DE3044079C2 - Warmwasserspeicher - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Warmwasserspeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekannter Warmwasserspeicher dieser Art (DE-OS 26 02 911) weist im Inneren eines wärmeisolierten Behälters ein rohrförmiges Leitelement auf, das an seinem oberen und seinem unteren Ende im Durchmesser erweitert ist. An der engsten Stelle des Leitelementes befindet sich in einem parallelwandigen Abschnitt ein Heizkörper. Das in dem Behälter enthaltene Wasser erwärmt sich am Heizkörper und steigt innerhalb des rohrförmigen Leitelementes auf, um danach in den seitlichen Räumen zwischen Leitelement und Behälterwand abzusinken. Auf diese Weise entstehen im Inneren des Behälters Kreisläufe, in denen das Wasser zirkuliert und bei jedem Umlauf an dem Heizkörper entlangstreicht. Allerdings entstehen im Inneren des Leitelementes ungünstige Strömungsverhältnisse, denn das Wasser, welches den Heizkörper von unten nach oben passiert hat, gelangt anschließend in einen Bereich, in welchem sich der Strömungsquerschnitt des Kanals plötzlich vergrößert, weil der Heizkörper dort auffhört. Hierdurch entstehen Turbulenzen, die das Aufsteigen der Wassersäule behindern. Nachteilig ist ferner, daß nur ein geringes Wasservolumen, das sich in den engen Querschnittsbereichen seitlich neben dem Heizkörper befindet, der thermischen Wirkung des Heizkörpers ausgesetzt wird.

Ein anderer bekannter Warmwasserspeicher (DE-OS 28 04 456) weist im oberen und im unteren Bereich eines wärmeisolierenden Behälters jeweils einen Wärmetauscher auf. Zwischen den Wärmetauscher sind übereinander mehrere statische Beschleuniger in Form S cgelstumpfförmiger Ringe angeordnet, welche eine Schichtung der Wärmespeicherflüssigkeit in etagenarligcn Schichten sicherstellen. Der untere Warmwassertauscher ist rohrförmig, so daß er von der wärmespeichernden Flüssigkeit vertikal durchströmt werden kann und hierbei die Flüssigkeit erwärmt Die Wärmeabgabe des unteren Wärmetauschers an die Flüssigkeit ist hierbei verbesserungsbedürftig, weil nur die an dem zylindrischen Wärmetauscher anliegenden Grenzschichten der Flüssigkeit erwärmt werden und keine Unterstützung der thermischen Strömung durch Leitbleche erfolgt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Warmwasserspeicher der einangs genannten Art zu schaffen, der eine intensivere Erwärmung bewirkt und bei dem der Heizkörper in Verbindung mit dem Leitelement eine Kaminwirkung erzeugt die sich über die obere Begrenzung des Leitelementes hinaus fortsetzt

Die Lösung dieser A dfgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher hat der Heizkörper die Form eines umgekehrten Trichters; er wird also mit sich verringerndem Strömungsquerschnitt von innen durchströmt Das Leitelement hat ebenfalls eine derartige Trichterform, so daß eine Zugoder Kaminwirkung entsteht, bei der der aufsteigende Warmwasserstrahl auch dann scharf gebündelt ist. wenn das Leitelement kurz über dem Heizkörper endet. Durch die Kaminwirkung wird erreicht, daß das Wasser in Form einer streng begrenzten Säuh mit relativ großer Strömungsgeschwindigkeit aus der Heizvorrichtung aufsteigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die sich nach oben hin verjüngende Heizvorrichtung eine gleichmäßige Erwärmung des Wassers über den Querschnitt der Wassersäule erfolgt Das Wasser ist also bereits beim Verlassen der Heizvorrichtung zu einer Wassersäule gebündelt, die vorzugsweise rund ist, so daß sie die geringstmögliche Oberfläche hat und ein möglichst kleiner Wärmeaustausch und eine möglichst geringe Vermischung mit den angrenzenden (kälteren) Wasserschichten stattfindet Das erwärmte Wasser durchläuft den unteren Bereich des Behälters, in dem die größten Temperaturunterschiede bestehen, also in scharfgebündelter Form, so daß die Vermischung mil dem kälteren Wasser so gering wie möglich gehalten wird. Dies ist wichtig, um den Exergiegehalt des Was- . sers, also das Wärmepotential gegenüber der Umgebung, möglichst hoch zu halten und andererseits der Heizvorrichtung Wasser mit möglichst niedriger Temperatur zuzuführen.

