DE2745912C2 - Wärmeübertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager

entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Dabei ist unter »definierten Strömungsverhältnissen« derjenige Zustand des flüssigen Wärmeträgers innerhalb der Heizvorrichtung zu verstehen, bei dem der Wärmeträger in einer möglichst dünnen Schicht und mit weitgehend an allen Stellen gleicher Strömungsgeschwindigkeit an den wärmeabgebenden und die Rohrschlange bildenden Flächen entlang geführt wird, so daß es an keiner Stelle in der Heizvorrichtung wegen

ίο eines Wärmestaues zu örtlichen Überhitzungen und damit bei wärmeempfindlichen Stoffen z.B. bei Wärmeträger-Öl, zu Zersetzungen und zur Umwandlung dieser Stoffe in explosive Gemische kommen kann. Derartige mit definierten Strömungsverhältnissen

is arbeitende Wärmeübertrager sind beispielsweise aus dor DE-AS 25 32 978 bekanntgeworden. Bei diesen bekannten Wärmeübertragern besteht die Rohrschlange bis auf kurze Umlenkstücke aus geraden, verhältnismäßig langen und senkrecht verlegten Rohrabscimitten, so daß es sich um verhältnismäßig große Anlagen handelt, die ihre Verwendung z. B. bei der Wohnraumheizurg gefunden haben. Für den KJsin-Erhitzerbereich sind solche Wärmeübertrager jedoch nicht geeignet, weil die erforderliche Länge und der erforderliche Durchmesser der notwendigen langen geraden Rohrabschnitte der Rohrschlange sich nicht im Kleinerhitzer einbauen lassen. Es war deshalb bisher kaum möglich, Kleinerhitzer in der Größe eines Tischgerätes, z. B. für Laboratoriumszwecke, einzusetzen, in denen der flüssi ge Wärmeträger unter definierten Strömungsverhält nissen auf hohen Temperaturen gehalten werden konnte. So mußte man bei Wärmeübertragern im Laboratoriumsmaßstab immer wieder auf die sogenannten FIüssigkeits-Umwälz-Thermostate zurückgreifen, die nach der bekannten Tauchsiederart hergestellt sind und bei denen örtliche Überhitzungen des Wärmeträgers nicht zu vermeiden sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager mit definierten Strömungsver hältnissen der eingangs beschriebene*! Art zu schaffen, bei dem die Bauabmessungen erheblich herabgesetzt sind und bei dem unter Berücksichtigung der Sicherheitsvorschriften (DIN 4754 und UVV VBG 17) eine Verwendung auch im Laboratoriumsbetrieb als Tisch gerät möglich ist.

Diese Aufgabe soll durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst werden.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im

wesentlichen darin zu sehen, daß die bei Großanlagen möglichen definierten Strömungsverhältnisse des Wärmeträgers in der Heizvorrichtung beibehalten und die räumlichen Abmessungen der Heizvorrichtung, insbesondere deren Höhe, erheblich herabgesetzt werden können, so daß auch der Wärmeträger-Behälter wesentlich niedriger ausgeführt werden kann, was z. B. für ein Tischgerät entscheidend ist.

Zweckmäßig ist die Rohrschlange der Heizvorrichtung kreisförmig oder oval bzw. nach Art einer Ellipse gekrümmt.

Eine praktische Ausführungsform nach Anspruch 3 kennzeichnet sich in Weiterbildung dadurch, daß die Rohrschlange aus einer Ring-Heizplatte gebildet ist. in der sich die, eine oder mehrere Schlaufen bildende, Rohrschlange befindet, die sich vom Eintrittsstutzen des Wärmeträgers ab parallel zu den Heizplattenrändern über eine bzw. mehrere Umkehrstellen wieder zurück bis in die Nähe des Eintrittsstutzens zu einem dort

bafindlichen Awtriitsstutzen des Wärmeträgers in die Vorlaufleitwng erstreckt.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann der Wärmeübertrager dadurch weiter entwickelt werden, daß die Ring-Heizplatte aus zwei Ringscheiben besteht, in die je eine die Rohrschlange bildende Ausformung eingearbeitet ist und die spiegelbildlich zusammengefügt und miteinander flüssigkeitsdicht, z. B. durch Verschweißen verbunden sind.

Soll die Heizleistung des Wärmeübertragers oder die Menge des durchzusetzenden Wärmeträgers erhöht werden, so kann dies nach einer Weiterbildung der Erfindung (Patentanspruch 6) dadurch erzielt werden, daß mehrere Ring-Heizplatten mit Abstand voneinander nach dem Baukastensystem zusammengesetzt sind und so einen bezüglich des Durchflusses des Wärmeträgers hintereinander geschalteten Wärmetauscherblock bilden.

