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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, bestehend aus einem Speicherbehälter mit einem darin enthaltenen Speichermedium und einem Wärmetauscher mit einem innen liegenden wendelförmigen Rohrsystem mit einem Zulauf und einem Ablauf, wobei der Wärmetauscher und der Speicherbehälter je einen Speichermedienzulauf und einen Speichermedienablauf aufweisen, sodass mit Verbindungsleitungen zwischen Wärmetauscher und Speicherbehälter ein Kreislauf gebildet wird.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Wärmeübertragung mittels Wärmespeicher und Wärmetauscher bekannt.
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Die
DE 20 2011 107 072 U1 beschreibt einen Wärmespeicher in Form eines zylindrischen Behälters, welcher mit einer Vielzahl von Anschlüssen ausgestattet ist, über die der Behälter von verschiedenen Wärmeerzeugern beladen werden kann. Der Behälter ist mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und enthält im Inneren weiterhin zwei Rohrsysteme. Das eine Rohrsystem ist im oberen Bereich des Behälters angeordnet und wird von Trinkwasser durchflossen, wobei dabei die Wärmeenergie vom Wärmespeichermedium auf das Trinkwasser übertragen und dieses damit erwärmt wird. Das zweite Rohrsystem ist im unteren Bereich des Behälters angeordnet und wird von einem Wärmeträgermedium durchströmt, wobei das Wärmeträgermedium beispielsweise von einer Solaranlage erwärmt werden kann. Durch die Integration der Rohrsysteme im Wärmespeicher ist eine Temperaturschichtung im Wärmespeicher mittels der Rohrsysteme nur bedingt möglich. Für eine ausreichende Bereitstellung von erwärmtem Trinkwasser mittels des oberen Rohrsystems muss der obere Teil des Wärmespeichers immer durchgeladen sein. Eine nahezu vollständige Energieausnutzung des Wärmespeichers ist dadurch nicht möglich. Ein im Speicherbehälter integrierter Wärmetauscher in Form eines wendelförmigen Rohrsystems zur Erwärmung von Brauchwasser erhöht deutlich den Wartungsaufwand bei Schäden am Rohrsystem.
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Aus der
DE 27 12 822 A1 ist ein Solar-Brauchwasserspeicher bekannt. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Sonnenkollektor und einem zylindrischen Speicherbehälter, der senkrecht angeordnet ist. Im unteren Bereich des Speicherbehälters befindet sich ein Wärmetauscher, welcher die Wärmeenergie des vom Solarkollektor erwärmten Wärmeträgermediums an das im Speicherbehälter befindliche Brauchwasser transferiert. Durch die Integration des Wärmetauschers im unteren Teil des Solar-Brauchwasserspeichers ist eine Temperaturschichtung im Speicher nahezu nicht möglich. Eine vorrangige Beladung des oberen Teils des Speichers zur vorzeitigen Bereitstellung von Brauchwasser kann durch diese Konstruktion nicht erfolgen. Zudem sollte eine längere Bevorratung von größeren Mengen erwärmten Brauchwassers bzw. Trinkwassers aus hygienischen Gründen vermieden werden.
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In der
DE 30 36 244 A1 ist ein Warmwasserspeicher offenbart, der nach dem ThermosiphonPrinzip arbeitet. Ein vom Solarkollektor erwärmtes Wärmeträgermedium wird durch Konvektion zu einem über dem Solarkollektor liegenden Speicherbehälter geführt. Innerhalb des Speicherbehälters durchläuft das Wärmeträgermedium ein Doppelmantelrohr, wobei dabei die mitgeführte Wärmeenergie an das Brauchwasser im Speicherbehälter abgegeben wird. Durch Konvektion steigt das erwärmte Brauchwasser dann in den oberen Bereich des Speicherbehälters und kann entnommen werden. Aufgrund der Ausnutzung der Wärmekonvektion sind für dieses System keinerlei Pumpen notwendig. Nachteilig ist allerdings die aufwendige Gestaltung des Doppelmantelrohres, welches weiterhin im Wartungsfall nur mit großem Aufwand getauscht werden kann. Eine vorrangige Beladung des oberen Teils des Speicherbehälters zur vorzeitigen Bereitstellung von Brauchwasser kann durch die Konstruktion nur bedingt realisiert werden.
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In der
DE 10 2004 038 546 A1 ist der Wärmetauscher zur Brauch- oder Trinkwassererwärmung außerhalb des Wärmespeichers platziert. Das Speichermedium wird mittels einer Pumpe zum Wärmetauscher gefördert. Durch die Platzierung des Wärmetauschers außerhalb, ist eine gute Temperaturschichtung sowie eine gute Energieausnutzung im Wärmespeicher möglich. Nachteilig ist, dass das Speichermedium zur Brauch- oder Trinkwassererwärmung mittels Pumpe innerhalb des Systems bewegt werden muss, was aufgrund der beweglichen Teile dieser Pumpen den Wartungsaufwand solcher Systeme deutlich erhöht. Darüber hinaus wird für den Betrieb der Pumpen auch Elektroenergie benötigt. Nach längerem Stillstand steht nicht sofort erwärmtes Brauch- oder Trinkwasser zur Verfügung, da durch die Pumpe erst warmes Speichermedium in den Wärmetauscher gefördert werden muss. Dieser Umstand erscheint für eine Brauch- oder Trinkwassererwärmungsanlage im Wohnbereich als nicht komfortabel.
