DE102011014641A1 - In einen Wärmespeicher integrierte Wärmetauscher-Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Bei einer in einen Wärmespeicher integrierten Wärmetauscher-Vorrichtung (100) mit einer Mehrzahl von mit einem Wärmetransportmedium (120) gefüllten Rohren (140), deren Außenflächen an ein in einem Gehäuse (110) des Wärmespeichers gelagertes Wärmespeichermedium (120) angrenzen, ist ein intensiver Wärmeaustausch zwischen Rohrflüssigkeit und Wärmespeichermedium (120) dadurch sichergestellt, dass das Gehäuse (110) eine erste (111) und eine zweite Stirnfläche (112) aufweist, die über eine Gehäusewand (113) miteinander verbunden sind, und die Rohre (140) innerhalb des Gehäuses 110) von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) helikal verlaufend angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine in einen Wärmespeicher integrierte Wärmetauscher-Vorrichtung mit einer Mehrzahl von mit einem Wärmetransportmedium gefüllten Rohrleitungen, deren Außenflächen an ein in einem Gehäuse des Wärmespeichers gelagertes Wärmespeichermedium angrenzen.
  • Wärmetauscher-Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden im Stand der Technik in sehr unterschiedlichen Ausführungen für eine weite Palette technischer Anwendungen verwendet. Die bekannten Wärmetauscher-Vorrichtungen weisen indes den Nachteil auf, dass ein Wärmeaustausch insbesondere mit einem Wärmespeicher einen niedrigen Wirkungsgrad zeitigt, was die Notwendigkeit des Baus großer und schwerer und damit kostenaufwendiger Konstruktionen mit sich führt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Wärmetauscher-Vorrichtung zu schaffen, bei der ein Wärmeaustausch mit einem Wärmespeicher besonders effizient gestaltet ist.
  • Für eine Wärmetauscher-Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse eine erste und eine zweite Stirnfläche aufweist, die über eine Gehäusewand miteinander verbunden sind, und die Rohrleitungen innerhalb des Gehäuses von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche helikal verlaufend angeordnet sind.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Merkmalskombination, dass das Gehäuse eine erste und eine zweite Stirnfläche aufweist, die über eine Gehäusewand miteinander verbunden sind, und die Rohrleitungen innerhalb des Gehäuses von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche helikal verlaufend angeordnet sind, erreicht, dass aufgrund der Möglichkeit eines Gegenstrombetriebes von Wärmespeicherflüssigkeit und Rohrflüssigkeit ein Temperaturgefälle innerhalb des Gehäuses des Wärmespeichers weitestgehend vermieden ist, so dass über die gesamte Außenfläche der in dem Wärmespeicher-Gehäuse geführten Rohre ein konstanter intensiver Wärmeaustausch mit der Wärmetauscher-Flüssigkeit stattfindet. Im Wege der Bewegung der Wärmetauscher-Flüssigkeit ist auch ein effektiver Abtransport der aufgenommenen Wärme sichergestellt.
  • Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass innerhalb des Gehäuses eine sich von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche helikal wendelförmig erstreckende Trennwand angeordnet ist derart, dass jeweils zwei benachbarte Windungen der Helix einer Rohrleitung von der Trennwand voneinander getrennt sind.
  • Das Speichermedium des Wärmespeichers ist vorzugsweise eine Speicherflüssigkeit wie beispielsweise Wasser, wobei für verschiedene Einsatzgebiete auch ein Wärmetauschergas vorteilhaft sein kann.
  • Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass eine erste Pumpeneinrichtung vorgesehen ist, die die Speicherflüssigkeit in einem ersten Kreislauf außerhalb des Gehäuses von einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche pumpt, wobei die Speicherflüssigkeit innerhalb des Gehäuses der Trennwand folgend von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche fließt.
  • Des Weiteren ist vorzugsweise eine zweite Pumpeneinrichtung vorgesehen, um die in den Rohrleitungen enthaltene Flüssigkeit in einem zweiten Kreislauf zur Abgabe von Wärme in die Speicherflüssigkeit in eine der Fließrichtung der Speicherflüssigkeit entgegengesetzte Fließrichtung zu pumpen.
  • In dem ersten Kreislauf ist in der Regel die von dem Speichermedium gebildete Flüssigkeit geführt, in die von einer externen Wärmequelle produzierte Wärme einbringbar ist. In dem zweiten Kreislauf ist vorzugsweise eine Flüssigkeit geführt, mittels derer Wärme in das Speichermedium einbringbar ist.
