DE102013218278A1

DE102013218278A1 - Plattenförmiges Wärmetauscherelement für einen Eisspeicher

Info

Publication number: DE102013218278A1
Application number: DE102013218278.3A
Authority: DE
Inventors: Hubert de Vries
Original assignee: VRITEX TECHNOLOGIES Ltd; Vritex-Technologies Ltd
Current assignee: VRITEX TECHNOLOGIES KG, AT
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein plattenförmiges Wärmetauscherelement aus zwei miteinander verschweißten Plattenelementen, mit mindestens zwei gasdicht voneinander getrennten Strömungskanälen mit jeweils eigenem Zu- und Abfluss. Die die Plattenelemente verbindenden Schweißnähte erfüllen dabei eine Doppelfunktion, indem sie zusätzlich die Begrenzung der einzelnen Strömungskanäle darstellen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Eisspeicheranordnung mit in einem Eisspeicher angeordneten plattenförmigen Wärmetauscherelementen, wobei diese Elemente mindestens drei gasdicht voneinander getrennte Strömungskanäle aufweisen. Die getrennten Strömungskanäle ermöglichen dabei die unabhängige Realisierung verschiedener Funktionen, insbesondere Wärmezufuhr, Wärmeentzug und Eisablösung.

Description

Die Erfindung betrifft ein plattenförmiges Wärmetauscherelement für einen Eisspeicher sowie eine Eisspeicheranordnung mit diesem Wärmetauscherelement.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind bereits Eisspeicher, insbesondere zur Verwendung in Kälteanlagen bekannt. Dabei dienen die Eisspeicher gewöhnlich als Kältereservoir, das durch Umwandlung von Wasser in Eis "geladen" wird und anschließend, unter Schmelzen des erzeugten Eises, große Mengen gekühlten Wassers für Kühlzwecke bereitstellen kann.
Um einen reibungslosen Betrieb solcher Kälteanlagen, insbesondere beim Abtauen, zu gewährleisten, schlägt die DE 10 2007 048 416 A1 einen Eisspeicher in Plattenbauweise vor. Bei diesem weisen die plattenförmigen Wärmetauscherelemente, unabhängig von ihrer Größe, jeweils eine Wärmeaustauschstrecke mit im Wesentlichen gleicher Länge auf. Entlang der Wärmeaustauschstrecke sind sie mit genau einem Kältemittel durchströmbar. Die DE 20 2009 011 311 U1 beschreibt eine ähnliche Kälteanlage mit einem, im Zulauf des Eisspeichers angeordneten Vorkühler. Auch die Wärmetauscherelemente dieser Kälteanlage weisen jeweils nur einen Zu- und Abfluss für ein Kältemittel auf.
Die Verwendung von Eisspeichern als variables Kälte- bzw. Wärmereservoir in Verbindung mit einer Wärmepumpe ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird dem Eisspeicher unter Eisbildung Wärme zu Heizzwecken entzogen, wonach das entstandene Eis zu Kühlzwecken zur Verfügung steht.
Die DE 10 2011 109 599 A1 beschreibt einen Eisspeicher, dessen Wasservorrat mittels Wärmetauscherelementen einer Wärmepumpe Wärme entzogen und in eine Heizanlage ausgetragen wird. In den sich dadurch gebildeten Eisvorrat des Eisspeichers wird gemäß der Schrift ein Kühlraum für Lebensmittel eingesetzt. Zur Regulation des Eisvorrats sind die einkanaligen Wärmetauscherelemente von der Wärmepumpe auf einen Solarkollektor umschaltbar.
Einen Eisspeicher mit einem Wärmetauscher, der sowohl zur Wärmezufuhr als auch zum Wärmeentzug genutzt werden kann, offenbart auch die DE 20 2006 012 871 U1 . Als Wärmetauscher werden dabei dünnwandige Wärmetauschermatten und bevorzugt von Flächenheizungen bekannte Kapillarrohr-Matten eingesetzt. Da dieselben Wärmetauschstrecken für Wärmezufuhr und -entzug vorgesehen sind, ist auch bei diesem Eisspeicher nur ein wechselweise Tauen und Abkühlen des Eisspeichers möglich.
Ein bei Eisspeicheranlagen häufig auftretendes Problem ist die ungleichmäßige Vereisung im Eisbehälter, wobei eine auf den Wärmetauscherelementen auftretende Vereisung den Wärmestrom von dem oder in das verbleibende Wasser behindert. Zudem wird die, einer gleichmäßigen Wärmeverteilung zuträgliche Zirkulation des noch nicht gefrorenen Wassers im Eisspeicher gestört.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die DE 198 39 867 A1 einen Eisspeicher für eine Wärmepumpe vor, bei der ein Wasser-Glykol-Gemisch als Trennfluid in den Verdampfer bzw. Absorber der Wärmepumpe einpumpbar ist. Weiterhin ist ein den Absorberkörper umgebender Eisträger vorgesehen, auf dem die Eisbildung stattfindet. Dieser wird in einer Ausführungsform durch das Einpumpen eines Trennfluids zwischen Absorberkörper und Träger angehoben und/oder verformt, was zu einer mechanisch bedingten Ablösung des Eises führt. In einer anderen Ausführungsform ist der Absorber als Rohrschlange ausgeführt, durch die abwechselnd kaltes und warmes Trennfluid durchgeleitet wird. Dabei fungiert das kalte Trennfluid als Kältemittel, wohingegen das warme Trennfluid eine thermische Ablösung des angefrorenen Eises bewirkt.
