solchen Anlagen ist allerdings, dass der Wasserspeicher zur Aufnahme des insgesamt anfallenden Eises ein vergleichsweise grosses Speichervolumen aufweisen muss und dass eine aufwendige Installation mit einer entsprechenden Steuerung notwendig wird.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu vermeiden und einen Wärmetauscher der eingangs geschilderten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, dass das Wärmeangebot einer an sich beliebigen Wasserquelle zum Verdampfen des Kältemittels einer Wärmepumpe ausgenützt werden kann, ohne Wasser-und Eisspeicher mit Wärmeübertragungswänden vorsehen zu müssen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Wärmeübertragungswand eine an eine Wasserquelle angeschlossene Berieselungseinrichtung für die dem Kältemittel abgewandte Fläche zugeordnet ist und dass die berieselte Fläche der Wärmeübertragungswand eine Abrollbahn für wenigstens einen Wälzkörper zum Abtragen des anfrierenden Wassers bildet.
Da zufolge dieser Massnahmen das zum Verdampfen des Kältemittels benötigte, über eine
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Kältemittel an der Wärmeübertragungswand anfriert und nach dem Anfrieren durch einen auf der berieselten Fläche abrollenden Wälzkörper in Form von Scherbeneis wieder abgesprengt wird, werden für den Wärmeübergang vom Wasser auf das Kältemittel weitgehend gleichbleibende Verhältnisse geschaffen, so dass der Wärmetauscher kontinuierlich betrieben werden kann, wenn nur dafür gesorgt wird, dass das anfallende Scherbeneis das Absprengen der sich jeweils auf der Wärmeübertragungswand bildenden neuen Eisschicht nicht behindert.
Das Scherbeneis kann zu diesem Zweck als solches einer Weiterverwendung zugeführt oder an geeigneter Stelle abgelagert werden, wobei das beim Auftauen des abgelagerten Scherbeneises erhaltene Wasser bei Bedarf wieder zum Verdampfen des Kältemittels eingesetzt werden kann.
Entscheidend für den kontinuierlichen Wärmeübergang von dem der Wärmeübertragungswand zugeführten Wasser auf das Kältemittel ist ein wiederholter Abtrag der sich bildenden Eisschichten mit Hilfe wenigstens eines auf der Wärmeübertragungsbahn abrollenden Wälzkörpers. Diese Bedingung kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch erfüllt werden, dass die berieselte Fläche der Wärmeübertragungswand eine geschlossene Umlaufbahn für den Wälzkörper bildet, was ein kontinuierliches Anwachsen der Eisschicht auf der Wärmeübertragungswand ermöglicht, bevor die Eisschicht durch den gleichmässig umlaufenden Wälzkörper abgesprengt wird.
Obwohl die berieselte Fläche der Wärmeübertragungswand nicht zwangsläufig zylindrisch ausgebildet sein muss, ergeben sich für die berieselte Fläche in Form eines Kreiszylinders besonders einfache Konstruktionsverhältnisse mit über die axiale Mantellänge gleichbleibenden Absprengbedingungen. Dabei kann die äussere oder die innere Mantelfläche dieses Kreiszylinders die Abrollbahn für den Wälzkörper bilden. Weist die innere Mantelfläche des Kreiszylinders die Abrollbahn auf, so können allerdings drehende Teile an der Aussenwand des Wärmetauschers vermieden werden, was eine einfache und kompakte Konstruktion sicherstellt.
Die Wänneübertragungswand kann in diesem Fall als stehender, nach unten offener Kreiszylinder ausgebildet sein, so dass das von der inneren Mantelfläche dieses Kreiszylinders abgesprengte Scherbeneis unmittelbar aus dem Wärmetauscher herausfallen kann. Ein solcher Wärmetauscher kann ausserdem in ein mit Ausnahme dieser Austragsöffnung für das Scherbeneis im wesentlichen geschlossenes, wärmeisoliertes Gehäuse eingesetzt werden.
