DE29607467U1

DE29607467U1 - Wärmetauscher für eine thermische Solaranlage

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Publication number: DE29607467U1
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Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2006-01-17

Description

Sieqfried LANG
lG-76 053

Wärmetauscher für eine thermische Solaranlaqe

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Speicherbehälter zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und einer in dem Speicherbehälter angeordneten Rohrschlange für einen Wärmeaustausch zwischen der in dem Speicherbehälter enthaltenen Flüssigkeit und einer in der Rohrschlange strömenden Flüssigkeit, wobei das Innere der Rohrschlange gegen das Innere des Speicherbehälters abgeschlossen ist und die Rohrschlange Anschlüsse zum Verbinden mit einem außerhalb des Speicherbehälters befindlichen Leitungssystem aufweist.

Die Erfindung betrifft weiterhin thermische Solaranlagen mit einem derartigen Wärmetauscher. Bei diesen Anlagen bildet ein Solarkollektor, der lichtabsorbierende Absorptionsrohre enthält, zusammen mit der in der Regel spiralförmig ausgebildeten Rohrschlange des Wärmetauschers einen Primärkreislauf, in dem ein spezielles Wärmetransportfluid, die sogenannte Sole, zirkuliert. Dieses Fluid nimmt in den Absorptionsrohren des Kollektors, die sich durch die Sonneneinstrahlung erwärmen, Wärme auf und gibt diese über die Rohrschlange des Wärmetauschers an die Flüssigkeit in dem Speicherbehälter, in der Regel Wasser, ab. Für einen guten Wirkungsgrad der Anlage sollte die Differenz zwischen der Temperatur des aus der Rohrschlange ausströmendenFluid und der Temperatur des die Rohrschlange umgebenden Wassers in allen Betriebssituationen möglichst gering sein und idealerweise verschwinden.

Bei thermischen Solaranlagen nach dem Stand der Technik, bei denen für die Rohrschlange Rohre mit kreisförmigem Querschnitt verwendet werden, ist eine lange Rohrschlange im Wärmetauscher erforderlich, die ein relativ großes Volumen, verglichen mit dem Volumen der Absorptionsrohre, besitzt (typische Werte sind

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20 bis 30 1 für das Volumen der Rohrschlange und 2 1 für das Volumen der Absorptionsrohre). Das große Volumen der Rohrschlange führt dazu, daß die Solaranlage zu träge wird, um kurze Sonnenscheinperioden noch nutzen zu können. Daneben ergeben sich Kostennachteile durch die große erforderliche Menge an Sole für den Primärkreislauf.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß der Wärmeübergang zwischen der in der Rohrschlange strömenden Flüssigkeit und der in dem Speicherbehälter befindlichen Flüssigkeit verbessert wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine thermische Solaranlage zu schaffen, die auch kürzere Sonnenscheinperioden nutzen kann.

Die erfindungsgemäße Lösung der ersten Aufgabe sieht vor, daß bei einem Wärmetauscher mit einem Speicherbehälter zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und einer in dem Speicherbehälter angeordneten Rohrschlange für den Wärmeaustausch zwischen der in dem Speicherbehälter enthaltenen Flüssigkeit und einer in der Rohrschlange strömenden Flüssigkeit, bei welchem das Innere der Rohrschlange gegen das Innere des Speicherbehälters abgeschlossen ist und die Rohrschlange Anschlüsse zum Verbinden mit einem außerhalb des Speicherbehälters befindlichen Leitungssystem aufweist, das Rohr, aus dem die Schlange gebildet ist, in einer ersten Richtung eine maximale Querschnittsabmessung aufweist, die größer ist als die maximale Querschnittsabmessung in einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen Richtung. Hierbei ist unter der Querschnittsabmessung die Abmessung bezüglich einer Richtung in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Rohres zu verstehen.

Erfindungsgemäß wird bei dem für die Schlange verwendeten Rohr das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, das bei einem kreisförmigen Querschnitt minimal ist, vergrößert. Damit wird bei gleichem Rohrvolumen die Oberfläche des Rohrs, die in Kontakt mit der Flüssigkeit in dem Behälter steht, vergrößert und damit der Wärmeübergang von der Flüssigkeit in dem Rohr zu der Flüssigkeit in dem Behälter verbessert. Dementsprechend kann man eine kürzere Rohrschlange verwenden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Rohrschlange als Spirale ausgebildet sein, wobei im Bereich der Spirale die maximale Querschnittsabmessung des Rohrs in der Richtung zu einer benachbarten Rohrwindung hin größer als die maximale Querschnittsabmessung des Rohrs senkrecht zu dieser Richtung ist.

