DE102005048656A1

DE102005048656A1 - Wärmespeicher-Entladewärmetauscher mit minimierter Temperaturbeaufschlagung

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Publication number: DE102005048656A1
Application number: DE102005048656A
Authority: DE
Original assignee: CONSOLAR SOLARE ENERGIESYSTEME; CONSOLAR SOLARE ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: CONSOLAR SOLARE ENERGIESYSTEME; CONSOLAR SOLARE ENERGIESYSTEME GmbH
Priority date: 2005-10-08
Filing date: 2005-10-08
Publication date: 2007-04-12

Abstract

Aufgabenstellung der Erfindung ist der Entladewärmetauscher eines Wärmespeichers, insbesondere zur Erwärmung von Trinkwasser, der die Vorteile von internen Rohrwendeln mit den Vorteilen extern geregelter Trinkwasserstationen verbindet und dabei gleichzeitig das Verkalkungsproblem durch eine stark reduzierte Temperaturbeaufschlagung löst. DOLLAR A Die Aufgabenstellung wird folgendermaßen gelöst: DOLLAR A Im untersten Bereich des Speicherbehälters 1 ist der Trinkwasserwärmetauscher 3 angeordnet. Vorzugsweise innerhalb des Speichers befindet sich ein Rohr 4, das Speicherwasser aus dem heißen Bereich nach unten zu dem Wärmetauscher führt. Eine Umwälzpumpe 5 saugt bei Warmwasseranforderung das heiße Speicherwasser 6 oben an und pumpt es durch den Trinkwasserwärmetauscher. In dem Trinkwasserwärmetauscher wird das Speicherwasser abgekühlt und tritt im unteren Speicherbereich aus, wodurch eine sauber geschichtete Entladung erreicht wird. Nach der Warmwaserbereitung kühlt sich der gesamte Wärmetauscher sehr schnell wieder ab, so dass es zu keinem Kalkausfall kommt. Die bei der Abkühlung dem Wärmetauscher entzogene Wärme geht nicht verloren, sie dient zur Vorwärmung des Speichers. Die Anordnung ist sehr kompakt: außerhalb der Speicherisolierung gibt es keine Komponenten, was gleichzeitig auch zu minimierten Wärmeverlusten führt.

Description

Die Erfindung betrifft Wärmespeicher, in denen Wärmeenergie über einen Wärmetauscher unter Ausbildung einer thermischen Schichtung in flüssigem Speichermedium entnommen werden kann. Besonders vorteilhaft kann die Erfindung zur Erzeugung von warmem Trinkwasser aus einem mit Pufferwasser gefüllten Speicher genutzt werden.

Stand der Technik sind Pufferspeicher mit integrierten Rohrwendel-Wärmetauschern zur Erzeugung von warmem Wasser im Durchlauf. Z. B. ist aus der DE 197 03 722 A1 ein Warmwasserspeicher mit im oberen Speicherbereich frei eingetauchter Trinkwasser-Wärmetauscherspirale bekannt. Solche physikalisch als Gleichstromwärmetauscher zu beschreibenden Wärmetauscher haben den Nachteil, dass bei Trinkwassererwärmung der gesamte darunter liegende Speicherinhalt gleichmäßig abgekühlt wird. Die Temperatur, mit der Warmwasser aus dem Wärmetauscher austritt, sinkt während der Entnahme kontinuierlich und die mögliche Zapfmenge ist hierdurch gegenüber einem Gegenstrom-Wärmetauscher mit geschichteter Entladung stark reduziert. Ein weiteres Problem ist, dass sich der Wärmetauscher immer im heißesten Bereich des Speichers befindet. Wird längere Zeit kein Warmwasser entnommen, kann in dem Trinkwasser, das sich innerhalb des Wärmetauschers befindet, Kalk ausfallen und zur Verkalkung führen. Die Folgen sind: Rückgang der übertragbaren Leistung, Reduzierung des Rohrquerschnitts bis zur Verstopfung mit damit verbundenen hohen Wartungskosten.

