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Verfahren zum Betreiben eines Wärmeaustauschers und Wärmeaustauscher, insbesondere Verbrauchswarmwasserbereiter zur Ausführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeaustauschers, in welchem sich ein erstes, insbesondere aggressives wärmeaustau- schendes Medium in einem oder mehreren dünnwandigen Behältern befindet, wobei der Druck dieses Mediums merklich verschieden ist von dem eines zweiten am Wärmeaustausch beteiligten Mediums sowie einen Wärmeaustauscher, insbesondere Verbrauchswarmwasserbereiter zur Ausführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, dass dem Korrosionsproblem in Wärmeaustauschern eine sehr grosse Bedeutung zukommt und bei aggressiven Flüssigkeiten, zu denen auch gewöhnliches Trinkwasser gehören kann, für den Bau von Wärmeaustauschern korrosionsbeständige Materialien, beispielsweise rostfreier Stahl oder Kunststoffe verwendet werden müssen. Diese sind entsprechend der verlangten Festigkeitseigenschaft bei oft grossen Druckunterschieden zwischen Primär- und Sekundärseite stark zu dimensionieren. Auf diese Weise entstehen teure Konstruktionen, deren Einsatz sich beispielsweise bei Verbrauchswarmwasserbereitern im allgemeinen preisbedingt nicht durchzusetzen vermag.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beheben. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betreiben eines Wärmeaustauschers zeichnet sich dadurch aus, dass man den Druck ausserhalb des Behälters dem Innendruck im Behälter angleicht, um diesen Behälter mechanisch zu entlasten.
Der Wärmeaustauscher, insbesondere Verbrauchswarmwasserbereiter zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse und dem Behälter ein von einem dritten Medium mindestens teilweise angefüllter Raum liegt.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigt: Fig.1 eine schematische Darstellung eines Verbrauchswarmwasserbereiters im Längsschnitt, Fig.2 einen Querschnitt durch den Verbrauchswarmwasserbereiter nach Linie II-II der Fig. 1, Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher in schematischer Darstellung, Fig.4 einen Schnitt durch den VVärmeaustauscher nach Linie IV-IV der Fig. 3, Fig.5 einen Längsschnitt durch eine verbrauchs- wasserführende Speicherzelle, Fig.6 eine schematische Darstellung eines mit einem Wärmeerzeuger verbundenen Verbrauchswarmwasserbereiters im Längsschnitt, Fig.7 einen Querschnitt durch den Verbrauchswarmwasserbereiter gemäss Linie VII-VII der Fig.6, Fig.
8 eine schematische Darstellung eines, in einem Wärmeerzeuger eingebauten Warmwasserbereiters, im Längsschnitt, Fig. 9 einen Querschnitt durch den Wärmeerzeuger mit eingebautem Warmwasserbereiter nach Linie IX-IX der Fig. B.
In Fig. 1 ist ein Verbrauchswarmwasserbereiter 1 mit einem Innenbehälter 2 dargestellt, dessen Innenraum mit 3 bezeichnet ist. Der Innenbehälter 2 weist eine Mantelfläche 5 sowie die beiden Böden 7 und 8 auf, welche aus sehr dünnem, korrosionsfestem Material hergestellt sind. Die Wanddicke dieser Mantelfläche 5 und der Böden 7 und 8 beträgt z. B. 0,5 mm.
Als Material dient z. B. ein rostfreier Stahl, beispielsweise 18/8 oder 18/8 2,5 (V@A bzw. V4A) Kupfer o. dgl. Der Innenbehälter 2 ist mit einem Zufluss- stutzen 9 und einem Abflussstutzen 1.1 versehen. Die Verbrauchs-Kaltwasserzufuhr erfolgt über ein Rohr 10 am Stutzen 9, welches zwecks Verhütung von Kurz- schluss im Innenbehälter 2 vorteilhafterweise bis gegen die Mitte der Zellenlänge hineinragt, während das aufgeheizte Wasser durch den Stutzen 11 und die Leitung 37 ausfliesst. Bei kleinerer Länge des Rohres 10 kann zur Verhütung von Kurzschlüssen auch eine Trennwand eingebaut werden.
