DE19860151A1 - Wärmeaustauscher - Google Patents

Abstract

Ein Wärmeaustauscher mit wenigstens einem plattenförmigen Wärmeaustauschelement, das in einem Gehäuse angeordnet ist, soll so geschaffen werden, daß er für den Einsatz von körnigen Feststoffen, wie Silicagel als Speichermedium, sowohl für träge als auch für dynamische Anwendungen geeignet ist. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, daß das wenigstens eine Wärmeaustauschelement (6) vertikal stehend und spiralförmig um eine zentrale Zu- und Abführungseinrichtung (4) im Gehäuse (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit wenigstens einem plattenförmigen Wärmeaustauschelement, das in einem Ge­ häuse angeordnet ist.

Bekannte Plattenwärmeaustauscher werden zur Wärmeübertragung, insbesondere bei luft- und gasförmigen Wärmeträgern einge­ setzt. Dabei sind die einzelnen Platten, die geeignet profi­ liert sind, zu Stapeln zusammengesetzt und untereinander vor­ zugsweise unlösbar verbunden, wobei durch die dadurch entste­ henden Kanäle die die Wärme aufnehmenden und Wärme abgebenden Medien dicht voneinander getrennt sind. Ein solcher Platten­ wärmeaustauscher ist beispielsweise in WO 96/29558 beschrie­ ben. Dieser bekannte Wärmeaustauscher besteht aus einem Stapel gleichgroßer und gleichartig profilierter ringförmiger Plat­ ten. Das Wärme abgebende Medium wird vom Umfang her jedem zweiten Spalt zugeführt und durchströmt radial die spiralför­ migen Kanäle, die von der Profilierung der ringförmigen Plat­ ten gebildet werden, in Richtung des Zentrums des Plattensta­ pels, von wo das gekühlte Medium durch eine Abführleitung sei­ ner Wiederverwendung zugeführt wird. Das Wärme aufnehmende Me­ dium durchströmt auf der anderen Seite einer jeden Platte im Gegenstrom den Stapel und wird über Ringleitungen zu- und ab­ geführt.

Ein solcher Plattenwärmeaustauscher ist zum Einsatz bei luft- und gasförmigen Wärmeträgern geeignet, für die Anwendung bei einem körnigen Feststoff als Speichermedium ist ein solcher Wärmeaustauscher dagegen völlig ungeeignet. Derartige körnige Feststoffe als Speichermedium werden bei der Wärmeübertragung in vorzugsweise als Sorptionsspeichern ausgebildeten Wärme­ speichern eingesetzt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Silicagel als Speichermedium. Um bei derartigen Wärmespeichern den Wärmeübergang günstig zu gestalten, kommt es darauf an, daß das Silicagel eine gleichmäßige Schichtdicke zwischen den einzelnen Wärmeaustauscherelementen aufweist. Dabei richtet sich die Dicke der Schicht nach der Anwendung des Wärmespei­ chers, je nachdem ob er träge, wie beispielsweise bei einem saisonalem Wärmespeicher, oder dynamisch, wie bei einem Warm­ wasserbereiter arbeiten muß. Diesen Anforderungen kann ein Wärmeaustauscher gemäß WO 96/29558 nicht genügen.

Ein anderer bekannter Wärmeaustauscher ist in DE 196 34 988 C1 beschrieben. Bei der als Spiralwärmetauscher ausgebildeten Ausführungsform werden zwei metallische Bänder um einen Kern gewickelt. Dadurch entstehen zwei Kanäle zur Führung der im Wärmeaustausch stehenden Medien. Dabei wird ein Medium aus ei­ nem Verteilerraum am Umfang des Wärmeaustauschers nach innen geführt, während das zweite Medium vom Kern des Wärmeaustau­ schers nach außen in einen Sammelraum geleitet wird. Auch ein derartiger Wärmeaustauscher ist für die Verwendung von körni­ gen Feststoffen als Speichermedium ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeaustauscher zu schaf­ fen, der für den Einsatz von körnigen Feststoffen, wie Silica­ gel als Speichermedium, sowohl für träge als auch für dynami­ sche Anwendungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Wärmeaustauscher der eingangs be­ zeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das wenig­ stens eine Wärmeaustauschelement vertikal stehend und spiral­ förmig um eine zentrale Zu- und Abführungseinrichtung im Ge­ häuse angeordnet ist.