Das Aufheizen des Wärmeträgers kann nach einer speziellen Ausführungsform der Erfindung (Patentanspruch 7 oder 8) mittels eines elektrischen stabförmigen Heizelementes oder mittels eines von einem Rassigen oder dampfförmigen Heizmittel durchflo_yenen Rohres erfolgen.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des gesamten Wärmeübertragers im Schnitt mit horizontal angeordneten Ring-Heizplatten einer Heiz-Kühl-Vorrichtung,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Ring-He'zplatte nach der Linie D-Dder Fig.3 in einer senkrechten Stellung und

Fig.3 zwei zu einem Wärmetauscherblock zusammengefaßte Ring-Heiz-Kühl-Platten, links oben im Schnitt nach der Linie C-C und links unten im Schnitt nach den Linie A-A und B-B und rechts als Ansicht E gemäß F ig. 2.

Ein Wärmeübertrager (Fig. 1) besteht aus einem doppelwandigen Behälter 1, der mit einer Isolierung 2 versehen ist. Die im Behälter 1 untergebrachte kombinierte Heiz-Kühl-Vorrichtung 3 besteht aus zwei Ring-Heizplatten 4, 5 mit den in ihnen enthaltenen elektrischen Heizelementen 6. Zwischen den Ring-Heizplatten 4, 5 befindet sich eine von einem Kühlmittel durchflossene Kammer 7, in die nach Fig. I links eine von einem nicht dargestellten Kühlersystem kommende Vorlaufieitung 8 einmündet und von der rechts die das erwärmte Küi.l.nittel wieder zum Kühlersystem zurückführende Rücklaufleiturg 9 abgeht.

Die Heiz-Kühl-Vorrichtung 3 ist untergetaucht angeordnet in dem den Behälter 1 zu etwa Vj ausfüllenden flüssigen Wärmeträger W, vorzugsweise Wärmeifägeröle, und wird von einer Umwälzpumpe 11 mit dem Wärmeträger gespeist, die ebenfalls untergetaucht im Wärmeträger VV sich befindet und von einem oberhalb des Behälters 1 angeordneten Motor 10 angetrieben wird. Zweckmäßig kann auch die Pumpenantriebswelle vor der oberen Wandung des Behälters 1 enden, wobei die Kraftübertragung vom Motor 10 aus über eine nicht dargestellte Magnetkupplung erfolgt. Eine Durchbrechung der Wandung des Behälters 1 für die Pumpenantriebswelle ist dann nicht nötig. Über eine oben von der Heiz-Kühl-Vorrichtung 3 abgehende Vorlaufleitung 12 wird der erwärmte bzw. temperierte Wärmeträger einem nicht dargestellten Wärmeverbraucher zugeführt. Der von dem Wärmeverbraucher zurückfließende Wärmeträger gelangt über die Rück laufleitung 13 wieder ;■ m oben zurück in den Behälter 1.

Der Behälter 1, der sowohl als Sammelgefäß als auch als Ausdehnungsgefäß für den Wärmeträger W dient, enthält also nicht nur die Heiz-Kühl-Vorrichtung 3, sondern auch die Umwälzpumpe 11 und kann aus diesem Grund wegen der geringen Bauhöhe der Heiz-Kühl-Vorrichtung verhältnismäßig kleine Abmessungen aufweisen. Dadurch kann der Wärmeübertrager u.a. auch als Tischgerät für Laboratoriumszwecke eingesetzt werden.

Nach F ä g. 3 besteht die Heiz-Kühl-Vorrichtung 3 aus den zwei Ring-Heizplatten 4 und 5, die mit Abstand voneinander mittels eines äußeren Ringes 14 und eines inneren, z. B. jeweils aus Blech bestehenden Ringes 15 an ihren inneren und äußeren Begrenzungsrändern durch Verschweißen miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist zwischen den zwei Ring-Heizplatten 4 und 5 die ringförmige Kammer 7 geschaffen, in die über einen Eintrittsstutzen 16 (Fig.2 und 3) ein flüssiges Kühlmittel eingeführt und aus der es im erwärmten Zustand durch einen Austrittsstutzen 17 wieder in die Rücklaufleitung 9 zum Kühler ,.item geleitet werden kann.

Die einzelnen Ring-Heizplatten 4 und 5 sind je durch kreisringförmige, vorzugsweise aus Blech bestehende Ringscheiben 18, 19 gebildet, in die zum Bilden der Rohrschlange 20 (Fig.2) eine einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisende Ausformung 26 eingearbeitet ist, die nach F i g. 2 sich vom Eintrittsstutzen 21 parallel zu den Heizplattenrändern über eine Umkehrstelle 22 wieder zurück bis in die Nähe des Eintrittsstutzens 21 zu einem dort befindlichen Austrittsstutzen 23 für den Wärmeträger erstreckt Zwei auf diese Weise spiegelbildlich ausgebildete Ringscheiben 18 und 19 sind zum Bilden der Rohrschlange 20 zusammengefügt und an den Berührungsstellen durch Schweißen flüssigkeitsdicht miteinander verbunden. Sind, wie im vorliegenden Fall, zwei Ring-Heizplatten 4 und 5 nebeneinander angeordnet, so ist der Austrittsstutzen 23 der nach Fig.3 linken Ring-Heizplatte 4 mit einem gegenüberliegenden Eintrittsstutzen 24 der rechten Ring-Heizscheibe 5 verbunden. Auf diese Weise tritt der in der linken Ring-Heizplatte 4 aufgewärmte Wärmeträger in die rechte Ring-Heizplatte 5 ein, wird dort weiter erhitzt und verläßt die rechte Ring-Heizplatte 5 durch den Austrittsstutzen 25.