Da dieses Verbrauchswasser aggressiv sein kann, müssen, wie vorstehend erwähnt, die Wände des Innenbehälters 2 aus korrosionsfestem Material hergestellt werden. Der Behälter 2 ist vorn mittels eines Deckels 13 verschlossen. Abgesehen von
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diesem Deckel 13 befindet sich der Behälter 2 mit seinen übrigen Wandteilen in einem Druckausgleichsraum 15, welcher seinerseits von einem Erhitzerteil umgeben ist, dessen Aussenmantel 17 in den Fig. 1 und 2 ebenfalls zylindrisch ausgeführt ist. In diesem Aussenteil, welcher der Erhitzung des Verbrauchskaltwassers dient, gelangt das Heizmedium durch einen Anschluss- stutzen 21 in den Ringraum und verlässt diesen durch einen zweiten Anschlussstutzen 23.
Der Druckausgleichsraum 15, als Innenraum bezeichnet, ist dagegen über einen Anschlussstutzen 25 mit einem Druckmedium, vorzugsweise mit dem Verbrauchswassernetz verbunden, um im Druckausgleichsraum 15 praktisch den gleichen Druck zu erzeugen wie im Innenbehälter 2. Da aber die Aussenschale des Druckausgleichsraumes 15, d. h. sämtliche Teile ausser der Mantelfläche 5 und den Böden 7 und 8 des Behälters 2 aus nicht korrosionsfesten Materialien bestehen, darf aggressives Verbrauchswasser in diesem Druckausgleichsraum 15 nicht zirkulieren. Es muss m. a. W. dieser Druckausgleichsraum 15 mit einem nicht aggressiven Medium angefüllt sein.
Dies kann beispielsweise Verbrauchswasser sein, welches jedoch mittels eines Entgasungs-, Entlüftungs- und Wasserenthärtungsgefässes 27 an der höchsten Stelle des Druckausgleichsraumes entgast wird, womit ihm seine aggressive Wirkung weitgehend genommen ist. Das Gefäss 27 ist über eine Zirkulationsleitung 28 mit dem Unterteil des Raumes 15 zwecks Umwälzung verbunden.
Im vom Aussenmantel 17 auf der Aussenseite des Verbrauchswarmwasserbereiters 1 begrenzten Raum befindet sich ein Heizmedium 29, welches von einer Wärmequelle (nicht dargestellt) erhitzt und in diesem Zustand durch den Anschlussstutzen 21 in den Raum 30 einströmt. Hier nun gibt dieses Medium Wärme über einen Innenmantel 32 an das Medium im Druckausgleichsraum 15 ab, welches sich erwärmt und seine aufgenommene Wärme durch die Mantelfläche 5 und den Böden 7 und 8 an das Verbrauchswasser im Innenraum 3 weitergibt. Auf diese Weise erfolgt eine Erhitzung des Verbrauchskaltwassers.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, befindet sich in der Verbrauchswasserzuleitung 33 eine Zweigstelle, an welcher eine Rohrschlaufe 31 in einer Druckausgleichsleitung 35 angeschlossen ist. Damit wird erreicht, dass der Druck im Innenraum 3 des Innenbehälters 2 gleich dem Speisedruck in der Leitung 33 für die Zuspeisung des Verbrauchswassers zum Innenbehälter 2 ist, so dass praktisch im Innenraum 3 und im Druckausgleichsraum 15 der gleiche Druck herrscht.
Daher wird der Innenbehälter @2 von Druckkräften, herrührend aus Druckdifferenzen der Verbrauchswasserseite und der Heizmediumsseite, mechanisch nicht beansprucht, so dass die Wandstärken der Mantelfläche 5 und den Böden 7 und 8, wie erläutert, sehr dünn angesetzt werden können, da sie tatsächlich nur eine Trennwand zwischen den druckgleichen Räumen 3 und 15 darstellen.
