DE3044855A1

DE3044855A1 - Waermeuebertragungsanlage

Info

Publication number: DE3044855A1
Application number: DE19803044855
Authority: DE
Inventors: Gösta Dr.-Ing. 6270 Idstein Berg; Franz Jürgen Dr.-Ing. 6000 Frankfurt Müller
Original assignee: Ruetgerswerke AG
Current assignee: Ruetgers Germany GmbH
Priority date: 1980-11-28
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1982-06-16
Also published as: IT8149757A0; DE3044855C2; PT74039B; GR77291B; BE891209A; GB2088549B; ES507465A0; IT1172091B; FR2495289B1; NL8104780A; GB2088549A; PT74039A; ES8300193A1; FR2495289A1

Description

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ROTGERSWERKE Aktiengesellschaft, D-6000 Frankfurt a.Main Pat-798-R

Patentanmel dung
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Wärmeübertragungsanlage

Gegenstand der Erfindung ist eine teilweise im Unterdruckbereich arbeitende Wärmeübertragungsanlage mit einem flüssigen Wärmeträger, in folgendem "Anlage" genannt, die aus mindestens einem Flachwärmetauscher zur Aufnahme oder auch Abgabe von Wärme, einem Leitungssystem aus Rohren mit einer Umwälzpumpe und üblichen Rohrleitungsfittings und -armaturen, einem Wärmeaustauscher üblicher Bauartund einer Druckregeleinrichtung

25. besteht.

Die Anlage kann beispielsweise als Teil einer Heizungsanlage zur Nutzung der Sonnenenergie oder auch zur Raumheizung mit großflächigen Wärmetauschern auf Wänden, Fußboden oder an Decken verwendet werden.

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Aus der DE-OS 27 14 901 ist ein Wärmeaustauscherelement

aus einer beidseitig beschichteten Gewebedoppel bahn bekannt, das sowohl als Wärmeabsorptionselement zur Nutzung der Sonnenenergie wie auch als Heizelement wie ein Teppich verwendet werden kann. Das Element wird mit einem gegenüber der Atmo- Sphäre erhöhten Innendruck belastet. Die wegen der großen Oberfläche entstehenden enormen Kräfte werden durch eine Vielzahl von Bindefäden, die Ober- und Untergewebe fest miteinander verbinden, aufgenommen. Die Herstellung solcher Flachwärmetauscher ist sehr aufwendig.

Aus der DE-OS 28 18 154 ist in Verbindung mit der Zusatzanmeldung, der DE-OS 29 09 027, ein Kollektorelement zur Aufnahme von Sonnenenergie bekannt, das aus zwei Folien mit einer dazwischen liegenden Membranschicht, z.B. aus

^5 Vlies oder Schaumstoff besteht. Wie aus der Zusatzanmeldung hervorgeht, werden die Folien entweder mit der Membranschicht durch Verkleben oder Verschweißen verbunden, oder die Membranshicht wird an vielen Stellen mit Löchern versehen, so daß die Folien an diesen Stellen direkt miteinander verklebt oder verschweißt werden können. Auch die Herstellung dieser Flachwärmetauscher ist aufwendig. Die Konstruktion deutet darauf hin, daß die Flachwärmetauscher mit einem Druck betrieben werden sollen, der über dem Atmosphärendruck liegt, wie es bei Heizungsanlagen üblich ist. Nachteilig auf die Haltbarkeit der Elemente wirkt sich die senkrecht zur Klebefläche wirkende Kraftkomponente aus.

Nun sind auch Wärmeübertragungsanlagen bekannt, die ganz oder teilweise in einem Druckbereich arbeiten, der unter dem Atmosphärendruck liegt.

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So wird in der DE-OS 26 01 673 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausnutzung der Sonnenenergie beschrieben, das für die Wärmeübertragung die Verdampfungswärme nutzt. Als Wärmeträger dient insbesondere Wasser. Da die Siedetemperatur des Wassers bei Atmosphärendruck im Kollektor nicht erreicht wird, muß die Anlage sorgfältig evakuiert werden. Der sehr niedrige Systemdruck läßt sich nur unter Schwierigkeiten aufrechterhalten.