Die Heizvorrichtung braucht keine wasserundurchlässige Wand zu bilden, sondern sie kann aus Rohrwindungen bestehen, die mit geringem Abstand voneinander angeordnet sind und somit auf ihrer gesamten Umfangsfläche umströmt werden.

Zwar soll der Durchmesser der Heizvorrichtung b/.w. des untersten Leitelemcntcs sich generell von unten nach oben verkleinern, jedoch schließt dies nicht mis.

daß die betreffenden Teile beispielsweise an ihrem oberen l-nde eine mundförmige Erweiterung oder an ihrem unteren Ende eine geringfügige Verengung aufweisen.

Von besonderer Bedeutung ist, daß die aus der Heizvorrichtung aufsteigende Warmwassersäule turbulenzarm abströmt Die Strömungsgeschwindigkeit kann dadurch beeinflußt werden, daß der Ringspalt, den das untere Ende der Heizvorrichtung bzw. das untere Ende des Leitelementes mit der Behälterwand bildet, um das absinkende kältere Wasser der Heizvorrichtung zuzuführen, so eng gemacht wird, daß ein Strömungswiderstand entsteht, durch den sichergestellt ist, daß das Wasser die Heizvorrichtung nicht mit zu großer Strömungsgeschwindigkeit durchfließt, die eine ausreichende Temperaturerhöhung in der Heizvorrichtung verhindern würde.

Eine besonders gute Kaminwirkung und beschleunigung der zusammengefaßten Warmwassersäule ergibt sich, wenn die Wand der Heizvorrichtung bzw. die Wand des Leitelementes im Querschnitt annähernd hyperboloidförmig ausgebildet ist. Die Wand kann jedoch auch geradlinig verlaufen, so daß die entsprechenden Teile dann etwa kegelstumpffönnig ausgebildet sind.

Der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher eignet sich insbesondere für die Ausnutzung von Niedrigtemperaturwärme. Wenn mehrere unterschiedliche Wärmequellen zur Verfügung stehen, z. B. ein Wärmekollektor und eine mit Brennstoffen oder Strom betriebene Wärmequelle, kann die Heizvorrichtung aus mehreren Abschnitten bestehen, die an unterschiedliche Wärmequellen angeschlossen sind. Vorzugsweise ist eine derartige Heizvorrichtung derartig ausgebildet bzw. geschaltet, daß sie in dem Bereich kleinsten Durchmessers die höchste und in dem Bereich größten Durchmessers die niedrigste Temperatur aufweisen. Am unteren und äußeren Rand der Heizvorrichtung findet dann gewissermaßen eine Vorheizung statt während die Aufheizung auf die vorgesehene Endtemperatur kurz vor dem Verlassen der Heizvorrichtung im Bereich des engsten Querschnitts erfolgt

Der e. Indungsgemäße Warmwasserspeicher kann als Boiler für die Erzeugung von warmem Brauchwasser oder auch als Wärmespeicher eingesetzt werden. Das von der Heizvorrichtung erwärmte und in dem Behälter aufsteigende warme Wasser gibt einen Teil seiner Wärme an den Wärmtauscher ab und kühlt sich dabei ab. Das abgekühlte Wasser fällt entlang der Seitenwand des Behälters ab und wird wieder der Heizvorrichtung zugeführt Im Falle eines Wärmespeichers braucht die Behälterflüssigkeit nicht aus reinem Wasser zu bestehen, sondern kann Zusätze zur Erhöhung der Wärmespeicherkapazität enthalten. Bei einem Wärmespeicher ist der Behälter allseitig geschlossen, so daß im Behälterinnern ein geschlossenes Umlaufsystem existiert Ein derartiger Wärmespeicher wird beispielsweise von einem Wärmekollektor aus beheizt und stellt für einen Abnehmer eine bestimmte Wärmemenge, unabhängig von der Lieferbereitschaft des Wärmekollektors, über einen längeren Zeitraum zur Verfügung. Der im oberen Bereich des Behälters angeordnete Wärmetauscher wird vorzugsweise von unten nach oben durchströmt, so daß ein Wärmetausch nach dem Gegenstromprinzip stattfindet, wobei das den Wärmetauscher durchströmende Medium zunächst die Wirkung des kälteren Wassers und anschließend der Wirkung immer wärmeren Wassers ausgesetzt wird.

