DE10121842C2 - Entladewärmetauscher für Wärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmespeicher, in denen Wärmeenergie unter Ausbildung einer thermischen Schichtung in flüssigem Speichermedium eingespeichert und entnommen werden kann.

Von der DE 42 21 668 A1 sind Wärmetauscher bekannt, die eine geschichtete Be- und Entladung von Warmwasser-Schichtenspeichern ermöglichen. Diese Wärmetauscher sind in dem Speicher eingebaut und bestehen aus Rippenrohrspiralen, die innerhalb von Strömungsleitstrukturen so angeordnet sind, dass das abgekühlte bzw. erwärmte Speicherwasser die Rippenrohre aufgrund von Dichteunterschieden im Kreuzgegenstrom umströmt.

Der Entladewärmetauscher (meist zur Erwärmung von Trinkwasser) ist im oberen Bereich des Speichers angeordnet, und das abgekühlte Speicherwasser wird durch ein Abströmrohr in den unteren Bereich des Speichers geleitet. Der Beladewärmetauscher befindet sich im unteren Speicherbereich, und das durch ihn erwärmte Speicherwasser strömt durch ein Rohr nach oben. Der Vorteil dieses Wärmetauscheraufbaus ist, dass sie eine geschichtete Be- und Entladung des Wärmespeichers ohne Einsatz einer Pumpe zur Umwälzung des Speicherwassers ermöglichen.

Andere Ausgestaltungen von Wärmetauschern, bei denen die Umwälzung des Speicherwassers durch thermosiphonische Kräfte erfolgt, sind mittlerweile Stand der Technik, z. B. auch Wärmetauscher, die außerhalb des Speichers angebracht sind.

Aus der DE 197 03 722 A1 ist ein Warmwasserspeicher mit im oberen Speicherbereich frei eingetauchter Brauchwasser-Wärmetauscherspirale bekannt. Solche physikalisch als Gleichstromwärmetauscher zu beschreibenden Wärmetauscher haben den Nachteil, dass bei Brauchwassererwärmung der gesamte darunter liegende Speicherinhalt gleichmäßig abgekühlt wird. Die Temperatur, mit der Brauchwasser aus dem Wärmetauscher austritt, sinkt während der Entnahme kontinuierlich und die mögliche Zapfmenge ist hierdurch gegenüber dem oben beschriebenen Gegenstrom-Wärmetauscher stark reduziert. Wechselnde Zapfdurchflüsse wirken sich direkt in Temperaturschwankungen aus.

Eine gewisse Verbesserung des Wärmetauscherverhaltens gegenüber dem obigen frei eingetauchten Wärmetauscher ist in der DE 299 20 954 U1 beschrieben. Hier ist die Brauchwasser-Wärmetauscherwendel durch ein Blech von dem darunter liegenden Speicherbehälter getrennt. Ein an dem Blech angebrachtes Rohr führt in den unteren Speicherbereich. Bei dieser Anordnung stellt sich allerdings auch kein Gegenstrom-Wärmeaustausch ein. Wechselnde Zapfdurchflüsse wirken sich direkt in Temperaturschwankungen aus.

Ein thermodynamisch günstiger Wärmeaustausch wird dann erreicht, wenn das den Wärmetauscher umströmende Speicherwasser und das zu erwärmende Brauchwasser im Gegenstrom zueinander fließen und die Durchflüsse sich ungefähr entsprechen. Dies kann bei den eingangs beschriebenen Thermosiphon-Wärmetauschern nur näherungsweise erreicht werden. Der sich einstellende Speicherwasserstrom hängt vom Ladezustand des Speichers ab, was im folgenden erläutert wird: Je größer die kalte Schicht des Speichers ist, desto geringer sind die antreibenden Dichteunterschiede wenn Kaltwasser in dem Tauscher erwärmt wird und Speicherwasser abgekühlt durch das Abströmrohr sinkt. Auch passt sich der Speicherwasserstrom nur in geringem Maße an den Entnahmedurchfluss an: bei großer Zapfrate wird zwar das Kaltwasser weniger warm, und das Speicherwasser wird stärker abgekühlt und strömt dadurch auch schneller ab. Dieser Effekt ist jedoch viel zu schwach, um eine annähernde Proportionalität der Wasserströme zu erreichen.