Weiterhin ist aus der DE-OS 28 09 690 eine Vorrichtung zum Heizen und zur Nutzung der Sonnenenergie bekannt, die mit unterschiedlichen Drücken, also auch einem Unterdruck, beaufschlagt werden kann. Es handelt sich dabei um ein geschlossenes System, bei dem der Druck durch Volumenveränderungen z.B. infolge von Temperaturschwankungen bei Vorgabe eines Druckes, der kleiner oder gleich dem Atmosphären druck ist, nicht über ein zulässiges Maß ansteigt. Dadurch erübrigt sich ein Sicherheitsventil und die Anlagenteile können geringer dimensioniert werden. Es ist nicht offenbart, wie dieser Unterdruck erzeugt wird. Unabhängig davon ²^ ist es nicht möglich, die Anlage während des Betriebes zu entlüften, wenn der Druck in dem Gasraum oberhalb der Membran geringer als der Atmosphärendruck ist. Diese Anlage ist daher nicht geeignet, ständig im Unterdruckbereich zu

arbeiten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmeübertragungsanlage zu entwickeln, die es gestattet, einfach aufgebaute, leichte Flachwärmetauscher zu verwenden, de,ren Verbindungsstellen keiner senkrecht darauf wirkenden Kraftkomponente ausgesetzt sind.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine teilweise im Unterdruckbereich arbeitende Wärmeübertragungsani age gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die senkrecht nach unten führenden Rohre des Leitungssystems (2) in Abhängigkeit von der Fördermenge der Umwälzpumpe (4) so dimensioniert sind, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers größer als 0,5 m/s ist, und die Druckregeleinrichtung (5) den Druck im Leitungssystem so regelt, daß er unabhängig von der Temperatur des Wärmeträgers in den Flachwärmetauscher (1) geringer ist als der Atmosphärendruck und im Betriebszustand nahezu konstant gehalten wird.

Die Strömungsgeschwindigkeit von mehr als 0,5 m/s ist erforderlich, um die durch/Undichtigkeiten oder durch Entgasen des Wärmeträgers entstehenden bzw. bei Inbetriebnahme der Anlage vorhandenen Gase in den Oberdruckbereich fördern zu können, wo sie in bekannter Weise z.B. durch ein schwimmergesteuertes Entlüftungsventil aus dem Kreislauf entfernt werden.

Der Druck kann auf verschiedene Weise geregelt werden.

Bei einem offenen Leitungssystem (Z) erfolgt die Regelung in einfacher Weise über eine mit dem Leitungssystem (2) verbundene belüftete Flüssigkeitssäule, deren Höhe auf ein bestimmtes Niveau unterhalb des Flachwärmetauschers gehalten wird. Das erfolgt in einfachster Weise dadurch, daß an der unteren waagerechten Rohrleitung des Leitungssystems (2) eine senkrechte Rohrleitung (6) nach oben zu einem Behälter verlegt wird, dessen Durchmesser groß genug ist, um das Ausdehnungsvolumen ohne große Änderung der Füllhöhe aufnehmen zu können. Wo kein ausreichender Platz für

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einen solchen Behälter vorhanden ist, kann das Niveau auch mit Hilfe eines Ober!aufwehres (7) konstant gehalten werden. Dabei kann der zur Atmosphäre offene Rohrstutzen mit Überlaufwehr (7) und Ringtasse (8) auch direkt in das nach unten führende Rohr des Leitungssystems (2) unterhalb des Flachwärmetauschers (1) eingebaut werden, überschüssiger Wärmeträger fließt über das Überlaufwehr (7) in die Ringtasse (8) und gelangt dann über eine Rohrleitung (9) in ein tieferliegendes Reservoir (10). Bei Bedarf, z.B." beim Füllen der Anlage oder Verminderung des UmIaufVolumens durch Temperaturabsenkung wird über eine z.B. schwimmergesteuerte Ladepumpe (12) der Wärmeträger aus dem Reservoir (10) über die Rohrleitung (11) wieder in das Leitungssystem (2) zurückgepumpt.

ist unterhalb des Rohrstutzens kein Platz für das Reservoir (10), so kann das Niveau in dem Rohrstutzen auch durch eine z.B. mit üblichen Füll Standssonden (13) gesteuerte Ladepumpe (12) erfolgen, deren Förderrichtung umkehrbar ist. Die Pumpe ist dann über eine Rohrleitung (11) mit dem Rohrstutzen und dem Reservoir (10) verbunden.

Bei all diesen Anordnungen kann die zur Atmosphäre offene Druckregeleinrichtung auch zur Entlüftung der Anlage genutzt werden, so daß keine Entlüftungsventile erforderlich sind.

Solche z.B. schwimmergesteuerten Entlüftungsventile sind bei geschlossenem Leitungssystem (2) unbedingt erforderlich und müssen so im Oberdruckbereich angeordnet sein, daß sich in dem Druckregel system (5) kein Gas ansammeln kann, also entweder vor oder auf der Druckregeleinrichtung (5).

