DE3302649A1

DE3302649A1 - Waermeuebertrager

Info

Publication number: DE3302649A1
Application number: DE3302649A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dipl.-Ing. Laing; Nikolaus 7148 Remseck Laing; Oliver Dipl.-Phys. Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-01-27
Filing date: 1983-01-27
Publication date: 1984-08-02
Also published as: IT8419333A0; JPS59191848A; IT1173147B

Description

Wärmeübertrager

Die Erfindung betrifft Wärmeübertrager, insbesondere zur Übertragung der fühlbaren Wärme von überhitztem Gas, welches den Kompressor von Kaltdampfmaschinen verlässt, auf einen Brauchwasserstrom. Es besteht das Bedürfnis, die Abwärme von Kälteanlagen, insbesondere von Klimageräten, aber auch Nutzwärme von Wärmepumpen zur Aufheizung von Brauchwasser zu nutzen. Dies kann teilweise durch Ausnutzung der Kondensationsenthalpie des Arbeitsfluids erfolgen. Da aber die Kondensationstemperatur möglichst niedrig liegen soll, denn die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger bestimmt den Gütegrad einer Kaltdampfmaschine, reicht die Kondensationstemperatur nicht aus, um das Brauchwasser auf die erforderliche Arbeitstemperatur zu bringen. Die Kondensationswärme kann deshalb nur zur Vorwärmung des Kaltwassers eingesetzt werden. Ein wesentlicher Anteil der Wärme muss dem Brauchwasserstrom deshalb durch Ausnutzung der Überhitzungswärme, die als fühlbare Wärme des trockenen gasförmigen Arbeitsfluids anfällt, aufgeprägt werden.

Wärmeübertrager zur Ausnutzung dor Überhitzungswärme sind bekannt. Sie sind aus ineinander oder nebeneinander angeordneten Rohren aufgebaut, wobei zur Vermeidung des Eintritts von Kältemittel in den Wasserkreislauf bei Rohrkorrosion ausserdem Kanäle vorgesehen sind, durch welche ausströmendes Arbeitsfluid an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Die gasführenden Rohre haben auch häufig vergrösserte Oberflächen durch Rippen. Konstruktiv lassen sich aber nur Flächenverhältnisse zwischen wasserseitiger und kältemittefseitiger Oberfläche von maximal 1: 3 erreichen. Der Wärmeübergang wird durch den Wärmeübertragungskbeffizient u bestimmt. Dieser Wert liecjt bei Wasser bei ca. α > 1500, während gasförmiges Arbeitsfluid Werte von « < 50 aufweist. Optimale Wärmeübertragung erfordert also Flächenverhältnisse von ca. 1: 30. Die bekannten Wärmeübertrager weisen deshalb eine viel zu grosse reibungserzeugende Oberfläche innerhalb der Rohre auf und verursachen dadurch einen hohen Strömungswiderstand für den Wasserkreislauf. Dieser Strömungswiderstand bestimmt aber die erforderliche Pumplcistung, diese wiederum den Jahresstromverbrauch für die Wasserumwälzung des Kreislaufes Tank-Pumpe-Wä rmeüber träger.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Wärmeübertrager liegt darin, dass din Rohrinnenwände, auf denen sich Kalk absetzt, nicht zugänglich sind, so dass diese nur durch chemische Mittel entkalkt werden können. Diese chemischen Mittel erfordern den Einsatz von Entkalkerpumpen und zur anschliessenden Beseitigung der giftigen Chemikalienreste nach erfolgter Entkalkung ausserdem eine Spülpumpe;. Die Ent-

kalkung kann deshalb nur von Fachleuten durchgeführt werden.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Wärmetauscher ist darin begründet, dass die Verlustwärme der Pumpenmotoren ungenutzt an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Schliesslich verbietet die Bauqrösse der bekannten Wärmeübertracjer den wünschenswerten Einbau in die Gehäuse der Klimageräte und anderer Kaltdampfqeräte. Eine getrennte Anordnung aber führt zu extrem hohen Installationskosten, da die arbeitsfluid-führenden Leitungen unterbrochen und nach aussen geführt werden müssen und die gesamte Einheit zur Inbetriebnahme evakuiert und mit Arbeitsfluid gefüllt werden muss.

