DE2715268A1

DE2715268A1 - Waermeaustauscheinrichtung

Info

Publication number: DE2715268A1
Application number: DE19772715268
Authority: DE
Inventors: Edy Schnyder
Original assignee: SCHNYDER EDY AG
Current assignee: SCHNYDER EDY AG
Priority date: 1976-04-13
Filing date: 1977-04-05
Publication date: 1977-11-17
Also published as: FR2348457B1; CH606961A5; ATA244077A; AT350081B; DE2715268C3; FR2348457A1; DE2715268B2

Description

PATENTANWÄLTE · Pall 1

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TEL. (Ot^<./<-.·-^iLLcX5-24283

S 3 031

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Edy Schnyder AG, Basel (Schweiz)

Wärmeaustauscheinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauscheinrichtung mit einem Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt und zwei getrennten Sekundärmedienkammern, von welchen mindestens eine für die Aufnahme eines für Wärmeentzug aus der Einrichtung vorgesehenes Medium vorgesehen ist, und sowohl der Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt als auch die Sekundärmedienkammern innerhalb einer Gemeinsamen Ummantelung angeordnet sind.

3O.3.76.GE/VW

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Bei bekannten Wärmeaustauschereinrichtungen mit einem primären PLüssigkeitskreislauf und zwei getrennten sekundären Medienkreisläufen ist es üblich, zwei separate Wärmeaustauscher vorzusehen. Dies ist beispielsv/eise der Fall bei einer Wärmeaustauschereinrichtung zur Ausnützung der Sonnenenergie, welche wahlweise oder gleichzeitig Wärmeenergie für eine Heizanlage und eine Anlage für Gebrauchswassererwärmung liefern soll, wobei die Medien der Sekundärkreisläufe auch wahlweise als Wärmespeichermedien verwendet werden können. Dadurch sind separate Behälter und eine entsprechende Leitungsanordnung mit zugeordneten Armaturen und Regelvorrichtungen notwendig. Nachteilig sind vor allem die verhältnismässig hohen Wärmeverluste und bei Serieschaltung der beiden separaten Wärmeaustauscher auch eine durch den Temperaturabfall zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeaustauscher resultierende verminderte Ausnützung der Primärenergie.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher eine Wärmeaustauschereinrichtung zu schaffen, die es in einer einzigen kompakten Einheit gestattet, den Wärmeinhalt aus einem Primärkreislauf gleichzeitig an zwei getrennte Sekundärmedien zu übertragen, wobei beide der Sekundärmedien direkt einer Wärme-Nutzanwendung zugeführt werden können, oder wahlweise eines der Sekundärmedien oder beide davon als Speichermedien verwendbar sind.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine im Patentanspruch gekennzeichnete Wärmeaustauschereinrichtung gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäss gestaltete Wärmeaustauschereinrichtung im Längsschnitt, Fig. 2 eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten Wärmeaustauschereinrichtung,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1, und

Fig. h die Abwicklung einer der beiden aus Fig. 3 ersichtlichen Kreislaufabschnitte für das Primärmedium. In den Fig. 1 und 3 bezeichnet 1 allgemein das Gehäuse einer Wärmeaustauschereinrichtung, das im wesentlichen aus einer Ummantelung 2, einer Frontwand 3, einer Rückwand 4, einem über die Frontwand 3 herausragenden Kragen 5 und einem Kragenflansch 6 besteht. Die Frontpartie 3 enthält Anschlussstutzen 7 und 8 für die Zuleitung bzw. Ableitung eines ersten Mediums, und die Rückwand 4 kann mit Durchführungen 9 und 10 für das Einführen bzw. das Anschliessen der Zu- und Rücklaufleitungen einer mit unterbrochenen Linien schematisch dargestellten Zusatz-Wärmeaustauschervorrichtung 11 z.B. in der Form eines Rohrwendeis

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oder eines elektrisch betriebenen Heizeinsatzes innerhalb des Gehäuses 1 versehen sein.

Mit 15 ist allgemein ein Wärmeaustauschereinsatz bezeichnet, welcher im wesentlichen aus einem horizontal im Gehäuse 1 eingebauten, vorzugsweise praktisch zylindrischen Behälter 16 mit einem gewölbten Boden 17 und einem Behälterflansch 18 besteht. In diesem Flansch befinden sich Anschlussstutzen 19 und 20 für die Zuleitung bzw. Ableitung eines zweiten Mediums. Mit dem zylindrischen Mantelabschnitt 21 ist eine Rohrleitungsanordnung 22 fest verbunden, die im vorliegenden Fall und wie aus Fig. 3 besser ersichtlich ist, in zwei separate Abschnitte 22.1 und 22.2 unterteilt ist, von welchen je einer links und rechts der Mittelsenkrechten 23 des Wärmeaustauschereinsatzes 15 angeordnet ist. Jeder der Abschnitte 22.1 und 22.2 besitzt je einen untern, mit 2Ί.1 und 24.2 und einen obern, mit 25.1 und 25.2 bezeichneten Anschlussstutzen für die Zuleitung bzw. Ableitung eines dritten Mediums. In Fig. 4 ist die Abwicklung eines dieser Rohrleitungsabschnitte gezeigt. Die Rohrleitungsabschnitte können, wie gezeigt, durch Aufschweissen von U-Profilen, deren Oeffnung dem Behältermantel 16 zugewandt ist gebildet werden, wobei sich die einzelnen Sektionen der Rohrleitungsabschnitte in der Reihenfolge a, b, c, d, e n-2,

