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Elektrischer Durchlauferhitzer Die Erfindung bezieht sich auf einen
schneliwirkenden Wärmeaustauscher und betrifft insbesondere einen Wärmeaustauscher,
der so gebaut ist, dass er als ochleistungswassererhitzer dienen kann.
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Erfindungsgemäss wird eine Vorrichtung in Vorschlag gebracht mit einem
durch Herstellung von Windungen geformten, schraubenlinienförmig gerippten Metallrohr,
das eine Vielzahl von zueinander parallelen, schraubenlinienförmig verlaufenden
Nuten und Rippen aufweist. Dieses mit Windungen versehene Rohr, das auf kleinem
Raum eine grosse Heizfläche bietet, ist in einem rohrförmigen Mantel oder Gehäuse
angeordnet. In den Seitenwänden des Rohres sind Durchbrüche vorgesehen zwecks Herstellung
einer Verbindung zwischen dem Rohr und dem Gehäuse, die beide als hochgradig wärmeleitfähigem
Kupfei' oder anderem Metall mit gleicher Kennlinie hergestellt sind. Im Inneren
des Rohres befindet sich ein elektrisches IIeixelement. In das Gehäuse und das Rohr
wird von einem Ende hi Kaltwasser eingebracht.
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Das Kaltwasser wird bei seiner Berührung mit dem Heizelement im Innern
des Rohres sofort erhitzt. Das IIeisswasser und der Dampf in dem Rohr vermiscilen
sich mit dem Wasser in dem die in dem Rohr vorhandenen Nuten umgebenden Gehäuse
und erhitzen es.
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Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Wärmeaustauschers kann das Gehäuse
von einer elektrisch beheizten Decke oder Hülse umgeben sein. Zur weiteren Erhöhung
des Wirkungsgrades der Vorrichtung kann ein Wärmeisolierpolster oder -belag das
Gehäuse und die elektrisch beheizte Hülse umgeben. Aus der Vorrichtung abgezogenes
Warmwasser und Dampf können in beliebiger Weise verwendet werden. Die Vorrichtung
ist zur Verwendung in einem Raumbeheizungssystem, bei welchem Warmwasser oder überhitztes
Wasser benutzt wird, oder in einem einen Hochleistungswärmeaustauscher erfordernden
sonstigen System hervorragend geeignet.
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Eine der der Erfindung zugrundeliegendenAufgab.ist demzufolge in der
Schaffung eines Hochleistungswärtneaustauschers mit geringem Raumbedarf zu sehen,
bei welchem als wesentliches Element ein ein starke Hitze erzeugendes Element umgebendes,
seitlich durchbrochenes schraubenlinienförmig genutetes oder mit Windungen versehenes
Innenrohr benutzt wird.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Wärmeaustauschers
der beschriebenen Art, bei welchem das schraubenlinienförmig genutete oder mit Windungen
versehene Rohr im Inneren eines Wasserleitungsgehäuses angeordnet ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Wärmeaustauschers
der beschriebenen Art, bei welchem eine elektrisch beheizte Hülse das Gehäuse umgibt
und eine wärmeisolierende Decke das Gehäuse und die Hülse umschliesst.
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Ein noch weiteres und tauptsächliches Ziel der Erfindung ist die Schaffung
einer mechanisch und elektrisch sicheren Fluidheizeinheit mit langer Lebensdaller
und über Jahre hinaus ständigem Betrieb.
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Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand einiger
in der Zeichnung dargestellter Ausführunsbeispiele näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 einen teilweise aufgebrochenen axialen Längsschnitt
durch eine Wärmeaustauschvorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 einen Scllnitt nach
der Linie 2-2 in Fig. 1, in vergrössertem Nassstabe, Fig. 3 eine Seitenansicht des
unterbrocLen dargestellten schraubenlinienförmig genuteten Rohres, Fig. 4 ein Diagramm
eines Raumbeheizungssystems bei Benutzung des Wärmeaustauschers nach Flug. 1 und
2, Fig. 5 einen teilweise aufgebrochenen axialen Längsschnitt durch einen weiteren
Wärmeaustauscher, Fig. G einen Querschnitt nach der Linie 6", in Fig. 5, Fig. 7A
einen axialen Längsschnitt durch einen in ein Heizungs-Kühl- und Warmwassersystem
eingeschalteten weiteren Wärmeaustauscher, wobei Teile des Systems schematisch und
andere Teile im Längsschnitt dargestellt sind, Fig. 7B eine eine Fortsetzung des
Systems nach Fig. 7A darstellende ähnliche Ansicht, Fig. 8 einen Querschnitt nach
der Linie 8-8 i.n Fig. 7A.
