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Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeübertragungseinrichtungen. Solche Wärmeübertragungseinrichtungen verwenden Wärmeübertrager und werden sowohl zur Medienkiihlung als auch -erwärmung benutzt.
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Es ist dabei bekannt, Wärmeübertrager, auch Plattenwärmeübertrager 1 insbesondere in Fernwärmestationen mit ihrer Längsachse L parallel zur Schwerkraftrichtung G anzuordnen, was in der 1 dargestellt ist, oder im rechten Winkel. Bei der Anordnung der Längsachse L der Plattenwärmeübertrager 1 im rechten Winkel zur Schwerkraftrichtung G können die Platten 2 selbst parallel (vertikal) oder im rechten Winkel zur Schwerkraftrichtung G (horizontal) angeordnet sein, was in den 2 und 3 dargestellt ist. Bei der parallelen Anordnung der Längsachse L der Wärmeübertrager 1 zur Schwerkraftrichtung G ist es üblich, die warmen der Anschlussstutzen HWW (Heizungswasser Eingang heiß), TWW (Trinkwasser Ausgang warm) der Wärmeträgermedien sowohl unten (vgl. 1) als auch oben (nicht gezeigt) anzuordnen und dementsprechend die kalten der Anschlussstutzen HWK (Heizungswasser Ausgang kalt), TWK (Trinkwasser Eingang kalt) oben (vgl. 1) bzw. unten (nicht gezeigt). Bei der Anordnung der Längsachse L der Plattenwärmeübertrager 1 im rechten Winkel zur Schwerkraftrichtung G und der Platten 2 parallel zur Schwerkraftrichtung G ist es üblich, das kältere 3 der Wärmeträgermedien in der oberen Hälfte von der Längsachse L des Wärmeübertragers 1 strömen zu lassen (vgl. 2).
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Weiterhin ist es aus der
DE 20 2008 003 349 U1 bekannt, die Längsachse
L des übertragers 1 von Brauchwasserbereitern
10 zwar aufrecht, aber nicht parallel zur Schwerkraftrichtung
G anzuordnen, sondern in Richtung ihrer Breite um einen Winkel zwischen 10° und 45° schräg stehend, wobei ein Wärmeübertrageranschluss
11 zum Warmwasserhahn von den unteren beiden Wärmeübertrageranschlüssen
11,
12 der höher gelegene bezüglich der Schwerkraftrichtung
G ist, was in
4 dargestellt ist.
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Dabei treten insbesondere bei kleiner oder zum Stillstand kommender Strömung und/oder bei besonders großen Temperatur- und Dichteunterschieden in den Wärmeübertragerkanälen Vermischungseffekte auf, da die Strömungsrichtung der Wärmeträgermedien entgegen der natürlichen dichtebedingten Schichtung gerichtet ist. Diese Vermischungseffekte vermindern zwar die Verkalkung auf der Trinkwasserseite, da der heiße Wärmeträger in seiner Temperatur reduziert wird. Andererseits steigt aber zwangsläufig die Rücklauftemperatur. Niedrige Rücklauftemperaturen sind jedoch Bedingung für eine optimale Nutzung aller Wärmequellen.
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Bei der parallelen (vgl. 1), senkrechten (vgl. 2) oder geneigten (vgl. 4) Anordnung der Längsachse L der Plattenwärmeübertrager zur Schwerkraftrichtung G kommt es bei einer senkrechten Rohrführung nach oben oder nach unten oder seitwärts zu einer Kollision zwischen den Anschlussrohren übereinander liegender Stutzen und den darin eingebundenen Einrichtungen wie Pumpen, Filtern, Armaturen, Sensoren etc. Dies ist begründet darin, dass benachbarte Stutzen TWK, HWK, bzw. TWW, HWW von Wärmeübertragern 1 häufig einen geringen Abstand haben, da diese im Interesse einer Annäherung an einen idealen Gegenstrom eher schmal und auf eine große thermische Länge als auf eine große „thermische Breite“ ausgelegt sind.
