DE3403734A1

DE3403734A1 - Waermeuebertrager

Info

Publication number: DE3403734A1
Application number: DE19843403734
Authority: DE
Inventors: Karsten Dipl.-Ing. Laing; Nikolaus 7148 Remseck Laing; Oliver Dipl.-Phys. Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-03
Filing date: 1984-02-03
Publication date: 1985-08-08

Description

34Ö3734

WÄRMEÜBERTRACER

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, verdichteten Arbeitsfluids anfällt, aufgeprägt werden.

Wärmeübertrager zur Ausnutzung der 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 Arbettsfluid an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Die gasumströmten Rohre haben auch häufig vergrösserte Oberflächen durch Rippen. Konstruktiv aber lassen sich nur Flächenverhältnisse zwischen wasserseitiger und kältemittelseitiger Oberfläche von etwa 1 : 3 erreichen. Der Wärmeübergang wird durch den Wärmeübertragungskoeffizienten α bestimmt. Dieser Wert liegt bei Wasser etwa bei α > 1500, während gasförmiges Arbeitsfluid Werte von α < aufweist. Optimale Wärmeübertragung erfordert also Flächenverhältnisse von 1 : 30. Die bekannten Wärmeübertrager weisen deshalb eine viel zu grosse reibungserzeugende Oberfläche innerhalb dei Rohre auf und verursachen dadurch einen hohrn Strömungswiderstand f«ir den Wasser krwlelouf. Dlpftar Strümuny*wl<loc»l<ind «bor hostimntt die erforderliche Pumpenlelstung diese bestimmt wiederum den Jahresstromverbrauch für die Wasserumwälzung des Krei laufes Tank-Pumpe - Wärmeübertrager.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Wärmeübertrager Hegt darin, dass die 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 Entkalkung 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

Schliesslich verbietet die Baugrösse aller bekanntgewordenen Wärmeübertrager den wünschenswerten Einbau in die Gehäuse der Klimageräte und anderer Kaltdampfgeräte. Die aufgrund der Baugrösse erforderliche getrennte Anordnung von Wärmeübertrager und Klimagerät 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 erneut mit Arbeitsfluid gefüllt werden muss.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile. Gemäss der Erfindung besteht der aktive Teil des Wärmeübertragers aus einer Kreisscheibe aus Metall, vorzugsweise Kupfer, die mit einer vom Kältemittel durchströmten Kapsel eine Einheit bildet. In der Kapsel befindet sich eine vorzugsweise vielgängig 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 der 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 spiralig verlaufenden Kanälen gegensinnig zum Durchströmungssänn des Kältemittelstromes geführt, so dass ein Gegenstrom-Wärmetausch gesichert ist. Die zweite Kreisscheibe ist durch eine 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. ein Klimagerät vom Fabrikanten mit der arbeitsfluid-durchströmten Kreisscheiben-Kapseleinheit ausgerüstet wird, während die wasserführenden Bauelemente auch vom Laien zu jedem späteren Zeitpunkt montiert werden können.

Erfindungsgemäss ist Im wasserführenden Wärmeübertragergehäuse der Umwälzpumpenmotor mit dem Schaufelrad angeordnet, so dass dieses Gehäuse gleichzeitig das Pumpengehäuse bildet.

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 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.

Soweit die Unterbringung eines aus Wärmeübertrager und Pumpe bestehenden Gerätes aus Platzgründen nicht möglich ist, ist erfindungsgemäss auch ein separater Wärmetauscher vorgesehen. An die Stelle einer wärmedurchlassenden Kreisscheibe sieht die Erfindung dann zwei Kreisscheiben vor, zwischen denen zwei Spiralkanäle gebildet werden, von denen die erste der Wasserführung dient und die zweite für die Entlüftung vorgesehen ist.

Die Erfindung soll anhand der nachstehenden Figuren beschrieben werden:

Fig. 1 zeigt einen achsparallelen Schnitt eines Wärmeübertragers mit druckseitig angeordneter Wärmeübertragereinrichtung.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene I - I.

Fig. 3 zeigt den Verlauf einer spiraligen Wärmeübertragerfläche in der Ebeneil - II.

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

Fig. 5 zeigt einen achsparallelen Schnitt durch einen weiteren Wärmeübertrager .
Fig. 6 zeigt einen Schnitt gemäss tier Schnittebene III - III in Fig. 5 .