Den aus dem Stand der Technik bekannten Eisspeichern ist somit gemein, dass ein Umschalten zwischen Wärmeentzug und -aufnahme oder das Einleiten eines Heizfluids zur Eisablösung immer mit der Unterbrechung des Kühlmittelflusses einhergeht. Einzig die DE 10 2011 102 216 A1 schlägt eine Lösung zur kontinuierlichen Verdampfung des Kühlmittels vor, wonach der Verdampfer eines Eisspeichers eine mikro- bzw. nanostrukturierte Oberfläche aufweist, welche die Bildung von Eiskristallen sowie das Anhaften von Eis verhindern soll. Dass mit den bislang bekannten, kostenintensiven Oberflächen eine vollständige Eisfreiheit nicht erreichbar ist, wird von der Schrift jedoch selbst eingeräumt.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein plattenförmiges Wärmetauscherelement für einen Eisspeicher vorzuschlagen, das einen kontinuierlichen Kältemittelfluss bei gleichzeitiger Kontrolle der aufwachsenden Eisschichten ermöglicht. Weiterhin sollen die Wärmezufuhr in den und der Wärmeentzug aus dem Eisspeicher unabhängig voneinander und gleichzeitig möglich sein. Der Eisspeicher soll weiterhin möglichst kompakt in der Bauform und günstig in der Herstellung sowie im Unterhalt sein.
Lösung
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein plattenförmiges Wärmetauscherelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Eisspeicheranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein plattenförmiges Wärmetauscherelement für einen Eisspeicher, umfassend aus mindestens zwei partiell miteinander verschweißte Plattenelemente, bei dem durch gasdichte Schweißnähte mindestens zwei voneinander abgetrennte Strömungskanäle mit jeweils eigenem Zu- und Abfluss begrenzt sind. Die Plattenelemente sind dabei nicht nur über Schweißnähte an Ihren Rändern miteinander verbunden. Die Plattenelemente sind übereinanderliegend angeordnet und über eine Vielzahl von Schweißnähten miteinander verbunden, wobei die Schweißnähte über deren gesamte Oberfläche verteilt sind, jedoch nur einen Bruchteil dieser ausmachen. Dabei sind die Plattenelemente bevorzugt flächengleich ausgebildet und deckungsgleich übereinanderliegend angeordnet. Die Schweißnähte erfüllen somit eine Doppelfunktion, indem sie sowohl die stoffschlüssige Verbindung zwischen den verschweißten, bevorzugt metallischen, Plattenelementen herstellen und auch die Strömungskanäle begrenzen. Die Strömungskanäle werden nach der Verschweißung der Platten durch druckhaftes Einleiten eines Fluids in den jeweiligen Zu- oder Abfluss eines Strömungskanals aufgeweitet. Die Plattenelemente können dabei prinzipiell beliebig geformt sein, weisen jedoch bevorzugt eine rechteckige Form auf. Die Gasdicht bezeichnet Schweißnähte sind gasdicht und weisen somit eine Leckrate Q_L ≤ 10^–7, bevorzugt eine Leckrate Q_L ≤ 10^–8 und besonders bevorzugt eine Leckrate Q_L ≤ 10^–9 auf. Besonders bevorzugt haben Löcher in den Schweißnähten einen maximalen Durchmesser von 30 nm auf und bewirken, bei einem Gasdruck von 10⁵ Pa, jeweils einen maximalen Gasverlust von 1 cm³ in 30 Jahren.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement den Betrieb eines Wärmetauschers mit verschiedenen, voneinander vollständig getrennten Kreisläufen. Dabei können in verschiedenen Strömungskanälen verschiedene Medien berührungsfrei strömen. Über die Oberflächen der Strömungskanäle können diese Medien in Wärmeaustausch mit der Umgebung des Wärmetauscherelements treten. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement in Eisspeicheranordnungen einsetzbar, bei denen einem Eis-/Wassergemisch als Wärmepuffer gleichzeitig oder mit sehr kurzem zeitlichem Versatz sowohl Wärme entzogen als auch zugeführt werden muss. Insbesondere bei Eisspeicheranordnungen ermöglicht das Wärmetauscherelement somit einen kontinuierlichen Betrieb und den Verzicht auf bewegliche Teile, wie bspw. Ventile, die bislang zum Umschalten von Kühl- und Abtaubetrieb eingesetzt wurden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Wärmetauscherelements weist dieses einen dritten gasdicht abgetrennten Strömungskanal mit eigenem Zu- und Abfluss auf. Dieser Strömungskanal ist in einer möglichen Ausgestaltung ebenfalls durch die, die Plattenelemente verbindende Schweißnähte abgegrenzt. In diesem Fall befindet sich dieser dritte Strömungskanal, wie auch die beiden anderen Strömungskanäle, vollständig zwischen den übereinanderliegend angeordneten, mindestens zwei partiell miteinander verschweißten Plattenelementen. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist der dritte Strömungskanal durch ein, entlang der Kanten der übereinander angeordneten partiell miteinander verschweißten Plattenelemente angebrachtes Rohrelement gebildet. Dabei kann das Rohrelement bereits für sich gasdicht verschlossen sein oder erst durch die Verbindung mit den Plattenelementen gasdicht verschlossen werden. Das ebenfalls einen eigenen Zu- und Abfluss aufweisende Rohrelement kann dabei einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Weiterhin sind die Plattenelemente bzw. das aus den mindestens zwei Plattenelementen gebildete, erfindungsgemäße Wärmetauscherelement nur entlang von drei seiner in der Regel vier Körperkanten mit dem Rohrelement verbunden, Jede andere Anordnung des Rohrelements, auch entlang der Oberfläche der Plattenelemente und nicht entlang der Kanten, ist ebenfalls bevorzugt.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements ist dieses aus mindestens drei partiell miteinander verschweißten Plattenelementen gebildet. Dabei sind die Plattenelemente ebenfalls übereinanderliegend und bevorzugt deckungsgleich zueinander angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die mindestens zwei Strömungskanäle sowohl durch die Plattenelemente verbindende Schweißnähte als auch durch das mittig angeordnete Plattenelement begrenzt. Somit sind beidseitig des mittigen Plattenelements voneinander getrennte und durch Schweißnähte gasdicht begrenzte Strömungskanäle angeordnet. Vorteilhaft wird in dieser Ausführungsform die Anzahl der durch die Schweißnähte begrenzten Strömungskanäle durch das mittige Einbringen eines weiteren Plattenelements verdoppelt. So müssen vorteilhaft weniger Schweißnähte entlang der Oberfläche der Plattenelemente angeordnet werden, um eine hohe Anzahl von Strömungskanälen zu erreichen. So ist mit drei, durch Schweißnähte voneinander abgetrennte Strömungskanäle und vier übereinanderliegend verschweißten Plattenelementen ein Wärmetauscherelement mit neun voneinander abgetrennten Strömungskanälen, jeweils mit eigenem Zu- und Abfluss, erzeugbar. Die Anzahl der Plattenelemente ist dabei insbesondere durch das Schweißverfahren und die Anforderungen an die Gasdichtheit der Schweißnähte begrenzt.