n-1, η mäanderförmig über die bezügliche Hälfte des Behältermantels erstrecken. Um für das dritte Medium gegenüber

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Behälters

dem Mantel des / l6 eine grosse Kontaktfläche zu erzielen, wird zweckmässig ein rechteckiger Rohrabschnitt mit einem Seitenverhältnis von 3 bis 6 zu 1 gewählt. Die Anschlussstutzen 24.1, 24.2, 25.1 und 25.2 der Rohrleitungsabschnitte sind durch entsprechende Oeffnungen im Behälterflansch 18 auf dessen Aussenseite geführt und mit diesem dicht verschweisst.

Es versteht sich, dass anstelle der auf dem Mantel des Behälters 16 aufgeschweissten U-Profile für die Rohrleitungsanordnung 22 eine Konstruktion gewählt werden kann, bei welcher der mäanderförmig verlaufende Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt auch direkt in die Behälterwand integriert ist wie bei einem Flächenheizkörper, bei welchem Partien der Ausswandbleche zur Herstellung einer Flüssigkeitssperre zusammengepresst und miteinander verschweisst sind, während in den nicht zusammengepressten Partien die Flüssigkeit zirkulieren kann.

Der Behälterflansch 18 besitzt eine zentrale Oeffnung 26, die mit einem Deckel 27 verschlossen ist. Die Oeffnung 26 ermöglicht den Zutritt zum Innern des Behälters 16, beispielsweise zu Kontroll- und Reinigungszwecken. Der Deckel 27 kann mit Oeffnungen 28, 29 versehen sein, die für die Aufnahme von Temperaturfühl- und Messgeräten dienen und eine vorzugsweise zentrale Oeffnung 30 aufweisen, die für die Montage einer Schutzanode vorgesehen ist. Eine

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Grundrissdarstellung des Behälterflansches 18 und die Anordnung des Deckels 27 auf diesem Flansch geht aus Fig. 2 hervor.

Die in der Zeichnung dargestellte spezielle Ausführungsform der erfindungsgemässen Wärmeaustauscheinrichtung ist auf die Verwendung in einer Anlage für die Ausnützung der Sonnenenergie ausgelegt, durch welche Warmwasser für den allgemeinen Gebrauch, und Warmwasser für den Betrieb einer Gebäudeheizung aufbereitet werden soll. Mehrere, vorzugsweise zwei Wärmeaustauscheinrichtungen der gezeigten Art können zu einer Speicher- bzw. Austauscherbatterie zusammengebaut werden, wobei sich die aus den Fig. 1 und 3 hervorgehende prismatische Form des Gehäuses 1 nicht nur raumsparend, sondern auch im Hinblick auf die Wärmeisolierung günstig auswirken kann.

Bei der nachfolgenden Erläuterung einer möglichen Betriebsweise der gezeigten Wärmeaustauscheinrichtung ist die auf der Aussenseite des zylindrischen Mantelabschnittes 21 des Wärmeaustauschereinsatzes 15 angebrachte Rohrleitungsanordnung 22 bzw. deren Abschnitte 22.1 und 22.2 einem primären Flüssigkeitskreislaufsystem zugeordnet, welches z.B. einen oder mehrere Sonnenkollektoren enthalten kann, durch den bzw. die beispielsweise eine Wasser-Frostschutz-Mischflüssigkeit erwärmt wird. Durch Thermosyphon- oder Zwangszirkulation (Pumpe) zirkuliert die Primärflüssigkeit

