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Wärmeaustauscher, insbesondere für die Heißwassererzeugung Die Erfindung
betrifft einen Wärmeaustauscher, beispielsweise in Verbindung mit einem Wärmekraftwerk,
insbesondere für die Heißwassererzeugung, bei dem der Strömungsweg des die Wärme
aufnehmenden Mittels bzw. des zu erhitzenden Wassers durch Ausbildung von Spiralkanälen
gegenüber dem Strömungsweg des die Wärme abgebenden Mittels, vorzugsweise dem Speicherheißwasser
eines Behälters, eine vielfache Länge aufweist.
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Da die Wünsche bezüglich der Wirkung eines Heißwassererzeugers heutzutage
in vielen Fällen anders sind als früher, haben in letzter Zeit Wärme- und Heißwasseranlagen
mancherlei Veränderungen erfahren. So werden heutzutage für mehrere Häuser bestimmte
Kesselzentralen sowie Wärmekraftwerke angewendet, bei denen das Kühlwasser der Kondensatoren
zur Heizung von Wohnungen und zur Heißwassererzeugung Verwendung findet. Dabei sind
an diese Großzentralen sehr viele Heißwassererzeuger für jede Kesselzentrale angeschlossen,
von denen jeder für eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Wohnungen bestimmt ist
und die in Unterzentralen in der "',%rähe der mit Heißwasser zu versorgenden Wohnungen
angebracht sind.
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Bei solchen Anlagen, bei denen jedes Haus seine Kesselzentrale hat,
sind die Heißwassererzeuger in der Nähe der Kessel angebracht. Früher wurden gewöhnlich
ein Kessel nur für die Heißwassererzeugung und besondere Kessel für die Zentralheizung
angewendet, und zwar deshalb, weil das zirkulierende Zentralleitungswasser in der
Regel eine niedrigere Temperatur als das für die Heißwassererzeugung verwendete
Kesselwasser haben sollte. Heutzutage werden fast immer sämtliche Kessel der Anlage
parallel geschaltet, so daß sie unabhängig von der Temperatur des nach den Heizkörpern
gelangenden Wassers mit hoher Wassertemperatur arbeiten können.
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Diese Entwicklung hat herbeigeführt, daß die Forderung an die Leistung
eines Speichers geringer ist, da infolge der Parallelschaltung der Kessel praktisch
immer Kesselleistung im Überfluß vorhanden ist. Bei großen Anlagen, bei denen die
Heißwassererzeuger weit von der Kesselzentrale angeordnet sind, ist ein großer Temperaturunterschied
zwischen ein- und ausgehendem Kesselwasser im Erzeuger erwünscht, um mit kleinen
Wassermengen und infolgedessen mit kleinen Leitungsabmessungen und verminderten
Wärmeverlusten in den Leitungen arbeiten zu können. da der Heißwasserbedarf sehr
schnell wechselt, insbesondere wenn der Heißwassererzeuger für eine kleine Anzahl
von Wohnungen bestimmt ist. In diesem Falle verursacht die Abzapfung von Wasser
für ein einziges Bad, das nur einige Minuten in Anspruch nimmt, eine erhebliche
Änderung des Heißwasserverbrauches.
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Bisher ist gewöhnlich der Heißwasserbedarf durch sogenannte Durchströmungserzeuger
gedeckt worden, die aus einem Speicher für das zirkulierende Kesselwasser und einer
Batterie zur Erhitzung des Verbrauchswassers bestehen. Das zirkulierende Kesselwasser
ist entgast und somit nicht aggressiv, so daß der Speicher aus Eisenblech ausgeführt
werden kann. Die Batterie wird dagegen stets von neuem und sauerstoffreichem Leitungswasser
durchströmt und soll aus diesem Grunde aus korrosionsbeständigem Material, z. B.