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In der
DE 100 34 683 C1 ist eine kompakte Solaranlage zur Brauchwassererwärmung offenbart, welche einen Sonnenkollektor und einen Wärmespeicher umfasst. Das vom Solarkollektor erwärmte Wärmeträgermedium wird durch Wärmekonvektion in den Wärmespeicher bewegt. Der Wärmespeicher selbst ist konstruktionsbedingt klein dimensioniert, was die Menge des zu erwärmenden Brauchwassers einschränkt. Als Abhilfe werden im Wärmespeicher integrierte Schmelzspeichereinheiten vorgeschlagen. Dabei werden Phenol, Diphenylamin oder Naphtalin als niedrig schmelzende Feststoffe verwendet. Diese Materialien sind als gesundheitlich bedenklich oder gar giftig eingestuft, was die Nutzung dieser Materialien bei der Erwärmung von Trinkwasser fragwürdig erscheinen lässt.
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Letztlich ist aus der
EP 0 924 471 A2 ein Wärmespeicher mit angeschlossenem Solarkollektor bekannt. Der Wärmespeicher weist einen Speicherbehälter mit einem Speichermedium und einen außerhalb des Speicherbehälters vorgesehenen Wärmetauscher auf, wobei der Wärmetauscher über Leitungen mit dem Speicherbehälter verbunden ist. Eine Leitung verbindet dabei einen Speichermedienzulauf des Wärmetauschers mit einem Speichermedienablauf des Speicherbehälters. Eine weitere Leitung verbindet einen Speichermedienablauf des Wärmetauschers mit einem Speichermedienzulauf des Speicherbehälters. Der Speichermedienzulauf des Wärmetauschers ist höhenversetzt zum Speichermedienablauf des Wärmetauschers angeordnet. Ebenso ist der Speichermedienzulauf des Speicherbehälters höhenversetzt zum Speichermedienablauf des Speicherbehälters angeordnet. Innerhalb des Wärmetauschers ist ein wendelförmiges Rohrsystem vorgesehen, welches um einen koaxialen Strömungseinsatz gewundenen ist. Dieses Rohrsystem bildet über eine Zulaufleitung und eine Ablaufleitung mit dem Solarkollektor einen Wärmeträgerkreislauf. Das vom Wärmeträgermedium durchflossene wendelförmige Rohrsystem ist von dem Speichermedium umgeben. Die Wärmeenergie des Wärmeträgermediums wird dabei an das Speichermedium abgegeben, womit dieses erwärmt wird. Zwischen Wärmetauscher und Speicherbehälter wird das Speichermedium aufgrund des Thermosiphonprinzips in einem selbstumlaufenden Ladekreis bewegt. Innerhalb des Speicherbehälters befindet sich ein weiteres wendelförmiges Rohrsystem, welches von Brauchwasser durchflossen wird, wobei dabei die Wärmeenergie des Speichermediums an das Brauchwasser abgegeben wird. Die beschriebene Lösung weist eine Reihe Nachteile auf. Ein im Speicherbehälter integrierter Wärmetauscher in Form eines wendelförmigen Rohrsystems zur Erwärmung von Brauchwasser erhöht deutlich den Wartungsaufwand bei Schäden am Rohrsystem. Darüber hinaus besteht bei der beschriebenen Konstruktion ein hoher Platzbedarf. Eine vorrangige Beladung des oberen Teils des Speicherbehälters mit einer Mindesttemperatur zur vorzeitigen Bereitstellung von Brauchwasser kann durch die Konstruktion nicht realisiert werden. Für eine ausreichende Bereitstellung von erwärmtem Trinkwasser mittels des integrierten Rohrsystems muss der obere Teil des Wärmespeichers immer durchgeladen sein. Eine nahezu vollständige Energieausnutzung des Wärmespeichers ist dadurch nur bedingt möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus Speicherbehälter und Wärmetauscher bestehende Vorrichtung zur Wärmeübertragung zu schaffen, welche das Thermosiphonprinzip ausnutzt und sich durch eine kompakte Konstruktion auszeichnet. Dabei soll der Wärmeübergang im Wärmetauscher verbessert werden. Weiterhin soll auch die Temperaturschichtung im Wärmetauscher sowie auch im Speicherbehälter, zur effektiven Ausnutzung der Energie im Speicherbehälter, deutlich verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst, indem der Wärmetauscher ein Gehäuse mit bohnenförmiger Grundfläche aufweist und das Rohrsystem eine im Gehäuse liegende Trennwand umfasst, sodass dabei die waagerechte Querschnittsfläche des Rohrsystems eine bohnenförmige Außenkontur ausbildet und der Speichermedienzulauf innerhalb des Wärmetauschers eine schlitzförmige Einströmdüse mit einer Austrittsöffnung aufweist, deren Querschnittsfläche zwei kurze Seiten und zwei lange Seiten aufweist, wobei die langen Seiten senkrecht angeordnet sind und die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung orthogonal zur Tangentialebene der an der Austrittsöffnung anliegenden Innenwand des Gehäuses ausgerichtet ist und dass in der Aufsicht des Gehäuses die Austrittsöffnung unmittelbar vor oder an einer Stelle angeordnet ist, an der die Kontur der bohnenförmigen Grundfläche des Gehäuses den kleinsten Krümmungsradius aufweist. Durch die Tieferstellung des Wärmetauschers werden