Alternativ hierzu sind Einrichtungen zur schichtenden Entladung von Speichern bekannt. In der P 42 21 668.0-16 sind Wärmetauscher beschrieben, 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 Vorteil dieses Wärmetauscheraufbaus ist, dass er eine geschichtete Entladung des Wärmespeichers ohne Einsatz einer Pumpe zur Umwälzung des Speicherwassers ermöglicht. Der oben beschriebene Nachteil der Kalkempfindlichkeit besteht hier allerdings auch.

Ein weiterer Nachteil ist, dass der Speicherwasserstrom ungeregelt ist. Ein thermodynamisch günstiger Wärmeaustausch wird dann erreicht, wenn das den Wärmetauscher umströmende Speicherwasser und das zu erwärmende Trinkwasser im Gegenstrom zueinander fließen und die Durchflüsse sich ungefähr entsprechen. Dies kann bei den oben beschriebenen Thermosiphon-Wärmetauschern nur näherungsweise erreicht werden. Der sich einstellende Speicherwasserstrom hängt vom Ladezustand des Speichers ab. Auch passt sich der Speicherwasserstrom nur in geringem Maße an den Entnahmedurchfluss an. Die Folge ist, dass die Wärmetauscheraustrittstemperaturen des Primärkreises (i. d. R. des gezapften Warmwassers) vom Ladezustand des Speichers und von dem Durchfluss abhängen.

Bei geringem Durchfluss oder vollständig heißem Speicher stellt sich eine hohe Austrittstemperatur ein, bei hohem Durchfluss oder teilweise abgekühltem Speicher dagegen eine geringere.

Ebenfalls Stand der Technik sind extern angebrachte Wärmetauscher. Mittels einer vorzugsweise geregelten Umwälzpumpe wird bei Warmwasseranforderung heißes Speicherwasser oben entnommen und durch den Wärmetauscher geleitet. Dort wird es, während es das Trinkwasser erwärmt, abgekühlt und wird kalt unten wieder in den Pufferspeicher zurückgeführt. Als Wärmetauscher werden üblicherweise Plattenwärmetauscher eingesetzt.

Diese Warmwasserbereitungssysteme haben ebenfalls den Nachteil der Kalkempfindlichkeit: Nach der Warmwasserentnahme verbleibt heißes Pufferwasser und Trinkwasser im Wärmetauscher und kühlt dort allmählich ab. Insbesondere, wenn hohe Pufferwassertemperaturen herrschen (typisch bei Speichern mit Solaranlage) oder wenn Zapftemperaturen um 60 °C gefordert werden, was bei größeren Anlagen aus hygienischen Gründen oft der Fall ist, fällt somit regelmäßig Kalk aus. Plattenwärmetauscher sind aufgrund der kleinen Querschnitte besonders empfindlich und bei Verkalkung oftmals nicht mehr vollständig entkalkbar. Ein zweiter Nachteil dieser externen Systeme sind die erhöhten Wärmeverluste (regelmäßige Abkühlung von Wärmetauscherinhalt) und der erhöhte Platzbedarf.

Eine Kombination aus internen Rohrwendeln mit der Umwälzung des Speicherwassers über eine extern montierte Pumpe ist ebenfalls bekannt: Der von der Firma ELCO (www.elco.net) vertriebene Solarkombispeicher VISTRON V.750.LC bzw. V.1000.LC (Teil der Solaranlage „ASTRON") hat zur Trinkwassererwärmung eine innerhalb eines Strömungsführungsmantels angebrachte Rohrwendel im oberen Bereich des Speichers. Durch die Strömungsführung wird heißes, oben entnommenes Speicherwasser gepumpt. An der Rohrwendel wird das Speicherwasser abgekühlt und sinkt dann nach Austritt aus dem Leitmantel weiter nach unten. Ein Nachteil ist, dass die Abkühlung des Speicherwassers nicht sehr effizient erfolgt und sich das aus dem Leitmantel austretende Speicherwasser mit Speicherwasser höherer oder tieferer Temperatur vermischen kann. Und auch dieser Wärmetauscher hat den Nachteil der Kalkempfindlichkeit.