Kupfer, ausgeführt werden. In diesen sogenannten Durchströmungserzeugern ist die
Batterie derart angeordnet, daß das von der Batterie abgekühlte Speicherwasser mit
wärmerem Wasser im Speicher gemischt wird, was zur Folge hat, daß das Speicherfassungsvermögen
groß gemacht werden muß und daß das Rückwasser den Speicher mit hoher Temperatur
verläßt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher, der vorzugsweise
zur Anwendung in Verbindung mit einem Speicher bestimmt ist, um einen sogenannten
Durchströmungserzeuger zu erhalten. Die Erfindung ermöglicht hierbei die Verwendung
eines Wärmeaustauschers bzw. einer Batterie mit einem im Vergleich zu bekannten
Batterien großen äußeren Widerstand, welcher eine erheblich höhere Wärmedurchgangszahl
ermöglicht
als die bekannten Batterien. Durch die Anwendung einer Batterie mit großem Widerstand
wird erreicht, daß der Speicher nach anderen Gesichtspunkten bemessen werden kann
als früher und sehr kleine Abmessungen erhalten kann, insbesondere wenn er für eine
große Anzahl von Verbrauchsstellen, z. B. Badezimmern, bestimmt ist. Der Heißwasserbedarf
in der üblichen Badezeit in einem Hause weist mehrere sehr kurzdauernde hohe Spitzen
auf. Dies beruht darauf, daß eine Badewanne im allgemeinen sehr schnell, etwa in
3 Minuten, gefüllt werden soll. Da die übliche Badezeit aber meist in der Zeit zwischen
19 und 22 Uhr liegt, schwankt der Heißwasserbedarf innerhalb sehr weiter Grenzen.
Da ein großer Widerstand und ein großer Temperaturabfall in der Batterie nur kleine
Wassermengen erfordert, hat der Speicher Zeit, sich vor jeder neuen Entnahme neu
aufzuladen. Man braucht somit den Speicher nicht für die ganze Belastungsperiode,
sondern nur für die höchste denkbare Belastungsspitze zu bemessen.
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Es sind Wärmeaustauscher bekannt, die mit Spiralrohren oder mit einer
großen Anzahl hin- und hergebogener Flanschrohre in Stapelanordnung versehen sind.
Diese Wärmeaustauscher sind kompliziert ausgebildet und besitzen verhältnismäßig
große Abmessungen bei geringem und daher unwirtschaftlichem äußerem Widerstand.
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Es ist weiterhin ein Wärmeaustauscher bekannt, bei dem der Strömungsweg
des die Wärme aufnehmenden Mittels eine vielfache Länge des die Wärme abgebenden
:Mittels aufweist und spiralig geformt ist, wobei in einer Höhe liegende Spiralkanäle
mit seitlichem Abstand voneinander angeordnet sind, so daß das die `'Wärme abgebende
Mittel axial zwischen ihnen hindurchströmt. Hierdurch ist ein großer Raumbedarf
erforderlich, ohne daß eine besonders große Austauschfläche zur Verfügung steht.
Eine gesteigerte Austauschwirkung wird mit diesem bekannten Wärmeaustauscher nicht
erreicht.
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Es ist schließlich ein Kondensator bekannt, bei dem jede Spirale in
einem Behälter eingeschlossen ist, in dem Wasser ohne zwangläufige Führung zirkuliert.
Die zwar ohne Zwischenraum aneinander angrenzenden, aber nicht in Ringflächen übereinanderliegenden
Spiralen dienen hierbei zur Führung eines wärmeabgebenden Mittels. Besondere Kanäle
für ein zweites Mittel sind bei diesem Kondensator nicht vorhanden. Diese bekannte
Ausbildung eignet sich daher nicht zur Verbesserung eines Wärmeaustauschers der
erfindungsgemäßen Gattung.
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Gegenüber diesen bekannten Ausführungen ist der Wärmeaustauscher gemäß
der Erfindung derart ausgebildet, daß die Spiralkanäle, deren Wandungen in an sich
bekannter Weise eng aneinanderliegend, innerhalb eines Stapels in geringem Abstand
voneinander in einer Vielzahl übereinander angeordneter Ringflächen angeordnet sind
und die Durchströmkanäle für das die Wärme abgebende Mittel zwischen den die Spiralkanäle
enthaltenden Ringflächen radial oder etwa radial zu dem Stapel verlaufen und eine
den Stapel seitlich umgebende Verteilerkammer mit einer mittleren Sammelkammer oder
umgekehrt verbinden.
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Durch die erfindungsgemäße gegenseitige Führung der Kanäle wird bei
verringertem Raumbedarf eine ,vesentlich größere Austauschfläche und somit eine
gesteigerte Austauschwirkung gegenüber den bekannten Wärmeaustauschern erreicht.
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Gemäß weiterer Erfindung ist jeder der Spiralkanäle sowohl an der
äußeren als auch an der inneren Mündung mit je einer gemeinsamen Zu- bzw. Ableitung
verbunden.
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Die Spiralkanäle können erfindungsgemäß aus abgeplatteten Kupferrohrschlangen
gebildet sein, die durch Abstandhalter, z. B. Drähte oder Streifen, auseinandergehalten
sind, wobei die Drähte oder Streifen gemäß einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung etwas in die Rohrschlangen eingedrückt sind und zugleich die Windungen
der radialen oder etwa radialen Durchströmkanäle bilden.