Die Folge dieses Sachverhaltes ist, dass die Wärmetauscheraustrittstemperaturen des Primärkreises (i. d. R. des gezapften Warmwassers) vom Ladezustand des Speichers und von dem Durchiluss abhängen. Bei geringem Durchfluss oder vollständig heißem Speicher stellt sich eine hohe Austrittstemperatur ein, bei hohem Durchfluss oder teilweise abgekühltem Speicher dagegen eine geringere.

Wenn die Temperatur des austretenden erwärmten Wassers einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf, so muss der Wärmetauscher so dimensioniert sein, dass der Durchfluss des Speicherwassers im schlechtesten Fall genügend groß ist. Die Folge hiervon ist, dass in allen anderen Fällen das Speicherwasser in dem Entladewärmetauscher aufgrund des zu großen Durchflusses nur ungenügend abgekühlt in den unteren Speicherbereich gelangt. Das gesamte Speichervolumen wird dadurch sehr schnell umgewälzt und die Speicherkapazität ist klein. Außerdem treten erhöhte Wärmeverluste im unteren Speicherbereich auf. Falls eine Solaranlage zum Beheizen des Speichers eingesetzt wird, so wirken sich hohe Speichertemperaturen unten ungünstig auf den Wirkungsgrad aus.

Ein weiterer Nachteil bekannter Thermosiphonwärmetauscher ist, dass konstruktionsbedingt oftmals oberhalb der Wärmetauscher ein ungenutztes Volumen vorliegt.

Aufgabenstellung der Erfindung ist die Verbesserung von Thermosiphonwärmetauschern sowie generell von Kreuzgegenstrom- und Gegenstromwärmetauschern zur Entladung in der Form, dass die Vorteile erhalten bleiben, nämlich: schichtende Entladung und Erwärmung des Primärkreises im Durchlauf (hygienische Warmwasserbereitung), gleichzeitig aber die Austrittstemperatur des Primärkreises bei schwankenden Zapfraten und unterschiedlichen Speicherladezuständen vergleichmäßigt wird. Bei Thermosiphonwärmetauschern soll die Wärmetauscherleistung insbesondere bei einem weitgehend entladenen Speicher verbessert werden.

Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:
Dem Gegenstrom- oder Kreuzgegenstromwärmetauscher ist ein in das Speicherwasser frei eingetauchter Gleichstromwärmetauscher nachgeschaltet und zwar im oberen Bereich des Speichers. Er ist vorzugsweise oberhalb von diesem eingebaut, wo konstruktionsbedingt bei Druckspeichern mit Klöpperboden ohnehin ein ungenutztes Volumen zur Verfügung steht (siehe Fig. 1).

Hierdurch ergibt sich folgende Funktion: Solange der Speicher noch ausreichend geladen ist (hohe Speicherwassertemperaturen in der oberen Hälfte und mehr) und der Durchfluss des gezapften Warmwassers sich im (gemessen an den Auslegungsdaten) normalen Bereich befindet, wird der Primärkreis (i. d. R. Trinkwasser) in dem Thermosiphonwärmetauscher bereits auf ausreichend hohe Temperaturen erwärmt, die nur wenig unter der Speicherwassertemperatur oben liegen. Mit dieser Temperatur tritt der Primärkreis in den nachgeschalteten Gleichstromwärmetauscher ein. Daher ist dessen Wirkung gering, er entzieht dem oberen Speicherbereich nur wenig Wärme und zerstört damit auch nicht die Schichtung.