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Bei der Anordnung der Längsachse L der Plattenwärmeübertrager 1 und der Platten 2 selbst im rechten Winkel zur Schwerkraftrichtung G (vgl. 3) ist dieses Problem zwar besser lösbar, wie es in 5 dargestellt ist. Der Wärmeübertrager 1 stellt aber den tiefsten Punkt und den größten Querschnitt der Anlage dar und es kommt in den Strömungskanälen leicht zur Ansammlung von festen Bestandteilen aus den Wärmeträgermedien, die bei kleinen Strömungsraten nicht nach oben ausgespült werden können. In der Folge entstehen Ablagerungen, eine Verschlechterung des Wärmeübergangs und höhere Rücklauftemperaturen mit den bekannten negativen Folgen. Desweiteren kommt es bei größeren Temperatur- und Dichteunterschieden zu Schichtungserscheinungen und so zu einer ungleichmäßigen Beaufschlagung der einzelnen horizontalen Kanäle, insbesondere bei Teillast. Folge hiervon sind ebenfalls höhere Rücklauftemperaturen, örtliche Überhitzungen/Unterkiihlungen, thermische Spannungen, Ablagerungen etc. Besonders schwierig ist ein in der weiteren Folge erforderlich werdender Wechsel des Wärmeübertragers 1, der in der Regel eine hohe Masse besitzt und bei der Montage/Demontage vertikal verschoben und gehalten werden muss. Die senkrechte Rohrführung nach oben und der freie Platz für die Montage/Demontage des Wärmeübertragers 1 nach unten lassen eine relativ hohe Konstruktion entstehen (vgl. 5).
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Aus der
DE 100 07 574 A1 sind Wärmeüträger für mindestens drei Wärmeträgermedien bekannt, aus der
DE 10 2008 038 617 A1 ihre Ausführung als Warmwasser- und Heizungsbereiter. In der
DE 43 36 190 A1 gibt es einen Hinweis auf eine innerhalb eines Wärmespeichers angeordnete Wärmebremse. In der
AT 404 183 B ist beschrieben, eine Warmwasser-Zirkulationspumpe am Ende der warmwasserführenden Rohrleitung einzubauen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt in einem ersten Aspekt die Aufgabe zugrunde, das Problem zu lösen, dass bei herkömmlicher Anordnung der Wärmeübertrager in Wärmeübertragungseinrichtungen die Strömungskanäle ungleichmäßig beaufschlagt werden, in den Strömungskanälen Vermischungserscheinungen oder sich negativ auswirkende Schichtungserscheinungen entstehen, die Anlagen nicht besonders kompakt und/oder montage- bzw. wartungsunfreundlich ausgeführt sind.
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Nach diesem Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
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In einem zweiten Aspekt der Erfindung soll eine Wärmeübertragungseinrichtung bereitgestellt werden, die im Betrieb minimale Rücklauftemperaturen sicherstellt und insbesondere in Warmwasserbereitern das Verkalkungsrisiko weiter vermindert.
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Nach diesem Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 8.
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Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung für die Übertragung von Wärme zwischen mindestens zwei Wärmeträgermedienströmen weist in einem ersten Aspekt der Erfindung einen Wärmeübertrager mit mindestens vier Anschlussstutzen für die Zu- und Abführung der Wärmeträgermedien, bevorzugt einen Plattenwärmeübertrager auf, wobei der Wärmeübertrager geneigt angeordnet ist, und zeichnet sich dadurch aus, dass die Stapelrichtung der Platten und die Achsen der Anschlussstutzen des Wärmeübertragers sich horizontal, und die Platten selbst, und die Kanäle des Wärmeübertragers für die jeweiligen Wärmeträgermedien dazwischen sich vertikal erstrecken, und wobei die Längsachse des Wärmeübertragers mittig zwischen den langen Seiten des Wärmeübertragers durch die Mitte des kalten Endes des Wärmeübertragers und die Mitte des warmen Endes des Wärmeübertragers verläuft und in Bezug auf die Schwerkraftrichtung geneigt angeordnet ist, wobei in Bezug auf die Schwerkraftrichtung das warme Ende des Wärmeübertragers oben, und das kalte Ende des Wärmeübertragers unten angeordnet sind, wobei zwischen der Schwerkraftrichtung und der Längsachse in Bezug auf das warme Ende ein Winkelbereich größer 90° und kleiner 180° ausgebildet ist.
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In diesem Zusammenhang sind als Enden diejenigen Seiten des Wärmeübertragers gemeint, durch die die Längsachse mittig verläuft. Das warme Ende ist dabei das Ende, an dem der Anschlussstutzen für den Eingang des wärmeren der beiden Wärmeträgermedien angeordnet ist, und das kalte Ende ist das Ende, an dem der Anschlussstutzen für den Eingang des kälteren der beiden Wärmeträgermedien angeordnet ist.
