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Die
Erfindung betrifft Warmwasser-Schichtenspeicher, in denen Wärmeenergie
unter Ausbildung einer thermischen Schichtung in einem flüssigen Speichermedium
eingespeichert und entnommen werden kann. Besonders vorteilhaft
kann die Erfindung zur Erzeugung von warmem Brauchwasser mit Hilfe
von Sonnenkollektoren eingesetzt werden.
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Stand
der Technik für
Warmwasserspeicher, sind Behälter,
in denen sich Trink- oder Brauchwasser befindet. Mittels Wärmetauscher,
die in der Regel als Glattrohrwendeln oder auch Rippenrohrwendeln ausgeführt sind,
wird das Wasser von einer Solaranlage oder einem Heizkessel oder
einem anderen Wärmeerzeuger
erwärmt.
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Wesentlichen
Einfluß auf
Wirkungs- und Deckungsgrad einer Solaranlage oder eines Brennwertkessels
hat die Art der Be- und Entladung. Die geschichtete Beladung weist
insbesondere in Verbindung mit einer Solaranlage oder einer Kraft-Wärme-Kopplung
wesentliche Vorteile auf:
- – Schnelle Verfügbarkeit
bereits nach kurzem Beladevorgang
- – Tiefe
Rücklauftemperatur
für eine
Solaranlage oder eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage;
dadurch geringe thermische Verluste bei der Solaranlage bzw. guter
Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Arbeit durch die Wärmekraftmaschine. Tiefe
Rücklauftemperaturen
sind auch Voraussetzung für
den effektiven Betrieb eines Brennwertkessels.
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In
den meisten Anwendungen im Privathausbereich werden heute allerdings
Warmwasserspeicher mit durchmischter Beladung, eingesetzt. Die heute
bekannten Techniken zur Realisierung der geschichteten Beladung
bringen nämlich
jeweils auch Nachteile mit sich:
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Zur
geschichteten Speicherbeladung wird gelegentlich ein externer Wärmetauscher
eingesetzt. Dies ist allerdings im Vergleich zu einer im Speicher eingebauten
Rohrwendel (mit durchmischter Beladung) wegen der hierfür notwendigen
zusätzlichen Installation
(Umwälzpumpe,
Regelung) relativ aufwändig.
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Eine
andere Möglichkeit
ist die Nutzung von Thermosiphon-Strömungen. Hier sind folgende
Techniken bekannt:
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Bei
der DE-8 703 576-U1 erstreckt sich ein zentral senkrecht in einem
Brauchwasserspeicher angeordnetes Leitrohr über die gesamte Höhe des Speichers.
Innerhalb des Leitrohres ist ebenfalls über die gesamte Höhe ein aus
mehreren Rohrwindungen bestehender Wärmeübertrager angebracht und innerhalb
der Rohrwindungen befindet sich ein Innenrohr. Bei dieser Anordnung
ist ein Gegenstromwärmeaustausch
gegeben, insbesondere dann, wenn es sich bei dem Rohr-Wärmeübertrager um ein Rippenrohr
handelt.
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Nachteilhaft
bei dieser Erfindung ist, dass sich der Wärmeübertrager bis zum oberen Bereich des
Speichers erstreckt. Bei Solaranlagen wechseln Zustände mit
hoher Einstrahlung und hohen Vorlauftemperaturen mit Zuständen geringerer
Einstrahlung und geringeren Vorlauftemperaturen ab. Ist nun der Speicher
im oberen Bereich bereits auf hohe, nutzbare Temperaturen aufgeheizt
und strömt
dann Solarmedium mit tieferen Temperaturen durch den Wärmeübertrager,
so wird das Speicherwasser nur noch auf niedrigere Temperaturen
aufgewärmt,
tritt mit diesen Temperaturen aus dem Leitrohr und kühlt dabei die
oberen heißen
Schichten ab.
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Der
wesentliche Nachteil ist, dass zwischen den einzelnen Rohrwindungen
Bereiche mit schlechter Umströmung
durch das aufsteigende Speicherwasser vorliegen. Das wirkt sich
nachteilhaft sowohl auf die Effizienz des Wärmeübergangs als auch die Verkalkungsanfälligkeit
des Wärmetauschers
aus. Speziell, wenn Rippenrohr eingesetzt wird, ist wegen der hohen
Verkalkungsgefahr der Einsatz zur direkten Trinkwassererwärmung nicht
anzuraten.
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Bei
schlechter Effizienz des Wärmetauschers
muss der Wendeldurchmesser des Wärmeübertragers
mit Leitrohr vergleichsweise groß sein, um die notwendige Wärmetauscherfläche darzustellen, insbesondere,
wenn er sich nicht über
die gesamte Speicherhöhe
erstreckt. Da der Wärmetauscher
in der Regel durch einen Flansch im Boden des Speichers montiert
wird, hat dies einen großen
und damit teuren Flanschdurchmesser zur Folge.
