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Wärmeaustauscher In den letzten Jahren sind Heisswasseranlagen derart verändert. worden, dass die Anforderungen an die Wirkungsweise eines Heisswassererzeugers in gewissen Fällen anders sind als früher. Es wird immer üb- lieher, von grossen Kesselzentralen, die für mehrere Häuser bestimmt sind, von Wärmekraftwerken aus zu heizen, wo das Kühlwasser der Kondensatoren zur Heizung von Wohnungen und zur Heisswassererzeugung verwendet wird. Die Heisswassererzeuger, die an diese Grosszentralen angeschlossen sind, sind sehr zahlreich für jede Kesselzentrale, und jeder von ihnen ist für eine verhältnismässig kleine Anzahl von Wohnungen bestimmt.
Sie bilden die Unterzentralen in der Nähe der mit Heisswasser zu versehenden Wohnungen.
Bei solchen Anlagen, wo jedes Haus seine Kesselzentrale hat, sind die Heisswassererzeu- #,rr in der Nähe der Kessel angebracht. Man hatte früher gewöhnlich einen Kessel nur für die Heisswassererzeugung und besondere Kessel für die Zentralheizung. Dies beruhte darauf, dass das zirkulierende Zentralhei- zungswasser in der Regel eine niedrigere Temperatur haben sollte als das Kesselwasser, das für die Heisswassererzeugung verwendet wird. Nunmehr werden fast immer sämtliche Kessel einer Anlage parallel geschaltet, so dass sie mit hoher Wassertemperatur arbeiten kön- neu, unabhängig von der Temperatur des Wassers nach den Heizkörpern.
Die hier skizzierte Entwicklung hat dazu geführt, dass die Anforderung an die Leistung des Speichers geringer ist, da dank der Parallelschaltung der Kessel praktisch immer Kesselleistung im Überfluss vorhanden ist. Bei den grossen Anlagen, wo die Heisswassererzeu- ger weit entfernt. von der Kesselzentrale stelien, wünscht man einen grossen Temperaturunterschied zwischen ein- und ausgehendem Kesselwasser im Erzeuger, um kleine Wassermengen zii erhalten, was kleine Leitungsabmessungen und verminderte Wärmeverluste an den Leitungen ermöglicht.
Es verhält sich nämlich so, dass der Heisswasserbedarf sehr schnell wechselt, insbesondere, wenn der Heisswassererzeuger für eine kleine Anzahl von Wohnungen bestimmt ist, wo der Bezug von Wasser für ein einziges Bad, was nur einige 'Minuten in Anspruch nimmt, eine erhebliche Änderung des Heisswasserverbrauches verursacht.
Bisher ist in der Regel der Heisswasserbedarf durch sog. Durchlauferzeuger gedeckt worden, die aus einem Speicher für das zirkulierende Kesselwasser und einer Batterie zur Erhitzung des Verbrauchswassers bestehen.. Das zirkulierende Kesselwasser ist entgast und somit nicht korrosiv, weshalb der Speicher aus Eisenblech ausgeführt werden kann.
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Die Batterie wird dagegen stets von frischem, sauerstoffreichem Leitungswasser durchströmt und soll aus diesem Grunde aus korrosionsbeständigem 1laterial, z. B. Kupfer, ausgeführt werden.
In diesen sog. Durchlauferzeu- gern ist, die Batterie derart angeordnet, dass das von der Batterie agbekühlte Speicherwasser mit wärmerem Wasser im Speicher gemischt wird, was zur Folge hat, dass das Speicherfassungsvermögen gross gemacht werden muss und dass das Rücklaufwasser den Speicher mit hoher Temperatur verlässt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen 'V#Tärmeaustauseher, der vorzugsweise in Verbindung mit einem Speicher verwendet werden kann, um einen sog. Durchlauferhitzer zu erhalten.
Der Wärmeaustauscher ist erfindung,5- gemäss dadurch gekennzeichnet, dass seine Wärmeaustausellflächen Spiralkanäle begrenzen, die vom einen Medium durchströmt werden und die derart in einer Passage für ein nveites Medium angeordnet sind, dass dieses letztere quer bezüglich der Spiralkanäle gelei. tet wird, wobei die Zu- und die Ableitung der Medien so erfolgt, dass ein Kreuzgegenstrom entsteht.