größere Druckunterschiede im Speichermedium zwischen Wärmetauscher und Speicherbehälter erzielt, wodurch am Speichermedienzulauf im Wärmetauscher hohe Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Speichermediums erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Einströmdüse wird das Speichermedium im Wärmetauscher in Rotation versetzt und umströmt das wendelförmige Rohrsystem. Die Rotationsachse der Strömung liegt dabei senkrecht. Durch die Umströmung wird die Wärmeübertragungsleistung im Wärmetauscher deutlich erhöht bzw. kann bei gleicher Wärmeübertragungsleistung die Wärmetauscherfläche verringert werden. Zudem scheidet sich das zu erwärmende und zugleich leichtere Teil des Speichermediums im Wärmetauscher, verursacht durch die bei der Rotation auftretenden größeren Zentrifugalkräfte am schwereren Teil des Speichermediums, vom kälteren Teil des Speichermediums innen ab. Die Zentrifugalkräfte treten besonders an den Stellen mit dem kleinsten Radius des bohnenförmigen Gehäuses auf. Durch die Ausscheidung des kälteren Speichermediums im Wärmetauscher nach außen wird die Absetzung des wärmeren Speichermediums nach oben, bedingt durch seine geringere Dichte, beschleunigt und somit eine schnellere Schichtung des Speichermediums während des Wärmeaustausches im Wärmetauscher erreicht. Durch die bohnenförmige Grundfläche passt sich das Gehäuse des Wärmetauschers ideal der Form des Speicherbehälters an, was eine kompakte Anordnung der Komponenten ermöglicht und somit den Platzbedarf reduziert.
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Eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 sieht vor, dass der Speichermedienablauf des Wärmetauschers an einer höchsten Stelle des Wärmetauschers angeordnet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 sieht vor, dass der Speichermedienablauf des Speicherbehälters an einer tiefsten Stelle des Speicherbehälters angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist gemäß Anspruch 6, wenn die tiefste Stelle des wendelförmigen Rohrsystems im Wärmetauscher mindestens 10 cm unterhalb des Speichermedienablaufs angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 11 sieht vor, dass der Wärmetauscher einen zusätzlichen Speichermedienablauf und der Speicherbehälter einen zusätzlichen Speichermedienzulauf aufweist und beide mit einer Verbindungsleitung miteinander verbunden sind, wobei der zusätzliche Speichermedienzulauf des Speicherbehälters oberhalb des Speichermedienzulaufs des Speicherbehälters angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 12 der zusätzlich Speichermedienablauf an einer höchsten Stelle des Wärmetauschers angeordnet ist. Zweckdienlich ist weiterhin gemäß Anspruch 13, dass in der Verbindungsleitung zwischen dem zusätzlichen Speichermedienzulauf des Speicherbehälters und dem zusätzlichen Speichermedienablauf des Wärmetauschers ein Ventil mit thermostatischem oder elektrischem Antrieb angebracht ist. Über die Ventile kann die Verbindungsleitung zwischen dem zusätzlichen Speichermedienzulauf des Speicherbehälters und dem zusätzlichen Speichermedienablauf des Wärmetauschers geöffnet bzw. verschlossen werden. Dieses Ventil wird über die Temperatur des Mediums in der oberen Zone des Wärmetauschers geregelt. Unterschreitet das Medium in der oberen Zone des Wärmetauschers eine Grenztemperatur, wird die zusätzliche Verbindungsleitung zwischen Speichermedienablauf des Wärmetauschers und Speichermedienzulauf des Speicherbehälters abgesperrt. Damit wird erreicht, dass die Beladung der oberen Zone des Speicherbehälters mit einer vorgegebenen Mindesttemperatur schichtenweise von oben her erfolgt. Hierdurch wird sofort ausreichend Wärme, ohne dass die gesamte obere Zone des Speicherbehälters beladen wird, zur Verfügung gestellt.
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Zur weiteren Sicherstellung einer vorrangigen Beladung der oberen Zone des Speicherbehälters ist nach Anspruch 10 in der Verbindungsleitung zwischen dem Speichermedienablauf des Wärmetauschers und dem Speichermedienzulauf des Speicherbehälters ein weiteres Ventil mit thermostatischem oder elektrischem Antrieb angebracht ist. Über dieses Ventil kann die Verbindungsleitung zwischen dem Speichermedienzulauf des Speicherbehälters und dem Speichermedienablauf des Wärmetauschers geöffnet bzw. verschlossen werden. Dieses Ventil wird über die Temperatur des Mediums in der oberen Zone des Speicherbehälters geregelt. Unterschreitet das Medium in der oberen Zone des Speicherbehälters eine Grenztemperatur, wird die Verbindungsleitung zwischen Speichermedienablauf des Wärmetauschers und Speichermedienzulauf des Speicherbehälters abgesperrt. Bei Öffnung des Ventils beginnt die Beladung der unteren Zone des Speicherbehälters.
