DE2636173A1

DE2636173A1 - Verfahren und waermetauscher zur uebertragung von waerme oder kaelte

Info

Publication number: DE2636173A1
Application number: DE19762636173
Authority: DE
Inventors: Manfred Burger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1978-02-16

Description

PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

ο - r> ο C -t ·7 ·> D-8000 München 22 D-4800 Blelefeid .*O^Q ! t 3

Triftstraße 4 Stekerwaf! 7

St/se

ti.

ffenfred Burger, Wblfratshauser Str. 45, 8023 Pullach Waldemar Dukek, Landsberger Str. 161, 8000 München Ernst Gagel, Karwendelstraße 49, 8000 Mürchen 70 Alfred Prechtl, Lindenweg 6, 8082 Grafrath Rudolf KaljUDvicz, Stadtweg 25, 8059 Altenerding

Verfahren und Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme oder Kälte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Wärme oder Kälte zwischen einem Luftstrom und einem in einem Rohrsystem zirkulierenden Fluidstrom sowie einen Wärmetauscher zur Durchführung dieses Verfahrens.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist insbesondere vorgesehen als kleines oder mittleres Gerät für Klimaanlagen, vor allem in Verbindung mit Wärmepumpen, jedoch auf diesen Anwendungszweck nicht beschränkt, sondern auch für andere Wärmeaustauschvorgänge verwendbar. Er dient vor allem zum

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Wärmeaustausch zwischen Außenluft außerhalb eines Gebäudes und einem Flüssigkeitssystem, das im Zusammenhang mit einer Klimaanlage mit Heiz- und'Kühlbetrieb verwendet wird. Bei Wärmepumpen kann er unmittelbar
als Verdampfer eines Kältekreislaufes

verwendet werden oder zur Erwärmung eines Trägerfluids dienen., das seinerseits mit dem Verdampfer im Wärmeaustausch steht.

Bei herkömmlichen Wärmetauschern, die in dem genannten Anwendungsbereich eingesetzt werden, sind Gebläse mit beträchtlicher Leistung erforderlich, die einen ausreichenden Luftdurchsatz bewirken, um die notwendigen Wärmemengen zuzuführen oder abzuführen. Der Bedarf an elektrischem Strom, den diese Gebläse aufnehmen, ist daher relativ hoch, so daß die Leistungsziffer einer Wärmepumpe oder der Wirkungsgrad einer anderweitigen Anlage sinkt. Im übrigen besteht wegen des unmittelbaren Aufeinandertreffens von zwei Fluidströmen mit

unter Umständen erheblicher Temperaturdifferenz die
Gefahr einer Vereisung des Wärmetauschers. Dadurch
wird der Wärmeaustauscheffekt stark eingeschränkt
oder sogar aufgehoben, und es sind gesonderte Maßnahmen zur Entfernung des gebildeten Eises erforderlieh.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zügrunde, ein
Verfahren und einen Wärmetauscher vorzuschlagen, die es gestatten, mit geringem Energiebedarf ohne die Gefahr einer Vereisung einen wirksamen Wärmeaustausch
durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den Luftstrom in einer Riesel-

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strecke mit einer Übertragungs-Flüssigkeit in Wärmeaustausch bringt, daß man die übertragungs—Flüssigkeit unterhalb der Rieselstrecke sammelt und daß man sodann die gesammelte Übertragungs-Flüssigkeit mit dem durch Wärmetauscher-Rohrschlangen strömenden Fluidstrom in Wärmeaustausch bringt.

Als Übertragungs-Flüssigkeit kommt eine Flüssigkeit in Betracht, die Wasser allenfalls in geringem Maße aufnimmt und einen niedrigen Gefrierpunkt aufweist, wie es beispielsweise bei öl der Fall ist. Die Übertragungs-Flüssigkeit wird zwischen der Rieselstrecke und einem Sammelbehälter umgewälzt. Vorzugsweise wird bei Erwärmung des Fluidstroms, d.h. beispielsweise bei Heizbetrieb einer Wärmepumpe,ein gemischter Luftstrom verwendet, der sich aus rjmgebungsluft und erwärmter Abluft aus einem Gebäude zusammensetzt.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen äußeren Mantel mit einer Rieselstrecke für die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit und einen Sammelbehälter für diese Übertragungs-Flüssigkeit unterhalb der Rieseistrecke und einen innerhalb des Mantels angeordneten, die Rieselstrecke nach innen begrenzenden, oberhalb des normalen Spiegel der Übertragungs-Flüssigkeit endenden Zylinder umfasst, daß der Sammelbehälter über eine Pumpe und ein Leitungssystem mit dem oberen Bereich der Rieselstrecke zum Einsprühen der Übertragungs-Flüssigkeit in Verbindung steht, daß innerhalb des Sammelbehälters Wärmetauscher-Rohrschlangen zur Führung des Fluidstroms vorgesehen sind und daß in dem Zylinder ein Gebläse zum Fördern des Luftstroms durch die Rieselstrecke und das Innere des Zylinders vorgesehen ist.