Vorzugsweise ist im Innern des von dem Wärmetauscher umschlossener. -Raumes ein sich nach unten erweiterndes Leitelement angeordnet Dieses Leitelement lenkt das sich an dem Wärmetauscher abkühlende Wasser in den Randbereich des Behälters und ferner das in der Behältermitte befindliche warme Wasser zum sVärmetauscher.

Bei der Verwendung des Warmwasserspeichers als Brauchwasserboiler kann am unteren Ende des Behälters ein Kaltwasservorlauf vorgesehen sein, der Wasser kreisend und im Gegenstrom zu dem in der Heizvorrichtung fließenden Medium an der Heizvorrichtung entlangführt Hierdurch wird die Erwärmung des zufließenden Kaltwassers besonders wirksam durchgeführt Zweckmäßigerweise ist der Kaltwasserzulauf gegen eine Prallplatte gerichtet

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Warmwasserbereiter,

F i g. 2 die Ausbildung des oberen Bereichs des Behälters im Falle eines Wärmespeichers,

F i g. 3 ein schematisches Scha.üild des Behälters im Falle eines Wärmespeichers, der von unterschiedlichen Wärmequellen versorgt wird,

F i g. 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Behälter mit schwebendem Leitelement und

F i g. 5 eine Ansicht der Heizvorrichtung bei dem Behälter nach F i g. 4 von unten.

Üer in F i g. 1 dargestellte Warmwasserspeicher weist

einen im wesentlichen zylindrischen Behälter 10 mit gewölbten Stirnflächen auf, der mit einer Wärmedämmschicht 11 thermisch gegen die Umgebung isoliert ist Der Behälter 10 weist in seiner unteren Stirnwand einen Kaltwasserzulauf 12 und in seiner oberen Stirnwand einen Warmwasserablauf 13 auf. Im unteren Bereich des Behälters 10 befindet sich die Heizvorrichtung 14, 17, die aus einem Wärmetauscherrohr 14 besteht, das mit seinem einen Ende an eine Voriaufieitung i5 und mit seinem anderen Ende an eine Rückiaufleitung 16 angeschlossen ist. Das Wärmetauscherrohr weist zahlreiche Windungen auf. die einen nach unten hin zunehmenden J)urchmeser haben. Auf diese Weise entsteht die in F i g. 1 dargestellte Form des Heizkörpers 14, bei der — im Querschnitt gesehen — die Rohrwindungen entlang einer Hyperboloidkurve verlaufen. Die Heizvorrichtung 14, 17 ist insgesamt etwa trichterförmig ode' glockenförmig ausgebildet. Ihr Querschnitt verkleinert sich von unten nach oben hin. Die Vorlaufleitung 16, in der das Wärmeträgermedium die höchste Temperatur hat ist

so an die oberste (kleinste) Windung des Heizkörpers 14 angeschlossen und die Rückiaufleitung 15 an die unterste und somit grüßte Windung. Der Heizkörper 14, der im vorliegenden FaI! aus einer einzigen Rohrschlange besteht kann auch aus mehreren an separate Wärme-

5b quellen anschließbaren Abschnitten bestehen. Die Heizvorrichtung 14 ist von einem Leitelement 17 umgeben, das ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet ist und der Form des Heizkörpers 14 im wesentlichen folgt Das Leitelement 17 hat jedoch einen Abstand von der Heizvorrichtung 14.

Oberhalb des Leitelementes 17 bzw. des Heizkörpers 14 sind in dem Behälter 10 weitere Leiteleinente 18,19, 20 und 21 angeordnet, die umgekchrt-irichterförmig od'er glockenförmig ausgebildet sind und an ihrem verjungten oberen Ende jeweils eine Durchtrittsöffnung 22 aufweisen. Die Liitelerrente 18 bis 21 erstrecken sich mit ihren Rändern bis in die Nähe der Seitenwand des Behälters 10, lassen aber jeweils einen Ringspalt frei.