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Die Aufgabe kann alternativ gemäß Anspruch 2 gelöst werden, indem der Wärmetauscher ein Gehäuse mit bohnenförmiger Grundfläche aufweist und das Rohrsystem eine im Gehäuse liegende Trennwand umfasst, sodass dabei die waagerechte Querschnittsfläche des Rohrsystems eine bohnenförmige Außenkontur ausbildet und der Speichermedienzulauf innerhalb des Wärmetauschers eine schlitzförmige Einströmdüse mit einer Austrittsöffnung aufweist, deren Querschnittsfläche zwei kurze Seiten und zwei lange Seiten aufweist, wobei die langen Seiten senkrecht angeordnet sind und die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung orthogonal zur Tangentialebene der an der Austrittsöffnung anliegenden Innenwand des Gehäuses ausgerichtet ist und dass in der Aufsicht des Gehäuses die Austrittsöffnung unmittelbar vor oder an einer Stelle angeordnet ist an der die Kontur der bohnenförmigen Grundfläche des Gehäuses den kleinsten Krümmungsradius aufweist. Analog zur zuvor beschriebenen technischen Lösung werden durch die Höherstellung des Wärmetauschers gegenüber dem Speicherbehälter größere Druckunterschiede im Speichermedium zwischen Wärmetauscher und Speicherbehälter erzielt und somit hohe Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Speichermediums im Wärmetauscher erreicht. Wie für die zuvor beschriebene technische Lösung wird hier ebenfalls durch die Gestaltung der Einströmdüse eine Rotation des Speichermediums im Wärmetauscher erreicht und somit die Wärmeübertragungsleistung und die Temperaturschichtung deutlich verbessert. Zudem scheidet der sich abkühlende kältere und zugleich schwerere Teil des Speichermediums im Wärmetauscher, verursacht durch die bei der Rotation auftretenden größeren Zentrifugalkräfte am schwereren Teil des Speichermediums, an der Außenwand des Wärmetauschers ab. Die Zentrifugalkräfte treten besonders an den Stellen mit dem kleinsten Radius des bohnenförmigen Gehäuses auf. Durch die Ausscheidung des kälteren Speichermediums im Wärmetauscher nach außen wird die Absetzung des kälteren Speichermediums nach unten beschleunigt und somit eine schnellere Schichtung des Speichermediums während des Wärmeaustausches im Wärmetauscher erreicht.
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Eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 7 sieht vor, dass der Speichermedienablauf des Wärmetauschers an einer tiefsten Stelle des Wärmetauschers angeordnet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung gemäß Anspruch 8 sieht vor, dass der Speichermedienablauf des Speicherbehälters an einer höchsten Stelle des Speicherbehälters angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist gemäß Anspruch 9, wenn die tiefste Stelle des wendelförmigen Rohrsystems im Wärmetauscher mindestens 10 cm oberhalb des Speichermedienablaufs angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 10 sieht vor, dass in der Verbindungsleitung zwischen dem Speichermedienablauf des Wärmetauschers und dem Speichermedienzulauf des Speicherbehälters ein Ventil mit thermostatischem oder elektrischem Antrieb angebracht ist. Dieses Ventil wird über die Temperatur des im wendelförmigen Rohrsystem erwärmten Mediums am Ablauf des Wärmetauschers geregelt. Überschreitet das erwärmte Medium eine Grenztemperatur, so wird die Verbindungsleitung zwischen Speichermedienablauf des Wärmetauschers und Speichermedienzulauf des Speicherbehälters abgesperrt. Somit fließt kein abgekühltes Speichermedium in den Speicherbehälter zurück und kein heißes Speichermedium in den Wärmetauscher hinein, womit die im Wärmetauscher befindliche Wärmemenge reguliert wird.
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Für die beiden zuvor beschriebenen technischen Lösungen werden im Folgenden weitere Ausgestaltungen beschrieben.
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Gemäß Anspruch 3 wird vorgeschlagen, die Querschnittsfläche der Einströmdüse rechteckig oder trapezförmig oder als Parallelogramm zu gestalten.
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Es wird gemäß Anspruch 14 vorgeschlagen, dass die Trennwand im Wärmetauscher als Zylindermantelausschnitt ausgebildet ist und weiterhin gemäß Anspruch 15 die Höhe der Trennwand nahezu der Höhe des Gehäuses des Wärmetauschers entspricht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 16 sieht vor, dass der Wärmetauscher und der Speicherbehälter von einem Isoliermaterial eingefasst sind. Somit werden sowohl die Temperaturschichtungen innerhalb des Wärmetauschers, als auch innerhalb des Speicherbehälters vor äußeren Umgebungsbedingungen abgegrenzt.
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Alternativ wird nach Anspruch 17 vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher und der Speicherbehälter gemeinsam von einem Isoliermaterial umschlossen sind, wobei weiterhin nach Anspruch 18 vorteilhaft ist, dass zwischen Wärmetauscher und Speicherbehälter ein Isoliermaterial angeordnet ist. Eine thermische Isolierung zwischen Wärmetauscher und Speicherbehälter dient der thermischen Trennung der unterschiedlichen Temperaturverhältnisse in Speicherbehälter und Wärmetauscher.
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Die Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsformen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 Gesamtansicht einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung in einer ersten Ausführungsform nach Anspruch 2.
- 2 Detaildarstellung des Speicherbehälters und Wärmetauschers gemäß 1.
- 3 Detaildarstellung der Einströmdüse gemäß 2.
- 4 Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1.
- 5 Vereinfachte Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1.
- 6 Vereinfachte Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform nach Anspruch 1.