Mit einem solchen Wärmeaustauscher ist es möglich, einen guten Wärmeaustausch auch dann zu gewährleisten, wenn ein Wärmeaus­ tauschmedium als körnige Feststoffschüttung ausgebildet ist. Es läßt sich nämlich dadurch eine gleichmäßig durchströmte Schichtung des körnigen Feststoffes, wie Silicagel, erreichen. Bei einem trägen Wärmespeicher, wie beispielsweise einem sai­ sonalem Speicher, der nicht auf schnelle Wechsel in der Be- und Entladung reagieren muß, reicht ein einziges Wärmeaus­ tauschelement, das spiralförmig um die Zu- und Abführungsein­ richtung gewickelt ist.

Benötigt ein Wärmespeicher jedoch schnelle Lastwechsel, wie beispielsweise ein Brauchwassererwärmer, der auf Anforderung sofort warmes Wasser bereitstellen muß, so ist vorteilhaft vorgesehen, daß mehrere spiralförmig angeordnete plattenförmi­ ge Wärmeaustauschelemente vorgesehen sind, die umfänglich ver­ setzt zur Zu- und Abführungseinrichtung angeordnet sind. Da­ durch läßt sich ein gleichmäßigeres Temperaturniveau sowohl auf der Wärmezu- wie auch auf der -abführungsseite erreichen. Außerdem erhöht sich die Temperaturdifferenz zwischen dem wär­ mezuführenden und abführenden Medium, da die Wärmeaufnahme differenziert über die Länge des Plattenwärmeaustauschers er­ folgt.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß jedes plat­ tenförmige Wärmeaustauschelement aus vorzugsweise flexibel miteinander verbundenen Einzelelementen besteht. Solche Ein­ zelelemente lassen sich einfacher herstellen und können auf einfache Weise miteinander verbunden werden.

Je nach den Anforderungen an die zu übertragende Wärmemenge ist vorteilhaft vorgesehen, daß das jeweilige plattenförmige Wärmeaustauschelement an seiner Oberfläche wenigstens einen rohrförmigen Kanal für ein Wärmeträgermedium, beispielsweise ein Heiz- oder Brauchwasser aufweist. Es können selbstver­ ständlich auch zwei oder mehrere, vorzugsweise parallel ge­ führte rohrförmige Kanäle vorgesehen sein. Diese können dann unterschiedlich angeschlossen sein, d. h. zum einen an ein Heizwassernetz und zum anderen an ein zu erwärmendes Brauch­ wassernetz.

Um eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche zu erreichen, ist vorteilhaft vorgesehen, daß der wenigstens eine rohrförmi­ ge Kanal mäanderförmig ausgebildet und beidendseitig mit Zu- und Abführleitungen für das Wärmeträgermedium verbunden ist.

Weiterhin ist besonders vorteilhaft vorgesehen, daß mehrere voneinander getrennte rohrförmige Kanäle für ein Wärmeträger­ medium vorgesehen sind, die abschnittsweise an dem jeweiligen Wärmeaustauschelement angeordnet und jeweils mit den Zu- und Abführleitungen verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform sind zur Verbesserung des Wärmeüberganges die Kanäle somit nicht über die gesamte Länge des jeweiligen Wärmeaustauschele­ mentes geführt, sondern innerhalb des Wärmeaustauschelementes durch mehrfache Zu- und Abführungsanschlüsse in Abschnitte un­ terteilt, so daß eine verbesserte Steuerung des Wärmeübergan­ ges ermöglicht wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispiels­ weise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher für einen im einzelnen nicht dargestellten Sorptionsspeicher,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Wärmeaustauscher nach Fig. 1 gemäß Linie II-II in Fig. 1 mit einem Wärmeaus­ tauschelement,

Fig. 3 in der gleichen Darstellung wie in Fig. 2 eine Ab­ wandlung mit drei Wärmeaustauschelementen,

Fig. 4 ein Wärmeaustauschelement mit mäanderförmig angeord­ neten rohrförmigen Kanälen,

Fig. 5 ein vergrößertes Detail der Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine alternative Ausgestaltung eines Wärmeaustausch­ elementes mit abschnittsweisen rohrförmigen Kanälen und

Fig. 8 ein Wärmeaustauschelement aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Einzelelementen.

Ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher ist in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeaustauscher 1 in einen im einzelnen nicht näher dargestellten Behälter eines Sorptionsspeichers integriert, d. h. das Gehäuse des Wärmeaustauschers 1 ist beim Ausführungs­ beispiel von einem Behälterteil 2 und einem unteren Behälter­ zwischenboden 3 gebildet, der vorzugsweise perforiert ausge­ bildet ist.

