Die Erfindung betrifft Plattenwärmetauscher, welche
in Wärmespeichern
mit flüssigem
Speichermedium eingebaut werden und dort zur Zu- oder Abführung von
Wärmeenergie
im Kreuzgegenstromwärmetauschverfahren
arbeiten, wobei das flüssige Speichermedium
von der Schwerkraft bewegt wird.The invention relates to plate heat exchangers, which
in heat storage
with liquid
Storage medium are installed and there for the supply or removal of
Thermal energy
in the cross-countercurrent heat exchange process
work with the liquid storage medium
is moved by gravity.
Bekannt sind aus DE 42 21 668 C2 für Schichtenspeicher
zur Warmwasserbereitung eingebaute Wärmetauscher zur Energiebe-
und/oder -entladung, die aus um eine senkrechte Achse gewundenen
und vom zu erwärmenden
Brauchwasser bzw. von abzukühlender
Solarflüssigkeit
zu durchfließenden
Rippenrohrwendeln bestehen, die zwischen zwei eng anliegenden Trennflächen eingebettet
sind, so dass das Speichermedium durch die Zwischenräume zwischen
der Rohrwendel und den Trennflächen
im Kreuzgegenstrom durch den Wärmetauscher
strömt, wobei
der durch die Trennflächen
gebildete Kanal in einen Abströmkanal
mündet,
der für
eine von zu erwärmendem
Brauchwasser durchflossene Rohrwendel nach unten und für eine von
abzukühlender
Solarflüssigkeit
durchflossenen Rohrwendel nach oben führt. Diese Wärmetauscher
weisen neben ihren Vorteilen auch einige Nachteile auf. Aufgrund
ihrer sperrigen geometrischen Form sind sie in einem geschlossenen
Speicherbehälter
nicht mehr revisionsfähig.
Ist ein solcher Wärmetauscher
defekt oder nur verschmutzt, kann er oft nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand
wieder instand gesetzt werden. Die vennrendeten Rippenrohre sind
aus reinem oder oberflächlich
behandeltem Kupfer und deshalb nicht universell einsetzbar. Die
Trennflächen
um die Rippenrohre sind großflächig und
müssen
aus schlecht wärmeleitendem
Material bestehen. Dazu werden verschiedene Kunststoffe eingesetzt,
deren Einsatz auf Temperaturen bis 90 °C begrenzt ist. Die Wärmetauscher
samt ihrer Trennflächen
und dem Leitrohr sind vielteilige Konstruktionen mit einem relativ
hohen Montageaufwand und dementsprechend vielen Fehlfunktionsmöglichkeiten..Are known from DE 42 21 668 C2 For stratified storage tanks for hot water preparation, built-in heat exchangers for energy charging and / or discharging, which consist of coiled fins coiled around a vertical axis and flowing through the process water to be heated or the solar liquid to be cooled, which are embedded between two closely fitting separating surfaces, so that the storage medium flows through the spaces between the pipe coil and the separating surfaces in cross-counterflow through the heat exchanger, the channel formed by the separating surfaces opening into an outflow channel which leads downwards for a pipe coil through which hot water to be heated flows and upwards for a pipe coil through which solar fluid to be cooled flows , In addition to their advantages, these heat exchangers also have some disadvantages. Due to their bulky geometric shape, they can no longer be revised in a closed storage container. If such a heat exchanger is defective or only dirty, it can often only be repaired with disproportionate effort. The finned tubes used are made of pure or surface-treated copper and therefore cannot be used universally. The dividing surfaces around the finned tubes are large and must consist of poorly heat-conducting material. Various plastics are used for this purpose, the use of which is limited to temperatures up to 90 ° C. The heat exchangers, including their separating surfaces and the guide tube, are multi-part constructions with a relatively high installation effort and accordingly many malfunction possibilities.
Bekannt sind aus der FR-A-2 323 119 auch Plattenwärmetauscher,
die aus einem Stapel geichgroßer
und gleichförmig
profilierter Platten bestehen, in dem benachbarte Platten sich abwechselnd
ihre Vorderseiten oder ihre Rückseiten
zuwenden, und in dem die Platten an den Stellen, an denen sie sich
berühren
und gegeneinander abstützen,
verschweißt oder
verlötet
sind. Solche Plattenwärmetauschern aus
Edelstahl oder anderen Metallen ermöglichen aufgrund geringer Wärmeübergangswiderstände und kurzer
Wärmeleitwege
sehr hohe Wärmeübertragungsleistungsdichten.