- 7 Vereinfachte Schnittdarstellung einer Kombination aus erster und zweiter Ausführungsform nach Anspruch 1 und 2 mit einem Speicherbehälter.
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In 1 ist eine Gesamtansicht einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung bestehend aus einem Speicherbehälter 1 und einem Wärmetauscher 2 dargestellt, welche zur Erwärmung eines flüssigen Mediums genutzt werden kann. Der Speicherbehälter 1 weist eine zylindrische Form auf und lagert senkrecht auf vier Standbeinen 3. Innerhalb des Speicherbehälters 1 und des Wärmetauschers 2 befindet sich ein Speichermedium, wobei hierfür die Verwendung von Wasser üblich ist. Das Speichermedium ist in der Zeichnung nicht sichtbar. Weiterhin weist der Speicherbehälter 1 einen Speichermedienzulauf 4 und einen Speichermedienablauf 5 auf. Vom Speichermedienablauf 5 führt eine Verbindungsleitung 6 zum Speichermedienzulauf (14, 2) des Wärmetauschers 2. Über eine weitere Verbindungsleitung 7 sind ein Speichermedienablauf 8 des Wärmetauschers 2 und der Speichermedienzulauf 4 des Speicherbehälters 1 miteinander verbunden. Damit wird zwischen Wärmetauscher 2 und Speicherbehälter 1 ein Kreislauf gebildet. Der Speichermedienablauf 5 des Speicherbehälters 1 ist unterhalb des Speichermedienzulaufs (14, 2) des Wärmetauschers 2 angeordnet und der Speichermedienablauf 8 des Wärmetauschers 2 ist oberhalb des Speichermedienzulaufs 4 des Speicherbehälters 1 angeordnet. Der Speichermedienablauf 5 des Speicherbehälters 1 liegt oberhalb seines Speichermedienzulaufs 4.
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Der Wärmetauscher 2 weist ein Gehäuse 9 auf, welches eine bohnenförmige Grundfläche aufweist. Im Wärmetauscher 2 befindet sich eine Trennwand 10, die als Zylindermantelausschnitt ausgestaltet ist, wobei der Radius des Zylindermantelausschnitts an den Radius der bohnenförmigen Grundfläche des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 angepasst ist und die Höhe der Trennwand 10 nahezu der Höhe des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 entspricht. Um die Trennwand 10 ist ein wendelförmiges Rohrsystem 11 gelegt, wobei dabei der waagerechte Querschnitt des wendelförmigen Rohrsystems 11 ebenfalls eine bohnenförmige Außenkontur aufweist. Am unteren Ende des Rohrsystems 11 befindet sich ein Zulauf 12, der aus dem Gehäuse 9 des Wärmetauschers 2 herausgeführt ist. Dieser Zulauf 12 führt dem Rohrsystem 11 das zu erwärmende flüssige Medium zu.
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Dieses fließt dann durch das wendelförmige Rohrsystem 11 und verlässt dieses über den Ablauf 13 am oberen Ende des Rohrsystems 11. Der Ablauf 13 des Rohrsystems 11 ist ebenfalls aus dem Gehäuse 9 des Wärmetauschers 2 herausgeführt.
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Das Gehäuse 9 des Wärmetauschers 2 kann in einfacher Weise aus zwei Tiefziehteilen gefertigt werden. Alle zuvor genannten Verbindungsleitungen (6, 7) sind als Rohre ausgestaltet. Eine für Wärmespeicher übliche Isolierung um den Speicherbehälter 1 und den Wärmetauscher 2 ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Mit der zuvor beschriebenen und in 1 dargestellten Vorrichtung zur Wärmeübertragung kann auch Trinkwasser erwärmt werden. Wie oben beschrieben wird hierzu Trinkwasser in den Zulauf 12 eingeleitet. Am Ablauf 13 des Rohrsystems 11 wird dann entsprechend warmes Trinkwasser entnommen. Das Rohrsystem 11 wird aus korrosionsbeständigem Material, vorzugsweise aus Edelstahl, hergestellt.
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2 zeigt eine Detaildarstellung der in 1 dargestellten Speicherbehälter und Wärmetauscher. Dargestellt ist der obere Teil des Speicherbehälters 1 und der Wärmetauscher 2 von der Seite seines Speichermedienzulaufs 14. Vom Speichermedienablauf 5 des Speicherbehälters 1 führt eine Verbindungsleitung 6 zum höher gelegenen Speichermedienzulauf 14 des Wärmetauschers 2. Innerhalb des Wärmetauschers 2 schließt sich direkt eine Einströmdüse 15 an, wobei der Querschnitt der Austrittsöffnung 16 der Einströmdüse 15 rechteckig ist. Die Einströmdüse 15 formt einen Kanal, der an der Innenwand 17 des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 anliegt. Die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 16 der Einströmdüse 15 ist dabei orthogonal zur Tangentialebene der anliegenden Innenwand 17 des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 ausgerichtet. Die Austrittsöffnung 16 ist unmittelbar vor einer Stelle angeordnet, an der die Kontur der bohnenförmigen Grundfläche des Gehäuses 9 den kleinsten Krümmungsradius R aufweist. Durch eine derart gestaltete Einströmdüse 15 sowie durch die Lage der Austrittsöffnung 16 wird das am Speichermedienzulauf 14 des Wärmetauschers 2 eintretende Speichermedium abgelenkt und entlang der Innenwand 17 des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 geführt, wodurch das gesamte Speichermedium im Wärmetauscher 2 in Rotation versetzt wird. Die Trennwand 10 stellt die Rotation bzw. einen Umlauf des Speichermediums über den gesamten horizontalen Querschnitt des Wärmetauschers 2 sicher. Die Rotationsachse ist dabei senkrecht ausgerichtet. Die Rotationsbewegung ist in 2 mithilfe von Pfeilen dargestellt. Das Speichermedium umströmt im Wärmetauscher 2 dabei das um die Trennwand 10 gelegte Rohrsystem 11. Das Rohrsystem 11 ist in der Darstellung nicht gezeigt.