Die Erfindung vermeidet alle Nachteile. Cemäss der Erfindung besteht der aktive Teil des Wärmeübertragers aus einer Kreisscheibe aus Metall, vorzugsweise Kupfer, d.ie mit einer vom Kältemittel durchströmten Kapsel eine Einheit bildei. In der Kapsel befindet sich eine vorzugsweise mehrgängig ausgebildete Spirale aus Kupferblech, deren Gesamtoberfläche fast beliebig gross ausgebildet werden kann. Diese Spirale ist mit der Kreisscheibe gut wärmeleitend verbunden, z.B. durch Löten. Auf dpi Kreisscheibe ist eine zweite Kreisscheibe aufgelötet, deren Oberfläche vom Wasser bespült wird. Zwischen den beiden Kreisscheiben sind Kanäle angeordnet, die mit der Umgebungsluft kommunizieren. Das Wasser wird vorzugsweise auch in spiral ig verlaufenden Kanälen gegensinnig zum Durchströmungssinn des Kältemittelstromes geführt, so dass ein Gegenstromwärmetausch gesichert ist. Diese zweite Kreisscheibe ist durch ein Gehäuse abgedeckt, welches abnehmbar ausgebildet werden kann. Im zerlegten Zustand ist die mit Kalkbelag versehene Kreisscheibe für mechanische Entkalkung, z.B. mittels harter Bürste, zugänglich,so dass weder Entkalkungspumpen noch Spülpumpen erforderlich sind. Durch die Zerlegbarkeit ist es erfindungsgemäss auch möglich, dass z.B. eine Klimagerät vom Fabrikanten mit der arbeitsfluid-durchströmten Kreisscheiben-Kapseleinheit ausgerüstet wird, während die wasserführenden Bauelemente auch vom Laien zu jedem späteren Zeitpunkt anmontiert werden können.

Erfindungsgemäss ist im wasserführenden Wärmeübertragerqehäuse der Umwälzpumpen motor mit dem Schaufelrad angeordnet, so dass dieses Gehäuse gleichzeitig das Pumpengehäuse bildet.

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Eine weitere Verbesserung der Erfindung besteht darin, dass der Wasserstrom mit dem Pumpenmotor gut wärmeleitend kommuniziert, wodurch die gesamte Verlustwärme zusätzlich zur Wasseraufheizung herangezogen wird. Schliesslich sind Steuereinrichtungen vorgesehen, die in der Figurenbeschreibung abgehandelt werden sollen.

Wenngleich das erfindungsgemässe Gerät in erster Linie zur Erzeugung von kostenlosem Warmwasser dienen soll, so soll jedoch auch der Einsatz für ähnliche Zwecke nicht ausgeschlossen werden. So ist beispielsweise auch die Einschaltung an der Verdampferseite einer Kältemaschine möglich, wodurch das Gerät z.B. als Wasserkühler oder auch als Milchkühler einsetzbar ist.

Die Erfindung soll anhand der nachstehenden Figuren beschrieben werden:

Fig. Ί zeigt einen achsparallelen Schnitt eines Wärmeübertragers mit druckseitig angeordneter Wärmeübertraqereinrichtung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene 1-1.

Fig. 3 zeigt den Verlauf einer spiraligen Wärmeübertragerfläche.

Fig. 4 zeigt einen achsparallelen Schnitt eines Wärmeübertragers mit saugseitig angeordneter Wärmeübertragereinrichtung.

Fig. 1 und 2 zeigen ein Gehäuse, das aus dem Napf 1 und der Kupferplatte 4 besteht. Hierin sind auf Spirallinien verlaufende Wärmeübertragerflächen 41 angeordnet, deren Stirnflächen durch die Lotschichten 8 und 9 mit dem Boden des Napfes und der Kupferplatte verlötet sind. Durch die Öffnung 2 tritt das Gas des Arbeitsmediums in das Innere ein. Der Durchsatzstrom spaltet sich entsprechend der Zahl der Gänge der Wärmeübertragerflächen 41 in viele Teilströme auf, die sich an der Peripherie imKana! fc wieder vereinen. Die Geräteachse 42 sollte vorzugsweise so geneigt sein, dass entstehendes Kondensat durch Schwerkraft gegen den Boden des Napfes 1 wandert. Hierdurch erfolgt Wärmeentzug durch Verdampfung, was zu einer scheinbaren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Wärmeübertragerflächen 41 führt. An die Stelle der Schwerkraftförderung kann auch eine Förderung durch Kapillarwirkung treten, wenn die Oberfläche der VVärmeübertragerflächen 41 durch Ätzen gerauht oder durch feinste Verzahnung längs der Wärmestromrichtung geriffelt wird. Der Austritt des abgekühlten und cjegebenenfalls ganz oder teilweise verflüssigten Arbeitsmediums erfolgt durch die Öffnung 3. Die Kapsel, die von dem Napf 1 und der Platte 4 umschlossen wird, wird über einen aus drei Teilen bestehenden Ring 40 am wasserführenden Gehäuse 19, das einen Flanschring 24 trägt, befestigt. Die wasserseitige Abdichtung übernimmt der Rundschnurring 23, der zwischen