Um nun zu verhüten, dass bei Temperaturwechsel des Mediums im Druckausgleichsraum 15 Wasser aus diesem Raum in die Speiseleitung 33 zurückfliesst oder aus der Speisewasserleitung aggressives Wasser durch die Druckausgleichsleitung 35 in den Druckausgleichsraum 15 nachgespiesen wird, ist das Druckausgleichsrohr 35 mittels der Rohrschlange 31 derart verlängert, dass Temperaturdifferenzen des Wassers im Raum 15 nur eine Verschiebung der Wassersäule im Rohr 35 und der Rohrschlange 31 zur Folge haben und mithin weder aggressives Speisewasser aus der Leitung 33 in den Druckausgleichsraum 15,
noch aus diesem Raum 15 abgestandenes Wasser in die Verbrauchswasserzu- leitung 33 gedrückt wird. Damit wird erreicht, dass im Druckausgleichsraum 15 ein einmal eingefülltes Druckmedium, insbesondere Wasser, nicht mehr zirkuliert und es daher, insbesondere da dieses Wasser mittels des Entgasungsgefässes 27 entgast wird, keine aggressive Wirkung auch auf nicht korrosionsfeste Stähle ausübt. Anderseits kommt das Verbrauchswasser nur mit korrosionsfesten Materialien in Berührung.
Der wesentliche Gedanke dieser Konstruktion liegt darin, im Innenraum 3 den gleichen Druck zu erzeugen wie im Innern des Behälters oder der Zelle 2 und damit den Mantel 5 mitsamt den Flachböden 7 und 8 praktisch jeglicher Druckeinwirkung durch die Medien zu entziehen. Auf diese Weise wird es möglich, die Wandung des Mantels 5 und des Flachbodens 7, welche zur Verhütung von Korrosionen aus sehr teurem Material hergestellt werden müssen, mit dünnen Wandstärken zu fertigen, wobei die beiden Teile sogar nicht wie üblich durch Schweissen, sondern durch wesentlich billigeres Falzen miteinander verbunden werden können, da, bedingt durch den Druckausgleich in und um die Zelle 2, Undichtheiten, sofern sie nicht ein wesentliches Mass erreichen, sich überhaupt nicht auswirken.
Der Innenraum 3 ist mit dem Entgasungsgefäss 27 verbunden, um freien Sauerstoff bzw. Kohlensäure aus dem Wasser im Druckausgleichsraum 15 abzuscheiden. Dadurch wird erreicht, dass sich ein anfänglich aggressives Wasser in kurzer Zeit weitgehend neutralisiert. Dies kann möglicherweise in Verbindung mit einer Wasserbehandlung geschehen, z. B. mittels Phosphaten, welche in das Entgasungsgefäss 27 gebracht werden können, während dieses Gefäss durch zwei Absperrorgane vom Druckausgleichsraum 15 abgeschaltet ist. Die Leitung 28 ermöglicht die nötige Zirkulation nach dem Schliessen des Gefässes 27 und Öffnen der Absperrorgane.
Daher kann der Innenmantel 32 aus einem weniger korrosionsbeständigen Material gefertigt und derart bemessen sein, dass es der Druckdifferenz Pö P,, welche zwischen dem Raum des Heizwassers 29 und dem Druckausgleichsraum 15 herrscht, auch festigkeitsmässig ohne weiteres gewachsen ist.