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Durch das Umströmen des Rohrsystems 11 wird die Wärmeübertragung des Speichermediums an das Brauchwasser bzw. Trinkwasser im Rohrsystem 11 im Wärmetauscher 2 deutlich verbessert. Das Speichermedium kühlt dabei ab und sinkt innerhalb des Wärmetauschers 2 aufgrund der mit der Abkühlung zunehmenden Dichte des Speichermediums ab. Zusätzlich wird das abgekühlte und dadurch mit größerer Dichte schwerer werdende Speichermedium, verursacht durch die während der Rotation auftretenden Zentrifugalkräfte, nach außen vom wärmeren Speichermedium geschieden. Aufgrund der Schwerkraftwirkung wird dabei das Speichermedium innerhalb des Wärmetauschers 2 geschichtet, wobei sich das abgekühlte Speichermedium am Boden des Wärmetauschers 2 sammelt und Speichermedium mit höheren Temperaturen im oberen Bereich des Wärmetauschers 2 konzentriert.
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Nach der Abkühlung des Speichermediums fließt dieses über den Speichermedienablauf 8 (1) des Wärmetauschers 2 zum Speichermedienzulauf 4 des Speicherbehälters 1 und gelangt damit wieder in den Speicherbehälter 1.
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Innerhalb des Speicherbehälters 1 findet aufgrund der Schwerkraftwirkung ebenfalls eine temperaturabhängige Schichtung des Speichermediums statt, wobei warmes Speichermedium im oberen Bereich des Speicherbehälters 1 und kaltes Speichermedium im unteren Bereich des Speicherbehälters 1 vorliegt.
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Aus der 3 ist eine Detaildarstellung der Einströmdüse 15 am Speichermedienzulauf 14 des Wärmetauschers 2 gemäß 2 ersichtlich. Die Austrittsöffnung 16 der Einströmdüse 15 weist einen rechteckigen Querschnitt mit zwei langen Seiten 18 und zwei kurzen Seiten 19 auf. Die Einströmdüse 15 ist so orientiert, dass eine der langen Seiten 18 des Querschnitts der Einströmdüse 15 vorteilhafterweise an der Innenwand 17 des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 anliegt. Die Querschnittsfläche ist orthogonal zur Tangentialebene der anliegenden Innenwand 17 orientiert. Somit wird das aus der Austrittsöffnung 16 austretende Speichermedium entlang der Innenwand 17 des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 geführt und insgesamt in Rotation versetzt.
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4 zeigt eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung. Neben dem Speicherbehälter 1 und dem Wärmetauscher 2 ist eine Isolierung 20, welche beide Teile umschließt, dargestellt. Die Isolierung 20 soll den Verlust von Wärmeenergie des Speichermediums im Wärmetauscher 2 und Speicherbehälter 1 verhindern. Weiterhin kann zwischen Wärmetauscher 2 und Speicherbehälter 1 eine weitere Isolierungsschicht 21 eingebracht sein. Diese verhindert einen Ausgleich der Temperaturunterschiede des Speichermediums zwischen Wärmetauscher 2 und Speicherbehälter 1.
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5 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung. Nicht dargestellt ist die Trennwand 10 innerhalb des Wärmetauschers 2. Dabei wird der Kreislauf zwischen Speicherbehälter 1 und Wärmetauscher 2 nochmals verdeutlicht. Wird über den Zulauf 12 des Wärmetauschers 2 kaltes Trinkwasser durch das wendelförmige Rohrsystem 11 im Wärmetauscher 2 zum Ablauf 13 geführt, wird das kalte Trinkwasser dabei erwärmt. Dadurch wird das Speichermedium im Wärmetauscher 2 abgekühlt und sinkt im Wärmetauscher 2 ab und fließt über den Speichermedienablauf 8 des Wärmetauschers 2 zum Speichermedienzulauf 4 des Speicherbehälters 1 und damit in den Speicherbehälter 1 hinein. Im selben Augenblick fließt am oberen Ende des Speicherbehälters 1 warmes Speichermedium über den Speichermedienablauf 5 des Speicherbehälters 1 zum Speichermedienzulauf 14 des Wärmetauschers 2 in den Wärmetauscher 2 hinein. Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung der Einströmdüse 15 (nicht dargestellt) am Speichermedienzulauf 14 des Wärmetauschers 2 wird das einströmende Speichermedium in Rotation versetzt und umströmt das Rohrsystem 11, was die Abgabe der Wärmeenergie des Speichermediums an das im Rohrsystem 11 fließende Trinkwasser beschleunigt. Durch die Abgabe der Wärmeenergie kühlt das Speichermedium ab und sinkt im Wärmetauscher 2 ab, bis es nach vollständiger Abkühlung zurück in den Speicherbehälter 1 fließt.