In Abhängigkeit von der geplanten Verwendung der Wärmetauscherelemente sowie der Anzahl der Strömungskanäle, sind verschiedene Anordnungen von Strömungskanälen in dem Wärmetauscherelement möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Strömungskanäle gemeinsam über die gesamte Fläche der Plattenelemente abzüglich der Schweißnähte. Somit gibt es neben den Schweißnähten keine ungenutzten, nicht aufgeweiteten Bereiche der Wärmetauscherelemente. Entlang des gesamten Querschnitts des bevorzugten Wärmetauscherelements wechseln sich somit Schweißnähte, an denen die beiden Plattenelemente stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und Strömungskanäle in Form aufgeweiteter Bereiche, in denen sich die Plattenelemente nicht berühren, ab.
Zur optimalen Flächenausnutzung weisen die Strömungskanäle weiterhin bevorzugt eine Vielzahl von Umlenkungen auf. Diese Umlenkungen sind dabei bevorzugt derart, dass sich entlang des Strömungspfades horizontale, von Seitenkante zu Seitenkante des Wärmetauscherelements verlaufende Abschnitte eines Strömungskanals und vertikale, entlang einer Seitenkante verlaufende Abschnitte des Strömungskanals abwechseln. Im Sinne der Anmeldung folgt der Strömungspfad dabei dem Verlauf eines Strömungskanals von dessen Zufluss in Richtung von dessen Abfluss. Ebenfalls bevorzugt ist eine Anordnung der Strömungskanäle in Richtung oder parallel zu den Diagonalen eines rechteckigen Wärmetauscherelements.
Die Verschweißung der Plattenelemente bzw. die Anordnung der Strömungskanäle erfolgt dabei bevorzugt derart, dass verschiedene Strömungskanäle über eine Schweißnaht aneinandergrenzen. Ebenfalls bevorzugt grenzt ein Strömungskanal über eine Schweißnaht an sich selbst. Dies ist insbesondere im Bereich von Umlenkungen, insbesondere bei solchen mit Richtungsumkehr, vorteilhaft.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements weisen die Strömungskanäle eine Vielzahl von Umlenkungen und eine im Vergleich zu Ihrer Länge entlang des Strömungspfades geringe Breite auf. Somit wird vorteilhaft eine lange Wärmeaustauschstrecke erzielt, so dass ein im Strömungspfad strömendes Fluid für eine ausgedehnte Zeit Kontakt zu den Wärmeaustauschflächen des Wärmetauscherelements und über diese zu dessen Umgebung hat. Besonders bevorzugt weist ein Strömungskanal eine Breite von 50 mm bei einer Länge von über einem Meter, bevorzugt über zwei Metern, entlang des Strömungspfades auf.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement innerhalb eines oder mehrerer der Strömungskanäle mindestens eine unterbrochene Schweißnaht auf. Unterbrochene Schweißnähte können im beim Widerstandsnahtschweißen im Reihenpunktschweißen erzeugt werden. Besonders bevorzugt weisen die einzelnen Schweißlinsen eine ovale, insbesondere annähernd elliptische Form auf. Die unterbrochenen Schweißnähte sind bevorzugt als Festnaht, mit einem maximalen Schweißpunktabstand von 10 mm sowie ohne Überlappungen, oder als Heftnaht, mit einem Schweißpunktabstand zwischen 30 und 50 mm zueinander sowie ohne Überlappungen, ausgebildet. Diese unterbrochenen Schweißnähte sind besonders bevorzugt mittig und parallel zu den begrenzenden gasdichten Schweißnähten angeordnet. Die unterbrochenen Schweißnähte werden bevorzugt vor dem Aufblasen des Wärmetauscherelements und gemeinsam mit den gasdichten Schweißnähten auf die Plattenelemente aufgebracht. Die unterbrochenen Schweißnähte bewirken vorteilhaft eine weitere Oberflächenvergrößerung des Wärmetauscherelements, die sich positiv auf den Wärmeaustausch mit der Umgebung auswirkt. Weiterhin vorteilhaft wird durch die die Gefahr eines Strömungsabrisses in den Strömungskanälen minimiert.