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Die Erfindung schlägt weiterhin vor, daß die Spiralkanäle in Gruppen
unterteilt sind, welche derart in Reihe geschaltet sind, daß das Sammelrohr der
einen Gruppe mit dem Verteilerrohr der nächsten Gruppe vereinigt ist.
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Schließlich können gemäß der Erfindung die Rohranschlüsse der Spiralkanäle
derart angeordnet sein, daß das Mittel von innen nach außen durch die Kanäle strömt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Wärmeaustauschers mit
seinem Speicher im Vertikalschnitt, Fig. 2 einen Teilschnitt nach der Linie II-II
in Fig. 1 in größerem Maßstab, Fig. 3 einen Teilschnitt nach der Linie III-III in
Fig. 2 in noch größerem Maßstab, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in der
eine gegenüber den Fig. 1 bis 3 abgeänderte Ausführungsform darstellenden Fig.5.
Fig. 5 einen in der Längsmittelachse liegenden Vertikalschnitt durch einen Wärmeaustauscher,
der aus in Reihe geschalteten Gruppen besteht, und Fig. 6 eine Einzelheit in Seitenansicht.
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Der in Fig. 1 bis 3 dargestellte Heißwassererzeuger ist mit einem
Speicherbehälter 1 versehen, der über einen Einlaß 4 und einen Auslaß 6 an eine
nicht dargestellte Leitung für zirkulierendes Kesselwasser angeschlossen ist. Im
oberen Teil dieses Behälters 1 ist eine als Wärmeaustauscher dienende Durchströmungsbatterie
2 innerhalb einer Abschirmung trichterähnlicher Form angeordnet. Diese Abschirmung
besteht aus einem entsprechend der Umrißlinie der Batterie geformten, zweckmäßig
zylindrischen Außenmantel 5, welcher die Batterie 2 mit Abstand umgibt, und einer
unteren rohrförmigen Verlängerung 3, die annähernd bis zum Boden des Behälters 1
reicht und in ihrem unteren Teil ein Saugrohr bildet. Der Zylinder 5 steht mit dem
Einlaß 4 des Behälters 1 in Verbindung. Durch die derart beschaffene Abschirmung
wird das abgekühlte Kesselwasser zum Boden des Behälters heruntergeleitet, wo es
ohne Mischung mit dem übrigen Wasser im Speicher aufwärts steigt und heißes Wasser
in die Batterie einschiebt. Die Abschirmung 5, 3 ist an sich bereits bekannt. Neu
ist dagegen unter anderem die Ausführung und Kombination der den Wärmeaustauscher
bildenden Batterie mit dem Speicher.
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Die Wärmeübertragungselemente der Batterie 2 bestehen bei dieser Ausführungsform
aus ringförmigen Kupferscheiben 10, die mit gleichen Zwischenräumen übereinander
angeordnet sind. Diese Zwischenräume werden durch Ausprägungen 11, 12 der Scheiben
10 bestimmt, die einerseits als Abstandhalter für die Scheiben 10 und andererseits
als Leitwandungen für das durchströmende Wasser dienen. Zu diesem Zweck sind die
Ausprägungen 11 und 12 in den aufeinanderfolgenden Scheiben 10 abwechselnd angeordnet,
wobei die Ausprägungen 11 zur Bildung eines spiralförmigen Durchlaufkanales 14 für
wärmeaufnehmendes Wasser
(Verbrauchswasser) in jedem zweiten Zwischenraum
spiralförmig verlaufen, während die Ausprägungen 12 radial verlaufen und so in jedem
zweiten Zwischenraum radiale Durchlaßkanäle 15 für das wärmeabgebende Wasser (Speicherwasser)
bilden. Gemäß Fig. 2 stehen von den Anschlüssen 7 bzw. 8 kommende Leitungen 16,
17 mit den Kanälen 14 in Verbindung, und der ringförmige Raum im Zylinder 5 ist
durch die Kanäle 15 mit dem zentralen Raum in der Batterie und mit dem Rohr 3 verbunden.
Die Scheiben 10 sind von Eisenplatten 18 zusammengehalten. Zwischen diesen Eisenplatten
wird die Batterie in ihrer ganzen Höhe von wärmeabgebendem und wärmeaufnehmendem
Wasser durchströmt. Die obere freie Kante des Zylinders 5 ragt nach oben etwas über
den Einlaß der Batterie 2 hinaus. Mit 19 ist ein Luftauslaß und mit 20 eine Stelle
zum Einsetzen von Filtern bezeichnet.