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Wird der Zufluss an kaltem Trinkwasser gestoppt, erwärmt sich das im wendelförmigen Rohrsystem 11 stehende Trinkwasser, bis zwischen diesem Trinkwasser und dem im Wärmetauscher 2 befindliche Speichermedium dasselbe Temperaturniveau erreicht ist. Dadurch stoppt der selbsttätige Kreislauf, da keine weitere Abkühlung des Speichermediums im Wärmetauscher 2 stattfindet. Wird wieder kaltes Trinkwasser zugeführt, startet der Kreislauf erneut selbsttätig.
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Da der Kreislauf so lange läuft, bis das im Rohrsystem 11 befindliche Trinkwasser erwärmt ist, steht warmes Trinkwasser auch bei längerer Standzeit ständig zur Verfügung. Weiterhin hat der selbsttätige Kreislauf den Vorteil, dass nur vollständig abgekühltes Speichermedium in den Speicherbehälter 1 zurückfließt.
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Durch die Integration eines thermostatischen Ventils 22 in die Verbindungsleitung 7 zwischen Speichermedienablauf 8 des Wärmetauschers und Speichermedienzulauf 4 des Speicherbehälters 1 kann der Speichermedienablauf 8 aus dem Wärmetauscher 2 gestoppt und somit die Temperatur des Trinkwassers auf maximal 65 °C reguliert werden, was einen Schutzmechanismus zur Verhinderung von Kalkausscheidungen im erwärmten Trinkwasser darstellt.
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Im Gegensatz zu einem wendelförmigen Rohrsystem 11 im Speicherbehälter 1 für die Erwärmung von Trinkwasser, kann ein Rohrsystem in einem externen Wärmetauscher im Wartungsfall deutlich einfacher gewechselt werden. Durch die Einleitung von nur abgekühlten Speichermedium, bedingt durch den autark arbeitenden bzw. selbsttätigen Kreislauf, im unteren Teil des Speicherbehälters 1 wird die Temperaturschichtung im Speicherbehälter 1 gegenüber einem wendelförmigen Rohrsystem 11 im Speicherbehälter 1 deutlich verbessert.
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6 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung in einer zweiten Ausführungsform. Dargestellt ist analog zur ersten Ausführungsform ein Speicherbehälter 1 und ein Wärmetauscher 2. Die Gestaltung des Wärmetauschers 2 mit Trennwand 10 (nicht dargestellt) und Rohrsystem 11 ist identisch mit der Gestaltung des Wärmetauschers 2 in der ersten Ausführungsform. Ebenso wird über Verbindungsleitungen (6,7) zwischen Wärmetauscher 2 und Speicherbehälter 1 ein Kreislauf für ein Speichermedium, welches sich in Speicherbehälter 1 und Wärmetauscher 2 befindet, gebildet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform liegen der Speichermedienablauf 5 des Speicherbehälters 1 oberhalb des Speichermedienzulaufs 14 des Wärmetauschers 2 und der Speichermedienablauf 5 des Wärmetauschers 2 unterhalb des Speichermedienzulaufs 4 des Speicherbehälters 1. Darüber hinaus ist der Speichermedienablauf 8 an höchster Stelle des Wärmetauschers 2 angeordnet. Die tiefste Stelle des wendelförmigen Rohrsystems 11 im Wärmetauscher 2 ist dabei um mindestens 10 cm unterhalb des Speichermedienablaufs 5 angeordnet. Weiterhin liegt der Zulauf 12 oberhalb des Ablaufs 13 des Wärmetauschers und der Speichermedienablauf 5 des Speicherbehälters 1 unterhalb seines Speichermedienzulaufs 4.
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Über den Zulauf 12 kann ein flüssiges Medium, welches z.B. von einer Solaranlage oder einer Wärmepumpe erwärmt wurde, dem Rohrsystem 11 im Wärmetauscher 2 zugeführt werden. Im Rohrsystem 11 wird dieses flüssige Medium zum Ablauf 13 geführt. Beim Durchlaufen des Rohrsystems 11 wird die vom flüssigen Medium mitgeführte Wärmeenergie an das im Wärmetauscher 2 befindliche Speichermedium abgegeben. Somit kühlt sich das flüssige Medium auf dem Weg vom Zulauf 12 zum Ablauf 13 immer weiter ab und wird der Solaranalage bzw. der Wärmepumpe zur erneuten Erwärmung wieder zugeführt.
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Das erwärmte Speichermedium steigt aufgrund der mit der Erwärmung abnehmenden Dichte im Wärmetauscher 2 nach oben und fließt nach vollständiger Erwärmung am Speichermedienablauf 8 aus dem Wärmetauscher 2 über den Speichermedienzulauf 4 in den Speicherbehälter 1 hinein. Im selben Moment fließt kaltes Speichermedium am Speichermedienablauf 5 aus dem Speicherbehälter 1 über den Speichermedienzulauf 14 in den Wärmetauscher 2. Durch die am Speichermedienzulauf 14 angebrachte Einströmdüse 15 (nicht dargestellt) im Wärmetauscher 2 wird das einströmende kalte Speichermedium entlang der Innenwand 17 des Gehäuses 9 des Wärmetauschers 2 geführt und somit im Wärmetauscher 2 in Rotation versetzt. Dadurch umströmt das Speichermedium das im Wärmetauscher 2 befindliche Rohrsystem 11, was die Abgabe der Wärmeenergie des flüssigen Mediums an das Speichermedium beschleunigt. Die Ausgestaltung der Einströmdüse 15 ist identisch zur Ausgestaltung in der ersten Ausführungsform. Das einfließende kalte Speichermedium wird nun im Wärmetauscher 2 erwärmt und steigt im Wärmetauscher 2 nach oben, bis es nach vollständiger Erwärmung wieder in den Speicherbehälter 1 geführt wird. Durch den beschriebenen Kreislauf wird das im Speicherbehälter 1 befindliche Speichermedium immer weiter vom flüssigen Medium erwärmt.