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Die damit erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die thermodynamisch und mechanisch optimale Anordnung der Wärmeübertrager sowohl eine gleichmäßige Aufteilung der Medienströme auf die verschiedenen Strömungskanäle und eine minimale Vermischung in den Strömungskanälen erfolgt, als auch besonders kompakte Anlagen entstehen, die montagefreundlich, wartungsarm und wartungsfreundlich sind.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind in Bezug auf die geneigte Längsachse des Wärmeübertragers die Anschlussstutzen des kälteren der Wärmeträgermedien im oberen Bereich und die Anschlussstutzen des wärmeren der Wärmeträgermedien im unteren Bereich angeordnet. Dadurch findet auch bei kleinsten Strömungsraten ein besonders effektiver Wärmeübergang statt, da das kältere Medium nach unten absinkt und das wärmere nach oben aufsteigt und damit bei dieser Anordnung eine optimale Schichtung und kleinste Temperaturdifferenzen sichergestellt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Winkel der Neigung der Längsachse des Wärmeübertragers mindestens so groß ist. dass die Unterkante des freien Querschnitts des oberen der beiden Anschlussstutzen des warmen Endes des Wärmeübertragers zumindest so hoch angeordnet ist, wie die Oberkante des freien Querschnitts der beiden Anschlussstutzen des kalten Endes des Wärmeübertragers. Dadurch wird ermöglicht, dass selbst bei kleinen Strömungsraten und intensiver Schichtung in den Strömungskanälen eine minimale Rücklauftemperatur bzw. maximale Vorlauftemperatur mit minimalem Wärmeträgermediendurchsatz erzielbar sind und Anlagen mit geneigt angeordneten Wärmeübertragern besonders flach gestaltet werden können.
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Dadurch, dass sich von den Anschlussstutzen des warmen Endes und den Anschlussstutzen des kalten Endes Anschlussrohre erstrecken, die parallel zueinander und vertikal nach oben oder nach unten verlaufen, wobei der Winkel der Neigung der Längsachse des Wärmeübertragers so groß ist, dass sich die Anschlussrohre in einem für die Montage, Wartung und/oder Wärmedämmung ausreichenden horizontalen Abstand zueinander befinden, ist es überraschend möglich, die Wärmeübertragungseinrichtung besonders schmal zu bauen, wobei keine abknickenden Rohre verwendet werden müssen. Die Richtgröße für den als ausreichend anzusehenden Abstand ist, dass sich die Rohre einerseits nicht berühren und andererseits Standardwerkzeuge benutzt werden können, ohne dass man sich beim Montieren verletzt. Wenn eine Dämmung erfolgen soll, müssen diese Dämmelemente ohne Behinderung anbringbar sein. Letztlich hängt dieser als ausreichend erachtete Abstand also von den genauen Dimensionen der Anschlussstutzen und Rohre ab und der ggf. verwendeten Dämmelemente.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass nach dem oberen und/oder unteren Anschlussstutzen des Wärmeübertragers ein thermischer Siphon vertikal nach oben bzw. unten weggeführt ist. Dadurch wird insbesondere der Warmwasserbereiter vor Verkalkung im Stillstand geschützt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Siphon koaxial und/oder wärmegedämmt ausgeführt und/oder mit Fühlern oder Sensoren ausgerüstet ist. Die koaxiale Ausführung reduziert den Bauaufwand und die äußere Wärmeübertragungsfläche des Siphons. Dies sowie eine Wärmedämmung vermindern die Wärmeverluste bzw. die Wärmeaufnahme an die/aus der Umgebung. Die Anordnung des Fühlers bzw. Sensors im Siphon, insbesondere im Inneren eines koaxial aufgebauten Siphons unmittelbar hinter dem vorgelagerten Anschlussstutzen des Wärmeübertragers verlängert die Auswirkung der gewünschten Temperatur des im Siphon eingeschlossenen ruhenden Wärmeträgermediums auf den Regelkreis. So wird die Zufuhr des einwirkenden Wärmeträgermediums entsprechend verzögert, der Energieverbrauch gemindert, die Verkalkung insbesondere von Warmwasserbereitern verringert. In Abhängigkeit von der Aufgabenstellung, den Wärmeträgermedien, der Fühlerlänge, den Strömungsraten etc. ist jeweils eine optimale Siphongröße zu finden, d.h. dessen Durchmesser und Länge/Höhe zu bestimmen. Ein größerer Siphoninhalt verschlechtert die Regelgenauigkeit im Betrieb, verlängert aber ggf. die Stillstandsphasen ohne zusätzliche Wärmezufuhr.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Wärmeübertragungseinrichtung ist vorgesehen, dass das kältere Wärmeträgermedium Frischwasser ist. Dies wird vor allem für die Warmwasserbereitung bevorzugt.