Geringe Druckstösse auf die Zellenwand lassen diese sich deformieren, was u. a. den Vorteil einer Selbstreinigung durch Abspringen der sich mit der Zeit bildenden Kalkschichten hat. Die Zellenhaut kommt durch geringe Druckänderungen im Druckausgleichsraum 15 oder im Zelleninnenraum, wie diese bei Wasserentnahme auftreten, zum Atmen . Der Erfindungsgedanke wird natürlich auch dann realisiert, wenn das zu erwärmende und das erwärmende Medium grosse Druckdifferenzen aufweisen und das eine Medium z. B. aus hygienischen Gründen nicht mit gewöhnlichem Eisen in Berührung kommen soll. In diesem Falle kann das Medium in der und um die Zelle von gleicher Beschaffenheit sein, wobei aber dasjenige um die Zelle stagniert, das in der Zelle bei Entnahme aber durchströmt.
Beim allgemeinen Bau von Wärmeaustauschern ist es natürlich möglich, zum Heizen für Notfälle oder zur Ausnützung von Nachtstrom Heizspiralen, Heizstäbe u. ä. zu verwenden; welche in den Innenraum 15 des Druckausgleichsmediums eingeführt werden und dieses entsprechend erhitzen. Zu Reinigungszwecken kann
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eine pulsierende Druckquelle, beispielsweise über das Entgasungsgefäss 27 angeschlossen und damit im Innenraum 15 ein vorbestimmter pulsierender Druck erzeugt werden, um die Wände 5 und 7 der Zelle 2 in vorerwähntem Sinne zu reinigen.
Während der Druck p0 im Heizwasserraum 29 den durch die verlangte mögliche Höchsttemperatur bedingten Druck aufweist, herrscht aufgrund der Bypass- oder Druckausgleichsleitung 35 im Druckausgleichsraum 15, der ebenfalls mit Verbrauchswasser angefüllt ist, der gleiche Druck p1 wie im Innern der Zelle oder des Behälters 2 mit dem Druck p2, so dass im statischen Zustand p1 = p2 wird. Bei der Entnahme von Verbrauchswasser ist der Druck p2 gewissen Schwankungen unterworfen, welche sich über die Bypasslei- tung 35 auch auf den Druck p1 im Raum 15 auswirken.
Es ist natürlich grundsätzlich möglich, in den Druckausgleichsraum 15 anstelle des Verbrauchswassers ein anderes Medium einzufüllen und dieses durch den Einbau eines entsprechenden Trenn- und Uberträ- gerelementes, beispielsweise einer Membrane oder eines Balges, in die Druckausgleichsleitung 35, vom Verbrauchswassersystem zu trennen, jedoch druckmäs- sig zu verbinden. Grundsätzlich wäre auch der Gebrauch eines Trennkolbens oder eines Flüssigkeitstrenngliedes, z. B. mittels einer Quecksilberfüllung, möglich.
Die Art der Trennung der beiden Flüssigkeitssysteme um die Zelle im Raume 15 und in der Zelle hängt von den verwendeten Medien und vom Zwecke des Wärmeaustauschers ab; denn dieses Prinzip des Druckausgleiches lässt sich natürlich nicht nur bei Verbrauchswarmwasserbereitern verwenden, sondern kann überall in Wärmeaustauschapparaten dort gebraucht werden, wo infolge korrosiver Medien mit entsprechend teuren korrosionsfesten Materialien gearbeitet werden muss.
In den Fig.3-5 ist ein Wärmeaustauscher dargestellt, dessen Aufbau grundsätzlich gleich ist wie derjenige der Ausführung gemäss den Fig. 1 und 2. Dieser Wärmeaustauscher 40 ist mit vier gleichen Innenbehältern 43, 44, 45 und 46 ausgerüstet, deren Mantelflächen 47 und Böden 49 und 50 aus einem korrosionsfesten Material bestehen. Das zu erhitzende oder gegebenenfalls zu kühlende Medium gelangt durch die parallel zueinander geschalteten Zuflussstutzen 51 in die Innenbehälter 43-46 und fliesst durch Abflussstutzen 53 wieder aus. Die Behälter 43-46 sind mittels Dek- keln 55 verschlossen. Sie sind in einem Druckausgleichsraum 57 symmetrisch angeordnet (Fig. 3). Dem Druckausgleichsraum schliesst sich radial nach aussen ein Raum 58 des Heizmediums 71 an, welcher von einem Aussenmantel 59 begrenzt ist.
Zur bessern Zirkulation des Heizmediums 71 sind diametral und in Längsrichtung des Austauschers parallel angeordnete Verbindungsrohre 61 vorgesehen. Das Zu- und Weg- fliessen des Heizmediums 71 erfolgt durch Stutzen 63 und 65, während der Druckausgleichsraum 57 über einen Stutzen 67 mit einer entsprechenden Druckquelle verbunden ist. An der höchsten Stelle des Druckaus- gleichsraumes 57 ist wiederum ein Entgasungsgefäss 69 angeordnet.
Das Verbrauchswarmwasser wird durch eine Speiseleitung 75 den, vorzugsweise parallel geschalteten, Innenbehältern 43-46 zugeführt, wobei vor dem Eintritt in diese Behälter eine Zweigleitung 77 zum Druckausgleich angeschlossen wird, die über eine Rohr- Schlange 73 mit dem Druckausgleichsraum 57 verbunden ist.
Wie aus der Darstellung gemäss Fig. 5 ersichtlich, ist die Mantelfläche 47 gegen die Deckelseite hin umgebördelt und liegt an einem Flanschring 81 auf, welcher seinerseits an der Vorderwand des Druckausgleichsraumes 57 angeschweisst ist. Im Deckel 55 ist eine Rille eingedreht, in welcher eine Rund-Dichtung 83 sitzt, um die Innenbehälter nach aussen flüssigkeits, dicht abzuschliessen. Der Boden 49 ist mit dem Mantel vorzugsweise durch Bördelung verbunden, während der Boden 50 durch den Deckel 55 auf die Bördelung ge- presst wird.
Das Verbrauchskaltwasser gelangt durch den Zu- flussstutzen 51 ins Innere des Behälters 43 und strömt nach dessen Erhitzung durch den Abflussstutzen 53 ab, der in die Verbrauchswasserabflussleitung 79 mündet.
Wie aus den Fig. 3-5 ersichtlich, können die z. B. als Verbrauchswasserspeicherzellen ausgebildeten Innenbehälter 43-46 durch Lösen der Schraubenbolzen zwischen dem Flanschring 81 und dem Deckel 55 nach vorherigem Entfernen der beiden Verteil- bzw. Sam- melleitungen 75 und 79 in einfacher Weise demontiert und gegebenenfalls durch andere Grössen von Ver- brauch.swasserspeicherzellen ersetzt oder aber blindgeflanscht werden. Es kann damit auf äusserst einfache Weise die Kapazität des Verbrauchswarmwasserbereiters ohne besondere Umstände verändert und den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden.
In den Fig.3-5 sind die Verbrauchswasserspei- cherzellen 43-46 kreiszylinderförmig dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, diese Zellen im Querschnitt vieleckig auszuführen.
Es ist grundsätzlich sogar möglich, entweder vollständig oder gemischte Dampf/Verbrauchswarmwasser- erzeugung vorzusehen, was einen weitern grossen Vorteil bietet.
Diese Anlage funktioniert grundsätzlich genau gleich wie die in den Fig. 1 und 2 beschriebene.
Die Fig. 6 und 7 betreffen in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform des Verbrauchswarmwasserbereiters, wobei ein Wärmeerzeuger und ein mit diesem verbundener Verbrauchswasserbereiter dargestellt wird. Der Verbrauchswarmwasserbereiter 90, mit einem Entgasungsgefäss 92 im dargelegten Sinne versehen, ist über zwei Anschlussstutzen, dem Vorlaufstutzen 94 und dem Rücklaufstutzen 95, mit einem Heizkessel 97 verbunden, dessen Feuerbüchse 99 mit den Rauchrohren 101 und einer Türe 103 in den Fig.6 bzw. 7 dargestellt ist.
Die Kesselspeisung erfolgt über einen Zulaufstutzen 105, während der Abflussstutzen 107 zum Anschliessen eines weitern Wärmeverbrauchers, beispielsweise einer Zentralheizungsanlage, dient. Die Erhitzung des Heizmediums erfolgt im Wasserraum 109 des Heizkessels 97.
Bei dieser Ausführung des Verbrauchswarmwasserbereiters sind sieben symmetrisch im Druckausgleichsraum angeordnete dünnwandige Innenbehälter oder Zellen vorgesehen, deren Zulauf und Ablauf der Ver- brauchswasserseite parallel geschaltet sind. Es ist natürlich grundsätzlich auch möglich, bei verschiedenen Druckstufen, insbesondere in Hochhäusern, den Druckausgleichsraum zu unterteilen durch Einbringen von Längsblechen und damit die in den entsprechenden Druckräumen vorhandenen Innenbehälter zu Gruppen mit verschiedenen Innendrucken zusammenzufassen.
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In den Fig.8 und 9 ist eine weitere Ausführung eines Verbrauchswarmwasserbereiters dargestellt, wobei der Wärmeerzeuger 115 einen Wasserraum 117 aufweist, dem sich, vorzugsweise konzentrisch, ein Druckausgleichsraum 119 sowie ein Verbrauchswarmwassergehäuse 121 in Hohlzylinderform anschliessen. Dieses Gehäuse 121 weist eine innere zylindrische Mantelfläche 122 und eine ebensolche äussere Mantelfläche 123 auf, welche durch ringförmige Böden 125 bzw. 126 miteinander verbunden sind.
Der Druckausgleichsraum 119 ist auch hier über eine Rohrschlaufe 127 (es kann auch eine Rohrspirale sein) mit der Zulaufleitung 129 der Verbrauchswasserseite verbunden. Die Entnahme des Verbrauchswarmwassers erfolgt über eine Verteilleitung 131. Im übrigen ist auch diese Anlage im gleichen Sinne aufgebaut wie die vorbeschriebene.
Eingehende Versuche haben ergeben, dass eine Aufteilung der Kaltwassermenge des aufzuheizenden Verbrauchswassers in mehrere Einzelmengen, sowie die Aufteilung des Boilerinhaltes in einzelne, in sich abgeschlossene Zonen, z. B. durch die Anwendung der beschriebenen Speicherzellen eine Steigerung des Wärmeüberganges ergeben. So konnte z. B. durch diese Massnahme an einem Heizkessel mit eingebautem Verbrauchswarmwasserbereiter, und zwar ohne Zuhilfenahme einer Zirkulationspumpe, für eine Heizleistung von 320 000 kcal/h bei praktisch gleichem Druckverlust auf der Verbrauchswasserseite die Wärmedurchgangszahl K von 270 auf 420 kcal/m2h C gesteigert werden, bei einem # t von ca. 50 C.
Durch die Aufteilung in mehrere Verbrauchswasserzellen wird die Wärmeübertragung von der Heiz- wasserseite her bedeutend verbessert. Trotz relativ kleinen Einzel-Volumina von Verbrauchswasserinhalten ergibt sich eine relativ grosse Gesamtspeichermenge bei gleichzeitig sehr hohen Stundenwarmwasserleistungen und zwar im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrauchswarmwasserbereitern, welche als ein einziges grosses Element ausgebildet sind.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Durchmesserverhältnis der Speicherzellen und des Innenmantels des Verbrauchswarmwasserbereiters d/D in den Grenzen 0,1 und 0,48 zu wählen, wogegen bei nicht kreisförmigen Querschnitten sich dieses Verhältnis der hydraulischen Durchmesser bis 0,6 erstrecken kann (Fig. 4).
Die beschriebene Konstruktion eines Verbrauchswarmwasserbereiters mit einzelnen Speicherzellen vereinigt dagegen die Vorteile des Boilers mit denjenigen des Durchflusserhitzers, ohne deren Nachteile zu übernehmen.