DE102007040031A1

DE102007040031A1 - Wärmetauscher und Verfahren zur Übertragung thermischer Energie von einem ersten Medium auf ein zweites oder weitere Medien

Info

Publication number: DE102007040031A1
Application number: DE102007040031A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Robionek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Um bei einem Wärmetauscher bzw. bei einem Verfahren zur Übertragung thermischer Energie von einem ersten Medium auf ein zweites oder weitere Medien den Wirkungsgrad zu verbessern, wird vorgeschlagen, den Wärmetauscher mit einer Ultraschallvorrichtung auszurüsten und zumindest eines der Medien mit Ultraschall zu beaufschlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher sowie auf ein entsprechendes Verfahren zur Übertragung thermischer Energie von einem ersten Medium auf ein zweites oder weitere Medien.
Wesentlich für die Qualität, mit der die Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Medien stattfindet, ist zum einen der Temperaturunterschied an der Übertragungsfläche und sind des Weiteren die Strömungsverhältnisse der beiden Medien, insbesondere ob es sich hierbei um laminare oder turbulente Strömungsverhältnisse handelt.
Im Falle einer langsamen Strömung des Mediums, bei dem es sich z. B. um Wasser, Sole, Wasserglykol, Thermoöl od. dgl. handeln kann, fehlt eine Durchmischung an der Übertragungsfläche, da sich dann üblicherweise laminare Strömungsverhältnisse ergeben. Um an den Übertragungsflächen die Übertragung thermischer Energie zu verbessern, werden an den Übertragungsflächen Umlenkkanten und verschiedenste Profile eingesetzt.
Bei sehr langsamen Strömungsgeschwindigkeiten, z. B. in Speicherwassererwärmern, kann die Wärmeübertragung bzw. der Wärmeübergang allenfalls mittels des Auftriebs verbessert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie von einem ersten Medium auf ein zweites oder weitere Medien bzw. ein entsprechendes Verfahren zur Übertragung thermischer Energie zur Verfügung zu stellen, mittels dem der Wirkungsgrad bei der Übertragung thermischer Energie erheblich verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ultraschallvorrichtung gelöst, mittels der zumindest eines der Medien mit Ultraschall beaufschlagbar ist.
Das mittels Ultraschall beaufschlagte Medium, bei dem es sich z. B. auch um Trinkwasser handeln kann, wird mit einer vergleichsweise geringen Leistung in Schwingungen versetzt.
Hierdurch verbessert sich der Wärmeübergang unmittelbar an der Übertragungsfläche in erheblicher Weise; darüber hinaus verbessert sich die Wärmeleitung innerhalb des Wassers selbst von Schicht zu Schicht, bzw. von Molekül zu Molekül. Temperaturschichtungen innerhalb des Wassers bzw. des Mediums können gesteuert, verändert oder beseitigt werden. Wärmenester, die ansonsten z. B. an Elektroheizwiderständen auftreten kennen, werden erfindungsgemäß mit großer Sicherheit verhindert. Aufgrund der wegen der Ultraschallbeaufschlagung erfolgenden besseren Kühlung des Heizwiderstandes wird die Lebensdauer derartiger Heizelemente vervielfacht und die Übertragungsleistung erheblich gesteigert. Darüber hinaus ergibt sich der positive Nebeneffekt, dass die Heizflächen durch das schwingende Medium stetig einem Reinigungsvorgang unterzogen werden. Verkalkungsneigungen werden unterdrückt, was besonders bei Wärmetauschern von Bedeutung ist, die für den Betrieb von Waschmaschinen vorgesehen sind. Bei Waschmaschinen kann aufgrund der Ultraschallbeaufschlagung am Wärmetauscher die Waschleistung erheblich gesteigert werden.
In mit erfindungsgemäßen Wärmetauschern ausgerüsteten Trinkwasserspeichern wird aufgrund des vorstehend geschilderten Reinigungseffekts die Hygiene beträchtlich verbessert, z. B. wird Biofilm abgebaut.
Die Ultraschallvorrichtung kann zumindest einen Ultraschallgeber und einen Ultraschallgenerator aufweisen, an den der zumindest eine Ultraschallgeber angeschlossen ist. Der Ultraschallgeber und der Ultraschallgenerator können gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als Geräteeinheit in einem Gehäuse realisiert sein.
