CH626983A5

CH626983A5 - Heat exchanger

Info

Publication number: CH626983A5
Application number: CH111278A
Authority: CH
Inventors: Claus Fabricius
Original assignee: Guldager Consult
Priority date: 1977-02-02
Filing date: 1978-02-01
Publication date: 1981-12-15
Also published as: SE7801135L; NO780248L; FR2379785B3; FR2379785A1; NO146511B; NL7800936A; NO146511C; DE2803664A1; GB1578505A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.

Solche Wärmeaustauscher können nicht nur zur Erwärmung45 von Gebrauchswasser und anderen Flüssigkeiten mit Fernheizungswasser oder -dampf, sondern auch zur Ausnutzung von Sonnenenergie, Erdwärme oder Wärme von Prozess-Wasser jeglicher Art gebraucht werden. Um die beste wirtschaftliche Auswertung zu erreichen, ist es wichtig, dass das angewandte 50 Medium (beispielsweise Kühlwasser oder Kondensat) den Wärmeaustauscher mit der niedrigsten Temperatur, die überhaupt erreicht werden kann, verlässt, und dass die Temperatur des Wassers im Vorratsbehälter nirgends höher als notwendig ist, damit das Gebrauchswasser die gewünschte Temperatur errei- 55 chen kann. Bei anderen Wärmeaustauschertypen als dem hier beschriebenen hat man dies durch den Einbau eines Zwischenbodens, der den Behälter in zwei Teile teilt — in einen unteren, kälteren Teil zur Abkühlung und Wärmeaufnahme des Wärmemediums unmittelbar bevor es den Wärmeaustauscher verlässt 60 und einen oberen, wärmeren Teil zur ergänzenden Erwärmung des Gebrauchswassers im oberen Teil des Wärmeaustauschers -versucht zu erreichen. Such heat exchangers can be used not only to heat45 use water and other liquids with district heating water or steam, but also to utilize solar energy, geothermal energy or heat from process water of any kind. In order to achieve the best economic evaluation, it is important that the medium used (e.g. cooling water or condensate) leaves the heat exchanger with the lowest temperature that can be reached and that the temperature of the water in the storage tank is nowhere higher than necessary is so that the process water can reach the desired temperature. For heat exchanger types other than the one described here, this is achieved by installing an intermediate floor that divides the tank into two parts - a lower, colder part for cooling and heat absorption of the heat medium immediately before it leaves the heat exchanger 60 and an upper, warmer part additional heating of the process water in the upper part of the heat exchanger - tried to achieve.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine ähnliche Zweck- 65 massige Temperaturverteilung im Wasser des Vorratsbehälters angestrebt, der aber aus einem einfachen Behälter mit nur einem Raum besteht, worin Platz für eine zweckmässige elektrolytische Behandlung zum Schutze des Rohrsystems und für den kathodischen Schutz des Behälters vorhanden ist. The present invention strives for a similar functional temperature distribution in the water of the storage container, which, however, consists of a simple container with only one space, in which there is space for a suitable electrolytic treatment to protect the pipe system and for the cathodic protection of the container .

Gleichzeitig sollen Komplikationen mit der Montage des Zwischenbodens und der Rohrverbindungen zwischen den Räumen, die durch den Zwischenboden geteilt werden, vermieden werden. At the same time, complications with the installation of the intermediate floor and the pipe connections between the rooms that are divided by the intermediate floor should be avoided.

Der Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Einlauf-Verteilerrohr und dem Auslauf-Sammelrohr eine Reihe Rohrelemente angebracht sind, wobei jedes Element einen oberen Teil besitzt, dessen totale Oberfläche kleiner als die gesamte Oberfläche des unteren Teils ist. The heat exchanger according to the invention is characterized in that between the inlet manifold and the outlet manifold a number of pipe elements are attached, each element having an upper part, the total surface area of which is smaller than the entire surface of the lower part.