Aufgabenstellung der Erfindung ist die Darstellung eines Entladewärmetauschers, der die Vorteile von internen Rohrwendeln mit den Vorteilen extern geregelter Trinkwasserstationen verbindet und dabei gleichzeitig das Verkalkungsproblem bzw. der hohen Temperaturbeaufschlagung des zu erwärmenden Mediums löst.

Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst (vergleiche 1): Im untersten Bereich des Speicherbehälters 1, vorzugsweise unterhalb etwaiger Beladewärmetauscher und Beladestutzen 2 ist der Trinkwasserwärmetauscher 3 angeordnet. Vorzugsweise innerhalb des Speichers befindet sich ein Rohr 4, das Speicherwasser aus dem heißen Bereich nach unten zu dem Wärmetauscher führt. Eine Umwälzpumpe 5 saugt bei Warmwasseranforderung das heiße Speicherwasser 6 oben an und pumpt es durch den Trinkwasserwärmetauscher. Die Pumpe ist vorzugsweise Platz sparend unterhalb des Speichers angeordnet. In dem Trinkwasserwärmetauscher wird das Speicherwasser abgekühlt und tritt im unteren Speicherbereich aus, wodurch – bei strömungsberuhigtem Austritt – eine sauber geschichtete Entladung erreicht wird. Das Trinkwasser tritt durch den Anschluss 13 in der Wärmetauscher 3 ein und verlässt ihn erwärmt durch Anschluss 14.

Der Trinkwasserwärmetauscher ist vorzugsweise als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet. Hierfür kommen unter anderem in Frage:

• Eine in einem Gehäuse eingebaute Rippenrohrwendel oder -spirale entsprechend der oben beschriebenen P 42 21 668.0-16 in unterschiedlichen Abwandlungen (vergl. 2, 3, 4). Das Speicherwasser wird in die Mitte der Wendel oder Spirale gepumpt und strömt zwischen den Rippen des Rippenrohres der einzelnen Windungen nach außen.
• Der analoge Aufbau, aber statt Rippenrohr mit einer Glattrohrwendel, wobei das Speicherwasser in die Mitte der Spirale gepumpt wird und zwischen den Windungen der Spirale und der Strömungsführung nach außen strömt.
• Ein Koaxial-Wärmetauscher (vergl. 5).

Die Vorteile der Erfindung sind:

• Nach der Warmwasserbereitung kühlt sich der gesamte Wärmetauscher sehr schnell wieder ab, so dass es zu keinem Kalkausfall kommt.
• Die bei der Abkühlung dem Wärmetauscher entzogene Wärme geht nicht verloren, sie dient zur Vorwärmung des Speichers.
• Die Anordnung ist sehr kompakt: außerhalb der Speicherisolierung gibt es keine Komponenten, was gleichzeitig auch zu minimierten Wärmeverlusten führt.

Die Umwälzpumpe 5 kann als vorzugsweise geregelte elektrische Pumpe ausgeführt werden. Hiermit können ungefähr gleiche Massenströme (Speicherwasser und Trinkwasser) und/oder eine Temperaturbegrenzung oder eine gewünschte konstante Zapftemperatur erreicht werden.