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In Fig. 1 und 2 ist eine Wärmeaustauschvorrichtung 10 dargestellt,
die ein mit Windungen versehenes zylindrisches Innenrohr 12 mit mehreren, sich mit
schraubenlinienförmig verlaufenden
Rippen 16 abwechselnden, schraubenlinienförmig
verlaufenden wellenförmigen Nuten 14 enthält. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind vier einzelne
Nuten 14a, 14b, 14c, 14d und vier sich mit ihnen abwechselnde einzelne Rippen 16a,
16b,16c, 16d vorhanden, die zueinander parallel über fast die gesamte Länge des
Rohres verlaufen. Rohre dieser Art lassen sich mit Hilfe von Verfahren herstellen,
wie sie in den USA-Patenten Reissue 24 783 und 3 015 355 beschrieben sind. Das iNohr
hat zwei zylindrische Endalschni.tte 18, 20 mit reduziertem Durchmesser, die in
zylindrischen Flanschen 22 bzw. 24 enden. In jeder Windung jeder der Nuten 14 befinden
sich ein oder mehrere Durchbrüche 25.
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Weitere Durchbrüche 26 sind an den Seiten des zylindrischen Endabschnittes
18 vorgesehen. Das mit Windungen versehene Metallrohr 12 weist von einem bis zu
seinem anderen Ende einen im wesentlichen gleichssigen Durchmesser und eine gleichmässige
Wandstärke auf und schafft auf kleinem Raum eine grosse Heizfläche.
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Das mit Windungen versehene oder schiaubenlinienförmig gerippte Metallrohr
12 ist im Inneren eines rohrförmigen Netallmantels oder -gehäuses 30 angeordnet,
wobei die Rippen 16 abdichtend gegen die Innenwandfläche des Gehäuses 30 anliegen,
so dass vier Strömungskanäle für das Wasser entstehen, wie bei C gezeigt. Die Flanschen
22, 24 stimmen mit den einander gegenüberliegenden Enden des rohrförmigen Gehäuses
30 überein. An den einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuses sind Verschlusskappen
32, 34 angebracht. Das Hantelgehäuse 30 weist in Nähe seiner Enden seitliche Öffnungen
36, 38 auf, von welchen aus sich eine Einlassleitung 40 bzw. eine Auslassleitung
42 erstreckt. Die sich in radialer Richtung erstreckenden Leitungen 40, 42 dienen
dem Erhitzer als Wassereinlass bzw. als Wasserauslass. Die zylindrischen Endabschnitte
18 und 20 des Rohres 12 haben einen kleineren Durchmesser als die Innenseite des
Gehäuses 30, so dass an den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses, angrenzend
an die Ein- und Mislaasleitung
40 bzw. 42 zwei Ringkammern 43 bzw.
44 abgegrenzt werden.
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Im Inneren des mit Windungen versehenen oder schraubenlinienförmig
gerippten Rohres 12 befindet sich ein zu einer Schleife ausgebildeter elektrischer
Heizstab 45, der wasserdicht einen isolierten Heizdraht 46 umschliesst. Die beiden
Enden des Stabes ragen am Auslassende des Gehäuses 30 durch die Kappe 34 hindurch
nach aussen heraus. Die Enden des Heizdrahtes 46 können an eine äussere Stromquelle
angeschlossen werden.
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Der Heizstab 45 ist fast so lang wie die Rohre und wird durch die
Innenseiten der Nu-ten 14 sowie durch die zylindrischen Endabschnitte 18 und 20
gehalten. Dieser Heizstab 45 kann eine stark konzentrierte Wärme abgeben und ist
im Handel unter der Bezeichnung "Cal-Rod"-Heizstab bekannt. Er oxydiert bei hoher
Temperatur im Fluid nicht.
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Das Metallgehäuse 30 ist von einer elektrischen Heizhülse oder einer
gummierten nachgiebigen Heizdecke 50 umgeben.
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Diese Hülse kann aus glasfaserverstärktem Silikon-Kautschuk bestehen,
wobei in ihr ein Widerstandsheizdraht oder eine Widerstandsheizspule 52 eingebettet
ist. Der Draht 52 endet in äusseren Anschlüssen 54, die an eine geeignete äussere
Stromquelle angeschlossen werden können. Das Gehäuse 30 und die Hülse 50 sind von
einem dicken Polster 55 aus wärmeisolierendem P.aterial, beispielsweise aus Asbestwolle,
Fiterglas o. dgl. umgeben.