  • Die externe Wärmequelle kann beispielsweise von einem Solarpaneel gebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass als in der Rohrleitung geführte Flüssigkeit des zweiten Kreislaufes eine Substanz gewählt ist, die in dem vorgesehenen Temperaturbereich stets in flüssiger Form vorliegt.
  • Die in der Rohrleitung des zweiten Kreislaufes geführte Flüssigkeit ist vorzugsweise ein Frostschutzmittel.
  • Gemäß einer weiteren wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass aus der Mehrzahl von mit einem Wärmetransportmedium gefüllten Rohrleitungen ein erster Teil dem zweiten Kreislauf zugeordnet ist, wobei ein dritter Kreislauf mit zu den Rohrleitungen des ersten Kreislauf innerhalb des Gehäuses des Wärmespeichers konzentrisch angeordneter Rohrleitungen vorgesehen ist.
  • In dem dritten Kreislauf ist vorzugsweise ein Kältemittel geführt, das ausgelegt ist, um dem Speichermedium entzogene Wärme an eine Wärmepumpe abzugeben.
  • Das Kältemittel ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass durch Wirkung einer Wärmeabgabe aus dem Speichermedium in das Kältemittel eine Änderung seiner Phase von flüssig auf gasförmig erfolgt.
  • Alle zwischen der wendelförmig helikal verlaufend angeordneten Trennwand vorgesehenen Rohrleitungen sowohl des zweiten als auch des dritten Kreislaufs der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Vorrichtung sind innerhalb des Gehäuses des Wärmespeichers vorzugsweise konzentrisch nebeneinander liegend angeordnet.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Darin zeigen:
  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht;
  • Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße In Wärmetauscher-Vorrichtung (100) ist in einen Wärmespeicher integriert und enthält eine Mehrzahl von mit Flüssigkeit gefüllten Rohrleitungen (140), deren Außenflächen an ein in einem Gehäuse (100) des Wärmespeichers gelagertes Wärmespeichermedium (120) angrenzen. Das Gehäuse (110) weist eine erste (111) und eine zweite (112) Stirnfläche auf, die über eine Gehäusewand (113) miteinander verbunden sind. Die Rohrleitungen (140) sind dabei innerhalb des Gehäuses (110) von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) helikal verlaufend angeordnet.
  • Des Weiteren ist innerhalb des Gehäuses (110) eine sich von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) helikal wendelförmig erstreckende Trennwand (150) angeordnet derart, dass jeweils zwei benachbarte Windungen der Helix einer Rohrleitung (140) von der Trennwand (150) voneinander getrennt sind. Das Speichermedium (120) des Wärmespeichers ist eine Speicherflüssigkeit.
  • Eine erste Pumpeneinrichtung (161) ist vorgesehen, um die Speicherflüssigkeit in einem ersten Kreislauf (160) außerhalb des Gehäuses (110) von einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) zu einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu pumpen, wobei die Speicherflüssigkeit innerhalb des Gehäuses (110) der Trennwand (150) folgend von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) fließt.
  • Eine zweite Pumpeneinrichtung (171) ist vorgesehen, um die in den Rohrleitungen (140) enthaltene Flüssigkeit in einem zweiten Kreislauf (170) zur Abgabe von Wärme in die Speicherflüssigkeit in eine der Fließrichtung der Speicherflüssigkeit entgegengesetzte Fließrichtung zu pumpen.
  • In dem ersten Kreislauf (160) ist eine von dem Speichermedium (120) gebildete Flüssigkeit geführt, in die von einer externen Wärmequelle produzierte Wärme einbringbar ist, und in dem zweiten Kreislauf (170) ist eine Flüssigkeit geführt, die Wärme in das Speichermedium (120) einbringt. Die externe Wärmequelle ist dabei von einem Solarpaneel gebildet.
  • Als in der Rohrleitung (140) geführte Flüssigkeit des zweiten Kreislaufes (170) ist eine Substanz gewählt, die in dem vorgesehenen Temperaturbereich stets in flüssiger Form vorliegt. Die in der Rohrleitung des zweiten Kreislaufes (170) geführte Flüssigkeit ist in der Tat ein Frostschutzmittel.