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dem äusseren Umfang der Cehäuseschale 19 und dem inneren Umfang des Kragens der Kupferscheibe 10 eingelegt ist. Nach erfolgtem Zusammenbau wird der L-förmige Stahlring 25 durch die über den Umfang des Flanschringes 24 verteile eingesetzten Schrauben 26 auf den Gummischnurrinq gepresst, wodurch eine sichere Abdichtung erreicht wird. Mit der Kupferplatte 4 ist die Kupferscheibe 10, die Kreisrippen 11 träqi, durch Lötung verbunden. Zwischen den beiden Kupferplatten sind radiale Kanäle 7 angeordnet, die an der Peripherie ins Freie münden, in die Kanäle zwischen den Kreisrippen 11 greifen kreisringförmige Vorsprünge 13 einer Trennwand 12 aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff ein, wodurch der vom Kreisspalt 21 ausgehende VVasserstrom über die gesamte Oberfläche der berippten Kupferplatte 10 geleitet wird. Im Zentrum ist die Trennwand 12 als Einlaufbereich 16 für das Pumpenlaufrad 17 ausgc bildet. Die abgewandte Seite bildet zusammen mit dem Blechkörper 2C und der spiralig verlaufenden Leitwand 15 den Druckraum 29 der Pumpe.

Im Auslasskanal ist ein sichelförmiger Strömungskörper 36 angeordret, dessen Eintrittkante 43 mit dem Umfang des Schaufelrades 17 einen in Umlaufrichtung konvergierende: Spalt bildet. Den Abschluss des wasserseitigen Gehäuses bildet eine kegelabschnittförmige Schale 19, die am Umfang 44 mit dem Blechkörper 20 verlötet ist. Der so gebildete Hohlraum 27 kommuniziert mit dem Eintriltsstutzen 28, während der Austrittsbereich der Pumpe 29 über die Öffnung 30 und den Krümmer 31 mit dem Austrittsstutzen 45 kommuniziert. Im Austrittsbereich ist ein thermostatisches Ventil 32 angeordnet, welches den Durchsatz so weit drosselt, dass die Temperaiurzunahme für die Erzeugung von Warmwasser ausreicht.

Im Inneren des Motors 18 ist ein Übertemperaturschalter 46 angeordnet, der den Motor abschaltet, wenn die Temperatur des vom eintretenden Wasser umströmten zylindrischen Teiles des Gehäuses 20 eine vorgegebene Temperatur übersteigt, die anzeigt, dass der mit dem Wärmeübertrager verbundene Tank völlig mit Heisswasser gefüllt ist. Ein weiterer im Motorinneren angeordneter, temperaturgesteuerter Schalter 47 bewirkt die Einschaltung des Motors, sobald eine vorgegebene Temperatur überschritten wird, die anzeigt, dass der Arbeitsmedienkreislauf eingeschaltet ist und Wärme abzugeben vermag.

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In der Darstellung gemäss Figur 3 ist eine spiralig gebogene Wärmeübertragerfläche 48 eingetragen. Parallel dazu verlaufen die jeweils benachbarten Wärmeübertragerflächen 48', 48"usw. Die Würrneübertragerflächcn schliessen zwischen sich Kanäle 49 ein, das gesamte Kollektiv der Wärmeübertragerflächen bildet eine Kreisscheibe mit der Peripherie 50, die exzentrisch versetzt in der Kapsel 1

einqelötct ist und ebenfalls mit der Kupferscheibe 8 durch Lötung verbunden ist. Es bildet sich der sichelförmige Kanal 6, der mit der Auslassöffnung 3 kommuniziert.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Eintrittsbereich 52 des Pumpenläufers 17 mit dem Spiralkanal 53, der zwischen spiralig verlaufenden Rippen 54 gebildet wird, kommuniziert. Die Abdeckplatte 55 bildet mit dem Pumpengehäuse 56, das aus schlecht wärmeleitendem Material besteht, eine Baueinheit. In der Kapsel 1, 4 ist die Falzung 57 sichtbar. Diese dient zur Konstanthaltung der Weite der spiralig verlaufenden Kanäle 49. Die Montage der Kapsel 1, 4 und des hydraulischen Teiles 58 erfolgt durch den konischen, aus zwei Teilen gebildeten Ring 59.