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Ein
anderer Thermosiph-Wärmetauscher wird
in der
EP 0 680 594
B1 beschrieben. Dieser Wärmetauscher ist speziell für kleine
Durchflüsse, wie
sie bei Solaranlagen, in denen hohe Temperaturspreizungen gewünscht werden,
ausgelegt. Er besteht aus einer Vielzahl parallel durchströmter und wendelförmig gewickelter
Röhrchen
mit einem Innendurchmesser < 3
mm. Durch diese Bauform wird ein sehr guter innerer Wärmeübergang
erreicht sowie eine – bei
gegebenen Platzverhältnissen – große Wärmeübertragungsfläche. Nachteile
dieser Kontruktion sind:
- – hoher Druckverlust in den
Röhrchen,
daher ist eine spezielle Druckpumpe nötig,
- – erhöhte Verkalkungsgefahr
außen,
- – Gefahr,
dass sich in einzelnen Röhrchen Schmutzpartikel
absetzen und kein Durchfluss mehr besteht,
- – aufwändige Herstellung.
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Ein
weiterer Warmwasserspeicher mit Thermosiphon-Wärmetauscher ist in der französischen Patentanmeldung
Nr. 75 09432, Veröffentlichungsnummer
2 305 695 beschrieben. Der Wärmetauscher ist
wie ein Rohrbündel-Wärmetauscher
aufgebaut: In einem zylinderförmigen
Behälter
befindet sich ein durch zwei Platten begrenzter Raum, durch den
einige Rohr führen.
Das (in Sonnenkollektoren erwärmte)
Heizmedium strömt
durch den Behälter
von oben nach unten. Dabei wird das Trinkwasser in den Rohren erwärmt und
steigt im Gegenstrom dazu von unten nach oben auf. An den Wärmetauscher
schließt sich
ein Rohr an, in dem das erwärmte
Trinkwasser weiter nach oben strömt.
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Die
Nachteile dieser Erfindung entsprechen den für die
EP 0 680 594 B1 dargestellten,
v. a. der vergleichsweise große
Fertigungsaufwand, um die Vielzahl der Wärmetauscherrohre in den Behälter dicht
einzubringen und die Verkalkungsgefahr.
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Ein
anderer Warmwasserspeicher mit Thermosiphon-Wärmetauscher ist in der
DE 42 21 668 C2 beschrieben.
Er ist aufgebaut aus einer spiralförmig gebogenen Wärmetauscherrohrwendel
und einer die Rohrwendel einschließenden Leitstruktur aus schlecht
wärmeleitendem
Material. Heißes
Solarmedium wird beim Durchströmen
des Wärmetauschers abgekühlt. Dabei
wird das kalte Speicherwasser in der Umgebung des Wärmetauscherrohres
erwärmt. Dieses
erwärmte
Speicherwasser hat nun eine geringere Dichte. Die Strömungsleitstruktur
bewirkt, dass das erwärmte
Wasser nicht in dem Speicher frei aufsteigen und sich mit wärmerem Wasser
vermischen kann. An die Leitstruktur schließt sich ein Aufströmkanal an,
durch den das erwärmte
Wasser vermischungsfrei nach oben aufsteigt. Hierdurch wird kaltes
Wasser in den Eingang des Wärmetauschers nachgesaugt,
und es stellt sich eine Gegenströmung zum
Solarmedium ein.
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Diese
Erfindung ist in erster Linie für
den Einsatz in Pufferspeichern gedacht, d. h., Speichern, in denen
sich nicht ständig
nachströmendes
Trinkwasser, sondern „totes" Heizungswasser befindet.
Bei der Anwendung in Trinkwasser würden sich die gleichen oben
beschriebene Verkalkungsprobleme ergeben.
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Bei
verschiedenen Anwendungen, insbesondere auch in der Solartechnik
werden Wärmetauscher
für sehr
geringe Durchflüsse
und große
Temperaturspreizungen des Heizmediums benötigt. Um bei diesen Durchflüssen einen
guten Wärmeübergang zu
erreichen, sind geringe Strömungsquerschnitte nötig. Sämtliche
beschriebene Wärmetauscher
werden aus einem oder mehreren Rohren aufgebaut. Geringe Rohrdurchmesser
führen
hier – wenn
es sich um eine einzige Rohrwendel handelt -zu großen Rohrlängen und
hohen Widerständen.
Bei den beschriebenen Rohrbündel-Wärmetauschern
ist dagegen eine große
Rohranzahl nötig,
wodurch der Fertigungsaufwand weiter steigt.