In jeder Rohrschlange 20 (F i g. 2) der Ring-Heizplatten 4 und 5 ist genau mittig das stabförmige elektrische Heizelement 6 angeordnet, dessen Enden 6', 6" aus den Ring-Heizplatten 4 und 5 in der Nähe der Eintritts- bzw. Austrittsstutzen 21, 23 heraustreten. Durch die elektrischen Heizelemente 6 einerseits und durch die Ausformungen 26 der Ringscheiben 18, 19 andererseits entsteht der Ringspslt 27 (Fig.3), der die definierten Strömungsverhältnisse des Wärmeträgers W innerhalb der Rohrschlange 20 sicherstellt

Nach Fig.3 können zwei oder mehrere Heiz-ICühl-Vorrichtungen 3, 3' hintereinander geschaltet werden, um die Leitung des Wärmeübertragers zu erhöhen.

Der Wärmeübertrager kann sowohl als Heizungsvorrichtung allein als auch nur als Kühlvorrichtung allein, ferner als kombinierte Heiz- und Kühlvorrichtung (wie in F i g. 1 bis 3 dargestellt) betrieben werden.

Beim Betrieb als Heizvorrichtung entfällt der KUhlmitteldurchfluß durch die Kammer 7. Es kann aber durch die Kammer 7 noch ein zusätzliches, fließendes Heizmittel, wie Heißwasser oder Dampf, geleitet werden, um den in den Rohrschlangen 20 befindlichen Wärmeträger in einer ersten Sinfp vnrvnprhit-rfn imH

ihn dann in einer zweiten Stufe mit Hilfe der elektrischen Heizelemente 6 weiter aufzuheizen.

Soll die Vorrichtung nur zur Kühlung verwendet werden, so ist die Stromzufuhr zu den elektrischen Heizelementen 6 abgeschaltet, und dem im Zwangsumlauf umgewälzten Wärmeträger W wird mit Hilfe des durch die Kühl-Kammer 7 geförderten Kühlmittels Wärme so lange entzogen, bis die Solltemperatur an der zu kühlenden Stelle erreicht ist.

Sämtliche vorgenannten Betriebsmöglichkeiten des Wärmeübertragers können mit Hilfe an sich bekannter Steuer- bzw. Regeleinrichtungen eingestellt und überwacht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wärmeübertrager mit einem einen flüssigen oder verflüssigbaren Wärmeträger enthaltenden und zugleich das Ausdehnungsgefäß für diesen bildenden Behälter, dem eine Heizvorrichtung für den Wärmeträger zugeordnet ist und der eine von einem Wärmeverbraucher kommende Rücklaufleitung und eine zu dem Wärmeverbraucher führende Vorlaufleitung sowie eine Umwälz-Pumpe für den Wärmeträger aufweist, wobei die Heizvorrichtung aus einer einerseits mit der Umwälz-Pumpe und andererseits mit der Vorlaufleitung verbundenen Rohrschlange besteht, in der zur Erzeugung definierter Strömungsverhältnisse mittig ein stabförmiges Heizelement derart angeordnet ist, daß zwischen der Rohrschlangenwandung und dem Heizelement ein freier der Durchströmung dienender Ringspalt entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlange (20) der Heizvorrichtung (3) im wesentlichen über ihre ganze Länge gleichsinnig gekrümmt entsprechend dem lichten Querschnitt des Behälters (1) ausgebildet und liegend im Behälter (1) angeordnet ist

Z Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlange (20) der Heizvorrichtung kreisförmig oder oval gekrümmt ist

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlange (20) aus einer Ring-Heizplatte (4, 5) gebildet ist, in der sich die, eirw oder mehrere Schlaufen bildende, Rohrschlange (20) befindet, du-- sich vom Eintrittsstutzen (21) des Wärmeträgers ab parallel zu den Heizplattenrändern über eine bzw. mehrere Umkehrstellen (22) wieder zurück bis in die Nähe des Eintrittsstutzens (21, 24) zu einem dort befindlichen Austrittsstutzen (23, 25) des Wärmeträgers in die Vorlaufleitung (12) erstreckt

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ring-Heizplatte (4, 5) aus zwei Ringscheiben (Ii, 19) besteht, in die je eine die Rohrschlange (20) bildende Ausformung (26) eingearbeitet ist und die spiegelbildlich zusammengefügt und miteinander flüssigkeitsdicht verbunden sind.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheiben (18, 19) flüssigkeitsdicht miteinander verschweißt sind.

6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ring-Heizplatten (4, 5) mit Abstand voneinander nach dem Baukastensystem zusammengesetzt sind und so einen bezüglich des Durchflusses des Wärmeträgers hintereinandergeschalteten Wärmetauscherblock bilden.

7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im Inneren der Rohrschlange (20) angeordnete stabförmige Heizelement (6) ein elektrisch betriebenes ist.

8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Heizelement (6) ein Rohr ist, das von einem flüssigen oder dampfförmigen Heizmittel durchflossen ist.