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Weiterhin ist in der Verbindungsleitung 7 ein Ventil mit thermostatischem oder elektrischem Antrieb 22 integriert, womit der Durchfluss in der Verbindungsleitung 7 unterbrochen oder freigegeben werden kann. Hiermit wird erreicht, dass bei einem kalten Speicherbehälterinhalt zunächst nur der obere Teil des Speicherbehälters 1 beladen wird und anschließend der untere Bereich des Speicherbehälters 1. Die Beladung der oberen Zone erfolgt über die zusätzliche Verbindungsleitung 23, welche zwischen einem zusätzlichen Speichermedienablauf 24 am Wärmetauscher 2 und einem zusätzlichen Wärmemedienzulauf 25 am Speicherbehälter 1 angebracht ist. Der zusätzliche Speichermedienablauf 24 ist dabei idealerweise an einer höchsten Stelle des Wärmetauschers 2 angeordnet. In der Verbindungsleitung 23 ist ebenfalls ein Ventil 26 mit thermostatischem oder elektrischem Antrieb integriert, womit der Durchfluss in der Verbindungsleitung 23 unterbrochen oder freigegeben werden kann. Dieses Ventil 26 wird über die Temperatur des Mediums in der oberen Zone des Wärmetauschers 2 geregelt. Unterschreitet das Medium in der oberen Zone des Wärmetauschers 2 eine Grenztemperatur, wird die zusätzliche Verbindungsleitung 23 abgesperrt. Damit wird erreicht, dass die vorrangige, schichtenweise Beladung der oberen Zone des Speicherbehälters 1 mit einer vorgegebenen Mindesttemperatur von oben her erfolgt. Hierdurch wird sofort ausreichend Wärme, ohne dass die gesamte obere Zone des Speicherbehälters 1 beladen wird, zur Funktion des oberen Wärmetauschers 2 nach Anspruch 2, beispielsweise für die Trinkwassererwärmung, zur Verfügung gestellt.
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7 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung in einer ersten und zweiten Ausführungsform. Dargestellt sind zwei Wärmetauscher 2 in der ersten und zweiten Ausführungsform mit einem Speicherbehälter 1. Die Gestaltung der Verbindungsleitungen 6, 7, 23 sowie die der Wärmetauscher 2 entsprechen jeweils der ersten und zweiten Ausführungsform. Mit der dargestellten Anordnung ist sowohl die Beladung des Wärmespeichers, als auch die Entnahme von Wärmeenergie aus dem Speicherbehälter 1 möglich. Der Wärmetauscher 2 in der ersten Ausführungsform befindet sich am Speicherbehälter 1 unten, der Wärmetauscher 2 in der zweiten Ausführungsform befindet am Speicherbehälter 1 oben. Die Anbindung des Wärmetauschers 2 in der ersten Ausführungsform ist dabei so ausgeführt, dass die vorrangige, schichtenweise Beladung der oberen Zone des Speicherbehälters 1 mit einer vorgegebenen Mindesttemperatur von oben her über die Verbindungsleitungen 7 und 23 erreicht wird. Hierdurch wird sofort ausreichend Wärme zur vollen Funktion des oberen Wärmetauschers 2 in der zweiten Ausführungsform zur Verfügung gestellt. Durch die beschriebene Konstruktion des Wärmetauschers 2 in der zweiten Ausführungsform wird bereits die Wärmeenergie bereits dann effektiv ausgenutzt, wenn nur die oberste Schicht des Speicherbehälters 1 beladen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speicherbehälter
- 2
- Wärmetauscher
- 3
- Standbein
- 4
- Speichermedienzulauf
- 5
- Speichermedienablauf
- 6
- Verbindungsleitung
- 7
- Verbindungsleitung
- 8
- Speichermedienablauf
- 9
- Gehäuse
- 10
- Trennwand
- 11
- wendelförmiges Rohrsystem, Rohrsystem
- 12
- Zulauf
- 13
- Ablauf
- 14
- Speichermedienzulauf
- 15
- Einströmdüse
- 16
- Austrittsöffnung
- 17
- Innenwand
- 18
- lange Seite
- 19
- kurze Seite
- 20
- Isolierung
- 21
- Isolierungsschicht
- 22
- Ventil mit thermostatischem oder elektrischem Antrieb, Ventil
- 23
- Verbindungsleitung
- 24
- Speichermedienablauf
- 25
- Wärmemedienzulauf
- 26
- Ventil mit thermostatischem oder elektrischem Antrieb, Ventil
- R
- Krümmungsradius der Kontur der bohnenförmigen Grundfläche des Gehäuses