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Die Druckregeleinrichtung (5) besteht dann aus einem mit z.B. einer Membran (14), einem Faltenbalg (15) oder einem Kolben (16) abgeschlossenen Behälter, auf dessen leicht beweglichen Verschluß eine konstante Kraft, z.B. ein Gewicht (17),.wirkt. Der Behälter und der Verschluß müssen dabei so dimensioniert sein, daß durch die Bewegung des Verschlusses infolge der Volumenänderung keine großen Kräfte entstehen.

Durch die erfindungsgemäße Anlage ist es möglich, großflächige Flachwärmetauscher zur Wärmeübertragung zu verwenden, die aus zwei dünnen ,übereinander angeordneten ,nur an den Rändern miteinander gasdicht verbundenen Folien (19,20) bestehen, die durch eine druckfeste poröse Zwischenlage (21) z.B. aus offenporigem Schaumstoff oder einem Vlies voneinander getrennt sind. Anstelle der Zwischenlage (21) können auch die Folien mit Prägungen versehen sein,die je nach Verwendung Drücken von mindestens 0,5 bar widerstehen und die Folien (19, 20) bei dieser Belastung auseinanderhalten, so daß sie von dem Wärmeträger ungehindert durchströmt werden können. Da der Flachwärmetauscher nur durch Außenkräfte beansprucht wird, die von den Abstandhaltern (21) aufgenommen werden, bleiben die empfindlichen Verbindungsstellen der Folien nahezu unbelastet. Nicht nur die Fertigung solcher Flachwärmetauscher wird vereinfacht, auch ihre Lebensdauer wird dadurch beträchtlich erhöht.

Da der Wärmeträger nicht verdampfen soll, ist der Druckverlust des Flachwärmetauschers (1) begrenzt. Der Druck des Wärmeträgers soll am Eintritt unter dem Atmosphärendruck liegen, z.B. 0,9 bar; dann darf der Gesamtdruckverlust des Flachwärmetauschers (1) die um 0,1 bar verminderte Differenz zwischen Atmosphärendruck und Siededruck des Wärmeträgers

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\ bei der jeweiligen Betriebstemperatur, die maximal 8O⁰C erreichen kann, nicht überschreiten. Wird Wasser als Wärmeträger verwendet, so beträgt der maximal zulässige Druckverlust 0,43 bar. Dieser Gesamtdruckverlust setzt sich zusammen aus dem Strömungswiderstand und der statischen Höhe bei einem nicht waagerecht angeordneten Flachwärmetauscher (1). Zur leichteren Inbetriebnahme der Anlage ist in unmittelbarer Nähe des Flachwärmetauschers (1) ein Bypass (22) mit einem Entlüftungsventil vorgesehen. Die Anlage wird unter Umgehung des Flachwärmetauschers (1) vollständig gefüllt. Vorteilhafterweise wird während dieses Vorgangs die Druckregeleinrichtung (5) von dem Leitungssystem (2) getrennt. Danach wird die Umwälzpumpe (4) eingeschaltet und die Druckregeleinrichtung (5) wieder mit dem Leitungssystem (2) verbunden. Der Flachwärmetauscher (1) kann nun, da sich im oberen Teil der Anlage ein Unterdruck ausgebildet hat, Tangsam zugeschaltet werden. Eine schnellere Inbetriebnahme kann dadurch erreicht werden, daß der Flachwärmetauscher (1) bereits beim Füllvorgang evakuiert wird. Hierzu eignet sich besonders eine Wasserstrahlpumpe (23), die an der Stelle in das Leitungssystem (2) eingebaut ist, wo der Bypass (22) in Strömungsrichtung wieder in das Leitungssystem (2) einmündet. Der vom Bypass (22) ins Leitungssystem (2) strömende Wärmeträger bildet den Treibstrahl.

Die beigefügten Zeichnungen stellen besondere Ausführungen der Anlage dar und sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sie einzuschränken.

Fig. 1 zeigt die Anlage mit offenem Leitungssystem (2) und einer DruckregeTeinrichtung (5) in der Form eines Ausgleichsgefäßes

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Fig. 2 zeigt die Anlage mit offenem Leitungssystem (2) und einem davon getrennten Reservoir (10). Die Druckregeleinrichtung (5) ist hierbei in das Leitungssystem (2) integriert und besteht aus einem Oberlaufwehr (7) und einer Ringtasse (8).

Fig. 3 zeigt die Anlage mit offenem Leitungssystem (2) und einem davon getrennten Reservoir (10). Die Druckregeleinrichtung (5) besteht aus einem offenen Rohrstutzen mit Füll Standssonden (13), die eine Ladepumpe (12) steuern und so das Flüssigkeitsniveau konstant halten.