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in der Rohrleitungsanordnung 22, deren beide Abschnitte in später beschriebener Weise schaltbar sind. Die warme Primärflüssigkeit tritt im Falle der Fig. 1 und 3 je nachdem, ob Gleich- oder Gegenstrombetrieb vorgesehen ist, über die Anschlussstutzen 24.1, 24.2 ein und über die Anschlussstuzten 25.1, 25.2 aus, oder umgekehrt. Anhand der Fig. 3 ist somit leicht ersichtlich, dass die erfindungsspezifische Anordnung der Rohrleitungen 22 bzw. deren Abschnitte 22.1 und 22.2 auf dem Behälter 16 zwei getrennte Medienkammern 31 und 32 zu schaffen gestattet, deren Inhalt in direkten Kontakt mit Oberflächenpartien der Rohrleitungen 22 gelangt, so dass eine unmittelbare Wärmeübertragung stattfindet. Es ergibt daraus auch, dass beim Betrieb der Einrichtung sowohl das Medium in der äussern Kammer 31 als auch dasjenige in der innern Kammer 32 als Speichermedium wirken kann, wobei ein unmittelbarer Wärmeaustausch zwischen den beiden Kammern in den Spalten 33 zwischen zwei benachbarten Sektionen a, c, e etc. (Fig. 3> 4) und im Bereich des Bodens 17 durch die Wand des Behälters 16 hindurch stattfindet.

Nimmt man ferner an, dass in der äussern Medienkammer 31 Warmwasser für den Betrieb einer Raumheizung und in der innern Medienkammer 32 Warmwasser für den Haushaltgebrauch bereitet werden soll, so ergeben sich für den Betrieb der gezeigten Wärmeaustauscheinrichtung folgende

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Verhältnisse:

Bei Sonneneinstrahlung wird die Primärflüssigkeit auf eine Vorlauftemperatur von beispielsweise 70 ⁰C am Eintrittsstutzen der Rohrleitungsanordnung 22 gebracht, und verlässt diese mit einer Temperatur von beispielsweise 50 ⁰C. Unter der Annahme, dass sich die Wassermenge in der äusseren Medienkammer 31 zur Wassermenge in der innern Medienkammer etwa gleich verhält wie die Grosse der der äussern Medienkammer zugewandten Oberfläche der Rohrleitung 22 zu der der innern Medienkammer zugewandten Oberfläche ergeben sich im stationären Zustand, d.h. ohne Wasserzu- und -abfluss in beiden Kammern praktisch gleiche Wassertemperaturen mit einem Mittelwert von ca. 55 ⁰C. Wird nun der innern Medienkammer Warmwasser entzogen, so sinkt die Wassermischtemperatur in dieser Kammer, so dass nun ein zusätzlicher Energiefluss sowohl aus der Rohrleitungsanordnung als auch von der äussern Medienkammer her einsetzt, um die Wassertemperatur in der innern Medienkammer wieder auszugleichen. Das Wasser in der äussern Medienkammer 31 übt somit in diesem Falle so lange die Punktion eines Wärmelieferanten aus, bis der Temperaturausgleich stattgefunden hat. In gleicher Weise ergibt sich ein in umgekehrter Richtung laufender zusätzlicher Energiefluss, wenn der äussern Medienkammer 31 durch Wärmetransport in die Heizanlage Wärme entzogen wird. Wenn beispielsweise im Sommer keine Heiz-

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Ii.

energie benötigt wird, wirkt das ganze Flüssigkeitsvolumen in der äussern Medienkammer 31 als Wärmespeicher. Daraus ergibt sich, dass in einem besondern Anwendungsfall die äussere Medienkammer grundsätzlich als Wärmespeicher betrieben werden könnte, vorzugsweise unter Verwendung eines Mediums mit grosser Speicherkapazität zum Füllen der äussern Medienkammer.

Für den Fall, dass die durch die Primärflüssigkeit aus dem Sonnenkollektor eingespeiste Wärmemenge nicht genügt, um den infolge Wasser- bzw. Energiezug sowohl aus der innern Medienkammer 32 als auch aus der äussern Medienkammer 31 resultierenden Temperaturabfall auszugleichen, kann man entweder - durch Heizmittel ausserhalb der gezeigten Wärmeaustauscheinrichtung - die Wärmeenergiezufuhr durch die Primärflüssigkeit entsprechend erhöhen, oder man kann durch in der äussern Medienkammer eingebaute zusätzliche Heizmittel, wie in Fig. 1 mit 11 bezeichnet mehr Wärme zuführen. Das genannte Mittel 11 kann im Falle, dass die äussere Medienkammer 31 ein nur der Wärmespeicherung dienendes Medium enthält, ein Wärmeaustauscherelement sein, das beispielsweise in einen Heizkreis eingeschaltet ist und diesen mit Wärme aus dem Speichermedium speist.