Im unteren Teil jedes Rohrelements kann eine wesentlich bessere Abkühlung des Wärmemediums stattfinden, und durch die Aufteilung des Heizkörpers in zwei Etagen oder Abschnitte erreicht man zuzüglich — auf Grund der Dämpfung der Thermo-siphonwirkung - eine günstige der Temperatur entsprechende Schichtbildung des Wassers im Vorratsbehälter. Mit anderen Worten: man erhält ohne Zwischenboden, und ohne den elektrolytischen Schutz des Behälters und des Rohrsystems zu behindern, eine Aufteilung, bei der der obere Teil des Wärmeaustauschers warmes Wasser, z.B. mit abzapffertigen Temperaturen von ca. 50-60 °C, und der untere Teil kaltes Wasser, das erst nach und nach, dem Verbrauch entsprechend, erwärmt wird, enthält. In the lower part of each pipe element, a much better cooling of the heat medium can take place, and by dividing the radiator into two floors or sections, you can also achieve - due to the damping of the thermosiphon effect - a favorable layer formation of the water in the storage tank that corresponds to the temperature. In other words: without an intermediate floor and without impeding the electrolytic protection of the container and the pipe system, a division is obtained in which the upper part of the heat exchanger is warm water, e.g. with tap-ready temperatures of approx. 50-60 ° C, and the lower part contains cold water, which is only gradually heated up according to consumption.

Das Prinzip der Erfidung besteht im wesentlichen darin, dass man im gleichen Behälter einen wärmeabgebenden Körper, der den oberen Teil ausmacht, und einen wärmeaufnehmenden Körper, der den unteren Teil ausmacht, kombiniert, wobei die Wärmeübertragungskapazität den Betriebsverhältnissen anpassbar sind. The principle of the invention essentially consists in combining in the same container a heat-emitting body, which makes up the upper part, and a heat-absorbing body, which makes up the lower part, the heat transfer capacity being adaptable to the operating conditions.

Die Rohrelemente der beiden Heizkörper können zweckmässig Standardelemente sein, und der Wärmeaustauscher kann so aufgebaut werden, dass zwischen dem Einlauf-Verteilerrohr und dem Auslauf-Sammelrohr ein mittleres Verteilerrohr angebracht ist, das mit dem unteren Ende jedes Rohrelementoberteils und mit dem oberen Ende jedes Rohrelementunterteils verbunden wird, da z.B. der untere Teil des Heizkörpers aus mehreren, z.B. doppelt so vielen, Rohrelementen als der obere bestehen kann. The tubular elements of the two radiators can expediently be standard elements, and the heat exchanger can be constructed in such a way that between the inlet manifold and the outlet manifold a middle manifold is attached, which is connected to the lower end of each tubular element upper part and to the upper end of each tubular element lower part is because e.g. the lower part of the radiator from several, e.g. twice as many pipe elements as the upper one can exist.

In einer Ausführungsform des Wärmeaustauschers gemäss der Erfindung können auch unterschiedlich geformte Rohrelemente in den beiden Heizkörpern vorhanden sein, z.B. können die Rohrelemente im unteren Teil einen grösseren Durchmesser als die Elemente im oberen Teil haben. Hierdurch kann man nicht nur eine allenfalls gewünschte grössere Wärmefläche am unteren Heizkörper erzielen, sondern auch, dass der Kalk, der sich am oberen Teil der Elemente abgesetzt hat und sich durch die Temperaturänderung löst, ungehindert auf den Boden des Behälters fallen kann, von wo er über einen Schlammhahn ausgeschieden werden kann. In one embodiment of the heat exchanger according to the invention, differently shaped pipe elements can also be present in the two radiators, e.g. the pipe elements in the lower part can have a larger diameter than the elements in the upper part. As a result, you can not only achieve a larger heat surface on the lower radiator, but also that the lime, which has settled on the upper part of the elements and dissolves due to the temperature change, can fall unhindered to the bottom of the container from where it is can be excreted via a mud tap.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmemediums durch den unteren Teil des Heizkörpers kann dadurch erreicht werden, dass die Rohrelemente des unteren Teils eine grössere lichte Weite als die des oberen Teils haben. The flow rate of the heat medium through the lower part of the radiator can be achieved in that the tubular elements of the lower part have a larger internal width than that of the upper part.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Darin zeigen: The invention is explained below with reference to the drawings, for example. In it show:

Fig. 1 schematisch einen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform des Wärmeaustauschers, 1 schematically shows a vertical section through an embodiment of the heat exchanger,

Flg. 2 einen horizontalen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, und Flg. 2 shows a horizontal section along the line II-II in Fig. 1, and

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform. Fig. 3 shows a vertical section through a second embodiment.