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Die
Probleme von für
Schichtenladung und kleine Durchflüsse geeigneten thermosiphonischen Wärmetauschern
können
wie folgt zusammengefasst werden:
- 1. Entweder
werden Rohrwendeln mit großem Querschnitt
verwendet. Dann ist der Wärmeübergang
sowohl innen als auch außen
durch Bereiche mit geringer Wandumströmung schlecht.
- 2. Um zumindest den inneren Wärmeübergang zu verbessern, müssen kleine
Rohrquerschnitte eingesetzt werden. Um bei den hierfür nötigen Innendurchmessern
im Bereich 3 – 10
mm einen akzeptablen Druckverlust zu bekommen, ist in der Regel
die Parallelschaltung mehrerer Röhrchen
nötig.
Hieraus folgen: teilweise dennoch hoher Druckverlust (d. h., hoher
Stromverbrauch für
die Pumpe) und die Gefahr, dass einzelne Röhrchen z. B. durch Schmutzpartikel
nicht richtig durchströmt
werden. Außerdem
bilden die vielen Röhrchen
eine Außenoberfläche, die
enge Zwischenräume
aufweist und dadurch stark verkalkungsanfällig ist.
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Aufgabenstellung
der Erfindung ist es, einen Wärmespeicher
mit Wärmetauscher
zur schichtenden Beladung zu schaffen, der auch für kalkhaltiges Trinkwasser
eingesetzt werden kann und der in kostengünstiger Weise hergestellt werden
kann. Er soll speziell für
geringe Durchflüsse
geeignet sein und der Druckverlust für das Heizwasser soll vergleichsweise
klein sein.
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Die
Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:
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Innerhalb
des Speicherbehälters
ist im unteren Bereich ein von Heizwasser durchströmbarer Gegenstromwärmetauscher,
angeordnet. Dieser Wärmetauscher
besteht aus mindestens einer Rohrwendel 1, wobei das Rohr
als flaches Profil ausgebildet ist. Das Profil steht hochkant in
Bezug zur senkrechten Behälterachse
und ist zu einer zylinderförmigen Wendel
gewickelt, deren Achse entlang der senkrechten Behälterachse
ausgerichtet ist. Das Heizwasser tritt in einen oberen Anschluss 2 ein
und zu einem unteren Anschluss 3 wieder aus. Dadurch wird das
Speicherwasser 4 an den Außenwänden des/der Flachrohrwendel(n)
erwärmt
und strömt
im Gegenstrom zum Heizmedium auf. Mehrere Flachrohrwendeln sind
durch einen Verteiler am oberen Anschluss und einen Sammler am unteren
Anschluss miteinander verbunden, so dass das Heizwasser parallel durch
die Flachrohrwendeln strömt.
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Zwei
oder mehrere Flachrohrwendeln werden so ineinander angeordnet, dass
zwischen den Flachrohrwendeln ein Spalt für das Speicherwasser vorliegt,
der so groß ist,
dass hierdurch ein Strömungswiderstand
entsteht, der bewirkt, dass die sich einstellende Auftriebsströmung ungefähr dem Durchfluss
des Heizmediums innerhalb der Flachrohrwendeln entspricht.
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Die äußerste Flachrohrwendel
ist von einem Mantelrohr 5, vorzugsweise aus Kunststoff,
umgeben, so dass sich das an der äußeren Flachrohrwendel erwärmte Speicherwasser
nicht mit dem umgebenden Wasser vermischen kann. In der gleichen Weise
ist innerhalb des innersten Flachrohrwendel ein weiteres Rohr 6,
vorzugsweise aus Kunststoff angeordnet. Außen und innen entstehen dadurch
Spalte 7 für
das Speicherwasser mit einem Spaltwiderstand, der zu einer Auftriebsströmung führt, die
ungefähr
dem Durchfluss des Heizmediums entspricht. Typischerweise betragen
die Spaltweiten zwischen den Rohrwendeln und den Mantelrohren und
zwischen mehreren parallelen Rohrwendeln 2 – 5 mm. Damit ist eine enge
und wirkungsvolle Umströmung der
Rohrwendel gegeben.
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Das
Mantelrohr kann bis in den oberen Speicherbereich ragen und Öffnungen
aufweisen, wie in der Anmeldeschrift 103 01 894 beschrieben.
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Eine
andere erfindungsgemäße Anordnung ist
eine wiederum aus Flachrohr gewickelte flache oder kegelförmige Spirale,
die zwischen zwei flachen oder kegelförmigen Kunststoffplatten angeordnet
ist, ähnlich,
wie in der
DE 42 21
668 C2 beschrieben. Hier wird allerdings statt Rippenrohr
das beschriebene Flachrohr verwendet, dessen Längsausdehnung parallel zum
Strömungskanal
für das
Speicherwasser verläuft.