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Unabhängiger Schutz wird beansprucht für die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung für die Übertragung von Wärme zwischen mindestens zwei Wärmeträgermedienströmen, die in einem zweiten Aspekt der Erfindung einen Wärmeübertrager mit mindestens vier Anschlussstutzen für die Zu- und Abführung der Wärmeträgermedien, insbesondere Plattenwärmeübertrager aufweist, und sich dadurch auszeichnet, dass eine Zirkulationspumpe im Warmwasservorlauf in Strömungsrichtung hinter dem Wärmeübertrager nach dem Warmwasseraustritt angeordnet ist, so dass bei jeder Warmwasserzapfung der Zirkulationsvolumenstrom um die gerade gezapfte Warmwassermenge reduziert wird.
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Dadurch wird erreicht, dass im Betrieb die Rücklauftemperatur weiter minimiert und insbesondere in Warmwasserbereitern das Verkalkungsrisiko vermindert wird. Zusätzlich kann diese Ausführung auch mit den Merkmalen der Wärmeübertragungseinrichtungen nach dem ersten Aspekt der Erfindung beliebig kombiniert werden.
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Neben den Darstellungen des bekannten Standes der Technik in den 1 bis 5 sind in den 6a, 6b, 6c, 6d und 7 Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben, um die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung eingehender zu erläutern. Es zeigen:
- 1 - einen Plattenwärmeübertrager insbesondere in Fernwärmestationen mit der Längsachse parallel zur Schwerkraftrichtung;
- 2 - einen Plattenwärmeübertrager mit der Längsachse im rechten Winkel und den Platten selbst parallel zur Schwerkraftrichtung;
- 3 - einen Plattenwärmeübertrager mit der Längsachse und den Platten im rechten Winkel zur Schwerkrafttrichtung;
- 4 - einen Brauchwasserbereiter mit einem schräg stehenden Übertrager, wobei der Übertrageranschluss zum Warmwasserhahn von den unteren beiden Übertrageranschlüssen der höher gelegene bezüglich der Schwerkraftrichtung ist;
- 5 - einen Warmwasserbereiter mit der Anordnung der Längsachse des Piattenwärmeübertragers und der Platten im rechten Winkel zur Schwerkraftrichtung und den Anschlussrohren vertikal nach oben;
- 6a - einen erfindungsgemäßen, zweistufigen Warmwasserbereiter;
- 6b - einen erfindungsgemäßen, einstufigen Warmwasserbereiter;
- 6c - einen erfindungsgemäßen, einstufigen Heizwärmebereiter;
- 6d - einen erfindungsgemäßen, zweistufigen Heizwärmebereiter, und
- 7 - eine weitere erfindungsgemäße Anordnung eines Wärmeübertragers.
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In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht in jeder Figur sind alle dargestellten Elemente bezeichnet.
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In 6a ist die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung 20 für einen zweistufigen Warmwasserbereiter mit dem Wärmeübertrager 21 rein schematisch dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Längsachse L des als Plattenwärmeübertrager ausgeführten Wärmeübertragers 21 in Bezug auf das warme Ende des Wärmeübertragers 22 um 115° zur Schwerkraftrichtung G geneigt angeordnet ist. Verwendet wird ein Wärmeübertrager 21 für mindestens drei Wärmeträgermedien.
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In den von der geneigten Längsachse L oberen Bereich des Wärmeübertragers 23 tritt Trinkwasser kalt 24 mit 10 °C ein und strömt an einem im Anschlussstutzen des Trinkwassers warm 28 angeordneten Fühler eines Thermostatventils (nicht gezeigt) - wie im Folgenden ersichtlich wird - erwärmt vorbei. Um die eingestellte Temperatur des Warmwassers 30 von 60 °C einzuhalten, öffnet das Thermostatventil und lässt einen bestimmten Strom Fernwärmeprimärvorlaufwassers 27 über den schräg unter dem Anschlussstutzen des Trinkwassers warm 28 gelegenen Anschlussstutzen des Fernwärmevorlaufs 29 mit 110 °C eintreten. Aufgrund der hohen Temperatur und der daraus folgenden geringeren Dichte gegenüber dem abgekühlten Fernwärmerücklauf 26 in den selben Kanälen steigt das heiße Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27 in den Strömungskanälen entlang dem warmen Ende des Wärmeübertragers 22 auf. Dort strömt es nahezu parallel mit dem in