Damit wird der Anteil der Fläche des Rohrs, der einer benachbarten Rohrwindung zugewandt ist, d.h. dessen Flächennormale im wesentlichen zu der benachbarten Windung zeigt, gegenüber dem Flächenanteil des Rohrs kleiner, dessen Flächennormale im wesentlichen zur Außenseite der Spirale weist. In den Bereichen zwischen zwei Rohrwindungen wird die Flüssigkeit in dem Behälter schneller aufgeheizt, während das Aufsteigen der erwärmten Flüssigkeit durch die darüberliegende Rohrwindung behindert wird. Dementsprechend ist im stationären Betrieb in diesen Bereichen der Temperaturgradient und damit der Wärmefluß über der Wand der Rohrspirale geringer als in den übrigen Bereichen. Erfindungsgemäß werden diese Bereiche verkleinert, so daß ein größerer Teil der Rohrfläche an der Außen- bzw. Innenseite der Spirale liegt, wo ein besserer Wärmeübergang möglich ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Rohr im Bereich der Rohrschlange einen elliptischen Quer-

schnitt. Damit kann eine engere Rohrspirale als nach dem Stand der Technik gewickelt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Speicherbehälter eine weitere gegen das Innere des Speicherbehälters abgeschlossene Rohrspirale für einen Wärmeaustausch zwischen der in dem Speicherbehälter enthaltenen Flüssigkeit und einer in der Rohrspirale strömenden Flüssigkeit umfaßt, wobei eine dieser beiden Rohrspiralen im Inneren der anderen Rohrspirale angeordnet ist. Bevorzugterweise haben beide Rohrspiralen einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt. Eine der beiden Spiralen kann jedoch auch ein Rohr mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweisen, vorteilhafterweise die äußere.

Dabei können insbesondere die zwei Rohrspiralen parallel geschaltet sein, d.h. beide Rohrspiralen sind gleichzeitig mit den beiden Anschlüssen für das außerhalb des Speicherbehälters befindliche Leitungssystem derart verbunden, daß für die durch einen der beiden Anschlüsse einströmende Flüssigkeit mehrere alternative Strömungswege zu dem zweiten Anschluß gegeben sind, wobei die beiden Rohrspiralen in verschiedenen Strömungswegen 1i egen.

Dabei ist vorzugsweise eine Einrichtung zum Regeln des Anteils der Strömung durch jeden der alternativen Strömungswege vorgesehen. Diese Einrichtung kann insbesondere ein elektronisch gesteuertes Ventil sein.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die beiden Rohrspiralen einander nachgeschaltet sind, so daß aus der ersten Rohrspirale austretende Flüssigkeit durch die zweite Rohrspirale strömen kann.

Die zweite, die Solaranlage betreffende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer thermischen Solaranlage mit einem von einem Wärmetransportfluid durchströmten Solarkollektor und einem Wärmetauscher, bei welcher der Solarkollektor über externe Anschlüsse des Wärmetauschers mit einer Rohrspirale des Wärmetauschers zu einem Primärkreislauf verbunden ist, ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher wie vorangehend beschrieben verwendet wird. Aufgrund des geringeren erforderlichen Volumens der Rohrschlange des Wärmetauschers ist die erfindungsgemäße Solaranlage weniger träge als Solaranlagen nach dem Stand der Technik, so daß auch kürzere Sonnenscheinperioden ausgenutzt werden können.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bzw. der erfindungsgemäßen Solaranlage anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils der Rohrspirale des in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers,

Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

In Fig. 1 ist schematisch eine thermische Solaranlage mit einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt. Die Solaranlage umfaßt einen Solarkollektor 1 bekannter Bauart sowie einen Wärmetauscher mit einem mit Wasser gefüllten Speicherbehälter 10. Dieser Speicherbehälter erfüllt die Funktionen eines Wärmespeichers und eines Warmwasserspeichers und ist in der üblichen Weise mit einem Isolier-

mantel, z.B. aus Glaswolle, versehen, um die nach außen abgegebene Wärme möglichst gering zu halten.

Im unteren Teil des Innenraums des Speicherbehälters 10 ist ein zu einer Heizspirale 20 gebogenes Rohr 22 aus einem gut wärmeleitenden Material angeordnet, wobei die Spiralachse parallel zu der Längsachse des Behälters ist. Das obere und das untere Ende des Rohrs 22 sind jeweils durch die Wand des Behälters 10 hindurchgeführt und mit dieser verschweißt. Sie münden in außerhalb des Behälters 10 gelegene Anschlüsse 24 bzw. 26, die mit dem Solarkollektor 1 verbunden sind. Der Solarkollektor 1 bildet zusammen mit der Heizspirale 20 ein Primärkreislaufsystem, in dem die sogenannte Sole zirkuliert. Im Betrieb ist die Heizspirale 20 vollständig von dem Wasser in dem Speicherbehälter 10 umgeben, über den oberen Anschluß 24 wird von dem Solarkollektor 1 erhitzte Sole zugeführt, die ihre Wärme über die Heizspirale 20 an das Wasser in dem Speicherbehälter 10 abgibt und über den unteren Anschluß 26 wieder abfließt.