Der in der Zeichnung als Beispiel gezeigte Wärmeaustauscher ist ein Warmwasserbehälter zur Erwärmung und Speicherung von Gebrauchswasser mittels einem Wärmemedium, wie Dampf oder warmes Wasser, das durch ein Rohrsystem zum The heat exchanger shown as an example in the drawing is a hot water tank for heating and storing service water by means of a heating medium, such as steam or warm water, through a pipe system

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Behälter strömt, und z.B. von einem Fernheizungswerk oder einem Zentralheizungskessel geliefert werden kann. Container flows, and e.g. can be supplied by a district heating plant or a central heating boiler.

Der Wärmeaustauscher besteht aus einem Speicher 1, der am Boden einen Stutzen 2 für den Anschluss der Kaltwasserleitung und oben einen Stutzen 3 für die Leitung, die zu den Zapf- s stellen des warmen Gebrauchswassers führt, hat. Das Wärme-medium in Form von Heisswasser oder Dampf wird durch einen aussenliegenden Stutzen, der mit einem ringförmigen Einlauf-Verteilerrohr 4 im oberen Teil des Behälters verbunden ist, eingeführt, und nach Abkühlung verlässt das Wärmemedium io den Behälter durch einen aussenliegenden Stutzen, der mit einem Auslauf-Sammelrohr 5 im unteren Teil des Behälters verbunden ist. Das Einlauf-Verteilerrohr 4 kann mit Rücksicht auf die elektrolytische Behandlung in einem Abstand zur Behälterdecke angebracht sein, der ca. einem Viertel der Behälterhöhe is entspricht. Die Wärmetransmissionsfläche, durch die das Wärmemedium dem Wasser im Vorratsbehälter Wärme abgibt, wird durch eine Anzahl schraubenlinienförmig gebogener Rohrelemente gebildet. Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Wärmeaustauscher ist die Wärmetransmissionsfläche auf zwei Heizkörper 2<> verteilt, nämlich auf einen ersten Heizkörper, der zwischen dem Auslauf-Sammelrohr 5 und einem ringförmigen, mittleren Verteilerrohr 6 zur Vorwärmung des durch den Stutzen 2 einströmenden kalten Wassers eingesetzt ist, und auf einen zweiten Heizkörper, der zwischen dem mittleren Verteilerrohr 6 und 25 dem Einlaufrohr-Verteilerrohr 4 zur zusätzlichen Erwärmung des warmen Gebrauchswasser, das aus dem Stutzen gezapft wird, angebracht ist. In der gezeigten Ausführung besteht der genannte zweite Heizkörper aus drei Rohrelementen 7, wogegen der zuerst genannte Heizkörper aus sechs Rohrelementen 8 30 mit einem etwas grösseren Durchmesser als der der Rohrelemente 7 besteht. The heat exchanger consists of a storage tank 1, which has a connection piece 2 for the connection of the cold water pipe on the bottom and a connection piece 3 for the pipe leading to the tap of the hot service water. The heating medium in the form of hot water or steam is introduced through an external connection piece, which is connected to an annular inlet distributor pipe 4 in the upper part of the container, and after cooling, the heating medium leaves the container through an external connection piece, which is connected to an outlet manifold 5 is connected in the lower part of the container. With regard to the electrolytic treatment, the inlet distributor pipe 4 can be arranged at a distance from the tank ceiling which corresponds to approximately a quarter of the tank height. The heat transmission surface through which the heat medium gives off heat to the water in the storage container is formed by a number of helically bent pipe elements. In the heat exchanger shown in FIGS. 1 and 2, the heat transmission surface is distributed over two radiators 2 <>, namely on a first radiator, which is between the outlet manifold 5 and an annular, central distributor pipe 6 for preheating the incoming cold through the nozzle 2 Water is used, and on a second radiator, which is attached between the middle manifold 6 and 25, the inlet pipe manifold 4 for additional heating of the hot service water that is drawn from the nozzle. In the embodiment shown, said second radiator consists of three pipe elements 7, whereas the first mentioned radiator consists of six pipe elements 8 30 with a slightly larger diameter than that of the pipe elements 7.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmemediums im ersten Heizkörper, der aus den Elementen 8 besteht, wird, vorausgesetzt, dass alle Elemente die gleiche lichte Weite haben, 35 nur halb so gross wie die Strömungsgeschwindigkeit in den Elementen 7 sein, wodurch im unteren Heizkörper eine grössere Abkühlung des Wärmemediums als im oberen erreicht wird. Die Strömung des Wärmemediums wird mit einem Thermostat 9 gesteuert, abhängig von der Temperatur des Wassers im obe- 40 ren Teil des Vorratsbehälters. Beim Abfliessen des Wassers aus dem Stutzen 3 strömt kälteres Wasser vom unteren Teil des Behälters aufwärts in den Bereich des Thermostaten 9. Dieser öffnet die Zufuhr des Wärmemediums durch das Einlaufrohr-Verteilerrohr 4. Hierdurch wird das Wasser im oberen Teil des 45 Behälters durch das in den Rohrelementen 7 verhältnismässig schnell strömende Wärmemedium erwärmt, wogegen das zugeführte kalte Wasser im Bodenbereich des Behälters durch das in The flow rate of the heat medium in the first radiator, which consists of the elements 8, will, provided that all the elements have the same internal width, 35 be only half as large as the flow rate in the elements 7, whereby a greater cooling of the Heat medium than is achieved in the upper. The flow of the heat medium is controlled by a thermostat 9, depending on the temperature of the water in the upper part of the storage container. When the water flows out of the nozzle 3, colder water flows from the lower part of the tank upwards into the area of the thermostat 9. This opens the supply of the heating medium through the inlet pipe manifold 4. This causes the water in the upper part of the 45 tank to flow through the in the pipe elements 7 heated relatively quickly flowing heat medium, whereas the cold water supplied in the bottom region of the container by the in