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Beim Abzapfen von Heißwasser strömt kaltes Wasser durch den Anschluß
7, zirkuliert in der Batterie 2, wird erhitzt und strömt durch den Anschluß 8 aus.
Die dem Verbrauchswasser zugeführte Wassermenge wird von dem die Batterie um- bzw.
durchströmenden Speicherwasser entnommen.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6, in denen der Speicherbehälter
nicht dargestellt ist, sind die Wärmeaustauschflächen (Heizflächen) der Batterie
als Wandungen von abgeplatteten Kupferrohrschlangen in Form von Spiralen 2 c ausgebildet,
die im Abstand übereinanderliegen und durch als Abstandshalter dienende Leitstreifen
2 d auseinandergehalten werden. Die Rohrschlangen sind zwischen Bleche 18 eingesetzt.
Mit 16 ist wiederum das Verteilerrohr, mit 17 das Sammelrohr und mit 3 das Saugrohr
bezeichnet. 5 ist die zylindrische Abschirmung, deren Funktion an Hand der ersten
Ausführungsform näher beschrieben ist. Mit 7 und 8 sind die Anschlußenden für das
Verteilerrohr bzw. Sammelrohr bezeichnet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist,
sind die Abstand- und Leitstreifen 2 d schräg angeordnet, um eine gleiche Geschwindigkeit
des durchströmenden Wassers und damit auch einen gleichbleibenden Wasserwiderstand
zu erhalten. Fig. 6 zeigt zwei Rohrschlangen 2 c von der Seite gesehen, die durch
die Drähte oder Streifen 2 d auseinandergehalten sind. Damit die Streifen
2 d
ihre Aufgabe, das Wasser zu leiten, voll erfüllen können, wollen sie um
einige Zehntelmillimeter in die Kupferrohrschlangen eingedrückt sein. In der Batterie
weist jede der übereinanderliegenden Rohrschlangen eine Drehrichtung auf, die zu
der Drehrichtung der darunter- oder darüberliegenden Schlange umgekehrt verläuft,
damit die Befestigung an den Verteiler- bzw. Sammelrohren leichter ausgeführt werden
kann. In Fig. 4 ist eine Schlange 2c ganz und eine hierzu umgekehrt verlaufende
Schlange nur an den Befestigungsstellen gezeigt; die dazwischenliegende Schlangenspirale
ist weggelassen.
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Falls die Rohrschlangen zu dicht übereinanderliegen, wird die Wärmeübertragungszahl
zu niedrig. Bei Baterien für große Wärmemengen, bei welchen die Öffnung 21 in der
Mitte der Schlangen entsprechend groß sein muß und die einen genügend hohen Widerstand
erhalten sollen, kann die Batterie in Gruppen unterteilt werden, die in Reihe geschaltet
sind. Eine Ausführungsform einer solchen Batterie zeigt Fig. 5, in der die beiden
in Reihe geschalteten Gruppen mit 2 a und 2 b bezeichnet sind. Hierbei ist das Sammelrohr
17 der unteren Gruppe mit dem Verteilerrohr 16 der oberen Gruppe vereinigt. In gewissen
Fällen kann man mehr als zwei Gruppen in Reihe schalten, in anderen Fällen kann
man sich mit nur einer Gruppe begnügen. Es liegt in der Natur der Sache, daß die
Proportionen der Batterie dafür entscheidend sind, ob der Speicher Zeit hat, sich
zwischen den Belastungsspitzen zu Beginn der Badeperiode zu laden.
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Bei dem dargestellten Wärmeaustauscher kann das Sekundärwasser eine
mehr als 50mal so lange Strecke als das Primärwasser innerhalb der Batterie durchströmen.
Beim Idealzustand, bei dem die a-Werte auf beiden Seiten der wärmeübertragenden
Wand gleich hoch sind, ist das Verhältnis zwischen den Widerständen in den Primär-
und Sekundärseiten des Wärmeaustauschers also mehr als 1:50. Um die Heizfläche gut
auszunutzen, sollen die a.-Werte entlang den ganzen wärmeübertragenden Flächen gleich
sein. Dies bedeutet, daß die Druckabfälle pro Längeneinheit für das Wasser, das
die Batterie durchströmt, konstant sind. Die erwähnten Forderungen sind der Grund
dafür, daß in gewissen Fällen zwei oder mehr Rohrgruppen oder Rohrspulen in Reihe
geschaltet werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist.
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Der beschriebene Wärmeaustauscher dient nicht nur zur Heißwassererzeugung,
sondern er ist auch für andere Zwecke, beispielsweise als Ölvorwärmer, verwendbar.