Der Speicherbehälter 10 besitzt weiterhin zwei Anschlüsse für einen Sekundärkreislauf, einen ersten Anschluß 28 zur Entnahme von warmem Wasser im oberen Teil des Speicherbehälters 10 und einen zweiten Anschluß 30 mit einer Prellplatte 31 zur Kaltwasserzuführung im unteren Teil des Behälters 10. Wird die Solaranlage zur Raumheizung verwendet, wird das über den Anschluß 28 entnommene Wasser nach der Abkühlung in einem Heizungsradiator über den Anschluß 30 wieder dem Speicherbehälter 10 zugeführt. Wird die Solaranlage zur Warmwasserbereitung verwendet, wird das über den Anschluß 28 entnommene warme Wasser verbraucht und durch über den über den Anschluß 30 zugeführtes kaltes Wasser ersetzt.

Oberhalb der Heizspirale 20 können eine oder mehrere weitere

Heizspiralen (nicht gezeigt), z.B. für eine Zusatzheizung angeordnet sein. Diese (Zusatz-) Heizspirale könnte auch ein Rohr mit rundem Querschnitt aufweisen. Dabei dient die obere Heizspirale in der Regel der Nachheizung über einen herkömmlichen Heizkessen, so daß hier auch ein üblicher Wärmetauscher, der etwas preisgünstiger herstellbar ist, eingesetzt werden kann.

Das Rohr 22 hat im Bereich der Spirale 20 im Querschnitt die Form einer Ellipse, wie man anhand von Fig. 2 erkennt, welche einen Teil der Spirale 20 vergrößert in einem Längsschnitt darstellt. Dabei ist die Schmalseite dieser Ellipse der darüber- bzw. der darunterliegenden Rohrwindung zugewandt, d.h. die große Halbachse der Ellipse weist im wesentlichen in die Richtung der Spiralachse. Die Höhe L₁ des Rohrs 22 ist deutlich größer als die Breite L₂, bevorzugt mindestens doppelt so groß. Gegenüber einer Rohrspirale mit einem kreisförmigen Querschnitt (L₁ = L₂) wird damit der Anteil der Fläche an der Außenseite der Spirale vergrößert, während der Raumbereich S zwischen zwei Rohrwindungen verkleinert wird. Gleichzeitig wird das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen gegenüber dem kreisförmigen Rohr vergrößert.

Der elliptische Querschnitt des Rohrs 22 geht außerhalb der Spirale 20 in einen runden Querschnitt über, so daß an die Anschlüsse 24 bzw. 26 übliche kreisrunde Leitungsrohre angeschlossen werden können.

In Fig. 3 ist schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt, der in einer thermischen Solaranlage mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 verwendet werden kann. In Fig. 3 sind gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet; der Speicherbehälter 10 und die Rohrspirale 20 sind geschnitten dargestellt. Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist innerhalb der ersten Rohrspirale 20 eine zweite Rohrspirale 40 angeordnet. Die Rohre 22 bzw. 42, welche die Spiralen 20 und 40 bilden, haben jeweils einen elliptischen Querschnitt, wobei die Schmalseiten übereinanderliegender Rohrwindungen wie bei der einfachen Spirale der Aus-

führungsform der Fig. 1 einander benachbart sind. Die beiden Rohre 22 und 42 sind an ihrem oberen Ende über eine Verzweigung 50 mit dem Anschluß 24 und an ihrem unteren Ende über eine Verzweigung 52 mit dem Anschluß 26 verbunden, wobei eine Ventileinrichtung 54 den Umfang der jeweiligen Strömung durch die beiden Rohrspiralen regelt. Sie kann dabei insbesondere den Zufluß zu einer der beiden Spiralen unterbrechen. Die Venti!einrichtung 54 wird durch eine elektronische Steuerung (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von der Temperatur des Wassers in dem Behälter 10 und der Temperatur der über den Anschluß 24 einströmenden Flüssigkeit betätigt.

Zwischen den beiden Spiralen befindet sich ein Zwischenraum der Breite d, in dem das Wasser des Behälters 10 durch die zweiseitige Beheizung schnell erwärmt wird. Aufgrund der nach oben offenen Konstruktion der Spiralen kann das erwärmte Wasser zwischen den Spiralen in dem Behälter leicht nach oben steigen, während im wesentlichen von der Unterseite der Spiralen aus kälteres Wasser nachströmt. Aufgrund des besseren Wärmeübergangs sind zwei Rohrspiralen mit elliptischem Querschnitt bevorzugt. Grundsätzlich kann eine Konstruktion mit zwei ineinanderliegenden Spiralen wie oben beschrieben jedoch auch mit Rohren mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt werden. So kann auch nur eine der beiden Rohrspiralen, vorteilhafterweise die innere, einen elliptischen Querschnitt haben.