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den Rohrelementen 8 langsamer strömende Wärmemedium, das erst bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur den Behälter durch das Auslauf-Sammelrohr 5 verlässt, vergewärmt wird. Das Wärmemedium kann z.B. Warmwasser sein, das mit einer Temperatur von ca. 80 °C in das Einlauf-Verteilerrohr 4 einströmt, und im oberen Heizkörper auf ca. 60 °C abgekühlt wird, bevor es den Behälter durch das Ausïauf-Sammelrohr 5 verlässt. Das Wasser im Vorratsbehälter kann z.B. mit einer Temperatur von ca. 10 °C einströmen und durch den Auslaufstutzen 3 wieder mit einer Temperatur von ca. 60 °C ausströmen. the pipe elements 8 slower flowing heat medium, which only leaves the container through the outlet manifold 5 at a relatively low temperature, is warmed. The heating medium can e.g. Be warm water, which flows into the inlet manifold 4 at a temperature of approximately 80 ° C. and is cooled to approximately 60 ° C. in the upper radiator before it leaves the container through the outlet manifold 5. The water in the reservoir can e.g. Flow in at a temperature of approx. 10 ° C and flow out again through the outlet connection 3 at a temperature of approx. 60 ° C.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Wärmeaustauscher ist die Wärmeübertragungsfläche jedes Rohrelementes auf einen unteren Teil 8', der mit dem Auslauf-Sammelrohr 5 verbunden ist, und auf einen oberen Teil 7', der mit einem Einlauf-Verteilerrohr 4 verbunden ist, verteilt. Bei der gezeigten Ausführung besteht der untere Teil 8' jedes Rohrelements aus einem Rohr mit grösserer lichter Weite und grösserem Windungsdurchmesser als der obere Teil 7' In the heat exchanger shown in FIG. 3, the heat transfer area of each pipe element is distributed over a lower part 8 ', which is connected to the outlet manifold 5, and an upper part 7', which is connected to an inlet manifold 4. In the embodiment shown, the lower part 8 'of each tubular element consists of a tube with a larger internal width and larger winding diameter than the upper part 7'