Erst, wenn der Speicher weitgehend entladen ist, oder ein über den durchschnittlichen Werten liegender Spitzendurchfluss gezapft wird, sinkt die Temperatur des aus dem Thermosiphonwärmetauscher strömenden Wassers unter die gewünschte Zapftemperatur und damit auch deutlich unter die Speichertemperatur oben. Damit liegen in dem eingetauchten Gleichstromwärmetauscher größere Temperaturunterschiede zwischen dem Primärkreis und dem Speicherwasser vor, so dass dieser Wärmetauscher wirksam wird.

Wenn der Speicher fast vollständig entladen ist, wird der größere Teil der dem Primärkreis zugeführten Leistung im Gleichstromwärmetauscher aufgenommen. In diesem Ladezustand stört aber die Abkühlung des obersten Speicherbereiches die Schichtung nicht, da der Speicher ohnehin vollständig entladen wird. Die Abkühlung bewirkt weiterhin, dass dem Thermosiphonwärmetauscher kälteres Speicherwasser zuströmt, das dadurch auch auf tiefere Temperaturen abgekühlt wird, wodurch die Thermosiphonströmung weiter in Gang bleibt. Durch den Gleichstromwärmetauscher wird auch die Wärme oberhalb des Thermosiphonwärmetauschers genutzt.

Die oben beschriebene Funktionsweise kann durch eine externe Verschaltung mit einem thermostatischen Mischventil weiter verstärkt werden, analog zu den in der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 48 816 A1 beschriebenen Verschaltungen. Beispielsweise kann vom Ausgang 3 des Thermosiphonwärmetauschers 1 ein Abgang direkt nach außen gelegt werden und über ein Mischventil 9 mit dem Abgang des eingetauchten Gleichstromwärmetauschers 4 (Mischventileingang heiß) wieder zusammengeführt werden (siehe Fig. 2). Liegt die Ausgangstemperatur des Thermosiphonwärmetauschers (Mischventileingang kalt) über der am Mischventil eingestellten gewünschten Temperatur, so wird der nachgeschaltete Gleichstromwärmetauscher vollständig überbrückt und dem oberen Speicherbereich wird keinerlei Wärme entzogen.

Um die in der Offenlegungsschrift DE 195 48 816 A1 beschriebene Verbesserung des Anlaufverhaltens des Thermosiphonwärmetauschers zu erreichen, kann auch ein Abgang nach einem in dem Abströmrohr 10 verlaufenden Kaltwasserzulaufrohr 11 und vor dem Eintritt in den eigentlichen Thermosiphonwärmetauscher 1 gelegt werden (siehe Fig. 3). Dieser Abgang wird dann wieder mit dem Abgang des eingetauschten Gleichstromwärmetauschers über ein Mischventil zusammengeführt.

Wird der eingetauchte Gleichstromwärmetauscher genügend groß dimensioniert (insbesondere sein Inhalt), so kann auf die in der Schrift DE 195 48 816 A1 beschriebene Vorrichtung zur Verbesserung des Anlaufverhaltens auch ganz verzichtet werden, da während der Anlaufphase die Warmwassererwärmung durch den Glattrohrwärmetauscher sichergestellt wird.

Sämtliche beschriebenen erfindungsgemäßen Verschaltungsvarianten sind auch für extern angebrachte Thermosiphonwärmeaustauscher 2 möglich (siehe Fig. 4, dort ist nur die Variante ohne Ventil dargestellt).

Der eingetauchte Gleichstromwärmetauschers kann aus einfachem Glattrohr aufgebaut sein, kann aber auch Strukturen zur Vergrößerung der Oberflächen oder zur Verbesserung des Wärmeübergangs aufweisen: wie z. B. ein Rippenrohr oder Drallrohr. Statt Rohren können auch beliebige andere Wärmetauscherbauformen eingesetzt werden, z. B. Kissenwärmetauscher oder Doppelstegplatten.

