DE102011014641B4 - In einen Wärmespeicher integrierte Wärmetauscher-Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

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, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (120) des Wärmespeichers (100) eine Speicherflüssigkeit 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 ist derart, dass jeweils zwei benachbarte Windungen der Helix einer Rohrleitung (140) von der Trennwand (150) voneinander getrennt sind, wobei eine erste Pumpeneinrichtung (161) vorgesehen ist, die die Speicherflüssigkeit in einem ersten Kreislauf (160) von einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) zu einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) pumpt, und 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.

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, wobei das Gehäuse eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche aufweist, die über eine Gehäusewand (113) miteinander verbunden sind, und die Rohrleitungen (140) innerhalb des Gehäuses von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche helikal verlaufend angeordnet sind.
  • 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.
  • Die Druckschrift DE 30 10 850 A1 offenbart einen Wärmespeicher für Latentsalze bestehend aus einem Behälter mit Ein- und Auslaufanschlüssen für ein Wärmeträgermedium und in diesem angeordneten, mit den Latentsalzen gefüllten Speicherkörpern, wobei die Speicherkörper als Spiralelemente ausgebildet sind, um einen Wärmespeicher zu schaffen, bei dem in einem einzigen Arbeitsgang große Mengen der zunächst flüssigen Latentspeichermasse in die entsprechenden Speicherkörper gefüllt werden können, wobei der Wärmespeicher bei größtmöglicher Raumersparnis für eine senkrechte Bauweise geeignet sein soll.
  • Aus der Druckschrift DE 82 22 968 U1 ist ein Wärmeübertrager, insbesondere Kondensator für ein Kältemittel in Wärmepumpen bekannt, der in einem mit Deckel und Boden abgeschlossenen, zylindrischen Behälter zwischen mittig angeordneter Zu- und Ableitung parallel zueinander geschaltete Rohrschlangen für den Wasserdurchsatz aufweist, die in einer Ebene spiralförmig von innen nach außen und in einer in axialer Richtung versetzten Ebene spiralförmig von außen nach innen verlaufen, wobei jede Rohrschlange ein eigenes Eintrittsrohr und ein eigenes Austrittsrohr aufweist, die jeweils in einen gemeinsamen Zuleitungskanal und in einen gemeinsamen Ableitungskanal münden, und der ein Druckrohr sowie ein Saugrohr für das Kältemittel aufweist, wobei der Zuleitungskanal und der Ableitungskanal mit Abstand zum Boden bzw. Deckel außerhalb des Behälters angeordnet sind.
  • Ein ähnlicher Wärmetauscher ist aus der Druckschrift US 1 915 352 A bekannt.
  • Die Druckschrift DE 600 17 907 T2 offenbart einen isothermen Reaktor zur Durchführung heterogener, exothermer oder endothermer Reaktionen umfassend:
    • • eine äußere Hülle von im Wesentlichen zylindrischer Form;
    • • zumindest ein katalytisches Bett bereitgestellt in der Hülle und umfassend gegenüberliegende, perforierte Seitenwände zum Einlass eines Stroms, der die Reaktionspartner umfasst, beziehungsweise zum Auslass eines Stroms, der die reagierten Substanzen umfasst; und
    • • zumindest ein Rohr, das das zumindest eine katalytische Bett durchläuft, zum Durchleiten einer Kühl- oder Heizflüssigkeit;
    • • wobei das zumindest eine Rohr sich innerhalb des zumindest einen katalytischen Betts entlang einer hinsichtlich der Seitenwände im Wesentlichen senkrechten Ebene erstreckt, um einen isothermen Reaktor zur Ausführung exothermer oder endothermer, heterogener Reaktionen zu schaffen, der leicht herstellbar und zuverlässig ist und geringe Investitions- und Unterhaltskosten erfordert sowie bei geringem Druckabfall, geringem Energieverbrauch und einem hohen Wirkungsgrad beim Wärmeaustausch zwischen den Reaktionspartnern und der Kühl- oder Heizflüssigkeit funktionabel ist.
  • Die Druckschrift DE 21 20 563 A offenbart einen Wärmeaustauscher mit in einem im Wesentlichen zylindrischen mit mindestens einem Deckel versehenen Gehäuse untergebrachten gekrümmten Rohren, insbesondere für den Einsatz bei hohen Temperaturen, wobei hintereinander geschaltete Rohrspiralen so nebeneinander angeordnet sind, dass ihre Mittelpunkte etwa in der Achse des zylindrischen Gehäuses liegen, wobei einander benachbarte Rohrspiralen gegenläufige Windungen aufweisen, so dass ihre jeweiligen äußeren und inneren Enden in abwechselnder Folge miteinander verbunden sind, und zwischen ihnen jeweils eine Leitplatte eingelegt ist, die im Bereich der Verbindungen Öffnungen aufweist, die eine Durchführung der Verbindungen sowie des die Rohrspiralen außen umspülenden Mediums ermöglichen.
  • Zum Stand der Technik gehört auch die EP 1 892 480 A1 .
  • Aufgabe der Erfindung ist es, 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 Speichermedium des Wärmespeichers eine Speicherflüssigkeit ist, 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, wobei eine erste Pumpeneinrichtung vorgesehen ist, die die Speicherflüssigkeit in einem ersten Kreislauf von einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche pumpt, und wobei die Speicherflüssigkeit innerhalb des Gehäuses der Trennwand folgend von einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche zu einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche fließt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Merkmalskombination des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen von dessen Oberbegriff erreicht, dass aufgrund der Möglichkeit eines Gegenstrombetriebes von Wärmespeicher-Flüssigkeit 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.
  • Vorzugsweise ist 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 angeordneten 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 zeigt:
  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht.
  • Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße 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 (110) des Wärmespeichers (100) 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 (10)

  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, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (120) des Wärmespeichers (100) eine Speicherflüssigkeit 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 ist derart, dass jeweils zwei benachbarte Windungen der Helix einer Rohrleitung (140) von der Trennwand (150) voneinander getrennt sind, wobei eine erste Pumpeneinrichtung (161) vorgesehen ist, die die Speicherflüssigkeit in einem ersten Kreislauf (160) von einem Bereich nahe der zweiten Stirnfläche (112) zu einem Bereich nahe der ersten Stirnfläche (111) pumpt, und 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.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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.
  3. 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.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Wärmequelle von einem Solarpaneel gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, 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.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Rohrleitung (140) des zweiten Kreislaufes (170) geführte Flüssigkeit ein Frostschutzmittel ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von mit einem Wärmetransportmedium (120) gefüllten Rohrleitungen (140) in einen ersten Teil (141) und einen zweiten Teil (142) unterteilt sind, wobei der erste 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.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Kreislauf ein Kältemittel geführt ist, das ausgelegt ist, um dem Speichermedium (120) entzogene Wärme an eine Wärmepumpe abzugeben.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel durch Wirkung einer Wärmeabgabe aus dem Speichermedium (120) eine Änderung der Phase von flüssig auf gasförmig erfährt.
  10. 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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