Weiterhin bevorzugt weist mindestens ein erster Strömungskanal des plattenförmigen Wärmetauscherelements eine sich in Strömungsrichtung vergrößernde Querschnittfläche auf. Durch diese Volumen-abhängige Fertigung mindestens eines Strömungskanals können vorteilhaft aus der Volumenzunahme eines verdampfenden Druckmittels resultierende Druckverluste vermieden werden. Ein solcher bevorzugter Strömungskanal wird somit vorteilhaft für ein Kühlmittel eingesetzt, das in dem Wärmetauscherelement verdampft wird.
Ebenso bevorzugt weist mindestens ein zweiter und/oder ein dritter Strömungskanal des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements eine sich entlang des Strömungspfades verkleinernde Querschnittfläche auf. Mit dieser ebenso Volumen-abhängigen Fertigung können vorteilhaft aus der Volumenabnahme eines kondensierenden Kühl- bzw. Trennmittels resultierende Druckverluste vermieden werden. Ein solcher bevorzugter Strömungskanal wird somit vorteilhaft für ein Kühl- bzw. Trennmittel eingesetzt, das in dem Wärmetauscherelement kondensiert wird. Besonders bevorzugt sind Strömungskanäle mit entlang des Strömungspfades zunehmender Querschnittfläche benachbart zu solchen mit entlang des Strömungspfades abnehmender Querschnittfläche angeordnet. So wird vorteilhaft eine optimale Flächenausnutzung des plattenförmigen Wärmetauscherelements erzielt.
Ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherelement ist bevorzugt erzeugbar, indem zunächst zwei, bevorzugt metallische Plattenelemente mittels Rollnaht- oder Laserverschweißung partiell miteinander verschweißt werden. Dabei sind die Schweißnähte so angeordnet, dass sie den Begrenzungen von mindestens drei unverbundenen Strömungskanälen mit jeweils eigenem Zu- und Abfluss entsprechen. Ein Zu- oder Abfluss wird gebildet, indem zwei annähernd parallele Schweißnähte in den Rand der Plattenelemente münden und die Platten zwischen den Mündungen entlang ihrer Kanten nicht miteinander verschweißt sind.
Nach dem Verschweißen wird in die Zu- oder Abflüsse ein Fluid druckbehaftet, bevorzugt mit einem Druck > 20 bar und besonders bevorzugt mit einem Druck von ca. 25 bar, eingeleitet. Dadurch werden die von den Schweißnähten begrenzten Strömungskanäle aufgeblasen bzw. aufgedrückt und somit geweitet. Die Schweißnähte zwischen den Strömungskanälen sind dabei so haltbar ausgeführt, dass es beim Aufblasen nicht zur Entstehung von Leckagen kommt.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Eisspeicheranordnung mit in einem Eisspeicherbehälter angeordneten plattenförmigen Wärmetauscherelementen, wobei

– die Wärmetauscherelemente jeweils mindestens drei gasdicht voneinander abgetrennte Strömungskanäle mit jeweils eigenem Zu- und Abfluss aufweisen,
– entlang eines ersten Strömungskanals zum Wärmeentzug mit einem Kühlmittel,
– entlang eines zweiten Strömungkanals zur Wärmezufuhr mit einem Trennmittel und
– entlang eines dritten Strömungskanals zur Eisablösung mit einem Heißgas durchströmbar sind.

In einer erfindungsgemäßen Eisspeicheranordnung ist in einem Eisspeicherbehälter eine Vielzahl von erfindungsgemäßen plattenförmigen Wärmetauscherelementen annähernd planparallel angeordnet. Die plattenförmige Bauweise ermöglicht dabei eine platzsparende Konstruktion des Eisspeicherbehälters bei gleichzeitig großer Wärmeaustauschfläche zwischen den Wärmetauscherelementen und dem im Eisspeicherbehälter befindlichen Eis-/Wassergemisch oder Eis-/Wasser-Glykol-Gemisch.
Die erfindungsgemäße Eisspeicheranordnung ermöglicht somit vorteilhaft mit den ersten und zweiten Strömungskanälen eine vom Wärmeentzug aus dem Eisspeicher unabhängige Wärmezufuhr in denselben, so dass der Eisspeicher gleichzeitig be- und entladen werden kann. Mit der Wärmezufuhr durch die zweiten Strömungskanäle wird eine völlige Vereisung des Eis-/Wassergemischs verhindert. Somit ist der Eisspeicher vorteilhaft das ganze Jahr über kontinuierlich nutzbar und die Gefahr von Beschädigungen durch anwachsendes Eis minimal. Ein zyklischer Heiz- und Abtaubetrieb ist nicht nötig. Dadurch entfällt vorteilhaft eine Vielzahl beweglicher Teile, wodurch, insbesondere bei der Nutzung natürlicher Wärmeenergieressourcen zur Eisdicken-Regulierung, vorteilhaft auch die energetischen Unterhaltskosten gesenkt werden. Die dritten Strömungskanäle ermöglichen vorteilhaft ein Abtauen von Eis zur (Wieder-)Herstellung der (Wärme-)Zirkulation im Eisspeicher in Phasen, in denen die natürliche Wärmezufuhr des Thermokollektors nicht ausreichend und/oder der Kreislauf der zweiten Strömungskanäle gestört ist. Somit kann durch die dritten Strömungskanäle in Form eines Backup-Systems ein Totalausfall der Heizleistung vermieden werden.