Aufgrund der Ausbildung der Wärmeübertragungswand als Kreiszylinder kann der Wälzkörper aus einer gegebenenfalls profilierten Abtragswalze bestehen, die entlang einer zum Kreiszylinder koaxialen Kreisbahn geführt wird. Eine einzige Abtragswalze bedingt allerdings eine unsymmetrische Belastung der Wärmeübertragungswand. Es empfiehlt sich daher, wenigstens zwei bezüglich der Zylinderachse kreissymmetrisch angeordnete Abtragswalzen vorzusehen, um die beim Absprengen des Scherbeneises auftretenden Belastungen nicht über eine Wandabstützung und die Lagerung der Abtragswalzen abtragen zu müssen.
Das Kältemittel könnte der Wärmeübertragungswand über eine Rohrschlange zugeführt werden, die entweder in einer für den Wärmeübergang günstigen Weise an der Wärmeübertragungswand anliegt oder einen Teil der Wärmeübertragungswand bildet. Um besonders vorteilhafte Wärmeübergangsverhältnisse zu schaffen, kann die Wärmeübertragungswand jedoch aus dem einen Mantel eines Doppelmantelzylinders bestehen, zwischen dessen
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Die Berieselungseinrichtung hat für eine kontinuierliche Versorgung der zu berieselnden Fläche der Wärmeübertragungswand mit einem Wasserfilm zu sorgen. Zu diesem Zweck kann die Berieselungseinrichtung aus wenigstens einem Spritzdüsenkopf bestehen, über den das Wasser in einer entsprechenden Verteilung auf die Wärmeübertragungswand aufgesprüht wird. Dieser Spritzdüsenkopf kann vorteilhaft um die Zylinderachse drehbar gelagert sein, damit im unmittelbaren Anschluss an das Absprengen des Scherbeneises der Wärmeübertragungswand wieder Wasser zugeführt werden kann, ohne die Abtragswalze besprühen zu müssen, weil durch den drehenden Spritzdüsenkopf das Wasser in einem mit der Abtragswalze kontinuierlich umlaufenden Abschnitt zugeführt werden kann.
Eine andere Möglichkeit der Ausführung einer Berieselungseinrichtung besteht darin, dass entlang der zu berieselnden Fläche eine mit Wasserdurchtrittsöffnungen versehene Verteilungsleitung vorgesehen wird, von der das Wasser in einem entsprechenden Film über die zu berieselnde Fläche verteilt wird. Diese Verteilungsleitung darf jedoch das Absprengen des Scherbeneises durch die Abtragswalze nicht behindern. Aus diesem Grunde kann zwischen der Verteilungsleitung und der zu berieselnden Fläche eine Leitwand für das Wasser vorgesehen sein.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemässen Wärmetauscher in einem schematischen Axialschnitt,
Fig. 2 diesen Wärmetauscher in einem Schnitt nach der Linie (II-D) der Fig. 1 und
Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante eines erfindungsgemässen Wärmetauschers.
Der Wärmetauscher zum Verdampfen des Kältemittels einer Wärmepumpe gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse (1), das einen Doppelmantelzylinder (2) umschliesst. In den Ringspalt (3) zwischen dem Aussenmantel (4) und dem eine Wärmeübertragungswand (5) bildenden Innenmantel dieses Doppelmantelzylinders (2) wird das zu verdampfende Kältemittel über eine Zuleitung (6) zugeführt Das verdampfte Kältemittel kann dann über eine Ableitung (7) abgezogen werden.
Die zur Verdampfung des Kältemittels benötigte Wärme wird einem auf die Innenfläche der Wärmeübertragungswand (5) aufgetragenen Wasserfilm entzogen, der dann an der Wärmeübertragungswand anfriert Zum Auftragen dieses Wasserfilmes ist eine Berieselungseinrichtung (8) vorgesehen, die im Falle des Ausführungsbeispieles nach den Fig. 1 und 2 aus einem Düsenkopf (9) besteht, der koaxial zur Achse des Doppelmantelzylinders (2) angeordnet und über einen Drehanschluss mit einer Wasserversorgungsleitung (10) verbunden ist.