Die Erfindung bezweckt die Schaltung eines Wärmeaustauschers, auch Batterie genannt, mit, einem grossen äussern Widerstand im Vergleich mit. älteren Batterien für denselben Zweck, welcher Widerstand zu einer erlieblich höheren Wärmedurchgangszahl ausgenutzt werden kann als bisher. Eine Batterie mit grossem Widerstand hat zur Folge, dass der Speicher nach andern Gesichtspunkten bemessen werden kann als bisher, so dass er sehr kleine Abmessungen erhält, insbesondere wenn er für eine grosse Anzahl von Badezimmern bestimmt ist. Der I3eisswasserbedarf während einer Badeperiode weist eine Anzahl von sehr kurzdauernden, hohen Spitzen auf.
Dies kommt daher, dass beim Öffnen eines Abzapfhahnes über einer Badewanne verlangt wird, dass sie schnell gefüllt sein soll, was gewöhnlich etwa 3 Minuten beansprucht. Da die Badeperiode etwa die Zeit zwischen 19 und 22 Uhr umfasst, wird der Heisswasserbedarf mit der Zeit innerhalb sehr weiter Grenzen variieren. Da ein grosser Widerstand und ein grosser Temperaturabfall in der Batterie kleine Wassermengen herbeiführen, hat der Speicher Zeit, vor jeder neuen Abzapfun- aufs neue aufgeladen zli werden. llan braucht den Speicher somit nicht für die ganze Belastungsperiode, sondern nur für die höchste mutmassliche Belastungsspitze zu bemessen.
Zwei beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemässen Wärinea.ustausehers sind in der beiliegenden Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 zeigt das erste Beispiel in eineng Speicher im Vertikalschnitt.
Fig. ? zeigt in grösserem Massstab einen Teilschnitt entlang der Linie 11-II in Fig. l und Fig. 3 in noch grösserem Massstabe einen Teilschnitt entlang,, der Linie III-111 in Fig. ?.
Fig. .1 zeigt das zweite Beispiel in einem Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 5, welche einen vertikalen Schnitt längs dein Wärmeaustauscher oder der Mittelachse der Batterie zeigt.
Fig. 6 ist eine Seiteilansieht einer Einzelheit.
Der Speicher gemäss Fig. 1 bis 3 bestellt zunächst aus einem Behälter 1, der über einen Anschluss 4 und einen Auslass 6 an eine Leitung (nielit gezeigt) für zirkulierendes Kesselwasser angeschlossen ist. Oben in diesem Behälter ist ein Wärnienustauseher, eine sog. Durchlaufbatterie \?, innerhalb einer Abschirmung voll zvliiidriseher Form vorgesehen.
Diese bestellt aus einer dein :lussern der Batterie angepassten, zweckmässig zylindrischen iffand 5, welche die Batterie umgibt, und unter dieser einer rohi-förnii--,en Vei#läii,'eruiig 3 (Saugrohr genannt), die: annähernd bis zum Boden des Behälters reicht. Durch einen Anschluss 4- steht der Zylinder 5 mit dein Einlass des Behälters in Verbindung.
Durch die derart beschaffene Abschirmung wird das abgekühlte Kesselwasser zum Boden des Behälters hinuntergeleitet, wo es ohne Beimischung von übrigem Wasser sich ansammelt und heisses Wasser von oben in die Batterie
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einsehiebt. Es ist zu erwähnen, dass die Ab- sebirmung 5, 3 an sich bereits bekannt ist.
Die 'V#@'ä.rnteübertragungselemente der Batterie 2 bestehen bei dieser Ausführungsform aus zwei Sorten von ringförmigen Kupferscheiben 10 bzw. 10', welche eine auf die andere unter Bildung von Zwischenräumen gelegt sind, die von in den Seheiben derart ausgepressten Sieken 11, 12 bestimmt, werden, dass in jedem zweiten Zwischenraum zwischen den Seheiben ein spiralförmiger Kanal 14 für wärmeaufnehmendes Wasser (Verbrauchswasser) und abwechselnd in jedem zweiten Zwischenraum radiale Kanäle 15 für das wärme- ab-,ebende Wasser (Speicherwasser) gebildet werden.
Die Leitungen 1.6, 17 von den An- 5ehlüssen 7 bzw. 8 sind mit den erstgenannten Kanälen 14 in Verbindung, indem sie vor den Mündungen der Kanäle 14 schlitzförmige Öffnungen aufweisen; dagegen sind sie gegen- über den dazwischenliegenden Mündungen der radialen Kanäle 15 verschlossen. Wie ausserdem aus Fig. 2 hervorgeht, steht der ringförmige Ratzen im Zylinder 5 durch die Kanäle 15 mit dem zentralen Raum in der Batterie und mit dem Rohr in Verbindung. Die Seheiben 10 werden von Eisenplatten 18 zusammengehalten.