Alternativ ist die Realisierung entsprechend der in der P 42 21 668.0-16 beschriebenen Pumpe mit Wasserturbine oder -motor als Antrieb möglich: Das Trinkwasser treibt eine Kleinstturbine 15 oder einen Wassermotor an, wodurch ein Teil des Leitungsdruckes abgebaut wird. Durch die Turbine bzw. den Wassermotor wird die Pumpe 5 angetrieben (vergl. 6). Durch die direkte Kopplung von Antriebseinheit und Pumpe und eine entsprechende Dimensionierung wird erreicht, dass der Massenstrom des zu erwärmenden Trinkwassers und der des abzukühlenden Speicherwassers bei jeder Entnahmemenge ungefähr gleich groß sind, was für einen thermodynamisch optimalen Gegenstrom-Wärmeaustausch sorgt. Mit einem thermostatischen Mischventil 7 für das Trinkwasser 7a oder das Speicherwasser 7b kann auch hier eine konstante Warmwasser-Austrittstemperatur erreicht werden. Das Mischventil für das Speicherwasser hat gleichzeitig den Vorteil, dass die Eintrittstemperatur in den Wärmetauscher begrenzt wird
Im folgenden wird anhand 2 eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung beschrieben. Der Trinkwasserwärmetauscher 1 ist entsprechend der P 42 21 668.0-16 als Rippenrohrspirale 8, die innerhalb von Kunststoffkegeln 9 eingeschlossen ist, ausgebildet. Im Gegensatz zur Anordnung in der P 42 21 668.0-16 tritt das heiße Speicherwasser von unten durch den an den Kegel sich anschließenden Rohrstutzen ein. Beim Umströmen der Rippenrohrspirale kühlt sich das Speicherwasser ab und tritt mit geringer Strömungsgeschwindigkeit vermischungsarm am Kegelumfang aus.
In 3 ist eine andere erfindungsgemäße Ausgestaltung dargestellt: Die Rippenrohrspirale 8 sitzt hier direkt auf dem Speicherbehälterboden und ist von oben durch eine entsprechend gewölbte Haube 10 aus Kunststoff oder Blech abgedeckt.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung: Die Rippenrohrspirale 8 ist zwischen zwei Platten 11 angeordnet. Bei dem Speicherwasser handelt es sich in der Regel um „totes", d. h., sauerstofffreies Wasser, so dass normales Stahlblech verwendet werden kann.
5 zeigt die Ausgestaltung des Wärmetauschers als Koaxial-Wärmetauscher 12. In der Darstellung strömt die zu erwärmende Flüssigkeit im Innenrohr und das Speicherwasser im Außenrohr. Alternativ kann auch die Flüssigkeit im Außenrohr strömen, wodurch eine schnellere Abkühlung nach der Erwärmung erreicht wird.
6 zeigt die Ausgestaltung mit Wasserturbine/-motor und thermostatischem Mischventil (sowohl für Trinkwasser, 7a, als auch Speicherwasser, 7b, eingezeichnet.
Statt der beschriebenen Ausführungen sind erfindungsgemäß eine Vielzahl anderer Ausführungen möglich: z. B. können andere Wärmetauscher-Bauformen, z. B. ähnlich wie in 1–3 aber statt mit Rippenrohr mit Glattrohr eingesetzt werden. Auch beliebige andere Formen einer Rohrwendel sind möglich, z. B. eine zylindrische Form mit entsprechendem Mantel außen und innen oder eine zylindrische Wendel an der Behälterwand mit Mantel auf der Innenseite der Wendel. Statt Rohrwendeln können auch andere Wärmetauscher wie z. B. Rohrbündel-Wärmetauscher oder Plattenwärmetauscher eingesetzt werden.
Statt des Trinkwasser können mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch andere Flüssigkeiten erwärmt werden, insbesondere, wenn eine erhöhte und andauernde Temperaturbelastung vermieden werden soll, wie es z. B. in diversen verfahrenstechnischen Anwendungen der Fall ist.