  • Aus der Mehrzahl von mit einem Wärmetransportmedium gefüllten Rohrleitungen (140) ist ein erster Teil (141) dem zweiten Kreislauf (170) zugeordnet, wobei des Weiteren ein dritter Kreislauf (142) mit zu den Rohrleitungen (140) des ersten Kreislaufs (160) innerhalb des Gehäuses (110) des Wärmespeichers konzentrisch angeordneter Rohrleitungen (140) vorgesehen ist.
  • In dem dritten Kreislauf (142) ist ein Kältemittel geführt, das ausgelegt ist, um dem Speichermedium (120) entzogene Wärme an eine Wärmepumpe abzugeben. Das Kältemittel erfährt durch Wirkung einer Wärmeabgabe aus dem Speichermedium (120) in das Kältemittel eine Änderung der Phase von flüssig auf gasförmig.
  • Alle Rohrleitungen (140) sind innerhalb des Gehäuses (110) des Wärmespeichers konzentrisch nebeneinander liegend angeordnet.
  • Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich dem Zweck eines besseren Verständnisses der durch die Ansprüche vorgegebenen erfindungsgemäßen Lehre, die als solche durch das Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt ist.

Claims (13)

  1. In einen Wärmespeicher (100) integrierte Wärmetauscher-Vorrichtung mit einer Mehrzahl von mit einem Wärmetransportmedium (120) gefüllten Rohrleitungen (140), deren Außenflächen an ein in einem Gehäuse (110) des Wärmespeichers (100) gelagertes Wärmespeichermedium (120) angrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (110) eine erste Stirnfläche (111) und eine zweite Stirnfläche (112) aufweist, die über eine Gehäusewand (113) miteinander verbunden sind, und die Rohrleitungen (140) innerhalb des Gehäuses (110) von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) helikal verlaufend angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (110) eine sich von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) helikal wendelförmig erstreckende Trennwand (150) angeordnet ist derart, dass jeweils zwei benachbarte Windungen der Helix einer Rohrleitung (140) von der Trennwand (150) voneinander getrennt sind.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (120) des Wärmespeichers (100) eine Speicherflüssigkeit ist.
  4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Pumpeneinrichtung (161) vorgesehen ist, die die Speicherflüssigkeit in einem ersten Kreislauf (160) außerhalb des Gehäuses (110) von einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) zu einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) pumpt, wobei die Speicherflüssigkeit innerhalb des Gehäuses (110) der Trennwand (150) folgend von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) fließt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Pumpeneinrichtung (171) vorgesehen ist, die die in den Rohrleitungen (140) enthaltene Flüssigkeit in einem zweiten Kreislauf (170) zur Abgabe von Wärme in die Speicherflüssigkeit in eine der Fließrichtung der Speicherflüssigkeit entgegengesetzte Fließrichtung pumpt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kreislauf (160) die von dem Speichermedium (120) gebildete Flüssigkeit geführt ist, in die von einer externen Wärmequelle produzierte Wärme einbringbar ist, und in dem zweiten Kreislauf (170) eine Flüssigkeit geführt ist, mittels derer Wärme in das Speichermedium (120) einbringbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Wärmequelle von einem Solarpaneel gebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als in der Rohrleitung (140) geführte Flüssigkeit des zweiten Kreislaufes (170) eine Substanz gewählt ist, die in dem vorgesehenen Temperaturbereich stets in flüssiger Form vorliegt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Rohrleitung (140) des zweiten Kreislaufes (170) geführte Flüssigkeit ein Frostschutzmittel ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von mit einem Wärmetransportmedium (120) gefüllten Rohrleitungen (140) in einen erster Teil (141) und einen zweiten Teil (142) unterteilt sind, wobei ein erster Teil (141) dem zweiten Kreislauf (170) zugeordnet ist und der zweite Teil (142) einem dritten Kreislauf zugeordnet ist, wobei die Rohrleitungen des dritten Kreislaufs innerhalb des Gehäuses (110) des Wärmespeichers konzentrisch mit den Rohrleitungen des ersten Teils (141) verlaufend ausgerichtet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Kreislauf ein Kältemittel geführt ist, das ausgelegt ist, um dem Speichermedium (120) entzogene Wärme an eine Wärmepumpe abzugeben.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel durch Wirkung einer Wärmeabgabe aus dem Speichermedium (120) eine Änderung der Phase von flüssig auf gasförmig erfährt.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rohrleitungen (141, 142) innerhalb des Gehäuses (110) des Wärmespeichers konzentrisch nebeneinander liegend angeordnet sind.
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