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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den ünteran Sprüchen, -..-·-■ _;

Durch die Erfindung werden die Vorteile eines intensiven Wärmeaustausches ausgenutzt^ der bei industrieilen Kühltürmen mit Wasserverrieselung erreicht wird. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung den -Luftstrom jedoch stets zwangsläufig umwälzt,-gestattet sie die Her-, stellung eines "Kühlturms" in wesentlich kleinerer Form. Zur Verkleinerung trägt weiter bei* daß in dem Wärmetauscher nicht Wasser, sondern eine Flüssigkeit . wie öl mit entsprechender Viskosität verrieselt wird, die eine wesentlich längere Verweilzeit in der Verrieselungssfcrecke aufweist, so daß ein intensiverer Wärmeaustausch möglich ist. öl als Übertragungs-Flüssigkeit hat im übrigen den Vorteil, daß es bei üblichen Temperaturen nicht einfriert und im wesentlichen nicht durch den Luftstrom mitgerissen wird.

In dem Sammelbehälter erfolgt ein intensiver Austausch zwischen dem von der Rieselstrecke herabfallenden öl und dem Fluidstrom, beispielsweise dem Kältekreislauf einer Wärmepumpe. Wenn öl und Luft im Gleichstrom durch den Wärmetauscher hindurchgehen, ist das Temperaturgefälle der Luft relativ gering, so daß es auch im Winter bei Abkühlung der Luft nicht zu Wasserausscheidungen kommt·

Bei Winter- oder Heisbetrieb ist es vorteilhaft, den angesaugten Luftstrom zusammenzusetzen aus Umgebungsluft und erwärmter Abluft aus einem Teil eines Hauses oder Gebäudes, beispielsweise vom Speicherboden eines Hauses oder dem Deckenbereich einer Eabrikhalle. Auf dem Speicherboden eines Hauses sammelt sich durch Transmissionsverluste erwärmte Luft, die dort nicht erforderiich ist, sondern nur dazu führt, eine isolierende

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Schneedecke auf dem Dach in nachteiliger Weise abzutauen. Das gleiche gilt für die in einer Halle oder dgl. aufgestiegene verbrauchte Luft. Dusch Vermischen dieser Abluft mit einem Anteil van ca» 70Λ Umgebungsluft kann die Mischtemperatur erhöht werden» so daß beispielsweise die Leistungsziffer einer Wärmepumpe ebenfal Is erhöht wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig.1 zeigt einen schematischen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungs

gemäßen Wärmetauschers;

Fig.2 zeigt eine entsprechende Draufsicht auf den Wärmetauscher der Fig.1.

Der in Fig.1 und 2 gezeigte Wärmetauscher weist ein äußeres Gehäuse oder einen Mantel 10 auf, der gemäß Fig.2 beispielsweise ein rechteckigen Querschnitt hat, so daß sich der Wärmetauscher platzsparend an einer Hauswand oder dgl. anbringen läßt. Innerhalb des Mantels 10 befindet sich in dessen Mittelpunkt ein senkrechter Luftschacht oder ein Zylinder 12, der sich von oben über einen Teilbereich in den Mantel 10 hinein er streckt. Der Mantel 10 ist an der unteren Seite durch einen Boden 14 verschlossen und dient im unteren Bereich als Sammelbehälter 16 für eine übertragungs-Fiüssigkeit, beispielsweise öl, deren obere Oberfläche oder Spiegel gestrichelt dargestellt und mit 18 be-

35 zeichnet ist.

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Aus Fig. !geht Jiervor, jdafl das untere £nde des Zylinders 12 einen Abstand zu dem Spiegel 18 der Übertragungs-Flüssigkeit aufweist, den diese normalerweise einnimmt.

In dem Sammelbehälter 16 befinden sich Wärmeübertragungs-Rohrschlangen 20, wie sie im Bereich der Wärmetauscher geläufig sind,, so daß nähere Einzelheiten einschließlich des Einlasses und Auslasses nicht dargestellt sind. Diese Rohrschlangen 20 nehmen ein zirkulierendes Fluid, beispielsweise den Kältekreislauf einer Wärmepumpe auf.

Dieses Fluid soll mit einem Luftstrom in Wärmeaustausch gebracht werden.