Die Batterie wird in ihrer ganzen Flöhe zwischen diesen Eisenplatten von Wärme abgebendem und Wärme aufnehmendem Wasser durchströmt. Es ist, zu bemerken, dass die freie Kante des Zylinders 5 ein Stück über den Einlass der Batterie reicht. Mit 19 wird ein Luftauslass und mit 20 ein Stutzen für Filter bezeichnet.
Der Heisswassererzeuger arbeitet in der fol'enden Weise: Beim Zapfen von Heisswasser strömt kaltes Wasser durch den Ansehluss 7, zirkuliert in der Batterie 2, wird dabei erhitzt und strömt, durch den Anschluss 8 aus. Die Wärmemenge, die dem Verbrauchswasser zugeführt wird, wird dem um die Batterie befindlichen und durch die Batterie passierenden Speicherwasser entnommen, woraus eine Abkühlung des Wassers am Einlass des Saugrohres resultiert. Das abgekühlte Wasser ist schwerer als das um;rbende Wasser und fliesst, abwärts in das Saugrohr hinein.
Wenn das Saugrohr in dieser Weise Wasser erhält, das kälter ist als das übrige Speicherwasser, saugt dieses heisses Wasser durch die Batterie, welcher somit stets neues heisses Wasser zugeführt wird. Je mehr Heisswasser gezapft, wird, desto grösser wird die Abkühlung des dem Saugrohr zugeführten Wassers, was mit andern Worten bedeutet, dass das Wasser im Saugrohr schwerer wird. Hierdurch wird auch die Antriebskraft und damit auch die Geschwindigkeit des durch die Batterie strömenden Speicherwassers erhöht. Bei kräftigen Abzapfungen, momentanen Spitzenbelastungen, wird die Wassermenge, die durch das Saugrohr strömt, erheblich grösser als die Wassermenge, die über den Anschluss 4 dem Speicher vom Wärmeleitungsnetz zugeführt wird.
Das Wasser vom Rohr steigt dann in den Speicher ausserhalb des Rohres auf, was seinerseits bewirkt, dass heisses Speicherwasser über den Blechzylinder 5 nach der Batterie strömt. Der Speicher wird entladen.
Bei kleinen Zapfleistungen bleibt die Wassermenge durch das Saugrohr kleiner als die vom Netz zugeführte, und zwar weil das Wasser zufolge der verminderten Abkühlung leichter bleibt. Hierbei strömt. ein Teil des Wassers aus dem Speisenetz über die obere Kante des Blechzylinders nach aussen und drückt heisses Wasser in den Speicher hinunter. Der Speicher wird geladen.
Während Perioden mit kleiner Abzapfung, wenn das Wasser, das das Rohr 3 verlässt, heisser ist als das Wasser im Boden des Speichers, strömt dieses heissere 'Wasser aufwärts längs der Aussenseite des Rohres und drückt kühleres Wasser aus dem Speicher durch den Anschluss 6. Diese Verhältnisse wirken insofern in günstigem Sinne, als das den Speicher verlassende Wasser auf verhältnismässig konstanter Temperatur gehalten wird, welche ausserdem durchschnittlich niedriger ist. als die Temperatur des das Rohr verlassenden Wassers. Hiermit wird somit eine gewisse Schichtung bewirkt, so dass das Wasser im
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Speicher eine verhältnismässig hohe Temperatur hat.
Wie bereits erwähnt, -wünscht man eine möglichst niedrige Temperatur des rücklaufenden Wassers vom Speicher. Hierdurch werden kleine Rohrleitungsabmessungen und kleine Isolationsverluste erhalten und ausserdem wird erreicht, was für Wärmekraftwerke von besonderer Bedeutung ist, dass die Energieproduktion wirtschaftlicher wird.
Um zu verhindern, dass das Wasser den Speicher mit zu hoher Temperatur verlässt, kann ein thermostatgesteuertes Ventil in die Leitung nach dem Anschluss 6 eingesetzt werden. Damit ein solches Ventil nicht die Zufuhr von Kesselwasser verzögert, kann die Rückleitung 6 um ein Stück am Mantel des Speichers nach oben versetzt werden. Hierdurch wird von der vorangehenden Abzap- fung immer eine kleine Menge kühlen Wassers übrigbleiben, was auch bei kleineren Abzap- fungen den Thermostaten betätigt und damit schnell den Ladevorgang in Gang setzt.
Ausserdem bewirkt die Höherverlegung des Anschlusses, dass die Temperaturvariationen geringer werden, indem das abfliessende Wasser weder die höchsten noch die niedrigsten Temperaturen, die im Auslass des Rohres vorkommen, annimmt.