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Über der Durchtrittsöffnung 22 des obersten Leitelementes 21 befindet sich der Warmwasserablauf 13 an der höchsten Stelle des Behälters 10.

Der Kaltwasserzulauf 12 besteht aus einem Rohr, das in den Ringraum zwischen dem Heizkörper 14 und dem s untersten Leitelement 17 einmündet. Das Rohrende ist so gerichtet, daß das einfließende Kaltwasser im Innern des Leitelementes 17 in kreisende Bewegung versetzt wird und im Gegenstrom zu den in dem Heizkörper 14 fließenden Wärmeträgermedium fließt.

Sn einigen (oder allen) Höhenabschnitten, die von zwei Leitelementen 17 bis 21 begrenzt werden, befindet sich ein Schwebekörper 23,24,25. Die Schwebekörper 23,24,25 haben unterschiedliche spezifische Gewichte. Der unterste Schwebekörper 23 hat das größte spezifi- is sehe Gewicht und der oberste Schwebekörper 25 das kleinste spezifische Gewicht. Das spezifische Gewicht jedes Schwebekörpers entspricht der Wichte des Wassers bei der für den betreffenden Höhenabschnitt vorgesehenen Temperatur.

Aus jedem Höhenabschnitt sinkt das kältere Wasser an der Seitenwand des Behälters 10 entlang nach unten. Dort gelangt es in die unten offene Heizvorrichtung 14, 17, wo es zunehmend aufgeheizt wird. Im Zuge der Aufheizung vergrößert sich der Auftrieb des Wassers, so daß das Wasser an dem Heizkörper 14, also im Innern des von dem untersten Leitelement 17 umschlossenen Raumes, eine nach oben gerichtete Beschleunigung erhält Dadurch tritt aus der oberen Öffnung 22 des Leitelementes 17 eine aufstrebende Wassersäule auf, die durch die öffnungen 22 der übrigen Leitelemente 18,19, 20 und 21 hindurchtritt und sich dabei in jedem Höhenabschnitt möglichst wenig mit dem umgebenden Wasser, das eine niedrigere Temperatur hat. vermischt. Wenn die Wassersäule in einen Höhenabschnitt gelangt, für den sie zu kalt ist. steigt sie in dem betreffenden Höhenabschnitt auf und verschließt die öffnung 22 in des den Höhenabschniu nach oben begrenzenden Leitelementes, so wie es in Fig. 1 bei dem Leitelement 20 und dem kugelförmigen Schwebekörper 24 dargestellt ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein zu kalter Wasserstrahl in den darüberliegenden Höhenabschnitt gelangt, der für eine höhere Wassertemperatur vorgesehen ist.

In F i g. 2 ist das obere Ende eines Warmwasserspeichers dargestellt, der ein flüssiges Speichermedium enthält und im Prinzip in gleicher Weise ausgebildet ist wie der Warmwasserbereiter nach F i g. 1. Das oberste Leitelement 21 ist hierbei jedoch nicht, wie die anderen Leitelemente, konkav nach innen gewölbt, sondern konvex nach außen gewölbt. Zwischen dem obersten Leitelement 21' und der oberen Stirnwand des Behälters 10 bzw. dem oberen Bereich der Seitenwand des Behälters befindet sich ein Wärmetauscher 24, der aus einer Rohrschlange besteht, deren Windungsdurchmesser von oben nach unten hin zunimmt. Die Wärmeschlange folgt somit im wesentlichen der Kontur der Behälterwand im oberen Bereich. Ihre oberste Windung bildet den zu einem Wärmeverbraucher 25 führenden Auslaß und die unterste Windung bildet den vom Wärmeverbraucher to 25 kommenden Einlaß des Wärmetauschers 24.

Die (nicht dargestellte) Heizvorrichtung des Wärmespeichers ist beispielsweise an einen Sonnenkollektor angeschlossen. Da die Heizenergie des Sonnenkollektors nicht ständig in ausreichendem Maße zur Verfügung steht, wird die in dem Wärmespeicher enthaltene Flüssigkeit in der an hand von Fig.! beschriebenen Weise erwärmt. Die gespeicherte Wärme kann von dem Wärmeverbraucher 25 bei Bedarf abgerufen werden, indem ein Wärmeübertragungsmedium durch den Wärmetauscher 24 geleitet wird. Dabei kühlt sich das den Wärmetauscher 24 umgebende Wasser ab, urn entlang der Wand des Behälters 10 nach unten abzusinken. Durch die öffnung 22 des obersten Leitelementes 21' strömt warmes Wasser in den Ringraum zwischen dem Leitelement 2V und der Stirnwand des Behälters nach.