Erfindungsgemäß ist jeweils ein erster Strömungskanal von gleichartigen oder mit verschiedenen Strömungskanal-Architekturen versehenen Wärmetauscherelementen zum Wärmeentzug mit einem Kühlmittel durchströmbar. Das Kühlmittel entzieht dabei dem Eis-/Wassergemisch Wärme und wird dadurch bevorzugt verdampft. Die jeweiligen ersten Abflüsse dieser ersten Strömungskanäle sind bevorzugt mit der Regeleinheit einer Wärmepumpe und über diese mit einer Gebäudeheizung, einem Warmwassererzeuger oder einem anderen Wärmeverbraucher verbunden. Je nach Bedarf wird das erhitzte und gegebenenfalls verdampfte Kühlmittel von der Regeleinheit dem Wärmeverbraucher zugeführt und in dessen Wärmetauscher kondensiert, wobei es seine gespeicherte Wärme abgibt. Anschließend wird das verflüssigte Kühlmittel über die jeweils ersten Zuflüsse erneut den ersten Strömungskanälen zur Wärmeaufnahme aus dem Eisspeicher zugeführt. Somit ist die in dem Eis-/Wassergemisch gespeicherte Wärmeenergie vorteilhaft zu Heizzwecken nutzbar.
Jeweils ein zweiter Strömungskanal der Wärmetauscherelemente ist erfindungsgemäß zur Wärmezufuhr mit einem Trennmittel durchströmbar. Bevorzugt wird das Trennmittel dabei von einem Thermokollektor kommend, in dem es mittels direkter oder diffuser Sonneneinstrahlung, Erdwärme oder Luftwärme erwärmt wurde, über die jeweils zweiten Zuflüsse in die zweiten Strömungskanäle der Wärmetauscherelemente eingeleitet. In diesen gibt das Trennmittel seine gespeicherte Wärme an das Eis-/Wassergemisch im Eisspeicherbehälter ab, wobei das Trennmittel bevorzugt kondensiert. Dadurch wird vorteilhaft Eis abgetaut und/oder Wärmeenergie im Eis-/Wassergemisch gespeichert.
Ein jeweils zweiter Strömungskanal der Wärmetauscherelemente ist erfindungsgemäß zum Abtauen von Eis mit einem Heißgas durchströmbar. Bei dem Heißgas handelt es sich bevorzugt um das in den ersten Strömungskanälen verdampfte Kühlmittel, das über einen, den ersten Abflüssen der ersten Strömungskanäle nachgeordneten Bypass den dritten Zuflüssen der dritten Strömungskanäle zuführbar ist. Das Heißgas gibt dann seine Wärme an das Eis-/Wassergemisch ab, wodurch Eis abgetaut wird. Das durch die Wärmeabgabe bevorzugt kondensierte Kühlmittel wird von den dritten Abflüssen der dritten Strömungskanäle den ersten Zuflüssen der ersten Strömungskanäle zugeleitet und wieder zur Wärmeentnahme genutzt. Das Öffnen und Schließen des Bypass-Ventils wird bevorzugt durch die Regeleinheit gesteuert, wobei die Öffnung erfolgt, wenn eine Eisschicht bestimmter Dicke auf den Wärmetauscherelementen angewachsen ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der Eisspeicheranordnung weist der Eisspeicherbehälter jeweils mindestens eine regelbare Zu- und Ableitung zu einem Kühlsystem und/oder einem weiteren Thermokollektor auf. Durch die, bevorzugt ventilgesteuerte Ableitung wird das gekühlte Eis-/Wassergemisch dem Wärmetauscher eines Kühlsystems zugeführt, wobei es Wärme aus dem Kühlsystem aufnimmt und so beispielsweise zur Kühlung von Lebensmitteln genutzt werden kann. Ebenfalls bevorzugt wird das Eis-/Wassergemisch über die Ableitung einem weiteren Thermokollektor zugeführt und in diesem durch natürliche Wärmequellen erwärmt. Anschließend wird das erwärmte Eis-/Wassergemisch über mindestens eine Zuleitung wieder dem Eisspeicherbehälter zugeführt. Vorteilhaft kann so dem Eisspeicher wiederum Kälte entzogen, Wärme zugeführt und Eis abgetaut werden. Im Fall des Kühlsystems kann die Eisdicken-Regulierung besonders vorteilhaft mit einem Kühlzweck verbunden werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Zuleitung eine Rührdüse auf. Dabei handelt es sich um eine Düse mit drehbar gelagertem Düsenkopf, der durch den Druck der einströmenden Flüssigkeit in Rotation versetzt wird. Je nach der räumlichen Ausgestaltung des Düsenkopfs werden durch dessen Drehung Strömungen im Eis-/Wassergemisch im Eisspeicherbehälter ausgelöst. Zudem wird der durch die Rührdüse in den Eisspeicher eingeleitete Fluidstrom durch den Düsenkopf kontinuierlich abgelenkt und mit wechselndem Richtungssinn in den Eisspeicher eingeleitet. Auch dies sorgt für Strömungen, wodurch im Eisspeicher insgesamt eine gute Durchmischung des Eis-/Wassergemischs erzielt und somit eine gute Wärmeübertragung bzw. -zirkulation gewährleistet wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Zuleitungen dabei so angeordnet, dass die Strömungen zwischen die plattenförmigen Wärmetauscherelemente geleitet werden, wo sich durch einen starken Kanaleffekt ihre Strömungswirkung noch erhöht.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist der Eisspeicherbehälter eine gasdicht geschweißte Doppelwand mit einem evakuierten Zwischenraum auf. Je nach der Güte der Schweißverbindung kann dabei langfristig ein Grob- bis Hochvakuum im Zwischenraum erzielt werden. Durch die Isolationswirkung der evakuierten Schicht wird der Eisspeicher thermisch von der Umgebung entkoppelt. Dies ist aufgrund der erfindungsgemäßen Kopplung des Eisspeichers an Umgebungswärme mittels der zweiten Strömungskanäle nicht nachteilig. Vielmehr kann somit die Pufferwirkung des Eisspeichers, als Wärmespeicher im Winter und Kältespeicher im Sommer, noch verstärkt werden. Vorteilhaft kann der bevorzugte Eisspeicherbehälter mit der gleichen Schweißtechnik wie die Wärmetauscherelemente hergestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Dabei zeigen:
1: Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen plattenförmigen Wärmetauscherelements mit drei gasdicht voneinander getrennten Strömungskanälen in einer schematischen Darstellung,
2: Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen plattenförmigen Wärmetauscherelements mit drei gasdicht voneinander getrennten Strömungskanälen in einer schematischen Darstellung,
3: ein schematischer Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherelement aus drei partiell miteinander verschweißten Plattenelementen und einem zusätzlich an den Kanten der Plattenelemente angebrachten Rohrelement,
4: Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Eisspeicheranordnung mit plattenförmigen Wärmetauscherelementen in Verbindung mit einer Wärmepumpe.