Diese zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden.

So können innerhalb der ersten Spirale 20 mehrere übereinander angeordnete Spiralen angeordnet sein, die je nach den Betriebsbedingungen in den Strömungsweg geschaltet werden können. Ebenso können innerhalb der zweiten Spirale 40 eine oder mehrere weitere Spiralen angeordnet sein.

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In einer weiteren Abwandlung kann vorgesehen sein, daß die
äußere Rohrspirale der inneren Rohrspirale derart nachgeschaltet ist, daß die Sole, welche die innere Rohrspirale verläßt,
wahlweise direkt oder über die äußere Spirale zu dem Abfluß 26 geleitet werden kann. Auch hier regelt eine geeignete Einrichtung, z.B. ein elektronisch gesteuertes Ventil, den Umfang der Strömung in den beiden alternativen Strömungswegen in Abhängigkeit
von der jeweiligen Betriebssituation. Auf diese Weise
kann die Restwärme der Sole, welche die innere Spirale verläßt,
zum Nachheizen verwendet werden, wobei natürlich Voraussetzung ist, daß das die äußere Spirale umgebende Wasser kälter
als die Sole in der äußeren Spirale ist.

Vorangehend wurde eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei welcher die Rohrspirale zum Erwärmen der in dem Speicherbehälters befindlichen Flüssigkeit verwendet wurde. Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher kann jedoch auch für den umgekehrten
Prozeß, d.h. zum Kühlen der Flüssigkeit in dem Speicherbehälter
10 verwendet werden. Es können auch zwei Spiralen für unterschiedliche Wärmeerzeuger und unterschiedliche Fluide (z.B. Solar- und Brennwerttechnik) verwendet werden.

Claims

Siegfried LANG lG-76 053 Schutzansprüche

1. Wärmetauscher mit einem Speicherbehälter (10) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und einer in dem Speicherbehälter angeordneten Rohrschlange (20, 40) für einen Wärmeaustausch zwischen der in dem Speicherbehälter (10) enthaltenen Flüssigkeit und einer in der Rohrschlange (20, 40) strömenden Flüssigkeit, wobei das Innere der Rohrschlange (20, 40) gegen das Innere des Speicherbehälters abgeschlossen ist und die Rohrschlange Anschlüsse (24, 26) zum Verbinden mit einem außerhalb des Speicherbehälters befindlichen Leitungssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

das Rohr (22, 42), aus dem die Schlange (20, 40) gebildet ist, in einer ersten Richtung eine maximale Querschnittsabmessung aufweist, die größer ist als die maximale Querschnittsabmessung in einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen Richtung. ·>

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Rohrschlange als Spirale (2Q, 40) ausgebildet ist, wobei im Bereich der Spirale die maximale Querschnittsabmessung des Rohrs (22, 42) in der Richtung zu einer benachbarten Rohrwindung hin größer als die maximale Querschnittsabmessung des Rohrs senkrecht zu dieser Richtung ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das Rohr (22, 42) im Bereich der Rohrschlange (20, 40) einen elliptischen Querschnitt besitzt.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Speicherbehälter (10) eine weitere gegen das Innere des Speicherbehälters (10) abgeschlossene Rohrspirale (40) für einen Wärmeaustausch zwischen der in dem Speicherbehälter (10) enthaltenen Flüssigkeit und einer in der Rohrspirale (40) strömenden Flüssigkeit umfaßt, wobei eine der beiden Rohrspiralen (40) im Inneren der anderen Rohrspirale (20) angeordnet ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

beide Rohrspiralen (20, 40) gleichzeitig mit den beiden Anschlüssen (24, 26) für das außerhalb des Speicherbehälters (10) befindliche Leitungssystem derart verbunden sind, daß für die durch einen der beiden Anschlüsse (24) einströmende Flüssigkeit mehrere alternative Strömungswege zu dem zweiten Anschluß (26) gegeben sind, wobei die beiden Rohrspiralen (20, 40) in verschiedenen Strömungswegen liegen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (54) zum Regeln des Anteils der Strömung durch jeden der alternativen Strömungswege (20, 40).

7. Wärmetauscher nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

die beiden Rohrspiralen (20, 40) einander nachgeschaltet sind, so daß aus der ersten Rohrspirale austretende Flüssigkeit durch die zweite Rohrspirale strömen kann.

8. Thermische Solaranlage mit einem von einem Wärmetransportfluid durchströmten Solarkollektor (1) und einem Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Solarkollektor (1) mit der Rohrschlange (20, 40) des Wärmetauschers zu

einem Primärkreislauf für das Wärmetransportfluid verbunden ist.