Wie bereits erwähnt, ist die in Fig. 3 gezeigte Rohrleitungsanordnung 22 bzw. sind deren Abschnitte 22.1 und 22.2 so auf dem Wärmeaustauschereinsatz 15 angeordnet,

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dass je nach Wahl des Vorlauf-Eintritts, d.h. bei den Stutzen 24.1, 24.2 oder bei den Stutzen 25.1, 25.2, die Einrichtung nach dem Gegenstromprinzip oder nach dem Gleichstrornprinzip betrieben werden kann. Wird Wärmeaustauscherbetrieb nach dem Kreuzstrombetrieb gewünscht, so wird der Wärmeaustauschereinsatz 15 um 90° gedreht eingebaut, wobei die in Fig. 3 beidseits der Mittelsenkrechten 23 gezeigten Rohrleitungsabschnitte 22.1, 22.2 horizontal übereinanderliegen und deren Anschlussstutzen 24.1, 24.2 und 25.1, 25.2 beidseits der Horizontalen 3¹* zu liegen kommen. In diesem Fall wird an der Verbindungsstelle der beidseits der Mittelsenkrechten liegenden Sektionen der Rohrleitungsabschnitte 22.1 und 22.2 ein zusätzlicher Stutzen 35 angebracht, wie in Fig. 4 strichliert angegeben, der im Falle des obenliegenden Rohrleitungsabschnittes als Entlüftungsstutzen, und im Falle des untenliegenden Rohrleitungsabschnittes als Entleerungsstutzen dient.

Bereits die in Fig. 3 gezeigte Anordnung der Rohr-

dass leitungsabschnitte 22.1 und 22.2 zeigt,/mehr als ein separa-

ter Primärflüssigkeitsabschnitt in einer erfindungsgemässen Wärmeaustauschereinrichtung vorhanden sein kann, welche von verschiedenen Wärmequellen stammende Energie an die in der Einrichtung aufzuheizenden Medien übertragen. So kann z.B. der eine der beiden Abschnitte mit einer Sonnenkollektorenbatterie verbunden sein, während der andere einer Zusatz-

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heizung zugeordnet ist. Die gegenüber der Fig. 3 um 90 gedrehte Anordnung des Wärmeaustauschereinsatzes erlaubt nicht nur den Kreuzstrombetrieb auf der Primärseite, sondern auch einen gleichzeitigen Gleich- und Gegenstrombetrieb indem der Primärflüssigkeitseintritt jeweils mit dem in diesem Fall zuoberst bzw. zuunterst liegenden zusätzlichen Anschlussstutzen 35 (Fig. 4) verbunden ist, und der Primärflüssigkeitsaustritt an den dann beidseits der Horizontalen 34 liegenden Stutzen 24.1, 24.2 und25.1, 25.2 erfolgt.

Die Vorteile der erfindungsgemässen Wärmeaustauschereinrichtung liegen vor allem darin, dass innerhalb der gleichen äussern Ummantelung mehrere voneinander getrennte Medien-Kreislaufabschnitte in gegenseitige Wärmeaustauschbeziehung bringbar sind, wobei nur ein Temperaturgefälle zwischen dem Primär- und dem jeweiligen Sekundärmedium besteht, so dass eine bessere Energienutzung als bei den bisher üblichen Wärmeaustauschereinrichtungen möglich ist.

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Claims

Patentansprüche

(1) Wärmeaustauscheinrichtung mit einem Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt (22) und zwei getrennten Sekundärmedienkammern (31, 32), von welchen mindestens eine für die Aufnahme eines für Wärmeentzug aus der Einrichtung vorgesehenes Medium vorgesehen ist, und sowohl der Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt als auch die Sekundärmedienkammern innerhalb einer gemeinsamen Ummantelung (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Ummantelung (2) eine äussere Medienkammer (31) nach aussen begrenzt, dass die äussere Medienkammer eine in diese ragende innere Medienkammer (32) umschliesst, welche durch eine an der äussern Medienkammer angeordneten Halte- und Dichtungskonstruktion (3, 5, 6) gehalten ist und wenigstens teilweise die innere Begrenzung der äussern Medienkammer bildet, und dass die Wand (l6) der innern Medienkammer Teil des Primärflüssigkeitskreislaufabschnitts (22) ist.
2) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt in eine Anzahl voneinander unabhängiger Ab-

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schnitte (22.1, 22.2) unterteilt ist, und jeder dieser Abschnitte mit je einem Eintritts- und einem Austrittsstutzen versehen ist.
3) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einzelne der voneinander unabhängigen Abschnitte mit zusätzlichen Flüssigkeitsanschlussstutzen (35) versehen sind, welche zwischen dem genannten Eintritts- und dem Austrittsstutzen angeschlossen sind (Fig. H).
¹J) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt (22) aus auf die Aussenseite der Wand (16) der innern Medienkammer (32) aufgeschweissten kanalförmigen Profilstäben gebildet ist, wobei die Kanalöffnung der Kammerwand zugekehrt ist, welche somit einen Abschnitt der Rohrwand bildet (Fig. 3).
5) Einrichtung nach einem

der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt in die Wand der innern Medienkammer integriert ist.
6) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die äussere (3D der beiden Medienkammern mit einer zusätzlichen Wärmeaustauscherfläche (11) versehen ist.

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7) Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und ^, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die äussere der beiden Medienkammern mit einer zusätzlichen Heizvorrichtung (11) versehen ist.

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