1: Speicherbehälter
2: Behälteranschluss-Stutzen
3: Wärmetauscher für Trinkwasser oder allgemein Flüssigkeit
4: Rohr für heißes Speicherwasser
5: Umwälzpumpe
6: Speicherwasser
7: Thermostatisches Mischventil für Trinkwasser/Flüssigkeit 7a oder Speicherwasser 7b
8: Rippenrohrspirale
9: kegelähnliche Strömungsführung
10: Haube zur Strömungsführung
11: Platten zur Strömungsführung
12: Koaxial-Wärmetauscher
13: Wärmetauscheranschluss für eintretende zu erwärmende Flüssigkeit/Trinkwasser
14: Wärmetauscheranschluss für austretende erwärmte Flüssigkeit/Trinkwasser
15: Wasserturbine oder -motor

Claims

Wärmespeicher mit Speicherbehälter (1) und einem Wärmetauscher (3) zum Erwärmen einer Flüssigkeit, insbesondere Trinkwasser, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) im kälteren unteren Bereich des Wärmespeichers angeordnet ist und ein Rohr (4) Speicherwasser aus dem heißen oberen Bereich nach unten zu dem Wärmetauscher führt, wobei eine Umwälzpumpe (5) an einer Stelle des Rohres (4), vor dem Wärmetauscher (3) angeordnet ist und heißes Speicherwasser durch das Rohr ansaugen und durch den Wärmetauscher pumpen kann.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt ist, so dass Speicherwasser und zu erwärmende Flüssigkeit im Gegenstrom zueinander strömen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (5) geregelt ist, so dass sich Speicherwasserstrom und Durchfluss der zu erwärmenden Flüssigkeit ungefähr entsprechen und/oder ggf. eine einstellbare Austrittstemperatur der Flüssigkeit erreicht wird.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) als Rippenrohrwendel oder -spirale ausgeführt ist, die zwischen einer Strömungsführung eingebaut ist, wobei das heiße Speicherwasser in die Mitte der Spirale gepumpt wird und zwischen den Rippen und der Strömungsführung durch die Spirale nach außen strömt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Glattrohrwendel oder -spirale ausgeführt ist, die zwischen einer Strömungsführung eingebaut ist, wobei das heiße Speicherwasser in die Mitte der Spirale gepumpt wird und zwischen den Windungen der Spirale und der Strömungsführung nach außen strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung aus zwei ggf. gekrümmten, kegelähnlichen Körpern aufgebaut ist, wobei der untere Körper in der Mitte eine Einstrittsöffnung für das Speicherwasser aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper der Strömungsführung aus Kunststoff sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung aus zwei flachen Platten aufgebaut ist, wobei die untere Platte in der Mitte eine Einstrittsöffnung für das Speicherwasser aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten aus Stahlblech sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenrohrspirale direkt auf dem ggf. gekrümmten Speicherboden liegt und die Strömungsführung aus einer entsprechend gekrümmten Platte auf der Oberseite besteht, wobei der Speicherboden in der Mitte eine Einstrittsöffnung für das Speicherwasser aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Koaxialwärmetauscher (12) ausgeführt ist, wobei das Speicherwasser in einem Mantel um das Innenrohr in Gegenrichtung zu der zu erwärmenden Flüssigkeit in dem Innenrohr strömt und am Ende des Wärmetauschers in den unteren Speicherbereich austritt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Koaxialwärmetauscher ausgeführt ist, wobei das Speicherwasser in dem Innenrohr in Gegenrichtung zu der zu erwärmenden Flüssigkeit in dem Mantelrohr strömt und am Ende des Wärmetauschers in den unteren Speicherbereich austritt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (5) mit einer Wasserturbine oder -motor (15) als Antrieb ausgerüstet ist, wobei die zu erwärmende Flüssigkeit (i. d. R. Trinkwasser) die Wasserturbine/den Wassermotor (15) antreibt, wodurch ein Teil des Leitungsdruckes abgebaut wird.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass dem heißen, über das Rohr 4 angesaugten Speicherwasser kühleres Speicherwasser vom unteren Bereich über ein thermostatisches Mischventil 7b zugemischt wird.