Innenseitig ist im Behälterteil 2 ein durchlässigen rohrförmi­ ges Zu- und Abführungselement 4 zentral angeordnet, das den Behälterzwischenboden 3 durchdringt und mit den übrigen nicht dargestellten Komponenten des Sorptionsspeichers verbunden ist.

Im Behälterteil 2, d. h. im Gehäuse des Wärmeaustauschers 1 be­ findet sich eine Schüttung 5 aus einem körnigen Feststoff, z. B. Silicagel, der zur Wärmespeicherung dient. Das Zu- und Abführungselement 4 steht mit den übrigen Komponenten des Sorptionsspeichers, die nicht dargestellt sind, wie beispiels­ weise einem Kondensierer und/oder Verdampfer in Verbindung.

Spiralförmig ist um die zentrale Zu- und Abführungseinrichtung 4 ein plattenförmiges Wärmeaustauschelement 6 vertikal stehend im Behälterteil 2 angeordnet. Dieses Wärmeaustauschelement 6 erstreckt sich dabei nahezu über der gesamten Höhe des Behäl­ terteils 2 und ist innen- und außenseitig vollständig von der Schüttung 5 umgeben.

Wie ein Vergleich der Fig. 2 und 3 zeigt, kann dabei entwe­ der ein einziges plattenförmiges Wärmeaustauschelement 6 vor­ gesehen sein (Fig. 2) oder es können mehrere spiralförmig an­ geordnete Plattenwärmeaustauschelemente 6 vorgesehen sein, die umfänglich, also in Umfangsrichtung versetzt zur Zu- und Ab­ führungseinrichtung 4 angeordnet sind, wie dies Fig. 3 zeigt, dort sind drei derartige Wärmeaustauschelemente 6 vorgesehen. Je nach Anforderungen läßt sich damit durch die Anzahl der Wärmeaustauschelemente 6 die Wärmeübertragungsfläche vergrö­ ßern oder verkleinern. Darüber hinaus läßt sich die Schicht­ dicke der Schüttung 5 zwischen den spiralförmig angeordneten Wärmeaustauschelementen 6 den jeweiligen Anforderungen anpas­ sen.

Unterhalb des oder der Wärmeaustauschelemente(s) 6 ist eine ringförmige Sammelleitung 7 vorgesehen, die mit den Zu- und Abführungsleitungen der plattenförmigen Wärmeaustauschelemente 6 bzw. deren einzelner Abschnitte, wie weiter unten noch näher erläutert werden, verbunden ist und diese Leitungen zusammen­ führt. Die Sammelleitung 7 steht mit den übrigen Komponenten zur Wärmenutzung durch Anschlußleitungen 8, 9 in Verbindung.

Um durch die plattenförmigen Wärmeaustauschelemente 6 in ra­ dialer Richtung hindurch eine Strömung von Wasserdampf oder dgl. zu ermöglichen, sind in den plattenförmigen Wärmeaus­ tauschelementen 6 Durchbrechungen 10 vorgesehen.

Die weitere Gestaltung der Wärmeaustauschelemente 6 ergibt sich im einzelnen aus den Fig. 4 ff.

Das jeweilige Wärmeaustauschelement 6 ist an wenigstens einer Oberfläche mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei rohrförmi­ gen Kanälen 11 für das Wärmeträgermedium versehen, welches durch die Leitungen 8,9 zu- bzw. abgeführt wird. Bei der Dar­ stellung gemäß Fig. 4 sind dabei parallel zwei rohrförmige Ka­ näle 11 vorgesehen, die entlang der gesamten Länge des Wärme­ austauscherelementes 6 mäanderförmig angeordnet sind. Die mit der Ringleitung 7 verbundenen Zuleitungen sind dabei durch Pfeile 12 und die Ableitungen durch Pfeile 13 angedeutet.

Während sich bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 die rohrförmi­ gen Kanäle 11 über der gesamten Länge des Wärmeaustauschele­ mentes 6 erstrecken, ist bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 7 und 8 vorgesehen, daß mehrere voneinander getrennte rohrförmi­ ge Kanäle 11 vorgesehen sind, die abschnittsweise an dem je­ weiligen Wärmeaustauschelement 6 angeordnet sind und jeweils mit den Zu- und Abführleitungen 12, 13 verbunden sind. Die Ka­ näle 11 erstrecken sich somit nicht über der gesamten Länge des jeweiligen Wärmeaustauschelementes 6, sondern jeweils nur über einen Teilbereich, wodurch sich eine verbesserte Steue­ rung des Wärmeübergangs ermöglichen läßt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 7 darüber hinaus vorgesehen, daß das jeweilige Wärmeaustauschelement 6 nicht aus einem Einzelele­ ment besteht, sondern aus mehreren, vorzugsweise flexibel mit­ einander verbundenen Einzelelementen 6a. Solche Einzelelemente lassen sich besonders einfach herstellen, diese lassen sich dann je nach den jeweiligen Anforderungen modulartig zusammen­ setzen.

Wie in Fig. 4 strichpunktiert dargestellt, können die Wärme­ austauschelemente 6 nicht nur rechteckig, sondern auch tra­ pezförmig ausgebildet sein. Dadurch wird eine zusätzliche Wär­ meübertragungsfläche und damit auch Schüttung 5 des Feststof­ fes im Dombereich des Behälters ermöglicht.

Bei der Verwendung eines Wärmeaustauschelementes 6 gemäß Fig. 8 können die Einzelelemente 6a sowohl torusförmig als auch eben gestaltet sein. Bei ebener Ausführung ergibt sich bei der Anordnung um das zentrale Zu- und Abführungselement 4 eine po­ lygonförmige Spirale.

Die Funktionsweise des Wärmeaustauschers 1 bei Einsatz in ei­ nen Sorptionsspeicher ist die folgende.

Zur Wärmespeicherung wird dem Silicagel über ein durch die rohrförmigen Kanäle 11 zugeführtes Wärmeträgermedium, bei­ spielsweise Wasser, Wärme zugeführt. Dabei wird dem Silicagel Feuchtigkeit entzogen und gleichzeitig Wärme gespeichert. Der dabei frei werdende Wasserdampf verläßt diesen Abschnitt des Sorptionsspeichers über das Zu- und Abführungselement 4, das beispielsweise als perforiertes Rohr ausgebildet ist, und ge­ langt in einen nicht dargestellten Kondensierer und von dort in einen ebenfalls nicht dargestellten Sammler. Nach Abschluß dieses Trocknungsprozesses wird die Wärmezufuhr abgestellt und der Sorptionsspeicher ist nicht aktiv, d. h. solange keine Feuchtigkeit in das Silicagel gelangt, hat man praktisch eine verlustfreie Wärmespeicherung.

Zur Wärmeentnahme wird aus dem nicht dargestellen Sammler ei­ nem ebenfalls nicht dargestellten Verdampfer Wasser zugeführt.

Der Dampf steigt in dem Zu- und Abführungselement 4 in den Be­ reich des Silicagels und gelangt durch die Öffnungen in dem Zu- und Abführungselement 4 in die Schüttung 5 des Silicagels. Das Silicagel nimmt die Feuchtigkeit auf und gibt gleichzeitig Wärme ab. Die frei werdende Wärme wird von den Wärmeaustausch­ elementen 6 des Wärmeaustauschers 1 bzw. des durch dessen rohrförmige Kanäle 11 strömenden, zu erwärmenden Wassers auf­ genommen, dieses erwärmte Wasser wird über die Ringleitung 7 und die Abführleitungen 9 einer Nutzung zugeführt.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Aus­ führungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen.

Claims (6)

1. Wärmeaustauscher mit wenigstens einem plattenförmigen Wär­ meaustauschelement, das in einem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Wärmeaustauschelement (6) vertikal stehend und spiralförmig um eine zentrale Zu- und Abführungs­ einrichtung (4) im Gehäuse (2) angeordnet ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere spiralförmig angeordnete plattenförmige Wärmeaus­ tauschelemente (6) vorgesehen sind, die umfänglich versetzt zur Zu- und Abführungseinrichtung (4) angeordnet sind.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes plattenförmige Wärmeaustauschelement (6) aus vor­ zugsweise flexibel miteinander verbundenen Einzelelementen (6a) besteht.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige plattenförmige Wärmeaustauschelement (6) an seiner Oberfläche wenigstens einen rohrförmigen Kanal (11) für ein Wärmeträgermedium aufweist.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine rohrförmige Kanal (11) mäanderförmig ausgebildet und beidendseitig mit Zu- und Abführleitungen (11, 12) für das Wärmeträgermedium verbunden ist.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere voneinander getrennte rohrförmige Kanäle (11) für ein Wärmeträgermedium vorgesehen sind, die abschnittsweise an dem jeweiligen Wärmeaustauschelement (6) angeordnet und je­ weils mit den Zu- und Abführleitungen (11, 12) verbunden sind.