F i g. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Wärmespeichers, der an zwei verschiedene Wärmequellen angeschlossen ist. Die eine Wärmequelle ist eine Wärmepumpe 26 mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf 27, der einen Kondensor 28, ein Expansionsventil 29, einen Verdampfer 30 und einen Verdichter 31 aufweist. Der Verdampfer 30 kann beispielsweise an einen Sonnenkollektor angeschlossen sein. Der Kondensor 28 ist eine Rohrschlange, die im Innern der Behälters 10 angeordnet ist und einen Teil der Heizvorrichtung 14 bildet.

Den zweiten Teil der Heizvorrichtung 14 bildet eine Rohrschlange 29, die an Heizleitungen 29' angeschlossen ist Die Rohrschlangen 28 und 29 sind am unteren Ende des Behälters 10 angeordnet, während eine weitere Rohrschlange 24 für die Wärmeentnahme im oberen Ende des Behälters angeordnet ist

Die F i g. 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Leitelement 32 im Innern des Behälters 10 schwebend angeordnet ist. Das Leitelemcnt 32 hat ein spezifisches Gewicht, das der Wichte des Wassers bei ewter bestimmten mittleren Temperatur entspricht. Es stellt sich daher selbsttätig im Innern des Behälters 10 auf eine Höhe ein, die der vorgesehenen Grenztemperatur entspricht. Das Leitelement 32 hält also Wasserschichten mit unterschiedlichen Temperaturen voneinander getrennt Die Heizvorrichtung 14 und das unterste Leitelement 17 sind ähnlich ausgebildet wie die entsprechenden Teile bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Der Kaltwasserzulauf 12 führt durch den Behälterboden unter den unteren Rand des Lciiclerr.cn tes 17, das auf diese Weise als Prallplatte wirkt, gegen die der Kaltwasserstrahl stößt. Der Kaltwasserzulauf 12 ist gegenüber der Längsachse des Behälters schräg gestellt so daß das zwischen zwei Rohrwindungen der Heizvorrichtung 14 eingeleitete Kaltwasserkrciscn in die Heizvorrichtung eingeführt wird und dabei, wie Fig.5 zeigt im Gegenstrom bzw. Kreuzstrom zu der durch den Pfeil 33 angegebenen Richtung des durch die Rohrschlange 14 strömenden Heizmediums verläuft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Warmwasserspeicher, mit einem wärmeisolierten Behälter und einem im unteren Bereich des Behälters angeordneten Heizköper und mindestens einem den Heizkörper seitlich umgebenden Leitelement, das eine mittlere öffnung für den Aufstieg warmen Wassers und im Abstand von dieser eine seitliche Öffnung für das Absinken kälteren Wassers aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (14) nach Art eines umgekehrten Trichters mit sich nach oben verjüngendem Durchmesser ausgebildet ist und daß das Leitelement (17) der Trichterform des Heizkörpers (14) im wesentlichen folgt

2. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Heizkörpers (14) im Querschnitt annähernd hyperboloidförmig ausgebildet ist.

3. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Leitelementes (17) im Querschnitt annähernd hyperboloidförmig ausgebildet ist

4. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Heizkörpers (14) weitere Leitelemente (18, 19, 20 und 21) in verschiedenen Höhen fest angebracht sind.

5. Warmwasserspeicher nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (14) im Bereich seines kleinsten Durchmessers die höchste und im Bereich seines größten Durchmessers die niedrigste Temperatur aufweist

6. Warmwasserspeicher na^h einem der Ansprüehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß am unteren Ende des Behälters (10) ein Kaltwasserzulauf (12) vorgesehen ist, der wasserkreisend und im Gegenstrom zu dem in der Heizvorrichtung (14) fließenden Medium an dem Heizkörper (14) entlangführt.

7. Warmwasserspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß der Kaltwasserzulauf (12) gegen das Leitelement als Prallplatte gerichtet ist