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In die Vorrichtung wird über die Einlassleitung 40 Kaltwasser eingebracht.
Dieses Wasser gelangt in die Ringkammer 43.
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flit der Ringkammer 43 steh-t der Innenraum des mit Windungen versehenen
oder schraubenlinienförmig gerippten Rohres 12 in Verbindung. Ausserdem stehen mit
der Ringkammer 43 zueinander parallele, dadurch die Aussenwände der Nuten 14 die
anschliessenden Wände der Rippen 16 und die Innenfläche des Gehäuses 30 abgegrenzte
schraubenlinienföriiiig verlaufende
Kanäle C in Verbindung. Das
Kaltwasser gelangt also sowohl in das Rohr 12 als auch in die vier Strömungskanäle
C hinein.
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Das Wasser wird in dem Rohr 12 mit Hilfe des ileizstabes 45 sofort
erwärmt bzw. erhitzt und in Dampf umgewandelt, der über die seitlichen Durchbrüche
25 austritt und sich mit dem in den Kanälen C vorhandenen Wasser mischt, um es zu
erhitzen.
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Das Wasser wird unter dem I)ruck des zuströmenden Wassers durch und
um das mit Windungen versehene Rohr 12 und die Kanäle C getrieben. Das mit Dampf
oder überhitztem Wasser gemischte ileisswasser IIW wird dadurch die Kammer i und
aus der Auslassleitung 42 getrieben. ts sei bemerkt, dass das mit Windungen versehene
Rohr 12 keinen unmittelbaren Auslass hat. Das Wasser und der Dampf in diesem mit
Windungen versehenen Rohr muss zum Erreichen der Auslassleitung 42 durch die Kanäle
C hindurchströmen.
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Die elektrisch beheizte hülse 50 hat den Zweck, die Temperatur des
Gehäuses 30 zu erhöhen zwecks Verhinderung von Wärmeverlusten aus dem erhitzten
Wasser W durch die Gehäusewände hindurch. Das Wärmeisolierpolster 55 erhält den
Wärmeaustauschwirkungsgrad der Vorrichtung, indem es sowohl Wärmeverluste über die
Aussenseite der Hülse 50 als auch um die Ansatzenden der Leitungen 40, 42 und um
das Gehäuse 30 einschliesslich der Stirnkappen 32 und 34 herum unterbindet.
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Fig. 4 zeigt in sche-latischem Darstellung den Wärmeaustauscher 10
nach Fig. 1 bis 3 in einem Raumbeheizungssystem 100. Der Kaltwasserzufluss 102 ist
an die Einlassleitung 40 angeschlossen. Die Auslassleitung 42 ist an ein Verteilerventilsystem
104 mit Auslässen 104a, 104b und 104c angeschlossen. An dieses Ventilsystem ist
über den Auslass 104a eine Verteilerleitung 106 angeschlossen, die den Raumheizkörpern
108 Warmwasser zuführt. Die Raumheizkörpern 100 fähren das Wasser in eine Abflussleitung
110 hinein ab. nderenfalls kann die Abflussleitung,
wie durch die
gestrichelte Linie 112 angedeutet, auch mit der Kaltwasserzufuhr 102 verbunden sein
zum Bilden eines Umlaufsystems, mittels dessen das Wasser erhalten bleibt. Die beiden
elektrischen Heizdrähte 4G und 52 können an fein und dieselbe Stromquelle 113 angeschlossen
sein.
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Der Wärmeaustauscher 10 nach Fig. 1 bis 7 ½ann auch in and Systeme
eingebaut werden, bei welchen sich ein schnellheizender Wärmeaustauscher der beschriebenen
Art anstelle der bischer bekannten, durch Verbrennung von Öl, Gas oder fossiler
Brennstoffe beheizten Boiler zwecltinässig verwenden lässt. Anteile von vier zueinander
parallelen, schraubenlinienförmig verlaufenden Nuten und Rippen können auch mehr
oder weniger als vier schraubenlinienförmig verlaufende Nuten und Rippen vorgesehen
werden. Das mit Windungen versehene oder schrautenlinienförmig gerippte Rohr 12
sollte aus Kupfer oder einem sonstigen Metall mit geringer Wärmeträgheit und hoher
Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Das Gehäuse 30 kann aus einem Metall mit geringerer
Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Gewünschtenfalls kann dieses Metallgehäuse
durch einen Mantel aus Keramikmaterial, gehärtetem Glas oder einem sonstigen geeigneten
Werkstoff ersetzt werde; Die in die Nuten des mit Windungen versehenen RolLres 12
gebohrten Löcher bzw. Durchbrüche lassen das Fluten der Heizeinheit mit Wasser zu,
während gleichzeitig der Wasserfluss um die Aussenseite des mit Windungen versehenen
Rohres herum umläuft.