Grundsätzlich ist es selbstverständlich möglich, die Ultraschallvorrichtung mit zwei oder mehr Ultraschallgebern auszurüsten. Diese können dann so in Bezug auf das mit Ultraschall zu beaufschlagende Medium angeordnet werden, dass sie dieses gleichmäßig mit Ultraschall beaufschlagen.
Sofern der erfindungsgemäße Wärmetauscher als Speicherwassererwärmer ausgebildet ist und eine Heizfläche aufweist, die vom ersten Medium erhitzt und über die thermische Energie auf das in einem die Heizfläche umgebenden Behälter befindliche zweite Medium übertragen wird, ist es zweckmäßig, wenn ein Ultraschallgeber der Ultraschallvorrichtung am Behälter ange ordnet ist und das zweite Medium mit Ultraschall beaufschlagt. Hierbei kann der Ultraschallgeber bzw. können die Ultraschallgeber der Ultraschallvorrichtung etwa mittig der Heizfläche am diese umgebenden Behälter angeordnet sein.
Sofern der Speicherwassererwärmer zwei oder mehr über- bzw. nebeneinander angeordnete Heizflächen aufweist, ist es zweckmäßig, wenn zumindest ein Ultraschallgeber zwischen den beiden bzw. den Heizflächen am Behälter und zumindest ein Ultraschallgeber unterhalb bzw. neben der unteren bzw. einen Heizfläche angeordnet ist.
Wenn der erfindungsgemäße Wärmetauscher als Doppelmantelwärmespeicher ausgebildet ist, bei dem das erste Medium den Außenmantel eines das zweite Medium enthaltenden Speicherbehälters umströmt und mittels einer Brennereinrichtung mit thermischer Energie beaufschlagbar ist, sollte der zumindest eine Ultraschallgeber der Ultraschallvorrichtung am Speicherbehälter angeordnet sein und dort das darin befindliche zweite Medium mit Ultraschall beaufschlagen.
Bei einer Ausgestaltung als Platten- oder Rohrwärmetauscher sollte zumindest das mit der kleineren Strömungsgeschwindigkeit fließende Medium mittels zumindest eines Ultraschallgebers der Ultraschallvorrichtung mit Ultraschall beaufschlagbar sein.
Hierbei kann der zumindest eine Ultraschallgeber vorteilhaft im Bereich eines in den Platten- oder Rohrwärmetauscher führenden Einlaufstutzens oder einer Vorkammer des mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit strömenden Mediums angeordnet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest eines der Medien an einer, vorzugsweise an mehreren Stellen, mit Ultraschall beaufschlagt.
Die Ultraschallbeaufschlagung erfolgt bei einem mit einer Heizfläche ausgerüsteten Speicherwassererwärmer vorteilhaft etwa mittig der Heizfläche. Bei einem mit zwei Heizflächen ausgerüsteten Speicherwassererwärmer erfolgt die Ultraschallbeaufschlagung des im Behälter befindlichen zu erwärmenden Mediums vorteilhaft zwischen den beiden Heizflächen und unter bzw. neben einer der beiden Heizflächen.
Bei einem Platten- oder Rohrwärmetauscher wird vorteilhaft das mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit fließende Medium im Bereich des Einlaufstutzens oder der Vorkammer des Platten- oder Rohrwärmetauschers mit Ultraschall beaufschlagt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines als Speicherwassererwärmer ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
2 eine zweite Ausführungsform eines als Speicherwassererwärmer ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
3 eine Ausführungsform eines als Doppelmantelwärmespeicher ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmetauschers; und
4 eine Ausführungsform eines als Platten- oder Rohrwärmetauscher ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Ein in 1 gezeigtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist als Speicherwassererwärmer 1 ausgeführt. Dieser Speicherwassererwärmer 1 ist in üblicher Weise ausgestaltet und hat einen Behälter 2, in dem ein Medium gespeichert ist, das eine vorgegebene Temperatur aufweisen soll.
In dem Behälter 2 des Speicherwassererwärmers 1 ist eine Heizfläche 3 in Form einer Heizwendel od. dgl. angeordnet, die von einem weiteren Medium durchströmt wird. Mittels der Heizfläche 3 wird thermische Energie von dem diese durchströmenden Medium auf das im Behälter 2 des Speicherwassererwärmers 1 vorhandene Medium übertragen.
Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Speicherwassererwärmers 1 ist am Behälter 2 desselben ein Ultraschallgeber 4 angeordnet, der mittels eines Ultraschallgenerators 5 mit Ultraschallenergie versorgt wird. Der Ultraschallgeber 4 ist in demjenigen Bereich des Behälters 2 angeordnet, der etwa einem mittleren Bereich der Heizfläche 3 entspricht.