Dieser Luftstrom wird in den Mantel 10 außerhalb des Zylinders 12 durch Einlasse 22, 24 entsprechend den Pfeilen 26, 28 eingesaugt, so daß er nach abwärts in den Mantel 10 eintritt, oberhalb des Spiegels 18 nach innen umgelenkt wird und durch den Zylinder 12 nach oben wieder entsprechend den Pfeilen 30 austritt. Dieser Luftstrom wird durch einen leichten Ventilator oder durch ein Gebläse 32 gefördert.

Für den Fall, daß durch die Einlasse 22, 24 Luftströme unterschiedlicher Temperatur angesaugt werden, ist unmittelbar angrenzend an die Einlasse eine Mischkammer 34 vorgesehen, die in nicht gezeigter Weise, beispielsweise mit Hilfe von Umlenkblechen und dgl., zumindest eine teilweise Vermischung der Luftströme gewährleistet. Sodann tritt der Luftstrom durch Filter 36, 38 hindurch und in Rieselstrecken 40, 42 ein. In diesen Rieselstrecken 40,42 sind abwechselnd an dem Mantel 10 und dem Zylinder 12 im wesentlichen waagerechte, einander teilweise überlappende Umlenkplatten 44, 46, 48, 50 vorgesehen, die den Weg durch die RieseIstrecken 40, 42 labyrinthartig 5 verlängern.

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"Vom Boden 3 4 des Sammelbehälters 1-6 geht eine Leitung 52 aus, die mit einer Pumpe 54 in Verbindung steht,, deren Auslaß wiederum in zwei Leitungen^56, 58 einmündete Diese Leitungen 56, 58 verzweigen sich zu zwei gegenüberliegenden Außenseiten des Mantels 10, im dargestellten Ausführungsbeispiel zu den schmalen Stirnseiten dieses Mantels, verlaufen dort nach oben und treten im oberen Bereich der Rieselstrecken 40, 42 oberhalb der Umlenkplatten 44, 46, 48, 50 in die Rieselstrecken ein. An ihren Enden weisen die Leitungen 56, 58 innerhalb der Rieselstrecken 40, 42 Sprühköpfe 60, 62 auf, die das von der Pumpe 44 aus dem Sammelbehälter 16 abgezogene öl oder eine andere Übertragungs-Flüssigkeit auf den oberen Umlenkplatten 44, 46 verteilen. Auf diese Weise wird das öl konti-

15 nuierlich umwälzt.

Weiterhin ist am Boden 14 des Sammelbehälters 16 ein Wasserabscheider 64 angedeutet, der im Sommerbetrieb angefallenes Kondenswasser ausscheidet.

Nunmehr soll die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erläutert werden. Zunächst wird auf Winter- oder Heizbetrieb bezug genommen. In diesem Falle stellen die Rohrschlangen 20 beispielsweise den Verdampfer einer Wärmepumpe dar, in dem der in den Rohrschlangen 20 zirkulierende Kältekreislauf Wärme aufnimmt.

Diese Wärme wird auf die Rohrschlangen 20 und den in diesen befindlichen Fluidstrom nicht direkt von dem Luftstrom übertragen. Vielmehr ist eine gesonderte Übertragung-Flüssigkeit, insbesondere in der Form von öl vorgesehen.

Der entsprechend den Pfeilen 26, 28 eintretende Luft-

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strom tritt darck die Filter 36, 3& hindurch und gelangt in intensiven Wärmeaustausch mit dem über die ömlenkpiatten 44^. 46, 48₁ 50 herabrieselnden 0=1 _r vor allem deshalb besonders wirksam ist, weil das öl bei Auswahl einer geeigneten Viskosität nur langsam über die Umlenkplatten herabrinnt, so daß eine beträcht— ■ liehe- Zeit für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht. ■Die .Luftströme und der Ölstrom verlaufen im Gleiche strom,- so daß ein extremes Temperaturgefälle vermieden wird und damit bei Winterbetrieb ein Ausfall von Wasser aus den Luftströmen verhindert wird, die zur Vereisung • führen könnten. Das zunächst relativ kalte Öl wird durch den Luftstrom erwärmt, der sich seinerseits abkühlt. Das erwärmte Öl sammelt sich in dem Sammelbehälter 16 und erwärmt dort die Rohrschlangen 20, so daß der in diesen zirkulierende Fluidstrom verdampft wird. Dabei kühlt sich das öl ab und wird vom Boden 14 des Sammelbehälters 16 wiederum abgesaugt und zurückgeführt.