den anderen Kanälen sich auf die Solltemperatur von 60 °C erwärmenden und damit ebenfalls aufstrebenden Trinkwassers kalt 24. Dabei kühlt sich das Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27 im Gleichstrom auf min. 61-62 °C ab. Oben umspült es den Anschlussstutzen des Trinkwassers warm 28 des Warmwassers 30 und wird umgelenkt, um an der oberen lange Seite des Wärmeübertragers 21 im Gegenstrom mit dem sich von 55 °C auf 60 °C erwärmenden Zirkulationsriicklaufwasser 31 auf min. 56-57 °C abgekühlt zu werden. Auf dem weiteren Weg vom gemeinsamen Anschlussstutzen des Trinkwassers kalt 32 und des Zirkulationsriicklaufwassers 31 bis zum Anschlussstutzen des Fernwärmerücklaufs 25 strömen das Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27 und das Trinkwasser kalt 24 ebenfalls im Gleichstrom entlang der unteren kurzen Seite am kalten Ende des Wärmeübertragers 33. Der Fernwärmerücklauf 26 tritt mit min. 15-20 °C aus den Kanälen des Wärmeübertragers 21 in den Austrittsstutzen des Fernwärmerücklaufs 25. Das bis auf max. 25 °C vorgewärmte Trinkwasser kalt 24 wird an diesem umgelenkt. Es strömt weiter entlang der unteren langen Seite des Wärmeübertragers 21 im Gegenstrom zu dem mit 45 °C ebenfalls getrennt in den Anschlussstutzen des Fernwärmevorlaufs 29 eingeleiteten Heizungsrücklaufwasser 34 und erwärmt sich so langsam weiter bis auf max. 43-44 °C. Das Heizungsrücklaufwasser 34 wird so in einer zweiten Stufe je nach Mengenstromverhältnis weiter bis auf min. 26-27 °C ausgekühlt und tritt gemeinsam mit dem von oben kommenden 15-20 °C kalten Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27 aus. Im Anschlussstutzen des Fernwärmerücklaufs 25 erfolgt eine Vermischung beider Rücklaufströme, des Fernwärmeprimärvorlaufwassers 27 und des Heizungsrücklaufwassers 34 zu Fernwärmerücklauf 26 mit ca. 21-24 °C.
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Kommt bei fehlender Zapfung von Warmwasser 30 und abgestelltem Zirkulationsrücklaufwasser 31 die Strömung im Wärmeübertrager 21 zum Erliegen, so ist möglichst lange zu gewährleisten, dass kein heißes Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27 in den Wärmeübertrager 21 eingeleitet wird und dort möglicherweise zu einer Verkalkung auf der Warmwasserseite des warmen Endes des Wärmeübertragers 22 führt. Der Fühler der Warmwassertemperatur des Thermostatventils ist zu diesem Zweck in einem vertikalen Abschnitt eines thermischen Siphons (nicht gezeigt) unmittelbar hinter dem Austrittsstutzen des Trinkwassers warm 28 angeordnet. Der thermische Siphon ist als koaxiales Doppelrohr ausgebildet und besonders wirkungsvoll gegen Wärmeverluste gedämmt. Das aufstrebende Warmwasser 30 wird von dem heißen Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27 erwärmt und steigt über freie Konvektion in den isolierten Siphon auf. Der in dem koaxialen Doppelrohr befindliche Thermostatfühler schließt das Regelventil sicher, bis sich das Warmwasser 30 erneut unter 60 °C abgekühlt hat. Wegen der guten Wärmedämmung des Siphons dauert dies etwa 20-30 Minuten, so dass nur max. 2-3-mal in der Stunde eine kleine Menge Fernwärmeprimärvorlaufwassers 27 nachgespeist wird, um den Siphoninhalt zu temperieren. Dieses Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27 hat sich in der Zwischenzeit selbst abgekühlt und die Gefahr der Kalkbildung ist deshalb vermindert. Das stehende Wasser im Wärmeübertrager 21 kühlt sich ebenfalls unter die Kalkbildungstemperatur ab. Dies wird gezielt befördert durch die Ausführung der Rohrleitungen/Armaturen (nicht gezeigt) und/oder des Wärmeübertragers 21 ohne Wärmedämmung, sowie ggf. zusätzlich durch das weiter durch den Wärmeübertrager 21 strömende Heizungsrücklaufwasser 34. Der Siphon hat vergleichsweise große Strömungsquerschnitte und in ihm herrschen bei Zapfung und Zirkulation hohe Strömungsgeschwindigkeiten, so dass es hier nicht zu einer Kalkverstopfung kommen kann. Bei einer Zapfung von Trinkwasser kalt 24 oder einer Wiederaufnahme der Zirkulation von Zirkulationsrücklaufwasser 31 steht sofort Warmwasser 30 aus dem Siphon zur Verfügung. Der Fernwärmerücklauf 26 hingegen ist - ohne das Strömen von Heizungsrücklaufwasser 34 bis auf Raumtemperatur ausgekühlt.