Ausführungsbeispiel 1
Das in 1 gezeigte plattenförmige Wärmetauscherelement 2 ist aus zwei, mittels Laserverschweißung partiell miteinander verbundenen, metallischen Plattenelementen, mit einer Höhe von 1000 mm und einer Breite von 750 mm, gebildet. Das Wärmetauscherelement 2 weist drei gasdicht voneinander abgetrennte Strömungskanäle 3, 4, 5 mit einer Breite von jeweils 50 mm auf, die von den gasdichten Schweißnähten 6 begrenzt sind und jeweils einen eigenen Zufluss 8, 9, 10 und einen eigenen Abfluss 11, 12, 13 aufweisen. Nach dem Verschweißen wurde ein Gas mit einem Druck von ca. 25 bar über die Zuflüsse 8, 9, 10 in die Strömungskanäle 3, 4, 5 geleitet und dieses dadurch aufgeblasen und aufgeweitet.
Die Strömungskanäle 3, 4, 5 verlaufen größtenteils in horizontaler Richtung und weisen Umlenkungen auf, in deren Bereich sie in vertikaler Richtung verlaufen. Die Umlenkungen sind zum einen durch die Schweißnähte 6 zwischen den verschiedenen Strömungskanälen 8, 9, 10 oder durch zusätzlich in die Strömungskanäle eingebrachte Schweißnähte 6 gebildet. Der erste Strömungskanal 8 wird ausschließlich durch Schweißnähte begrenzt, die ihn vom zweiten 9 oder dritten 10 Strömungskanal abgrenzen. Der zweite 4 und dritte 5 Strömungskanal weisen zusätzlich in diese eingebrachte gasdichte Schweißnähte 6 als Umlenkungen auf.
In den ersten Strömungskanal 3 sind zusätzlich ovale Steppnähte 7, mit einer Länge von 10 mm, mittig und parallel zu den begrenzenden gasdichten Schweißnähten 6 eingebracht. Diese bewirken vorteilhaft eine zusätzliche Oberflächenvergrößerung der Wärmetauscherelemente 2 und wirken sich positiv auf die Strömungsverhältnisse im ersten Strömungskanal 3 aus. Der Strömungspfad folgt dem Verlauf der Strömungskanäle 3, 4, 5 von den Zuflüssen 8, 9, 10 zu den Abflüssen 11, 12, 13.
Ausführungsbeispiel 2
Das in 2 gezeigte plattenförmige Wärmetauscherelement 2 ist ebenfalls aus zwei durch Laserverschweißung partiell miteinander verbundenen metallischen Plattenelementen gebildet. Die durch das Laserschweißen gebildeten, gasdichten Schweißnähte 6 grenzen drei Strömungskanäle 3, 4, 5 mit jeweils eigenen Zuflüssen 8, 9, 10 und eigenen Abflüssen 11, 12, 13 voneinander ab.
Dabei verläuft der zweite Strömungskanal 4 entlang dreier Kanten des rechteckigen Wärmetauscherelements 2 und somit ausschließlich in vertikaler und horizontaler Richtung. Der erste Strömungskanal 3 weist einen Verlauf vorwiegend parallel zur Richtung der Diagonalen mit einer Vielzahl von Umlenkungen und dadurch eine vergleichsweise große Länge auf. Der dritte Strömungskanal 5 ist ebenfalls vorwiegend parallel zur Richtung der Diagonalen ausgerichtet und weist mehr Grenzflächen zum ersten Strömungskanal 3 als zum zweiten Strömungskanal 4 auf.
Die Breite des ersten Strömungskanals 3 nimmt entlang des Strömungspfades, also entlang seines Verlaufs von seinem Zufluss 8 zu seinem Abfluss 11, zu. Die Höhe des plattenförmigen Wärmetauscherelements 2 beträgt konstant 60 mm. Somit weist der erste Strömungskanal 3 eine sich entlang des Strömungspfades vergrößernde Querschnittfläche auf.
Ausführungsbeispiel 3
Das in 3 im Querschnitt gezeigte plattenförmige Wärmetauscherelement 2 ist aus drei durch Rollnahtschweißen partiell miteinander verbundenen metallischen Plattenelementen 24, 25, 26 gebildet. Die durch das Rollnahtschweißen gebildeten, gasdichten Schweißnähte 6 sowie das mittig angeordnete Plattenelement 25 grenzen zwei Strömungskanäle 3, 4 mit jeweils eigenen Zuflüssen und eigenen Abflüssen voneinander ab.