Fig. 4 zeigt die Anlage mit geschlossenem Leitungssystem (2)

Die Druckregeleinrichtung (5) besteht aus einem mit einer Membran (14) abgeschlossenen Behälter, die mit einer Gewichtsplatte (17) belastet ist.

Fig. 5 zeigt die Druckregeleinrichtung (5) gemäß Fig. 4 mit

einem Faltenbalg (15) statt der Membran (14). 20

Fig. 6 zeigt die Druckregeleinrichtung (5) gemäß Fig. 4 mit einem Kolben (16) statt-der Membran (14).

Claims

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ROTGERSWERKE Aktiengesellschaft, D-6000 Frankfurt a.M.

Pat-798-R

Patentansprüche

(OTeilweise im Unterdruckbereich arbeitende Wärmeübertragungsanlage mit einem flüssigen Wärmeträger, in folgendem "Anlage" genannt, bestehend aus mindestens einem Flachwärmetauscher zur Aufnahme bzw. Abgabe von Wärme, einem Leitungssystem mit Umwälzpumpe, einem Wärmetauscher und einer Druckregeleinrichtung, dadurch gekenn ζ e i chnet, daß die senkrecht nach unten führenden Rohre des Leitungssystems (2) in Abängigkeit von der Fördermenge der Umwälzpumpe (4) so dimensioniert sind, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wärnieträgers größer als 0,5 m/s ist, und die Druckregeleinrichtung (5) den Druck im Leitungssystem so regelt, daß er unabhängig von der Temperatur des Wärmeträgers in dem Flachwärmetauscher (1) geringer ist als der Atmosphärendruck und im Betriebszustand nahezu konstant gehalten wird.

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ORIGlNAL INSPECTED

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2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinrichtung (5) aus einem unterhalb des Flachwärmetauschers (1) angeordneten Behälter besteht, der über eine Rohrleitung (6) mit dem Leitungssystem (2) verbunden und zur Atmosphäre geöffnet ist, und der zumindest das Ausdehnungsvolumen des Wärmeträgers ohne große Änderung der Füllhöhe aufnehmen kann.
3. Anlage nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß als Druckregeleinrichtung (5) in das Leitungssystem (2) unterhalb des Flachwärmetauschers (1) ein zur Atmosphäre offener Rohrstutzen mit einem Oberlaufwehr (7) und einer Ringtasse (8) eingebaut ist, die über die Rohrleitung (9) mit dem unterhalb des Rohrstutzens angeordneten Reservoir (10) verbunden ist, von dem aus eine Rohrleitung (11) mit einer z.B. schwimmergesteuerten Ladepumpe^ wieder zum Rohrstutzen verlegt ist.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß als Druckregeleinrichtung (5) unterhalb des Flachwärmetauschers (1) ein mit dem Leitungssystem (2) verbundener, zur Atmosphäre offener Rohrstutzen eingebaut ist, der mit einem Niveauschalter wie z.B. übliche Füllstandssonden (13) versehen und über eine Rohrleitung und die durch den Niveauschalter gesteuerte Ladepumpe (12), deren Förderrichtung umkehrbar ist, mit einem beliebig angeordneten Reservoir verbunden ist.

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5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckregeleinrichtung (5) bei geschlossenem Leitungssystem ein z.B. mit einer Membran (14), einem Faltenbalg (15) oder Kolben (16) verschlossener Behälter verwendet wird, auf dessen leicht beweglichen Verschluß eine konstant wirkende Kraft wie z.B. ein Gewicht (17) wirkt, und daß im Oberdruckbereich vor und/oder auf dieser Druckregeleinrichtung eine automatische Entlüftung (18) angeordnet ist.
^O 6. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachwärmetauscher (1) aus einer unteren (19) und einer oberen Folie (20), die nur an den Rändern durch z.B. Kleben oder Schweißen gasdicht miteinander verbunden sind, und dazwischen liegendem Abstandshalter (21), wie z.B. offenporiger Schaumstoff, Vlies oder Prägungen der Folien selbst, besteht.
7. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachwärmetauscher (1) . einen Gesamtdruckverlust hat, der mindestens um 0,1 bar geringer als die Differenz zwischen Atmosphärendruck und Dampfdruck des Wärmeträgers bei Betriebstemperatur, die maximal 8O⁰C betragen kann, ist.
8. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Bypass (22) mit Entlüftung in unmittelbarer Nähe des Flachwärmetauschers (1) aufweist.

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9. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle, wo der Bypass (22) in Strömungsrichtung gesehen wieder in das Leitungssystem (2) mündet, eine Unterdruck erzeugende Vorrichtung, wie z.B. eine Wasserstrahlpumpe (23) eingebaut ist.