Die Sprühkegel (11) dieses Sprühkopfes sind in den Fig. 1 und 2 strichliert angedeutet
Die aufgrund des Wärmeentzuges an der Wärmeübertragungswand (5) anfrierende Wasserschicht wird mit Hilfe von Wälzkörpern (12) in Form von Scherbeneis von der Wärmeübertragungswand (5) abgesprengt, die für die aus je einer Abtragswalze (13) bestehenden Wälzkörper (12) eine in sich geschlossene Abrollbahn bildet.
Die Abtragswalzen (13) sind jeweils im Bereich ihrer über den Doppelmantelzylinder (2) vorragenden Enden in Lagern (14) drehbar gehalten, von denen die oberen von auf einer Antriebswelle (15) gelagerten Armen (16) getragen werden, während sich die unteren Lager (14) über einen Laufkranz (17) am Aussenumfang des Doppelzylinders (2) abstützen, so dass die Abtragswalzen (13) über die mit einem Motor (18) verbundene Antriebswelle (15) um die Zylinderachse entlang der Wärmeübertragungswand (5) umlaufend angetrieben werden und die sich bildende Eisschicht fortlaufend absprengen. Das abgesprengte Scherbeneis fällt aus dem eine untere Austragsöffnung (19) bildenden Doppelmantelzylinder (2) heraus und kann zur weiteren Verwendung oder zur Ablagerung entnommen werden.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist der Spritzdüsenkopf (9) drehfest mit der Antriebswelle (15) verbunden, so dass die Sprühkegel (11) den Abtragswalzen (13) mit gleichbleibendem Winkelabstand nachgeführt werden, was ein kontinuierliches Anwachsen der Eisschicht mit weitgehend gleichbleibenden Wärmeübertragungsverhältnissen sicherstellt. Um eine Vereisung der Wasserversorgungsleitung (10) zum Spritzdüsenkopf (9) sicher ausschliessen zu können, kann dieser Leitung eine Heizung zugeordnet werden, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht näher dargestellt ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich vom Wärmetauscher entsprechend den Fig. 1 und 2 lediglich durch die Ausbildung der Berieselungseinrichtung (8), die im wesentlichen aus einer entlang der oberen Stirnseite des Doppelmantelzylinders (2) geführten, ringförmigen Verteilungsleitung (20) besteht, die mit entsprechenden Wasseraustrittsöffnungen (21) versehen ist. Um das austretende Wasser der Wärmeübertragungswand (5) gleichmässig zuführen zu können, ist zwischen der Verteilungsleitung (20) und der zu berieselnden Fläche eine konische Leitwand (22) vorgesehen, über die das Wasser der Innenfläche der Wärmeübertragungswand (5) zufliesst, ohne die Absprengung des Scherbeneises durch die Abtragswalzen (13) zu behindern.
Die Wasserversorgungsleitung (10), die ringförmige Verteilungsleitung (20) sowie die konische Leitwand (22) können wiederum durch eine Heizeinrichtung vor einer unerwünschten Vereisung geschützt werden.
Das Gehäuse (1) des Wärmetauschers kann selbstverständlich bei beiden Ausführungsformen mit einer Wärmeisolierung (23) versehen werden.
Der erfindungsgemässe Wärmetauscher eignet sich in hervorragender Weise für das Verdampfen des Kältemittels einer Wärmepumpe, wobei Scherbeneis als Nebenprodukt anfällt. Ein solcher Wärmetauscher kann
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aber auch mit Vorteil für die Scherbeneisherstellung dienen und einen Teil einer entsprechenden Eismaschine bilden.