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Claims

Patentansprüche

Π. Wärmeübertrager, insbesondere zur Übertragung der fühlbaren V¹ Wärme des überhitzten gasförmigen Arbeitsmediums eines KaItdampfmaschinenkreislaufes auf einen durch eine Pumpe mit Pumpengehäuse umgewälzten Wasserstrom, der einem Wassertank im unteren Bereich entnommen und im oberen Bereich wieder zugeführt wird und einen ersten Hohlkörper durchsetzt und der aus einem zweiten vom Arbeitsmedium durchsetzten Hohlkörper und eine diese Hohlkörper trennende, wärmedurchlässige Wand besteht, die zwei Schichten enthält und die Kanäle aufweist, die Bereiche der Trennfläche zwischen den beiden Schichten mit der Umgebungsluft verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlkörper (19, 20) gleichzeitig als Pumpengehäuse ausgebildet ist, dass die Trennwand (4, 10) zwischen den beiden Hohlkörpern (19, 20) und (1, 4) als Kreisscheibe ausgebildet ist, die an der Peripherie endende Kanäle (7) aufweist und mit dem zweiten Hohlkörper (1, 4) eine Einheit bildet, und dass der erste Hohlkörper (19, 20) von der Trennwand (4, 10) abnehmbar ausgebildet ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten Hohlkörper (19, 20) zugewandte Seite der Trennwand (4, 10) mit spiraligen Rippen (11, 54) versehen ist, die zwischen sich Kanäle (53) einschliessen, die an der Peripherie mit dem Wassereintritt (21, 28) und im Zentrum mit dem Eintritt des Pumpenläufers (17) kommunizieren.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten Hohlkörper (19, 20) zugewandte Seite der Trennwand (4, 10) mit kreisförmigen Rippen (11) versehen ist, in die Ringe (13) hineinragen, und die an der Peripherie mit dem Wassereintritt (21) und im zentralen Bereich mit dem Eintritt des Pumpenläufers (17) kommunizieren.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zweiten Hohlkörper (1, 4) zugewandte Seite der Trennwand (4, 10) spiralig verlaufende Rippen (41, 48) trägt, deren Zentrum mit dem Eintritt (2, 2') und deren Peripheriebereich mit dem Austritt (3, 3') des Arbeitsmediumkreislaufes kommunizieren.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkörper (48, 48', 48',' 49, 50) mehrgängig, vorzugsweise 20- bis 40-gängig ausgebildet ist.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Trennwand (4, 10) als auch der Boden des Napfes (1) mit den Wärmeübertragerflächen (48, 48', 48")unlösbar, z.B. durch Löten, verbunden sind.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenläufer (17) mit einem Magneten (60) eine umlaufende Einheit bildet und durch einen sphärischen Magnetspalt (62) vom Stator (18) getrennt ist.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Pumpenläufer (17) nachgeschaltete Raum (29) als Spiralkanal (64) ausgebildet ist, und dass der Austrittsbereich in zwei Teilkanäle (65) und (66) durch den Strömungskörper (36) aufgeteilt ist.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Austrittskanal (31) ein Thermoventi! (32) angeordnet ist, welches erst oberhalb einer vorgegebenen Temperatur den vollen Querschnitt freigibt.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den wasserberührenden Teilen (67) des Stators (18) ein Thermoschalter (46) thermisch kommuniziert, der den Motor (17, 18) ausschaltet, wenn eine vorgegebene Maximaltemperatur überschritten wird.
11. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des ersten Hohlkörpers (19, 20) den überwiegenden Teil der Motoroberfläche umschliesst.
12. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenwand (12) vorgesehen ist, deren Ringe (13) in die von den Rippen (11) gebildeten Kanäle eingreifen.
13. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen als spiralig verlaufende Rippen (54) ausgebildet sind, die zwischen sich einen Spiralkanal (53) einschliessen.
14. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hohlkörper durch einen formschlüssigen Ring (40, 59), der aus mindestens zwei Umfangbereichen gebildet wird, zusammengehalten werden.
15. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ring (25) über Spannschrauben (26) gegen das Gummidichtelement (23) gespannt werden kann.
16. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring als konischer Ring (59) ausgebildet ist.
17. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (40, 59) von einem Spannband (68) umschlossen ist, welches durch eine Spannvorrichtung (69, 70) gespannt werden kann.