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Somit herrscht in den Strömungskanälen bei kleinen Warmwasserzapfungen und Strömungsstillstand eine ausgeprägte Dichteschichtung und es besteht eine hohe Regelgüte. Erst bei stärkerer Zapfung von Warmwasser 30 werden die Kanäle gleichmäßiger durchströmt und die Gleichstromzonen entlang der kurzen Seiten, dem warmen Ende 22 und dem kalten Ende 33 des Wärmeübertragers 21 wandeln sich vermehrt zu Kreuz- und/oder Gegenstromzonen zwischen dem sich erwärmenden Trinkwasser kalt 24 und dem sich besonders intensiv abkühlenden Fernwärmeprimärvorlaufwasser 27. So kommt es durch die geneigte Anordnung des Wärmeübertragers 21 in jedem Betriebszustand des Warmwasserbereiters 20 zu minimalen Rücklauftemperaturen im Fernwärmerücklauf 26. Niedrige Rücklauftemperaturen führen bekanntermaßen zu einer besonders hohen Effektivität des Fernwärmeerzeugers, zu niedrigen Wärmeverlusten, zu einer kleinen Fernwärmeumwälzmenge und einem geringen Pumpenergieverbrauch.
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Die Anordnung der Zirkulationspumpe im Vorlauf des Warmwassers 30 in Strömungsrichtung hinter dem Wärmeübertrager 21 (nicht gezeigt) bedingt gegenüber einer Anordnung im Zirkulationsrücklaufwasser 31 vor dem Wärmeübertrager 21, dass bei jeder Zapfung von Warmwasser 30 der Volumenstrom des Zirkulationsrücklaufwassers 31 um die gerade gezapfte Warmwassermenge, das Trinkwasser kalt 24 reduziert wird. Auch dies führt zu einer niedrigeren Temperatur des Fernwärmerücklaufs 26. Der durch die saugend angeordnete Umwälzpumpe im Wärmeübertrager 21 abgesenkte Wasserdruck wirkt zudem einer Verschiebung des Lösungsgleichgewichts durch die Erwärmung des Trinkwassers kalt 24 entgegen und führt so zu einer geringeren Ausfällung und Ablagerung von Kalk. Die Anordnung der Zirkulationspumpe unter dem Siphon führt dazu, dass auch die Restwärme der Zirkulationspumpe nach deren Außerbetriebnahme in den isolierten Teil des Siphons aufsteigt.
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Die um 115° geneigte Anordnung des Wärmeübertragers 21 führt zu einer in der Horizontalen versetzten Anordnung der Anschlussstutzen - des Trinkwassers kalt 32, des Fernwärmerücklaufs 25, bzw. des Trinkwassers warm 28 und des Fernwärmevorlaufs 29. Dadurch kommt es zu einem ebensolchen Versatz der vertikal nach oben oder alternativ nach unten weggeführten Anschlussleitungen (nur angedeutet). Da diese zusätzlich in zwei Ebenen hinter dem Wärmeübertrager 21 geführt sind, ist der Warmwasserbereiter 20 auch bei größten thermischen Leistungen von ca. 300 kW mit 400 mm × 670 mm × 1.200 mm (T × B × H) besonders einfach und kompakt aufgebaut. So ist es möglich, in denselben Abmessungen eine standardisierte Baureihe von Warmwasserbereitern 20 unterschiedlichster Leistungen zu realisieren. Die Baugrößen unterscheiden sich lediglich in der Anzahl der Platten der Wärmeübertrager 21 und dem Durchmesser der Anschlussrohrleitungen, Armaturen und technologischen Einrichtungen. Deren Anordnung ist jedoch durch den Typ des ausgewählten Wärmeübertragers 21 und dessen Neigungswinkel vorgegeben und stets gleich.
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Wird es doch einmal erforderlich, die Wärmeübertrager 21 auszutauschen, so kann dies besonders leicht von vorn erfolgen. Dazu sind die Überwürfe oder Flansche an den Anschlussstutzen des Fernwärmerücklaufs 25, des Trinkwassers warm 28, des Fernwärmevorlaufs 29 und des Trinkwassers kalt 32 des Wärmeübertragers 21 von den Seiten des warmen Endes des Wärmeübertragers 22 und des kalten Endes des Wärmeübertragers 33 her zugänglich.
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Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass die geneigte Anordnung eines Wärmeübertragers 21 ebenso vorteilhaft genutzt werden kann für alle ähnlichen Anwendungsfälle, wie z.B. für einstufige Warmwasserbereiter 40 (vgl. 6b) sowie ein- oder mehrstufige Heizwärmebereiter 50, 60 entsprechend (vgl. 6c und 6d ) usw., wobei beim einstufigen Heizwärmebereiter 50 der Anschlussstutzen des Trinkwassers kalt 32 am kalten Ende des Wärmeübertragers 33 das Heizungsrücklaufwasser 51, und der Anschlussstutzen des Trinkwassers warm 28 des warmen Endes des Wärmeübertragers 22 das Heizungsvorlaufwasser 52 führen.