Dabei spielt der Wärmeleitwert
des dünnen
Plattenmaterials eine weitaus untergeordnetere Rolle als bei Wärmetauschern,
bei denen für
den Wärmestrom
auch längere
Leitwege durch das Metall notwendig sind, wie es bei Rippnenwärmetauschern
der Fall ist. Merkmal und zugleich Ursache ihres hohen Wärmeübertra gungsvermögens ist
bei herkömmlichen
Plattenwärmetauschern ein
relativ hoher Druckabfall zwischen dem Ein- und Austritt der wärmeübertragenden
Flüssigkeiten.
Deshalb war bisher Zusatzenergie erforderlich, meist in Form elektrischer
Pumpenenergie, um die wärmetauschenden
Flüssigkeiten
zwischen den Platten durch den Plattenwärmetauscher zu pumpen. Da die Fließrichtung
der Flüssigkeiten
durch die Anordnung der Anschlüsse
und durch die Prägung
der Platten sehr individuell wählbar
ist, können
Plattenwärmetauscher
als Gleich-, Kreuzstrom- oder Gegenstromwärmetauscher hergestellt werden.Are known from the FR-A-2 323 119 also plate heat exchangers, which consist of a stack of the same size and uniformly profiled plates, in which neighboring plates alternately turn their front or back sides, and in which the plates are welded or soldered at the points where they touch and support each other. Such plate heat exchangers made of stainless steel or other metals enable very high heat transfer power densities due to low heat transfer resistances and short heat conduction paths. The thermal conductivity of the thin plate material plays a much less important role than that of heat exchangers, which also require longer routes through the metal for the heat flow, as is the case with ribbed heat exchangers. The feature and at the same time the cause of their high heat transfer capacity is a relatively high pressure drop between the inlet and outlet of the heat-transferring liquids in conventional plate heat exchangers. For this reason, additional energy has so far been required, mostly in the form of electrical pump energy, in order to pump the heat-exchanging liquids between the plates through the plate heat exchanger. Since the flow direction of the liquids can be selected very individually through the arrangement of the connections and through the embossing of the plates, plate heat exchangers can be manufactured as co-current, cross-flow or counter-current heat exchangers.
Aufgabenstellung der Erfindung war
es, einen autosiphonisch arbeitenden Kreuzgegenstromwärmetauscher
zu finden, der revisionsfähig
ist, also mit vertretbaren Mitteln jederzeit in den Speicherbehälter ein-
und ausbaubar, der aus Edelstahl herstellbar ist, um diesen für die Trinkwassergüte hochwertigen
Werkstoff nutzen zu können,
der eine sehr hohe Wärmeübertragungsleistungsdichte
besitzt, also auf kleinstem Raum möglichst große Leistungen überträgt, und
der weitgehend kompakt und automatisiert gefertigt und bis ca. 150 °C eingesetzt
werden kann.The object of the invention was
es, an autosiphonic cross-counterflow heat exchanger
to find the revisable
in the storage container at any time with justifiable means
and expandable, which can be made of stainless steel to make it high-quality for drinking water
To be able to use material
which has a very high heat transfer power density
owns, i.e. transmits the greatest possible power in the smallest space, and
which is largely compact and automated and used up to approx. 150 ° C
can be.
Dazu wurde ein Plattenwärmetauscher durch
Endung zusätzlicher
Details nach 1 und 2 so modifiziert, dass er
speicherseitig im Kreuzgegenstrom und autosiphonisch funktioniert,
d. h. angetrieben ohne Zusatzenergie, sondern nur durch den Dichteunterschied
der Speicherflüssigkeit,
der entsteht, wenn die Speicherflüssigkeit im Wärmetauscher
infolge Wärmetauschs
wärmer
oder kälter
wird als in der Umgebung des Wärmetauschers.
Dazu muß dieser
Wärmetauscher
im Speicherbehälterinnern
angeordnet werden. Die Ränder
der Kanäle, durch
welches das Wärmespeichermedium
fließt, sind
deshalb nach oben und unten offen (1). Der Fließweg muß einerseits
möglichst
lang sein, andererseits darf der Fließdruckverlust bei der vorgesehenen
Fließmenge
nicht größer sein
als der sich infolge des Dichteunterschiedes und der Fließhöhe einstellende
Staudruck, der das Fließen
des Wännespeichermediums
bewirkt.For this purpose, a plate heat exchanger was added by ending additional details 1 and 2 modified in such a way that it works in cross-counterflow and autosiphonically on the storage side, i.e. driven without additional energy, but only by the difference in density of the storage liquid that arises when the storage liquid in the heat exchanger becomes warmer or colder than in the vicinity of the heat exchanger as a result of the heat exchange. For this purpose, this heat exchanger must be arranged inside the storage tank. The edges of the channels through which the heat storage medium flows are therefore open at the top and bottom ( 1 ). On the one hand, the flow path must be as long as possible, on the other hand, the flow pressure loss for the intended flow quantity must not be greater than the dynamic pressure which arises as a result of the difference in density and the flow height and which causes the flow of the storage medium.