Figur 1 und 2 zeigen ein Gehäuse, das aus dem Napf 1 und der Kupferplatte 4 besteht. Hierin sind auf Spirallinien verlaufende Wärmeübertragerflächen 11 angeordnet, deren Stirnflächen durch die Lotschichten 8 und 9 mit dem Boden des Napfes und tier Kupferplatte 7 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 im Kanal 6 wieder vereinen. Die Geräteachse 42 sollte vorzugsweise so geneigt sein, dass entstehendes Kondensat des Arbeitsmediums 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. Dieser Effekt wird durch benetzend wirkende Oberflächen der Wärmeübertragerflächen gefördert. Dazu wird die Oberfläche der Wärmeübertragerflächen 41 durch Ätzen aufgerauht oder durch feinste Verzahnung längs der Wärmestromrichtung geriffelt. Der Austritt des abgekühlten und gegebenenfalls ganz oder teilweise verflüssigten Arbeitsmediums erfolgt durch die öffnung 3. Die Kapsel, die von dem Napf 1 und der Platte 4 gebildet 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 dem äusseren Umfang der Gehäuseschale 19 und dem inneren Umfang des Kragens 22 der Kupferscheibe 10 eingelegt ist. Nach erfolgtem Zusammenbau wird der L-förmige Stahlring 25 durch die über den Umfang des Flanschringes 24 verteilt eingesetzten Schrauben 26 auf den Gummischnurring gepresst, wodurch eine sichere Abdichtung erreicht wird. Mit der Kupferplatte 4 ist die Kupferscheibe 10, die Kreisrippen 11 trägt, 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 am Umfang 21 eintretende Wasserstrom über die gesamte Oberfläche der berippten Kupferplatte 10 geleitet wird. Im Zentrum der Kupferplatte ist die Trennwand 12 als Einlaufbereich 16 für das Pumpenlaufrad 17 ausgebildet. Auf der anderen Seite bildet die Trennwand 12 zusammen mit dem Blechzylinder 20 und der spiralig verlaufenden Leitwand 15 den Druckraum 29 für das Pumpenlaufrad 17. Im Auslassbereich 66 ist ein sichelförmiger Strömungskörper 36 angeordnet, dessen Eintrittskante 43 mit dem Umfang des Schaufelrades 17 einen in Umlaufrichtung konvergierenden Spalt bildet. Den

Abschluss des wasserseitigen Gehäuses bildet eine kegelabschnittförmige Schale 19, die am Umfang 44 mit dem Blechzylinder 20 verlötet ist. Der so gebildete Hohlraum 27 kommuniziert mit dem Eintrittsstutzen 28 für kaltes Wasser, 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 Temperaturzunahme des Wasserstromes einen vorgegebenen Wert erreicht.

Im Inneren des Motors 18 ist ein Übertempera türschalter 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 mitHeisswasser gefüllt ist. Ein weiterer, im Motorinneren angeordneter, temperaturgesteuerter Schalter 47 bewirkt die Einschaltung des Motors, sobald eine vorgegebene niedrigere Temperatur überschritten wird, die anzeigt, dass der Arbeitsmedienkreislauf von heissem Gas durchströmt wird und dementsprechend Wärme abzugeben vermag.

In der Darstellung gemäss Figur 3 sind entsprechend der Schnittebene Il - Il inFiqur zwei spiralig gebogene Wärmeübertragerflächen 48 sichtbar. Parallel dazu verlaufen die jeweils benachbarten Wärmeübertragerflächen 48', 48" usw. Die Wärmeübertragerflächen schliessen zwischen sich Kanäle 49 ein, der gesamte Innenraum ist in dieser Weise mit Wärmeübertragerflächen ausgefüllt und nur an der Peripherie verbleibt ein Kanal 50, der mit der Auslassöffnung 3 kommuniziert. Die Wärmeübertragerflächen sind sowohl mit der Kapsel 1 als auch mit der Kupferscheibe 10 verlötet.

Figur 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. Die Wärmeübertragerflächen sind längs der Kanten U-förmig gemäss 57 umgebogen. Diese Ausbildung der Kanten dient zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen benachbarten Wärmeübertragerflächen 46 und damit der Konstanthaltung der Weite der spiralig verlaufenden Kanäle 49. Der Zusammenhalt der Kapsel 1, 4 und des wasserführenden Teiles 58 erfolgt durch den konischen, aus zwei Teilen gebildeten Ring 59.