Mittels des Ultraschallgebers 4 wird das im Behälter 2 des Speicherwassererwärmers 1 befindliche Medium mit einer geringen Leistung in Schwingungen versetzt, wodurch der Wärmeübergang zwischen der Heizfläche 3 und diesem Medium erheblich verbessert wird. Darüber hinaus wird auch der Wärmeübergang im im Behälter 2 befindlichen Medium selbst von Schicht zu Schicht, bzw. von Molekül zu Molekül erheblich verbessert. Temperaturschichtungen innerhalb des im Behälter 2 befindlichen Mediums können gesteuert, verändert oder beseitigt werden.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speicherwassererwärmers 1 verfügt dieser über eine in der Figur untere Heizfläche 6 und eine in der Figur obere Heizfläche 7, wobei selbstverständlich beide Heizflächen 6, 7 innerhalb des Behälters 2 des Speicherwassererwärmers 1 angeordnet sind.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform der Ultraschallvorrichtung hat einen Ultraschallgenerator 5, der an einen ersten Ultraschallgeber 8, der zwischen den beiden Heizflächen 6, 7 angeordnet ist und dort das im Behälter 2 befindliche Medium mit Ultraschall beaufschlagt, angeschlossen ist, und der darüber hinaus an einen zweiten Ultraschallgeber 9 angeschlossen ist, der unterhalb der in 2 unteren Heizfläche 6 angeordnet ist und das dort im Behälter 2 befindliche Medium mit Ultraschall beaufschlagt.
In Abweichung von den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen des Speicherwassererwärmers 1 kann vorgesehen sein, dass statt eines Ultraschallgebers 4 bzw. 8 bzw. 9 mehrere, beispielsweise über den Umfang des Behälters 2 gleich beabstandete Ultraschallgeber 5, 8 bzw. 9 vorgesehen sind.
Ein in 3 gezeigtes, als Doppelmantelwärmespeicher 10 ausgebildetes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers hat einen Speicherbehälter 11, in dem ein mit thermischer Energie zu versorgendes Medium gespeichert ist.
Der Außenmantel 12 des Speicherbehälters 11 wird von einem weiteren Medium umspült, welches seinerseits in einer Brennereinrichtung 13 erhitzt wird.
Am Speicherbehälter 11, im dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich dessen linker Stirnwandung, ist ein Ultraschallgeber 4 angeordnet, der von einem Ultraschallgenerator 5 mit Ultraschallenergie versorgt wird. Mittels des Ultraschallgebers 4 wird das innerhalb des Speicherbehälters 11 befindliche Medium mit Ultraschall beaufschlagt, so dass die Wärmeübertragung durch den Außenmantel 12 des Speicherbehälters 11 hindurch – wie vorstehend bereits beschrieben – verbessert wird. Des Weiteren wird auch die Wärmeleitung innerhalb des im Speicherbehälter 11 befindlichen Mediums verbessert.
Hierdurch ist es möglich, dass die Brennereinrichtung 13 kontinuierlich betrieben wird, wenn das im Speicherbehälter 11 befindliche Medium auf ein bestimmtes Temperaturniveau gebracht werden soll. Ein häufiges Ein- und Ausschalten der Brennereinrichtung 13 kann vermieden werden.
Ein in 4 prinzipiell dargestellter Platten- oder Rohrwärmetauscher 14 wird von einem mit einer vergleichsweise langsamen Strömungsgeschwindigkeit fließenden Medium und von einem mit einer im Vergleich höheren Strömungsgeschwindigkeit fließenden Medium durchströmt. Im Bereich seines Einlaufstutzens oder seiner Vorkammer 15, durch den hindurch das mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit fließende Medium in den Wärmetauscher 14 eingeleitet wird, ist der Wärmetauscher 14 mit einem Ultraschallgeber 4, der von einem Ultraschallgenerator 5 mit Ultraschallenergie versorgt wird, ausgerüstet. Mittels des Ultraschallgebers 4 wird das die geringere Strö mungsgeschwindigkeit aufweisende Medium mit Ultraschallenergie beaufschlagt. Hierdurch wird das mit der vergleichsweise geringen Strömungsgeschwindigkeit fließende Medium in Schwingungen versetzt, so dass sich auch in dem von diesem Medium durchströmten Teil des Wärmetauschers 14 quasi turbulente Strömungsverhältnisse ergeben. Falls das mit der höheren Strömungsgeschwindigkeit fließende Medium nicht von vornherein unter turbulenten Strömungsverhältnissen durch den Wärmetauscher 14 strömt, ist es möglich, auch dieses Medium mittels eines weiteren, in 4 nicht gezeigten Ultraschallgebers mit Ultraschall zu beaufschlagen.