Weiterhin ist entlang dreier Kanten des plattenförmigen Wärmetauscherelements 2 bzw. entlang der Kanten der auch dort miteinander verschweißten drei Plattenelemente 24, 25, 26 ein Rohrelement 27 mit kreisförmigem Querschnitt angeschweißt. Das Rohrelement 27 bildet einen dritten, gasdicht abgetrennten Strömungskanal 5 mit eigenem Zu- und Abfluss.
Ausführungsbeispiel 4
Die in 4 gezeigte Eisspeicheranordnung weist einen Eisspeicherbehälter 1 mit einer Doppelwand 22 und einem zwischen den Wänden befindlichem, evakuiertem Zwischenraum 23 auf. In dem Eisspeicherbehälter 1 sind sechs gleichartige, wie in 2 abgebildete, plattenförmige Wärmetauscherelemente 2 annähernd planparallel zueinander angeordnet. Der Eisspeicherbehälter 1 und insbesondere die Zwischenräume zwischen den Wärmetauscherelementen 2 sind mit einem Eis-/Wassergemisch befüllt.
Jedes der Wärmetauscherelemente 2 weist drei, mittels gasdichter Schweißnähte 6 voneinander abgegrenzte Strömungskanäle 3, 4, 5 mit jeweils eigenen Zuflüssen 8, 9, 10 und Abflüssen 11, 12, 13 auf. Durch die jeweils ersten Strömungskanäle 3 der Wärmetauscherelemente 2 wird ein Kühlmittel geleitet, dass dem Eisspeicherbehälter 1 befindlichem im Eis-/Wassergemisch Wärme entzieht und dadurch verdampft. Durch die Wahl eines Kühlmittels mit geeigneter Siedetemperatur kommt es durch den Wärmeentzug zur Eisbildung im Eis-/Wassergemisch. Durch die zunehmende Querschnittfläche der ersten Strömungskanäle 3 der Wärmetauscherelemente 2 werden die Druckverluste des Kühlmittels minimiert.
Die Abflüsse 11 der ersten Strömungskanäle 3 der sechs Wärmetauscherelemente 2 sind durch entsprechende Rohrleitungen in einem Einzelrohr oder in Form eines Rohrbündels zusammengefasst. Gemeinsam wird durch diese Abflüsse 11 das erhitzte Kühlmittel der Regeleinheit 14 einer Wärmepumpe zugeleitet. Je nach Bedarf wird das erhitzte Kühlmittel von der Regeleinheit 14 der Gebäudeheizung 15, bspw. einer Flächenheizung, und/oder dem Warmwassererzeuger 16 zugeleitet.
In den Wärmetauschern der Gebäudeheizung 15 und/oder des Warmwassererzeugers 16 kondensiert das Kühlmittel und gibt dabei seine Wärme an die Umgebungsluft (Gebäudeheizung 15) oder an Wasser der Eingangstemperatur 45°C (Warmwassererzeuger 16) ab. Das verflüssigte Kühlmittel wird anschließend über die ersten Zuflüsse 8 erneut den ersten Strömungskanälen 3 der Wärmetauscherelemente 2 zugeleitet und kann daraufhin erneut durch die im Eis-/Wassergemisch gespeicherte Wärme verdampft werden.
Zur Einleitung von Wärme in den Eisspeicherbehälter 1 und somit zum Abtauen von Eis weisen die sechs Wärmetauscherelemente 2 jeweils einen zweiten Strömungskanal 4 auf. Diese zweiten Strömungskanäle 4 werden von einem Glykol-haltigen Trennmittel durchströmt. Dieses Trennmittel wird zunächst durch einen Thermokollektor 17 geleitet, an dessen Wärmetauschern es durch direkte oder diffuse Sonnenstrahlung, durch Erdwärme oder durch Luftwärme erwärmt und, bei geeignetem Siedepunkt des Trennmittels, verdampft.
Das verdampfte Trennmittel wird anschließend über einen Verteiler oder ein Rohrbündel und über die zweiten Zuflüsse 9 den zweiten Strömungskanälen 4 der Wärmetauschelemente 2 zugeleitet. Dort kondensiert das Trennmittel und gibt dabei seine Wärme an das Eis-/Wassergemisch ab, wodurch Eis abgetaut wird. Anschließend wird das Trennmittel über die zweiten Abflüsse 12 erneut dem Thermokollektor 17 zugeführt. Somit kann dem Eis-/Wassergemisch im Eisspeicherbehälter 1 über die ersten 3 und zweiten 4 Strömungskanäle, je nach Bedarf, zeitgleich Wärme ab- bzw. zugeführt werden.
Abhängig von äußeren Faktoren, wie der Sonneneinstrahlung, kann die mittels dem Thermokollektor 17 aufgenommen Wärme nicht ausreichend sein, um eine zu starke Vereisung im Eisspeicherbehälter 1, insbesondere an den Wärmetauscherelementen 2, zu verhindern. Dann wird über die Regeleinheit 14 ein ventilgesteuerter Bypass 18 geöffnet, der die ersten Abflüsse 11 der Wärmetauscherelemente 2 mit den dritten Zuflüssen 10 der dritten Strömungskanäle 5 der Wärmetauscherelemente 2 verbindet. Somit wird verdampftes Kühlmittel direkt in die dritten Strömungskanäle 5 geleitet, wo es kondensiert und Wärme an das Eis-/Wassergemisch abgibt, wodurch Eis abgetaut wird. Das kondensierte Kühlmittel wird anschließend von den dritten Abflüssen 13 über ein Rückschlagventil den ersten Zuflüssen 8 der ersten Strömungskanäle 3 zugeleitet.