Im folgenden wird anhand Fig. 1 eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung beschrieben. Der Thermosiphonwärmetauscher 1 ist entsprechend der DE 42 21 668 A1 als Rippenrohrspirale 1a, die innerhalb von Kunststoffkegeln 1b eingeschlossen ist, ausgebildet. An den oberen Ausgang 3 der Rippenrohrspirale schließt sich eine zweilagige Glattrohspirale 4 an, die in dem Bereich des Klöpperbodens 5 des Speichers 6 angeordnet ist. Das Kaltwasser tritt am inneren Anschluss 7 der Rippenrohrspirale 1a ein, das Warmwasser am Anschluss 8 aus.

Statt der beschriebenen Ausführung sind erfindungsgemäß eine Vielzahl anderer Ausführungen möglich: z. B. können andere Bauformen thermosiphonischer Wärmetauscher ohne spiralförmig gewundene Rohre eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Wärmespeicher mit Speicherbehälter (6) und einem Wärmetauscher zum Erwärmen von Brauchwasser, wobei der Wärmetauscher aus zwei Teilen aufgebaut ist, von denen der erste Teil- Wärmetauscher (1, 2) als Thermosiphon-Wärmetauscher mit nach unten gerichtetem Abströmrohr (10) ausgebildet ist, bei dem das Speicherwasser im Kreuzgegenstrom oder Gegenstrom zu dem zu erwärmenden, innerhalb der Wärmetauscherrohre fließenden Brauchwasser geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil-Wärmetauscher (4) ein im oberen Bereich des Wärmespeichers angeordneter, in das Speicherwasser frei eingetauchter Wärmetauscher ist, der mit dem ersten Teil-Wärmetauscher in Reihe geschaltet ist, wobei das zu erwärmende Brauchwasser zuerst den ersten Teil-Wärmetauscher und danach den zweiten Teil-Wärmetauscher durchströmt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in Reihe nachgeschaltete frei eingetauchte Wärmetauscher (4) entsprechend der Temperaturschichtung in dem Wärmespeicher von unten nach oben durchströmt wird.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil-Wärmetauscher (2) außerhalb des Speicherbehälters (6) angeordnet ist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der in Reihe nachgeschaltete frei eingetauchte Wärmetauscher (4) auf gleicher Höhe oder oberhalb des Thermosiphonwärmetauschers (1) bzw. des Anschlussstutzens (14) für den externen Kreuzgegenstrom- oder Gegenstromwärmetauschers (2) angeordnet ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der in Reihe nachgeschaltete frei eingetauchte Wärmetauscher innerhalb des freien Volumens des Klöpperbodens (5) eines Druckspeichers angeordnet ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass vom Ausgang (3) des (Kreuz-)Gegenstromwärmetauschers (1, 2) ein Abgang direkt nach außen gelegt ist und über ein Mischventil (9) mit dem Abgang des frei eingetauchten Wärmetauschers wieder zusammengeführt ist, in der Form, dass der in Reihe nachgeschaltete frei eingetauchte Wärmetauscher (Mischventileingang heiß) vollständig überbrückt und dem oberen Speicherbereich keinerlei Wärme entzogen wird, wenn die Ausgangstemperatur des Thermosiphonwärmetauschers (Mischventileingang kalt) über der am Mischventil eingestellten gewünschten Temperatur liegt.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-5 mit einem in dem Abströmrohr (10) verlaufenden Kaltwasserzulaufrohr (11) zur Verbesserung des Anlaufverhaltens des Thermosiphonwärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgang vor dem Eintritt in den eigentlichen Thermosiphonwärmetauscher (1, 2) nach außen gelegt ist und mit dem Abgang des frei eingetauchten Wärmetauschers (4) über ein Mischventil (9) zusammengeführt ist, wobei der frei eingetauchte Wärmetauscher an den Mischventileingang heiß und der Abgang an den Mischventileingang kalt angeschlossen ist.