Durch die Ultraschallbeaufschlagung des mit der kleineren Strömungsgeschwindigkeit fließenden Mediums lässt sich der Wirkungsgrad des Wärmetauschers 14 erheblich steigern, beispielsweise um ca. 100%.

Claims

Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie von einem ersten Medium auf ein zweites oder weitere Medien, gekennzeichnet durch eine Ultraschallvorrichtung (4, 5), mittels der zumindest eines der Medien mit Ultraschall beaufschlagbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen Ultraschallvorrichtung (4, 5) zumindest einen Ultraschallgeber (4) und einen Ultraschallgenerator (5) aufweist, an den der zumindest eine Ultraschallgeber (4) angeschlossen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, bei dem der Ultraschallgeber (4) und der Ultraschallgenerator (5) als Geräteeinheit in einem Gehäuse realisiert sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Ultraschallvorrichtung zwei oder mehr Ultraschallgeber (4,7, 8) aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der als Speicherwassererwärmer (1) ausgebildet ist und eine Heizfläche (3) aufweist, die vom ersten Medium erhitzt und über die thermische Energie auf das in einem die Heizfläche (3) umgebenden Behälter (2) befindliche zweite Medium übertragen wird, wobei ein Ultraschallgeber (4) der Ultraschallvorrichtung (4, 5) am Behälter (2) angeordnet ist und das zweite Medium mit Ultraschall beaufschlagt.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dessen Ultraschallgeber (4) etwa mittig der Heizfläche (3) am diese umgebenden Behälter (2) angeordnet ist bzw. sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der zwei oder mehr über- bzw. nebeneinander angeordnete Heizflächen (6, 7) aufweist, wobei zumindest ein Ultraschallgeber (8) zwischen den beiden bzw. den Heizflächen (6, 7) am Behälter (2) und zumindest ein Ultraschallgeber (9) unterhalb bzw. neben der unteren bzw. einen Heizfläche (6) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der als Doppelmantelwärmespeicher (10) ausgebildet ist, bei dem das erste Medium den Außenmantel (12) eines das zweite Medium enthaltenden Speicherbehälters (11) umströmt und mittels einer Brennereinrichtung (13) mit thermischer Energie beaufschlagbar ist, wobei zumindest ein Ultraschallgeber der Ultraschallvorrichtung (4, 5) am Speicherbehälter (11) angeordnet ist und das darin befindliche zweite Medium mit Ultraschall beaufschlagt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der als Platten- oder Rohrwärmetauscher (14) ausgebildet ist, bei dem zumindest das mit der kleineren Strömungsgeschwindigkeit fließende Medium mittels zumindest eines Ultraschallgebers (4) der Ultraschallvorrichtung (4, 5) mit Ultraschall beaufschlagbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, bei dem der zumindest eine Ultraschallgeber (4) im Bereich eines in den Platten- bzw. Rohrwärmetauscher (14) führenden Einlaufstutzens oder einer Vorkammer (15) des mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit strömenden Mediums angeordnet ist.
Verfahren zur Übertragung thermischer Energie von einem ersten Medium auf ein zweites oder weitere Medien, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Medien mit Ultraschall beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das zumindest eine der Medien an einer, vorzugsweise an mehreren Stellen, mit Ultraschall beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem ein in einem Behälter (2) eines Speicherwassererwärmers (1) befindliches, mittels einer Heizfläche (3) zu erwärmendes Medium etwa mittig der Heizfläche (3) mit Ultraschall beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem ein in einem Behälter (2) eines Speicherwassererwärmers (1) befindliches, mittels zweier Heizflächen (6, 7) zu erwärmendes Medium zwischen den beiden Heizflächen (6, 7) und unter bzw. neben einer (6) der beiden Heizflächen (6, 7) mit Ultraschall beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem zumindest das in einem Platten- oder Rohrwärmetauscher (14) mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit fließende Medium im Bereich eines Einlaufstutzens (15) des Platten- oder Rohrwärmetauschers (14) mit Ultraschall beaufschlagt wird.