Bei solchen Anlagen, wo lange Stillstandsperioden betr. den Verbrauch von heissem Wasser vorkommen, kann zur Verhinderung davon, dass der Speicher zufolge von Isolationsverlusten zu viel abgekühlt wird, die Anordnung getroffen werden, dass das ther- mostatgesteuerte Ventil nicht vollständig schliesst, um solche Verluste zu kompensieren.
Im folgenden wird die Ausführungsform nach Fig. 4 bis 6 beschrieben. Der Speicherbehälter ist in diesen Fig. 4 bis 6 weggelassen. Die in Fig. 5 gezeigte Batterie besteht aus zwei in Reihe geschalteten Gruppen 2a und 2b.
Die Wärmeaustauschflächen der Batterie sind zu ebenen Kupferrohrschlangen in Form von aufeinanderliegenden Spiralwindungen 2c verlegt, welche Rohrschlangen durch Abstandsdrähte oder -streifen 2d auseinander- gehalten werden und zwischen Bleche 18 eingesetzt sind. llit 16 wird das Verteilerrohr, mit. 17 das Sammelrohr und mit 3 das Saugrohr bezeichnet, 5 ist die zylindrische Abschirmung, deren Funktionen an Hand der erstgenannten Ausführungsform näher beschrieben wurden. 7 und 8 bezeichnen die Ansehlussenden für das Verteiler- bzw. Sammelrohr. Die Abstandsdrähte 2d sind, wie ersiehtlieh, gegenüber der radialen Richtung schräggestellt.
Diese Schrägstellung ist getroffen worden, um eine bestimmte Geschwindigkeit des Wassers zu erhalten und damit auch einen bestimmten Wasserwiderstand. Fig. 6 zeigt zwei Rohrschlangen 2c von der Seite. Man sieht. in dieser Figur, wie sie durch die Drähte oder Streifen 2d auseinanderge- halten werden. Damit diese das Wasser wirksam lenken können, sollen sie in die Kupferrohrsehlangen um einige Zehntelmillimeter eingedrückt werden. In der Batterie ist jede zweite Rohrschlange in der einen Richtung und die dazwischenliegenden sind in der andern Richtung gewunden, damit. die Befestigung an den Verteiler- bzw. Sammel- rohren ohne zu grosse Umstände ausgeführt werden kann.
In Fig. 4 wird eine Rohrschlange 2c vollständig und eine andere nur an den Befestigungsstellen gezeigt, die dazwischenliegenden Spiralwindungen sind weggeschnitten.
Falls die Rohrschlangen zu dicht liegen, wird die Wärmeübertragungszahl niedrig. Sollen Batterien für grosse Wärmemengen, bei welchen das Loch 21 in der Mitte der Rohrschlange verhältnismässig gross sein muss, einen genügend hohen Widerstand, das heisst genübend lange Spiralen erhalten, so muss man die Batterie in Gruppen aufteilen; die derart. in Reihe. geschaltet --erden, wie aus Fig. 5 hervorgeht, welche eine Ausführungsform einer solchen reihenbeschalteten Batterie zeiht. Man sieht, dass das Sammelrohr 17 der untern Gruppe mit dem Verteilerrohr 16 der obern Gruppe verbunden ist..
Bei Bedarf kann inan mehr als zwei Gruppen in Reihe sehalten, in andern Fällen kann man sich mit nur einer Gruppe begnügen. Es liegt in der Natur
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der Sache, dass die Proportionen der Batterie dafür entscheidend sind, ob der oben beschriebene Speicher Zeit hat, sieh zwischen den Belastungsspitzen zu Beginn der Badeperiode zu laden.
Im vorliegenden Wärmeaustauscher kann das sogenannte Sekundärwasser, das durch die Spiralkanäle strömt, eine mehr als 50mal so lange Strecke als das sogenannte Primär- %vasser, das durch die Batterie fliesst, zu passieren haben. Beim Idealzustand, wo die a-f4 orte auf beiden Seiten der wärmeübertragenden Wand gleich hoch sind, beträgt das Verhältnis zwischen den Widerständen in der Primär- und der Sekundärseite des Wärme- austauschers also mehr als 1 :50. Um die Heizfläche gut auszunutzen, sollen die a-Werte den ganzen wärmeübertragenden Flächen entlang gleich sein. Dies bedeutet, dass die Druckabfälle pro Längeneinheit für das Wasser, das die Batterie passiert, konstant sind.
Die. obenstehenden Wünsche sind der Grund dafür, dass in gewissen Fällen zwei oder mehrere Rohrgruppen in Reihe geschaltet werden (siehe Fig. 5).