Figur 5 zeigt eine nicht zerlegbare Ausführungsform der Erfindung, bei der der Wasserstrom in ein Rechteckrohr 70 eintritt, welches in Form einer Spirale so gebogen ist, dass ein scheibenförmiger Körper 71 gebildet wird. Der Austritt des Wassers erfolgt durch das Rohrende 72. Die einzelnen Windungen 71' und 71" schliessen zwischen sich einen Spalt 73 von sehr geringer Breite ein. Zu beiden Seiten des Körpers 71 sind die Blechringe 74' und 74" aufgelötet, so dass der Spalt einen spiralig verlaufenden Kanal bildet, der am inneren Ende durch das Rohr 75 mit der Aussenluft kommuniziert. Zu beiden Seiten der Blechringe 74 sind wiederum Spiralen 41 gemäss Figur 3 aufgelötet, die vorzugsweise gleichzeitig mit den Gehäuseschalen 76' und 76" des Druckbehälters verlötet sind. Der Gaseintritt erfolgt durch den Stutzen 77 der Gasaustritt durch den Stutzen 3, der mit der Gehäuseschale 76" längs der Naht 78 verschweisst ist und ausserdem mit dem Rohrstutzen 79 verlötet ist. Durch die öffnung 80 kann das gemäss Pfeil 81 eintretende komprimierte Gas in das Innere des Druckbehälters eintreten und nach Durchsetzung der vielen Spiralkanäle gemäss Figur 3 durch den Stutzen 3 austreten.

Figur 6 zeigt einen Schnitt gemäss der Schnittlinie III - III. Durch das Rechteckrohr 70 tritt das Wasser ein, das Rechteckrohr verläuft auf Spirallinien. Die benachbarten Windungen 71' und 71" des Rechteckrohres schliessen zwischen sich einen Kanal 73 ein, der durch ein Füllstück 82 zum Umfang hin verschlossen ist und nach innen neben dem austretenden Rohr 77 über ein geschlitztes Rohr 75 mit der Aussenluft kommuniziert. Die Blechscheibe 74" ist sowohl mit dem Rechteckrohr 71 als auch mit den Gaswärmetauschflächen 41 durch Lötung verbunden.

Claims

DK 6927/1a

Patentansprüche

Wärmeübertrager zur Übertragung der fühlbaren Wärme des in einem Kompressor verdichteten Gases einer Wärmepumpe (z.B. eines Klimagerätes mit Verdampfer, Kompressor, Verflüssiger und Strömungswiderstand) auf einen Wasserstrom, bestehend aus einem gasdurchströmten Druckbehälter mit Gas-Wärmetauschflächen und einem wasserdurchströmten Hohlkörper mit Wasser-Wärmetasuchflachen, die mit den Gas-Wärmetauschflächen wärmeleitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Wärmetauschflächen als spiralig verlaufende Blechstreifen (41) ausgebildet sind, die zwischen sich gasführende Kanäle (49) einschliessen, wobei diese Blechstreifen mit der einen Seite einer Blechplatte (4, 74) metallisch (z.B. durch Löten) verbunden sind und wobei die andere Seite der Blechplatten mit Wasser-Wärmetauschflächen (11, 54, 71) metallisch verbunden ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den spiraligen Wärmetauschflächen (41) verlaufenden gasführenden Kanäle (49) an der Peripherie des Druckbehälters (1, 76', 76") mit dem Austrittsstutzen (3) und im Zentrum mit dem Eintrittsstutzen (2, 77) kommunizieren.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Wärmetauschflächen (41) gebildete Spiralkörper (48, 48', 48", 49, 50) mehrgängig, vorzugsweise 20- bis 40-gängig ausgebildet ist.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Blechplatte (4, 10, 74) als auch der Boden des Napfes (1, 76) mit den Wärmeubertragerflächen (41, 48) metallisch, z.B. durch. Löten verbunden ist.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechplatte (4) mit einer weiteren Platte (10) metallisch verbunden ist und dass zwischen den beiden Platten Kanäle (7) angeordnet sind, die mit der Umgebungsluft kommunizieren.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserführenen Wärmeübertragerflächen (11, 54) im Ansaugbereich einer Pumpe (17, 18) angeordnet sind, wobei die Pumpe mit dem Wärmeübertrager eine Einheit bildet.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserführenden Wärmeübertragerflächen durch kreisförmige Rippen (11) gebildet werden, zwischen die Ringe (13) hineinragen, und die an der Peripherie mit dem Ringspalt (21) und im zentralen Bereich mit dem Eintritt (16) in das Pumpenlaufrad (17) kommunizieren.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstrom durch die Rohrspirale (71) geleitet wird, deren Eintritt (70) im Bereich der Peripherie die Druckbehälterwandung (56") durchdringt.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (71) beidseitig mit einem Blechring (74', 74") metallisch verbunden ist.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rohrwandungen benachbarter Windungen ein Zwischenraum verbleibt, der einen Spiralkanal (73) bildet, welcher mit der Aussenluft kommuniziert.
11. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspirale (71) aus Rohr mit rechteckigem Querschnitt besteht.
12. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum des Druckgehäuses (76', 76" ) ein mit Perforationen (80) versehenes Rohr (77) angeordnet ist, welches die Wandungen des Druckbehälters (76', 76" ) im Zentrum zusammenhält.