Bei Sommerbetrieb stellen die Rohrschlangen 20 bei-.spielsweise den Kondensator einer Wärmepumpe dar, in dem der Kältekreislauf gekühlt und verflüssigt wird und dabei Wärme abgibt. Diese Wärme überträgt sich auf das öl in dem Sammelbehälter 16, das anschließend wieder rum in die Rieselstrecken 40, 42 gepumpt wird, in denen es sich an den Luftströmen abkühlt, die ihrerseits erwärmt werden. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers nicht auf einen Kondensator oder Verdampfer einer Wärempumpe beschränkt ist, sondern für alle Wärmeaustauschzwecke in Betracht kommt. Insbesondere kann der Wärmetauscher auch eingesetzt werden, wenn eine Wärmepumpe insgesamt im Inneren eines Hauses installiert ist und je nach Heiz- oder Kühlbetrieb mit ihrem Verdampfer

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oder Kondensator in Wärmeaustausch mit einem zusätzlichen Fluidsystem gebracht wird, das die aufgenommene oder abgeführte Wärme außerhalb des Gebäudes in einem weiteren Wärmetauscher aufnimmt und wieder abgibt. Auch dieser letztere Wärmetauscher kann durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gebildet werden.

Der Sammelbehälter 16 kann mit Einlaß- und Auslaßleitungen 64,66 zur Verwendung der Übertragungs-Flüssigkeit zu Kühlzwecken versehen sein.

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Claims

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1. I Verfahren zur Übertragung von Wärme oder Kälte

^^-" zwischen einem Luftstrom und einem in einem Rohrsystem zirkulierenden Fluidstrom, dadurch g ekennzeichnet, daß man den Luftstrom in einer Rieselstrecke mit einer Übertragungs-Flüssigkeit in Wärmeaustausch bringt, daß man die Übertragungs-Flüssigkeit unterhalb der Rieselstrecke sammelt und daß man sodann die gesammelte Übertragungs—Flüssigkeit mit dem durch Wärmetauscher-Rohrschlangen strömenden Fluidstrom in Wärmeaustausch bringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η— zeichnet, daß man als Übertragungs-Flüssigkeit eine Flüssigkeit verwendet, die allenfalls in geringen Mengen Wasser aufnimmt und einen derart niedrigen Gefrierpunkt aufweist, daß sie bei üblichen Betriebsbedingungen nicht einfriert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η n-

z eichnet, daß man als Übertragungs—Flüssigkeit öl verwendet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die gesammelte Übertragungs-Flüssigkeit zu der Rieselstrecke zurückpumpt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den

Luftstrom durch die Rieselstrecke umwälzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Erwärmung des Fluidstroms einen gemischten Luft-

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strom verwendet, der sich aus Umgebungsluft und erwärmter Abluft aus einem Gebäude zusammensetzt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Luftstrom und den Strom der herabrieselnden Über— tragungs-Flüssigkeit im Gleichstrom führt.

8. Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens ge— maß einem der Ansprüche 1 bis 7 innerhalb eines Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen äußeren Mantel (10) mit einer Rieselstrecke (40,42) für die Obertragungs-Flüssigkeit und einem Sammelbehälter (16) für die Obertragungs-Flüssigkeit unterhalb der Rieselstrecke und einen innerhalb des Mantels (10) angeordeten, die Rieselstrecke nach innen begrenzenden, oberhalb des normalen Spiegels (18) der Übertragungs-Flüssigkeit endenden Zylinder (12) umfasst, daß der Sammelbehälter (16) über eine Pumpe (54) und ein Leitungssystem (56,58,60,62) mit dem oberen Bereich der Rieselstrecke (40,42) zum Einsprühen der Übertragungs-Flüssigkeit in Verbindung steht, daß innerhalb des Sammelbehälters (16) Wärmetauscher Rohrschlangen (20) zur Führung des Fluidstroms vorgesehen sind und daß in dem Zylinder (12) ein Gebläse (32) zum Fördern des Luftstroms durch die Rieselstrecke und das Innere des Zylinders vorgesehen ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rieselstrecke (40,42) an dem Mantel (10) und an dem Zylinder (ι2ΐ einander abwechselnde und teilweise überlappende im wesentlichen waagerechte Umlenkplatten (44,4^,48,50)

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befestigt sind.

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der waagerechte Querschnitt des Mantels (10) ein flaches Rechteck ist.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei einander gegenüberliegenden Bereichen der Rieselstrecke (40,42) zwischen Mantel (10) und Zylinder (12) von oben Luftrohre zum Zuführen von Luftströmen einmünden.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch g e k en nz.e lehnet, daß den Rieselstrecken (40,42) eine Mischkammer (34) zum .Vermischen der Luftströme vorgeschaltet ist.

13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (54) mit dem Boden des Sammelbehälters (16) verbunden ist.

14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Sammelbehälters (16) ein Wasserabscheider (64) vorgesehen ist.

15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der
Sammelbehälter (16) mit Einlass- und Auslaßleitungen (64,66) zur Verwendung der Übertragungs-Flüssigkeit zu Kühlzwecken versehen ist.

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