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Es ist klar, dass in den Wärmeaustauscher Wasser eingelassen wird,
dass das Wasser jedoch nur in Form von Dampf austreten kann, wobei der Druck höher
ist als der Leitungsdruck des auf der Aussenseite des :r.jit Windungen versehenen
Rohres fliessenden Wassers. Das innere Wasser wird sofort in Dampf umgewandelt und
am Eingang der Kaltwasserleitung aufgefüllt. So entsteht praktisch ein kleiner Dampfgenerator,
der Dampf in das umlaufende Wasser einspritzt, um es zu erhitzen.
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Wasser hat im Vergleich zu Kupfer einen sehr schlechten Wärme durchgang,
und durch Aufteilen des Flusses in vier Kanäle wird das Erhitzen des Wassers beschleunigt.
Obwohl hier Wasser erwähnt worden ist, leuchtet ein, dass hier auch andere, magnetisch-
oder induktionsbeheizte Wärmeübertragungsfluide bei gleicher zusätzlicher Wirkung
verwendet werden können.
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Fig. 5 und C zeigen einen weiteren Wärmeaustauscher 10A, der bei mit
gleichen Bezugszeichen versehenen miteinander übereinstimmenden Teilen grundsätzlich
der gleiche ist wie der Wärmeaustauscher 10 nach Fig 1 bis 3. Bei dem Wärmeaustauscher
10A sind vier gerade elektrische Heizelemente oder -stäbe 45a vorgesehen, die mit
Hilfe von im Inneren des seitlich durchbrochenen, mit Windungen versehenen Rohres
12a angeordneten Distanzteilen GG in einer feststehenden Umfangsreihe in gleichem
wechselseitigen Abstand voneinander gehalten werden. Das Rohr 12a ist in dem von
dem Wärmeisolierpolster 55a vollständig umschlossenen Gehäuse 30a angeordnet. Die
Ileizelemente 45a ragen an den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 30a
und des Rohres 12a nach aussen aus den Stirnwänden 34a, 34b heraus. Im Inneren jedes
Stabes befindet sich ein Widerstandsdraht 46a. Die entgegengesetzten Enden der Widerstandsdrähte
verlaufen durch das Warmeisolierpolster 55a hindurch und enden an Relaisschaltern
G5, die in dem Relaiskasten 64 am linken Ende des Aufbaues angeordnet und in einen
geeigneten thermostatgesteuerten Stromkreis eingeschaltet sind. Der Wärmeaustauscher
hat einen rechteckigen Netallaussenmantel oder ein solciles Gehäuse GO, das das
Wärmeisolierpolster 55a glatt umschliesst und an seiner rechten Stirnseite durch
eine Kappe 62' verschlossen ist. Die Kappe 62 am anderen Ende des Aufbaues verschliesst
den Relaiskasten 64. Der Wärmeaustauscher hat eine Einlassleitung 40a und eine Auslasslei.tung
142a, die sicll in Nähe der jeweiligen
Enden des Rohres 12a in
radialer Richtung erstrecken. Der Wärmeaustauscher lOA arbeitet grundsätzlich in
gleicher Weise, wie vorstehend anhand des Wärmeaustauschers 10 nach Fig. 1 bis 3
beschrieben, so dass diese Beschreibung nicht wiederholt zu werden braucht. Die
Relaisschalter 65 dienen zum Ein- und Ausschalten der Stromzufuhr zu den elektrischen
Heizdrähten 46a.
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Die Heizspule oder der Heizdraht 52 in der Heizdecke 50 wird in gleicher
Weise mit Strom versorgt wie anhand des Wärmeaustauschers 10 beschrieben.
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Fig. 7A und 7B zeigen ein Raumbeheizungs, Kühl- und Haushaltswarmwasser-Heizsystem
200 bei verwendung eines Wärrmeaustauschers 10B. Der Wärmeaustauscher 10B entspricht
im weseltlichen dem Wärmeaustauscher 10A und die miteinander übereinstimmenden Teile
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei diesem Wärmeaustauscher sind zwei
mit schraubenlinienförmig verlaufenden Windungen versehene Rohre 12a und 12b vorgesehen.