Der Eisspeicherbehälter 1 weist weiterhin eine ventilgesteuerte Ableitung 20 auf, durch die das gekühlte Eis-/Wassergemisch einem Kühlsystem 21 zugeleitet werden kann. In diesem Kühlsystem 21 kann die Kälte des Eis-/Wassergemischs zur Kühlung, bspw. von Lebensmitteln oder Gebäuden, genutzt werden. Das im Kühlsystem 21 erwärmte Eis-/Wassergemisch wird anschließend über eine Zuleitung 19 und eine darin angeordnete Rührdüse erneut dem Eisspeicherbehälter 1 zugeführt.
Bezugszeichenliste

1: Eisspeicherbehälter
2: Wärmetauscherelement, plattenförmig
3: erster Strömungskanal
4: zweiter Strömungskanal
5: dritter Strömungskanal
6: Schweißnaht, gasdicht
7: Schweißnaht, unterbrochen
8: erster Zufluss
9: zweiter Zufluss
10: dritter Zufluss
11: erster Abfluss
12: zweiter Abfluss
13: dritter Abfluss
14: Regeleinheit
15: Gebäudeheizung
16: Warmwassererzeuger
17: Thermokollektor
18: Bypass
19: Zuleitung
20: Ableitung
21: Kühlsystem
22: Doppelwand
23: Zwischenraum, evakuiert
24: Plattenelement, metallisch
25: Plattenelement, metallisch
26: Plattenelement, metallisch
27: Rohrelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007048416 A1 [0003]
DE 202009011311 U1 [0003]
DE 102011109599 A1 [0005]
DE 202006012871 U1 [0006]
DE 19839867 A1 [0008]
DE 102011102216 A1 [0009]

Claims

Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) für einen Eisspeicher, umfassend mindestens zwei partiell miteinander verschweißte Plattenelemente, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei voneinander gasdicht abgetrennte Strömungskanäle (3, 4) mit jeweils eigenem Zu-(8, 9) und Abfluss (11, 12) durch die die Plattenelemente verbindenden Schweißnähte (6) begrenzt sind.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter gasdicht abgetrennter Strömungskanal (5) mit eigenem Zu- und Abfluss (13) durch die die Plattenelemente verbindenden Schweißnähte (6) begrenzt oder durch ein an Kanten der Plattenelemente angebrachtes Rohrelement (27) gebildet ist.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Plattenelemente miteinander verschweißt und die Strömungskanäle (3, 4, 5) sowohl durch die die Plattenelemente verbindenden Schweißnähte (6) als auch durch innenliegende Plattenelemente voneinander abgetrennt sind.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungskanäle (3, 4, 5) über die gesamte Fläche der Plattenelemente abzüglich der Schweißnähte erstrecken.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (3, 4, 5) eine Vielzahl von Umlenkungen und eine im Vergleich zu Ihrer Länge entlang des Strömungspfades geringe Breite aufweisen.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Strömungskanäle (3, 4, 5) unterbrochene Schweißnähte (7) zusätzlich zu den begrenzenden, gasdichten Schweißnähten (6) angeordnet sind.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strömungskanal (1) eine sich entlang des Strömungspfades vergrößernde Querschnittfläche aufweist.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter (4) und/oder ein dritter Strömungskanal (5) eine sich entlang des Strömungspfades verkleinernde Querschnittfläche aufweisen.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichten Schweißnähte (6) durch Rollnaht- oder Laserschweißen erzeugt sind.
Plattenförmiges Wärmetauscherelement (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (3, 4, 5) durch druckhaftes Einleiten eines Fluids in die Zuflüsse (8, 9, 10) oder Abflüsse (11, 12, 13) aufgeweitet sind.
Eisspeicheranordnung mit in einem Eisspeicherbehälter (1) angeordneten plattenförmigen Wärmetauscherelementen (2), dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärmetauscherelemente (2) jeweils mindestens drei gasdicht voneinander abgetrennte Strömungskanäle (3, 4, 5) mit jeweils eigenem Zu-(8, 9, 10) und Abfluss (11, 12, 13) aufweisen, – entlang eines ersten Strömungskanals (3) zum Wärmeentzug mit einem Kühlmittel, – entlang eines zweiten Strömungkanals (4) zur Wärmezufuhr mit einem Trennmittel und – entlang eines dritten Strömungskanals (5) zur Eisablösung mit einem Heißgas durchströmbar sind.
Eisspeicheranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (3) als Verdampfer einer Wärmepumpe fungiert, mit einer Regeleinheit (14) verbunden und an eine Gebäudeheizung (15) und/oder einen Warmwassererzeuger (16) gekoppelt ist.
Eisspeicheranordnung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (4) an einen Luft-, Erdwärme- oder Solar-erwärmten Thermokollektor (17) gekoppelt ist.
Eisspeicheranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufluss (10) des dritten Strömungskanals (5) über einen Bypass (18) mit dem Abfluss des ersten Strömungskanals (11) schaltbar verbunden ist.
Eisspeicheranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisspeicherbehälter (1) jeweils mindestens eine regelbare Zu- und Ableitung (19, 20) zu einem Kühlsystem (21) und/oder einem weiteren Thermokollektor aufweist.
Eisspeicheranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zuleitung (19) eine Rührdüse aufweist.
Eisspeicheranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisspeicherbehälter (1) eine gasdicht geschweißte Doppelwand (22) mit einem evakuierten Zwischenraum (23) aufweist.