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Insgesamt
wird durch diese Flachrohrwendel-Anordnung mit entsprechend dimensionierten Spalten
für das
Speicherwasser erreicht, dass sich eine starke Thermosiphonströmung einstellt,
die zu einem guten Wärmeübergang
führt.
Das Speicherwasser wird im Gegenstrom und ohne Vermischung erwärmt, das
Heizmedium wird gut abgekühlt,
was zu guten Wirkungsgraden z. B. einer angeschlossenen Solaranlage
führt.
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Typische
Abmessungen des Flachrohres für Solaranwendungen
sind: Längsabmessung:
15 –50 mm,
Querabmessung: 3 – 10
mm. Durch den flachen Rohrquerschnitt ergibt sich bereits bei kleinen
Heizkreis-Durchflüssen
ein guter innerer Wärmeübergang,
während
sich bei herkömmlichen
Kreisrohren eine Kernströmung
mit vergleichsweise großem
Abstand zur Wand und geringer Wärmeübertragung einstellt.
Gleichzeitig werden für
die Thermosiphonströmung
des Speicherwassers Totwasserzonen zwischen den einzelnen Windungen
vermieden. Die äußere Rohroberfläche wird überall voll
und eng umströmt.
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Aus
dieser Anordnung mit der intensiven Umspülung der wärmeübertragenden Flächen bereits
bei kleinen Durchflüssen.
resultiert ein flächenspezifischer
Wärmeübertragungswert,
der doppelt so hoch wie herkömmlichen
eingetauchten Glattrohrwendeln ist.
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Gleichzeitig
ist der Druckverlust im Vergleich zur in der EP 0 680 594 B1 beschriebenen
Anordnung wesentlich kleiner. Auch die Verkalkungsneigung ist durch
die glatten Flächen
und die intensive Umspülung
der gesamten Rohroberfläche
gering.
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Typischerweise
wird aufgrund der hohen Effizienz eine vergleichsweise kleine Fläche und
daher nur eine oder zwei parallel geschaltete Wendeln benötigt, um
die für
Solaranlagen benötigte
Leistung effizient zu übertragen.
Damit ist eine kostengünstige Fertigung
möglich.
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Im
folgenden wird anhand 1 eine
konkrete Ausgestaltung der Erfindung beschrieben. 1 zeigt einen aus einer Flachrohrwendel 1 bestehenden
Wärmetauscher.
Die Flachrohrwendel befindet sich innerhalb des Mantelrohres 5,
das die Austrittslöcher 9 aufweist.
Innerhalb der Koaxialrohre befindet sich das Kunststoffrohr 6 als
Verdrängungskörper. Die
Abmessungen der Flachrohrwendel 1 sind nicht maßstäblich, sondern
der besseren Darstellung halber im Verhältnis zu dem Mantelrohr größer gezeichnet,
und die Höhen
von Rohren und Wendel sind geringer als in den meisten realen Fällen.
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2 zeigt eine andere Ausgestaltung
der Erfindung: Das Flachrohr 1 ist hier als flache Spirale gewickelt
und zwischen zwei Kunststoffplatten 10, 11 angeordnet.
Im Zentrum der oberen Platte 10 befindet sich ein Aufströmrohr 12,
durch das das erwärmte Speicherwasser
nach oben aufsteigt. Innerhalb des Aufströmrohres verläuft die
Zuleitung 2 zur Flachrohrspirale, wodurch das Speicherwasser
in dem Rohr zu Beginn schnell erwärmt wird und die Thermosiphonströmung in
Gang kommt. Auch diese Zeichnung ist nicht maßstäblich, in Realität hat die Spirale
fast immer mehr Windungen.
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Der
beschriebene Wärmetauscher
muss nicht, wie in den beschriebenen Beispielen, nur zur Trinkwassererwärmung eingesetzt
werden. Die Anwendung zur Erwärmung
z. B. von Heizungswasser oder anderen flüssigen Speichermedien ist ebenfalls möglich. Ebenso
muss er nicht von Wasser als Heizmedium durchströmt werden, andere Flüssigkeiten, insbesondere
mit Frostschutz versehene Mischungen sind erfindungsgemäß ebenso
vorgesehen.
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Die
Erfindung kann ebenfalls für
Entladewärmetauscher
genutzt werden. In diesem Fall befindet sich der Wärmetauscher
im oberen Speicherbereich. Das Mantel- oder Abströmrohr führt in den
unteren Speicherbereich. Das zu erwärmende Medium – z. B. Brauchwasser – tritt
in einen unteren –bzw.
bei flacher Spiralwicklung inneren – Anschluss ein und zu einem
oberen – bzw. äußeren – Anschluss
wieder aus. Dadurch wird das Speicherwasser an den Wärmetauscherflächen abgekühlt und
strömt
im Gegenstrom zum zu erwärmenden
Medium ab.