In jedem Rohr befindet sich ein Satz aus vier geraden elektrischen Heizelementen
oder -stäben 45a, die mit Hilfe von im Inneren des mit Windungen versehenen Rohres
quer angeordneten Distanzelementen 66 in einer feststehenden Reihe bei gleichem
wechselseitigem Abstand voneinander gehalten werden. Jedes Rohr ist von einer elektrisch
beheizten Hülse oder Decke 50 umgeben. Die entgegengesetzten Enden der Widerstandsheizdrähte
46a enden an in einem Relaiskasten 64a angeordneten Relaisschaltern 65a. Die Relaisschalter
sind zu ihrem Betrieb in de.n System in einen thermostatgesteuerten Stromkreis eingeschaltet.
Die Drähte 46a erstrecken sich durch das die beiden Rohre 12a und 12b umgebende
Wärmeisolierpolster 55b hindurch. Das Polster 55b ist von einem glatt passenden
Gehäuse oder von einer solchen Hülle COa umschlossen, die an ihren Stirnseiten durch
Kappen 62a und 62a' verschlossen ist. Der Wärmeaustauscher hat zwei Einlassleitungen
40b und 40c. Der Einlass 40b leitet Kaltwasser in das Gehäuse 30b hinein. Der Einlass
40c leitet umlaufendes oder aufgefangenes
Wasser in das Gehäuse
30a' hinein. Der Wärmeaustauscher hat zwei Auslassleitungen 2 %tfld 42c. Der Auslass
42t leitet Warmwasser aus dem Gehäuse 30b heraus. Das das Gehäuse 30b verlassende
Warmwasser wird einer Warmwasser-Abführleitung 202 zugeführt. Da der Wärmeaustauscher
sofort erwärmt, ist kein Warmwasser-Speicherbehälter erforderlich. Dies hat beachtliche
wirtschafltiche Lrsparnisse sowohl bei der Anlage als auch beim Betrieb dos Systems
zur Folge.
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Aus der Auslassleitung 42c austretendes Warmwasser gelangt über ein
Absperrventil 204 in der Leitung 206 zu einer Pumpe 208. Das Warmwasser wird liter
einer Konvekt onsheizkörper 210 z.B. in Form einer gerippten Schenerleiste geleitet,
um in den; Raum, in welchem der Konvektions- oder Rippenheizkörper angeordnet ist,
Wärme abzustrahlen. Von dem Konvektionsheizkörper aus wird das abgekühlte Wasser
über ein thermostatgesteuertes Ventil 212 und den Einlass 40c des Dreiwegventils
21 zu einer erneuten Erwärmen zurückgeleitet.
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Das Ventil ist dann so eingestellt, dass die Verdichter-Kondensator-Kühlanlage
216 und das Expansionsgefäss 220 aus dem Kreislauf ausgeschaltet sind.
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Wenn das Ventil 214 so eingestellt wird, dass der Wärmeaustauscher
10B aus de; Kreislauf ausgeschlossen ist, werden das Ventil 204 geschlossen und
das geschlossene Ventil 222 geöffnet. Das Kühlmittel 225 wird in dem Verdichter-Kondensator
216 verdichtet und kann dem Expansionsgefäss 220 zugeleitet, wo es plötzlich abgekühlt
wird. Darauf fliesst das Kühlmlittel in das Expansionsgefäss des Verdichters zurück.
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Wasser 250 wird zwichen zwei zueinander konzentrich und axial ausgerichtet
angeordneter, mit schraubenlinienförmigen Windungen versehenen Rohren 252, 254 in
Umlauf gesetzt. Das Wasser 250 kommt als dem Konvektionskörper 210 über das
thermostatgesteuerte
Ventil 212 2 und das Ventil 214 an.
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Es fliesst zwischen den Rohren 252, 254 hindurch und wird plötzlich
abgekühlt. Das abgekühlte Wasser verlässt das Expansionsgefäss 220 über die Auslassleitung
260 und das Ventil 222, von wo aus es zu dem Konvektionsheizkörper 210 fliesst.
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Das System 200 sieht also Mittel vor, um den Wärmeaustauscher 103
ständig zur Warmwasserd ereitung und nach Wunsch zur Raumbeheizung zu verwenden.
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Patentansprüche: