DE3325535A1

DE3325535A1 - Waermetauscher-vorrichtung fuer heizung und klimatisierung von raeumen

Info

Publication number: DE3325535A1
Application number: DE19833325535
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Sorelec
Current assignee: Sorelec
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1983-07-15
Publication date: 1984-02-09
Also published as: IT8321907A0; AU570411B2; GB2125158B; BE896996A; GB2125158A; ES8404501A1; PT76882B; IT1163649B; AR231190A1; CH654400A5; BR8303153A; ES524469A0; AU1578383A; GB8320913D0; PT76882A

Description

Klimatisierung von Räumen

Die Erfindung betrifft eine kugelförmige oder zylindrische Wärmetauschervorrichtung für Heizung und Klimatisierung von Räumen sowie für die Erzeugung von kaltem oder warmem Brauchwasser, mit einem Austauscher und einem eingebauten Speichervolumen, wobei die Vorrichtung eine innere Hülle besitzt, die das Speichervolumen des Wärmeaustauschmediums darstellt, eine isolierende Hülle, die das Speichervolumen umgibt und eine Wärmeaustauschfläche, die zumindest zum großen Teil vom Primärkreis des Wärmeaustauschmediums gebildet wird und die außerhalb der isolierenden Hülle angeordnet ist und über eine durchsichtige Außenhülle verfügt, wobei der Kreis des Wärmeaustauschmediums ein offener Kreis ist, der in einem Austauscher im Inneren des Speichervolumens verläuft und einen

Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

Behälter für das Wärmeaustauschmedium enthält. Eine derartige Vorrichtung ist an sich bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmetauscher-Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, um einen besseren Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeaustauschmedium und dem im Speicherbehälter enthaltenen Medium zu erzielen, wobei diese Verbesserung mit einfachen Mitteln erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der

Behälter des Wärmeaustauschmediums im oberen Teil des Kreises des Wärmeaustauschmediums über dem Wärmetauscher des Speicherbehälter s untergebracht ist.

Dank dieser Anordnung des Behälters für das Wärmeaustauschmedium im oberen Teil ist sowohl das Volumen des äußeren Wärmetauschers als das Volumen des im Speicherbehälter untergebrachten Wärmetauschers zu jedem Zeitpunkt mit Wärmeaustauschmedium gefüllt. Im Bereich des Wärmetauschers im Speichervolumen verbessert dies erheblich den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers und folglich den Gesamtwirkungsgrad der Wärmetauscher-Vorrichtung .

Durch die Unterbringung des Behälters für das Wärmeaustauschmedium im oberen Teil der Vorrichtung, d.h. oberhalb der
Rohrschlange, praktisch an der Stelle, an der das Medium
nach Durchströmen der äußeren Wärmetauscherhülle austritt,
wird die Ansammlung von Gas im oberen Teil des Kreises sowie die. Erzeugung von Gasblasen vermieden, die den Kreislauf des Wärmeaustauschmediums stören und den Wirkungsgrad der Anlage. in nicht übersehbarer Weise reduzieren. Gleichzeitig werden
die Auswirkungen eines Überdrucks im Fall einer überhitzung
oder beim Einfrieren vermieden, da das Medium frei in den
Behälter strömen kann, der seinerseits frei mit der Umgebungsluft verbunden ist.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittzeichnung einer Wärmetauscher-Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittzeichnung einer Variante.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, setzt sich die Wärmetauscher-Vorrichtung, die aus einer kugelförmigen Einheit besteht, zusammen aus einem Fuß 1, der die eigentliche Wärmetauscher-Vorrichtung trägt und die verschiedenen Steuerkreise sowie die Umwälzpumpe, die Ventile usw. und sämtliche Teile trägt, zu denen ein Zugang erforderlich ist.

Die eigentliche Wärmetauscher-Vorrichtung setzt sich zusammen aus einer kugelförmigen Außenhülle 2, die mit einer kugelförmigen Innenhülle 3 ein Wärmetauschervolumen abgrenzt, das vom Wärmeaustauschmedium durchströmt wird. Im Inneren der Hülle befindet sich eine isolierende Hülle 5, die einen Behälter 6 umgibt, dessen Form vorzugsweise derjenigen der Hüllen 2 und 3 entspricht, d.h. im vorliegenden Fall einen kugelförmigen Behälter. Das Innere des Behälters 6 enthält einen Wärmetauscher 7 in Form einer Rohrschlange, der Bestandteil des Kreislaufs des Wärmeaustauschmediums ist.

Der Kreis für das Wärmeaustauschmedium besteht aus dem äußeren Volumen bzw. der äußeren Kammer 4, in der das Wärmeaustauschmedium entweder zur Wärmeaufnahme oder zur Wärmeabgabe fließt. Der Kreis besteht weiterhin aus dem Wärmetauscher 7, der die Wärme (oder die Kälte) des Wärmeaustauschmediums mit

dem im Behälter 6 gespeicherten Medium austauscht. Die Erzeugung von Kälte erfolgt durch Umkehrung der Strömungsrichtung des Wärmeaustauschmediums.

Der untere Teil, der Ausgang des Wärmetauschers 7, ist an eine Umwälzpumpe 8 angeschlossen, die das Wärmeaustauschmedium in Richtung der Pfeile A, B im Kreis für das Wärmeaustauschmedium strömen läßt. Mit ihrem Ausgang ist die Pumpe 8 mit einer T-Abzweigung 9 verbunden, die ihrerseits an eine Leitung 10 und eine Leitung 11 angeschlossen ist. Diese beiden Leitungen (es könnte auch eine andere Zahl von Leitungen vorgesehen sein) sind mit je einem Teil des Wärmeaustauschvolumens 4 verbunden.

Obgleich dies in der Figur nicht dargestellt ist, ist es vorteilhaft, das Austauschvolumen 4 in vertikaler oder ungefähr vertikaler Richtung in mindestens zwei Teile zu unterteilen, von denen der eine 4 nach Süden und der andere 12 nach Norden auszurichten ist. Da die Leitung 11 ein Drosselventil 13 enthält, ist es möglich, den Umlauf des Wärmeaustauschmediums in Richtung des Pfeils B zum Teil 12 des Wärmeaustauschvolumens zu reduzieren oder abzusperren. Damit kann vermieden werden, daß das Wärmeaustauschmedium im Teil der Hülle 12 fließt, der nicht mehr der Sonne ausgesetzt ist und der somit eine das Wärmeaustauschmedium abkühlende Wärmestrahlung abgeben würde.

Die beiden Volumina 4 und 12 münden im oberen Teil der Anlage in einen Behälter 14 über die Flüssigkeitsaustritte 15. Der Behälter 14, der mit der Außenluft in Verbindung steht, bildet, einen Ausgleichbehälter, der Überdrücke aufnehmen kann, ohne daß Gas sich im oberen Teil des Kreislaufs des Wärmeaustauschmediums ansammeln kann, was zur Bildung von Blasen führen könnte, die den Umlauf des Wärmeaustauschmediums behindern würden.

Die Austrittsleitung 16 des Wärmetauschers 7 enthält ebenfalls ein Drosselventil 17, das den Umlauf des Wärmeaustauschmediums absperrt oder reduziert. Für die Betriebsüberwachung der Anlage, zum Ein- oder Ausschalten der Umwälzpumpen usw. sind Temperaturfühler 19, 20 vorgesehen. Der Behälter 14 ist durch einen isolierenden Deckel 21 geschlossen, der auf der Höhe der oberen Flüssigkeitseintritte 15 vorgesehen ist.

Dank der Anordnung im oberen Teil des Behälters 14 ist der Kreislauf des Wärmeaustauschmediums stets mit Wärmeaustauschmedium gefüllt, einerseits in den Volumina 4 und 12 aufgrund der Umwälzpumpe 8, andererseits im Wärmetauscher 7, da, wie dargestellt, beim Betrieb das Medium im Behälter 14 den Pegel 22 erreichen oder überschreiten kann. Da der Wärmetauscher 7 stets mit Flüssigkeit gefüllt ist, ergibt sich ein wesentlich besserer Wärmeaustausch auf der Höhe des Wärmetauschers 7, der vorzugsweise die Form einer Rohrschlange besitzt und ein möglichst großes verfügbares Volumen im unteren Teil des Behälters 6 einnimmt, d.h. im Teil des Behälters 6, in dem die Speicherflüssigkeit am kältesten ist. Es ist vorteilhaft, den Wärmetauscher 7 dergestalt auszuführen, daß die Rohrschlange die Konvektionsbewegung des Mediums im Behälter 6 so wirksam wie möglich begünstigt. Zu diesem Zweck ist es günstig, die Rohrschlange entlang einer halbkugelförmigen, kegelförmigen oder zylindrischen Fläche und vorzugsweise im unteren Teil des Behälters 6 anzuordnen. Um Ermüdungsprobleme aufgrund der Ausdehnung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Leitungen 10, 11 mit den Volumina 4, 12 der Kammer über Schleifen 10a, 11a zu verbinden.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, die aus einem ersten Hauptkreislauf des Wärmeaustauschmediums und einem zweiten Hilfskreislauf besteht, in dem ein Kältemittel fließt, das die Wirkung des ersten Kreises ergänzt und seinen Wirkungsgrad verbessert. Der erste Kreis ist analog demjeni-

gen der ersten Ausführungsform; er besteht aus einer Austauschfläche 30, die einen Absorber bildet und mit einem Behälter 31 im oberen Teil verbunden ist, und aus einem Kollektor 32 im unteren Teil; der Behälter 31 ist mit der Umgebungsluft verbunden. Der Kreislauf enthält außerdem eine Umwälzpumpe 33, welche das Wärmeaustauschmedium des Hauptkreislaufs umwälzt. Schließlich enthält der Kreis einen Austauscher 34, der im Speicherbehälter 35 untergebracht ist. Der Hilfskreis besteht aus einem Austauscher 36, der im oberen Behälter 31 untergebracht ist und als Kondensor arbeitet und aus einem Austauscher 37, der im Kollektor 32 untergebracht ist und einen Verdampfer bildet. Dieser Kreis, der vorzugsweise mit einem Kompressor 38 ausgestattet ist, enthält außerdem eine mehr oder weniger große Austauschfläche 39.

Der Kreis enthält ein Wärmeaustauschmedium, das mit einer niedrigeren Temperatur arbeitet als das Wärmeaustauschmedium des Hauptkreises; dieses Wärmeaustauschmedium ist vorzugsweise ein Kältemittel, d.h. ein Medium, das Kreisläufe mit Verdampfung, Kompression und Kondensation durchläuft. In der Praxis ist die Austauschfläche 39 des Hilfskreises mehr oder weniger groß, je nach den Benützungsbedingungen der Wärmetauscher-Vorrichtung. Diese Austauschfläche 39 stellt im allgemeinen einen Teil der Hülle dar, die auch die Austauschfläche des Hauptkreises bildet. In gewissen Fällen entfällt die Austauschfläche 39, und der Hilfskreis besteht lediglich aus den beiden Wärmetauschern 36, 37. Der Austauscher 37 ermöglicht es, daß das Medium im Hilfskreis die Restwärme des Mediums des Hauptkreises zurückgewinnt, um sie diesem Medium über den Austauscher 36 im Behälter 31 zurückzubringen, so daß das Medium am Eingang des Austauschers 34 des Speicherbehälters 35 wärmer ist. Das Wärmeaustauschmedium des Primärkreises wird einerseits durch die vom Kältemittel aufgenommene Sonnenenergie erwärmt, das seine Kalorien im Bereich des Kondensors abgibt. Bei einem anderen Anwendungsfall strömt

das Kältemittel direkt in den Absorber, _was ihm gestattet, eine große Austauschfläche zu benützen. Die Südseite stellt den Kondensor und die Nordseite den Verdampfer der Wärmepumpe dar, wobei dieser weißgefärbt ist, mit oder ohne Treibhauseffekt. Diese Verbindung gestattet einen Dauerbetrieb unabhängig von der Umgebungstemperatur und führt zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung und zur Erhöhung der mittleren Temperatur des gespeicherten Mediums.

Bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform besteht die Wärmetauscher-Vorrichtung aus einer kugelförmigen oder zylindrischen Innenhülle, deren Außenfläche mit einem Ziermuster versehen ist, wobei_:diese Hülle ihrerseits mit einer doppelten Hülle von entsprechender Form umgeben ist, in der ein schwarzes Wärmeaustauschmedium strömt. Das schwarze Medium verdeckt das auf die innere Kugel aufgedruckte Ziermuster, wenn das schwarze Medium ansteigt und die Sonnenkalorien aufnimmt. Das schwarzgefärbte Medium nimmt die Wärme auf und überträgt sie auf den Speicherbehälter über einen zylindrischen oder kugelförmigen Austauscher, und die Flüssigkeit strömt durch Schwerkraft in diesen Austauscher, um in den Behälter zurückzugelangen, der diesmal im unteren Teil des Austauschers angeordnet ist. Beim Stillstand sammelt sich das gesamte schwarze Medium im Behälter und läßt somit ein Bild oder eine Landschaft sichtbar werden; die Anlage dient dann als Dekorationsteil.

Wie in Fig. 3 dargestellt, besteht die Wärmetauscher-Vorrichtung aus einer Anordnung von kugelförmigen Teilen, die auf einem Fuß 1OO ruht. Der eigentliche Austauscher besteht aus einer kugelförmigen Außenhülle 102, die zusammen mit einer kugelförmigen Innenhülle 103 ein Wärmeaustauschvolumen abgrenzt, das einen Absorber bildet und vom Wärmeaustauschmedium durchflossen wird. Das Volumen des Absorbers ist etwa vertikal in

zwei Teile unterteilt, von denen der eine 112 nach Norden, der'andere 104 nach Süden auszurichten ist.

Diese beiden Teile werden in Reihenanordnung und in dieser Reihenfolge von dem durch die Pumpe abgegebenen Wärmeaustauschmedium durchflossen; auf diese Weise ergibt sich eine Vorerwärmung dieses Mediums in dem nach Norden gerichteten Teil des Absorbers 104, anschließend erfolgt die eigentliche Erwärmung des Mediums in dem nach Süden gerichteten Teil.

Die Temperatur des Wärmeaustauschmediums, das durch den im Behälter untergebrachten Austauscher strömt, ist somit hoch, was den Wirkungsgrad der Anlage verbessert und es gestattet, im Behälter Brauchwasser öder Wasser für andere Zwecke von hoher Temperatur zu erhalten.

Im Innern des Absorbers 102, 103 befindet sich eine thermisch isolierende Hülle 105, die den Behälter 106 umgibt, der den Wärmetauscher 107 enthält. Der Behälter 106 enthält das zu erwärmende oder abzukühlende Medium, das im allgemeinen aus Brauchwasser besteht. Der Kreis des Wärmeaustauschmediums enthält auch eine Umwälzpumpe 108, ein Expansionsgefäß 130 und ein Einfüllventil 131.

25' Der Ausgang der Pumpe 108 ist an eine Leitung 132 angeschlossen, die in die isolierende Hülle 105 verläuft, um nach oben zu steigen und in den oberen Teil 133 des Teils 112 des Absorbers zu gelangen, d.h. in den nach Norden ausgerichteten Teil.

Das Wärmeaustauschmedium fließt sodann in diesem Teil des Absorbers 112 nach unten; im unteren Teil 134 des Teils des Absorbers 112 fließt das Wärmeaustauschmedium in den unteren Teil 135 des nach Süden gerichteten Teils des Absorbers 104.

Das Wärmeaustauschmedium steigt über diesen Teil 104 wieder nach oben, der an seinem oberen Ende 136 in die Rohrschlange 107 mündet. Das Wärmeaustauschmedium sinkt über die Rohrschlange 107 nach unten und tauscht dabei die Wärme oder die Kälte mit der im Behälter 106 enthaltenen Flüssigkeit aus. Am Ausgang der Rohrschlange 107 führt eine Leitung 137 die Flüssigkeit bis zum Eintritt der Pumpe 108. Diese Leitung 137 enthält eine Abzweigung 138 mit einem Einfüllventil 131. Diese Leitung enthält außerdem das Expansionsgefäß 130. 10

Im oberen Teil des Kreislaufs, d.h. in den oberen Teilen 133 und 136 sind Entlüftungshähne 139 zum Abblasen des sich dort ansammelnden Gases vorgesehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

.j Wärmetauscher-Vorrichtung für Heizung und Klimatisierung von Räumen sowie zur Erzeugung von warmem und kaltem Brauchwasser, mit einem Austauscher und einem Speichervolumen, wobei die Vorrichtung eine Innenkammer besitzt, die das Speichervolumen für das Primär-Wärmeaustauschmedium darstellt, eine isolierende Hülle, die das Speichervolumen umgibt, und eine Wärmeaustauschfläche, die mindestens zum großen Teil durch den Primärkreis des Wärmeaustauschmediums gebildet ist und die außerhalb der isolierenden Hülle angeordnet ist und eine durchsichtige Außenhülle aufweist, wobei der Kreis des Wärmeaustauschmediums einen offenen Kreis darstellt, der im Innern des Speichervolumens in einem Austauscher verläuft und einen Behälter für das Wärmeaustauschmedium umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichervorrat und die Entlüftung des Wärmeaustauschmediums (14) im oberen Teil des Kreises des Wärmeaustauschmediums über dem Wärmetauscher (7) des Speicherbehälters (6) angeordnet ist.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschfläche in einer einzigen Hülle untergebracht oder in zwei Teile (4, 12) unterteilt ist, die parallele Äste für das Wärmeaustauschmedium zwischen dem Ausgang des im Speicherbehälter untergebrachten Wärmetauschers und dem Behälter (14) für das Wärmeaustauschmedium bilden,

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der im oberen Teil des Kreises angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis des Wärmeaustauschmediums mit einer Umwälzpumpe (8) ausgestattet ist und sich am Ausgang der Pumpe in mindestens zwei Äste unterteilt, die verschiedenen Volumina (4, 12) für den Austausch mit der Umgebung zugeordnet sind, die verschiedenen Richtungen des Sonnenstands entsprechen, und die vom Kreis des Wärmeaustauschmediums abtrennbar sind (13).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter oder eine die Funktion (14) des Wärmeaustauschmediums erfüllende Einrichtung in die isolierende Hülle (5) eingebaut ist und daß der Behälter mit einem isolierenden Deckel (21) ausgestattet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) in Form einer Rohrschlange einer halbkugelförmigen, zylindrischen oder kegelförmigen Fläche entspricht, die im inneren Teil des Vorratsbehälters (6) untergebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Hilfskreis mit zwei Austauschern (36, 37) enthält, von denen der eine (37) am Ausgang des Wärmetauschers (34) einen Verdampfer des Hauptkreises im Speicherbehälter bildet und der andere (36) im oberen Behälter

(31) einen Kondensor darstellt.
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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle mit einem Ziermuster versehen ist und die doppelte äußere Hülle vom schwarzgefärbten Wärmeaustausch-

medium durchflossen wird, das bei NichtUmwälzung in den Behälter zurückläuft und das Ziermuster sichtbar werden läßt.

8- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Absorbers (2, 3) etwa vertikal in zwei Teile (4, 12) unterteilt ist, von denen der eine zur Ausrichtung nach Süden, der andere zur Ausrichtung nach Norden vorgesehen ist, und daß diese beiden Teile dergestalt angeschlossen sind, daß sie in Reihenschaltung in der Reihenfolge nördlich ausgerichteter Teil (12) - südlich ausgerichteter Teil (4) durchflossen werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie am Ausgang zwei Umwälzpumpen (8) enthält, sowie eine Leitung (32), die das Wärmeaustauschmedium zum oberen Ende des nach Norden ausgerichteten Teils des Absorbers (12) leitet, wobei dieser Teil des Absorbers an seinem unteren Ende mit dem unteren Ende des nach Süden ausgerichteten Teils des Absorbers (4) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis des Wärmeaustauschmediums ein geschlossener Kreis ist, der mit einem Expansxonsgefäß (130) und einem Einfüllventil (131) versehen ist.