Durch eine spezielle Prägung der
Platten (6, 7) ergibt sich für die Zwischenräume, z.
B. zwischen ungeradzahligen und geradzahligen Platten (z. B. 1 – 2, 3 – 4 usw.),
ein Punktverbindungsraster (8). Da eine Abdichtung der
Plattenränder
nur an den Seiten erfolgt, während
die Kanäle
oben und unten zum Speicher offen bleiben, fließt das Speichermedium den kürzesten
Weg senkrecht durch das Punktraster.Through a special embossing of the plates ( 6 . 7 ) results for the gaps, e.g. B. between odd-numbered and even-numbered plates (e.g. 1 - 2, 3 - 4 etc.), a point connection grid ( 8th ). Since the edges of the plates are only sealed on the sides, while the channels above and below remain open to the storage, the storage medium flows the shortest way vertically through the grid of points.
Durch die Prägung der anderen Plattenseite ergeben
sich dann für
die Zwischenräume
zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Platten (z. B. 2 – 3, 4 – 5 usw.)
neben einem Punktverbindungsraster auch geschlossene Verbindungslinien
(9) sowie eine vollständige
Abdichtung der Plattenränder.
Dadurch wird ein Hin- und Herfließen des die Wärmeenergie zuführenden
oder abführenden
Mediums durch das Punktraster entlang mäanderförmiger Sammelkanäle (3)
quer und entgegen der Fließrichtung
des Wärmespeichermediums,
also ein Kreuzgegenstrom, erzwungen (2).By embossing the other side of the plate, there are also closed connecting lines for the spaces between even-numbered and odd-numbered plates (e.g. 2 - 3, 4 - 5, etc.) 9 ) as well as a complete sealing of the plate edges. This prevents the medium supplying or discharging the thermal energy flowing back and forth through the dot matrix along meandering collecting channels ( 3 ) across and against the flow of heat storage medium, i.e. a cross counterflow, forced ( 2 ).
Der Fließweg des die Wärmeenergie
zuführenden
oder abführenden
Mediums ist damit viel größer als
derjenige des Wärmespeichermediums.
Bei konstantem Plattenabstand würden
sich sehr unterschiedliche Druckverluste einstellen. Außerdem ist der
Druckverlust des Wärmespeichermediums
bei ausreichendem Wärmeübertragungsvermögen zu minimieren.
Weiterhin sollen das Gesamtvolumen des Wärmetauschers und die Wärmetauscherinhalte beider
Medien minimal sein. Deshalb werden durch eine beidseitig unterschiedliche
Tiefe der Plattenprägung
die Abstände
der Platten, zwischen denen das Speichermedium fließt, und
den Platten, zwischen denen das dem Speicher die Wärmeenergie
zuführende
oder abführende
Medium fließt,
nach mehreren Optimierungskriterien verschieden ausgeführt (5).The flow path of the thermal energy
afferent
or laxative
Medium is therefore much larger than
that of the heat storage medium.
At constant plate spacing
very different pressure losses occur. In addition, the
Pressure loss of the heat storage medium
to minimize with sufficient heat transfer capacity.
Furthermore, the total volume of the heat exchanger and the heat exchanger contents of both
Media be minimal. Therefore, be different on both sides
Plate embossing depth
the distances
the disks between which the storage medium flows and
the plates between which the thermal energy is stored
feeding
or laxative
Medium flows,
Executed differently according to several optimization criteria (5).
Mit den bisher getroffenen Details
arbeitet der Wärmetauscher
bereits effektiv, allerdings ohne thermische Schichtung. Um einerseits
durch den Betrieb des Wärmetauschers
eine thermische Schichtung im Wärmespeicher
zu erzeugen oder eine vorhandene Schichtung zu erhalten und andererseits den
autosiphonischen Antrieb zu verstärken, mündet das Wärmespeichermedium nach dem
Wärmetausch
in eine Sammelvorrichtung (4), die in ein Leitrohr übergeht.
Das Leitrohr zwingt das Speichermedium, nach einer Abkühlung vom
Wännetauscher weg
nach unten und nach einer Aufwärmung
vom Wärmetauscher
weg nach oben zu fließen.With the details made so far, the heat exchanger is already working effectively, but without thermal stratification. In order to generate thermal stratification in the heat accumulator or to maintain an existing stratification by operating the heat exchanger on the one hand and to strengthen the autosiphonic drive on the other hand, the heat storage medium opens into a collecting device after the heat exchange ( 4 ), which merges into a guide tube. The guide tube forces the storage medium to flow down after cooling down from the heat exchanger and upward after warming up from the heat exchanger.