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Mehrstufige Heizwärmebereiter 60 (vgl. 6d) und mehrstufige Brauchwasserbereiter 20 (vgl. 6a) sind in idealer Weise koppelbar in einer Fernwärmehausanschlussstation. Diesbezüglich ist auch der Fernwärmerücklauf Zirkulation 35 in 6a vermerkt. Durch diesen wird Primärmedium mit einer Temperatur von ca. 57 °C, die sich ergibt, wenn keine Warmwasserzapfung erfolgt, geführt und in den Anschluss des Fernwärmerücklaufs Zirkulation 35 des mehrstufigen Heizwärmebereiters 60 in 6d eingespeist.
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Der minimale Neigungswinkel eines Wärmeübertragers 21 in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung 70 ergibt sich, wenn die Unterkante des Anschlussstutzens des Fernwärmevorlaufs 71 und die Unterkante des Anschlussstutzens Trinkwasser warm 72 der beiden seitlich angeordneten Anschlussstutzen des Fernwärmevorlaufs 29 und des Trinkwassers warm 28 des warmen Endes des Wärmeübertragers 22 im freien Querschnitt zumindest so hoch angeordnet ist, wie die Oberkante des Anschlussstutzens Trinkwasser kalt 73 und die Oberkante des Anschlussstutzens des Fernwärmerücklaufs 74 der unteren seitlich angeordneten Anschlussstutzen des Fernwärmerücklaufs 25 und des Trinkwassers kalt 32 des jeweils selben Wärmeträgermedienstromes im freien Querschnitt, wie dies in 7 angedeutet ist. Dabei ist in diesem Beispiel die Längsachse L gegenüber der Schwerkraftrichtung G in Bezug auf das warme Ende des Wärmeübertragers 22 um 94° geneigt angeordnet. Dann tritt aus dem Anschlussstutzen des Fernwärmerücklaufs 25 stets nur ausgekühlter Fernwärmerücklauf 26 aus.
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Der maximale Neigungswinkel des Wärmeübertragers 21 ergibt sich, wenn sich die vertikal nach oben oder alternativ nach unten geführten parallelen Anschlussrohre noch in einem für die Montage bzw. Wartung und Wärmedämmung ausreichenden horizontalen Abstand zueinander befinden (nicht gezeigt). Ein kleinerer Neigungswinkel führt so zu einer breiteren aber flacheren Ausführung des Warmwassermoduls, ein größerer Neigungswinkel - zu einer schmaleren aber höheren Ausführung.
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So sind auch Kühler, also Wärmeübertragungseinrichtungen mit dem Bestimmungszweck der Kühlung vorteilhaft in geneigter Form anzuordnen (nicht gezeigt). Hier wird ebenso das zu kühlende Wärmeträgermedium im unteren Bereich von der Längsachse eines geneigten Plattenwärmeübertragers nach unten geführt. Im Resultat wird besonders wenig Kühlwasser benötigt, da dieses stets mit der höchst möglichen Temperatur austritt. Die Anschlussbelegungen sind hinsichtlich der Temperatur der Medien also gleich, die Strömungsrichtungen auch. Während aber bei einer Erwärmungseinrichtung das kältere Wärmeträgermedium betrachtet wird, das erwärmt werden soll, wird bei einer Kühlungseinrichtung das wärmere Wärmeträgermedium betrachtet, das abgekühlt werden soll, wobei natürlich beide Prozesse stets gleichzeitig ablaufen.
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Auch können natürlich alle anderen Formen und Arten von Wärmeübertragern erfindungsgemäß vorteilhaft geneigt angeordnet werden, so z.B. Rohrbündel-, Spiralwärmeübertrager, kombinierte Apparate mit Wärmeübertragern, wie z.B. Heizkessel oder Wärmespeicher selbst oder nur deren Wärmeübertrager im Inneren, usw.
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Ebenfalls können die Wärmeträgermedien andere Aggregatzustände als den flüssigen annehmen oder diesen im Wärmeübertrager auch ändern.
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Vorliegend wurden Wärmeübertrager 21 beschrieben, bei denen die beiden Wärmeträgermedienströme 3, 4 dadurch parallel zueinander geführt sind, dass in Bezug auf die geneigte Längsachse L die Anschlussstutzen des Fernwärmerücklaufs 25, des Trinkwassers warm 28, des Fernwärmevorlaufs 29 und des Trinkwassers kalt 32 jeden Stromes 3, 4 sich entweder oberhalb oder unterhalb befinden. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die Ströme 3, 4 über Kreuz zueinander geführt sind, wobei dann die Anschlussstutzen eines jeden Stromes 3, 4 in Bezug auf die Längsachse L sich gegenüberliegend zueinander befinden. Dadurch werden die thermische Länge vergrößert und die Gleichstromzonen von vornherein durch effektivere Kreuzstromzonen ersetzt.
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Auch ist es denkbar, unter Kenntnis der erfindungsgemäßen Lehre regelmäßig oder unregelmäßig trapezförmige Wärmeübertrager zu entwickeln und vorteilhaft anzuordnen, deren warmes bzw. kaltes Ende vertikal bzw. gleichmäßig oder ungleichmäßig zur Längsachse geneigt und deren obere und/oder untere Seiten parallel oder unter einem Winkel zueinander und gleichmäßig oder ungleichmäßig zur Schwerkraftrichtung geneigt angeordnet sind, so dass ggf. nur die oder einzelne Stutzen einen Höhenversatz aufweisen (nicht gezeigt). So könnten der vorhandene Bauraum besser ausgenutzt und eine gleichmäßigere Durchströmung der Kanäle und unterschiedliche thermische Längen für ggf. mehrstufige Wärmeübertrager erzielt werden.
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Natürlich ist es auch möglich, runde oder ähnliche Wärmeübertrager, insbesondere runde oder ovale Plattenwärmeübertrager erfindungsgemäß so anzuordnen, dass ihre Anschlussstutzen einen vorteilhaften Höhenversatz aufweisen (nicht gezeigt).
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Zirkulationspumpen und/oder Siphons, insbesondere für die Aufnahme von Sensoren, können natürlich nicht nur im Warmwasserstrang eines Warmwasserbereiters, sondern vielmehr auch in allen anderen ähnlichen Ausführungsformen, Anordnungen und Anwendungen erfindungsgemäß vorteilhaft in Strömungsrichtung hinter einem Wärmeübertrager angeordnet werden.
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Für all diese Anwendungen wird gleichberechtigter Schutz beantragt, stets mit dem Ziel der gleichmäßigen Aufteilung der Medienströme auf die und einer minimalen Vermischung in den verschiedenen Strömungskanälen, als auch der Schaffung besonders kompakter Anlagen, die montagefreundlich, wartungsarm und wartungsfreundlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Plattenwärmeübertrager
- 2 -
- Platten des Plattenwärmeübertragers
- G -
- Schwerkraftrichtung
- L -
- Längsachse des Wärmeübertragers
- TWK -
- Anschlussstutzen Trinkwasser Eintritt kalt
- TWW -
- Anschlussstutzen Trinkwasser Austritt warm
- HWW -
- Anschlussstutzen Heizungswasser Eintritt warm
- HWK -
- Anschlussstutzen Heizungswasser Austritt kalt
- 3 -
- erster Wärmeträgermedienstrom
- 4 -
- zweiter Wärmeträgermedienstrom
- 10 -
- Brauchwasserbereiter
- 11 -
- Anschlussstutzen Trinkwasser warm
- 12 -
- Anschlussstutzen Heizungswasser warm
- 20 -
- Wärmeübertragungseinrichtung
- 21 -
- Wärmeübertrager
- 22 -
- warmes Ende des Wärmeübertragers
- 23 -
- oberer Bereich des Wärmeübertragers
- 24 -
- Trinkwasser kalt
- 25 -
- Anschlussstutzen des Fernwärmerücklaufs
- 26 -
- Fernwärmerücklauf
- 27 -
- Fernwärmeprimärvorlaufwasser
- 28 -
- Anschlussstutzen des Trinkwassers warm
- 29 -
- Anschlussstutzen des Fernwärmevorlaufs
- 30 -
- Warmwasser
- 31 -
- Zirkulationsrücklaufwasser
- 32 -
- Anschlussstutzen des Trinkwassers kalt
- 33 -
- kaltes Ende des Wärmeübertragers
- 34 -
- Heizungsrücklaufwasser
- 35 -
- Fernwärmerücklauf Zirkulation
- 40 -
- einstufiger Warmwasserbereiter
- 50 -
- einstufiger Heizwärmebereiter
- 51 -
- Heizungsrücklaufwasser
- 52 -
- Heizungsvorlaufwasser
- 60 -
- mehrstufiger Heizwärmebereiter
- 70 -
- Wärmeübertragungseinrichtung
- 71 -
- Unterkante Anschlussstutzen Fernwärmevorlauf
- 72 -
- Unterkante Anschlussstutzen Trinkwasser warm
- 73 -
- Oberkante Anschlussstutzen Trinkwasser kalt
- 74 -
- Oberkante Anschlussstutzen Fernwärmerücklauf