Diese Konstruktion bewirkt auch, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmemediums im unteren Teil 8' der Rohrelemente wesentlich niedriger, z.B. nur halb so gross, ist wie die Strömungsgeschwindigkeit im oberen Teil T, weshalb eine grössere Abkühlung im unteren Teil als im oberen auftritt. Das Wasser im oberen Teil wird somit von dem den oberen Teil 7' der Rohrelemente schnell durchströmenden Wärmemedium auf Gebrauchswassertemperatur erwärmt, wogegen das zugeführte kalte Wasser im Bodenabschnitt des Behälters von dem in den Rohrelementen des unteren Teils 8' langsamer strömenden Wärmemedium vorgewärmt wird, das erst bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur den Behälter durch das Auslauf -Sammelrohr 5 verlässt. This construction also causes the flow rate of the heat medium in the lower part 8 'of the tubular elements to be significantly lower, e.g. is only half as large as the flow velocity in the upper part T, which is why a greater cooling occurs in the lower part than in the upper part. The water in the upper part is thus preheated by the heat medium flowing through the upper part 7 'of the tubular elements to working water temperature, whereas the cold water supplied in the bottom section of the container is preheated by the heat medium flowing more slowly in the tubular elements of the lower part 8' leaves the container through the outlet manifold 5 at a relatively low temperature.

Natürlich kann die Übereinstimmung der zwei Rohrspiralelemente, durch die der Temperaturabfall des Wärmemediums den jeweiligen Betriebsverhältnissen angepasst wird, auch woanders vorgenommen werden als in der Zeichnung angegeben. Z.B. kann die Wärmetransmissionsfläche im unteren Teil 8' durch eine kleinere Windungssteigung vergrössert werden, d.h. durch eine kompaktere Windungsdichte. Of course, the correspondence of the two spiral tube elements, by means of which the temperature drop in the heat medium is adapted to the respective operating conditions, can also be made elsewhere than indicated in the drawing. E.g. the heat transmission area in the lower part 8 'can be increased by a smaller winding pitch, i.e. due to a more compact winding density.

Ausser einer wirksamen Ausnützung der Wärme des Wärmemediums durch eine grösstmögliche Abkühlung, ist es mit dem hier beschriebenen Wärmeaustauscher möglich, die Vorteile der Erwärmung des Gebrauchswassers durch gewickelte Rohrelemente zu erzielen. Gleichzeitig ist es möglich, die Vorteile des in zwei Abschnitte aufgeteilten Behälters zwecks Schichtung des Speicherwassers in einem zusammenhängenden Raum zu erzielen, welcher für die Montage des elektrolytischen Schutzes von Behälter und Rohrsystem Platz bietet. In addition to an effective use of the heat of the heat medium by cooling as much as possible, it is possible with the heat exchanger described here to achieve the advantages of heating the process water by means of coiled pipe elements. At the same time, it is possible to achieve the advantages of the container divided into two sections for the purpose of stratification of the storage water in a coherent space, which offers space for the installation of the electrolytic protection of the container and the pipe system.

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Heat exchanger, consisting of a storage tank with an inlet connection in the bottom for a liquid that is to be heated, and an outlet connection for the heated liquid, as well as a pipe system that is designed for this purpose, from a heat-emitting medium such as steam or hot water to be flowed through, and which has an upper inlet manifold and a lower outlet manifold, each of which has an external connection piece and which are connected to one another by a number of vertical, helically curved pipe elements, which together form the radiator of the storage container, characterized in that between the inlet manifold (4) and the outlet manifold (5) a number of pipe elements are attached, each element having an upper part (7,7 '), whose total surface area is smaller than the entire surface of the lower part (8, 8 ')

is.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that between the inlet manifold (4) and the outlet manifold (5), a middle manifold (6) is attached, which with the lower end of each upper part (7 ' ) of the tubular elements and with the upper end of the lower part (8 ') of the tubular elements.

3. Heat exchanger according to claims 1 and 2, characterized in that the central distributor pipe (6) with 25 the outlet header pipe (5) is connected by a number of pipe elements (8) which is larger, preferably twice as large as that Number of pipe elements (7) via which it is connected to the inlet manifold (4).

4. Heat exchanger according to claims 1 to 3, 30 characterized in that the diameter of the lower part (8 ') of the tubular elements is larger than the diameter of the upper part (7') of the tubular elements.

5. Heat exchanger according to claims 1 to 4,

characterized in that the lower part (8 ') of each pipe 35 has a clear width which is greater than the clear width of the upper part (7') of each pipe element.