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Wärmetauscher
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Wärmtauscher zu schaffen,
der nicht nur vielseitig, insbesondere auch als Sonnenwärmekollektor verwendbar
und einfach im Aufbau sowie billig in der Herstellung ist, sondern auch eine möglichst
lange Lebensdauer besitzt sowie einen möglichst vollständigen und schnellen Wärmeübergang
gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gemäß dem Anspruch 1 gelöst durch einen als Wärmekollektor
oder als Heizelement dienenden Wärmetauscher, mit einer Wärmedurchlaßwand, die mindestens
einen Teil der Wärmetauscher-Außenwand bildet und über die die Wärmeaufnahme von
außen nach innen bzw. die Wärmeabgabe von innen nach außen erfolgt und einer im
Inneren des Wärmetauschers verlegten Wärmekreisleitung, die in den Innenraum des
Wärmetauschers ausfüllendes Schüttgut aus die Wärme gut leitendem Material eingebettet
ist.
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Dieser Wärmetauscher läßt sich beispielsweise bestens a s Sonnenwärmekollektor
einsetzen. In diesem Falle wird die durch Strahlung oder Konvektion von außen her
an die Wärmedurchlaßwand gelangende Wärme durch diese hindurch geleitet und sodann
von dieser an das innen dicht anliegende Schüttgut abgegeben. Da dieses aus die
Wärme gut leitendem Material, zweckmäßigerweise aus Graphit und/oder Kohlenstoffasern
und/ oder Metallpartikeln z. B. aus Kupfer oder Aluminium besteht, leitet das Schüttgut
die Wärme schnell und vollständig zur Wärmekreisleitung, die rundum eingebettet
ist, so daß ihre gesamte Wandung für den Wärmeübertritt in sie zur Verfügung steht.
Es versteht sich, daß die Wärmekreisleitung über entsprechende Anschlüsse an einen
Kreislauf anschließbar ist, so daß das auf die geschilderte Weise erhitzte Wärmetransportmedium,
z. B. Wasser, in der Wärmekreisleitung innerhalb des Kreislaufs zu einer Stelle
gefördert werden kann, wo die gespeicherte Wärme abgegeben werden soll.
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Zum umgekehrten Betrieb, d. h. bei der Verwendung als Heizelement,
läßt man durch die Wärmekreisleitung anderweitig erhitztes Wärmetransportmedium,
z. B. Wasserdampf, strömen, das seine Wärme dann in umgekehrter Richtung in die
das Heizelement umgebende Atmosphäre abgibt.
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Der Aufbau dieses Wärmetauschers ist denkbar einfach und seine Gestehungskosten
sind niedrig. Derartiges Schüttgut ist billig und läßt sich bei der Montage ohne
Schwierigkeiten einfüllen. Des weiteren ergibt sich durch das Schüttgut ein kompakt
gefüllter Innenraum des Wärmetauschers, der dessen
Außenwand ganzflächig
abstützt, so daß dieser gegen mechanische Einwirkungen von außen her geschützt ist.
Außerdem erhält man durch das Schüttgut sozusagen eine schwimmende Lagerung der
Wärmekreisleitung, so daß diese bei den dauernd auftretenden Temperaturschwankungen
arbeiten, d. h. sich ausdehnen und zusammenziehen kann. Da das Schüttgut den ganzen
Innenraum ausfüllt, kann sich in diesem auch kein Schwitzwasser ansammeln, wodurch
Korrosion vermieden wird und sich keine den Wärmedurchgang behindernde Wasseransammlung
ergeben kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie zweckmäßige Ausgestaltungen
werden nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen
Wärmetauscher im Querschnitt, Fig. 2 den Wärmetauscher nach Fig. 1 in Draufsicht
gemäß Pfeil II in Fig. 1 in kleinerer Darstellungsweise, Fig. 3 eine entsprechende
Draufsicht einer Variante des Wärmetauschers, Fig. 4 eine weitere Variante in einem
der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt, Fig. 5 und 6 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und Fig. 7 den Wärmetauscher nach Fig. 6 im
Querschnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig. 6.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen einen als Wärmekollektor, insbesondere
als Sonnenwärmekollektor dienenden Wärmetauscher 1, der beispielsweise auf einem
Gebäudedach entweder allein oder in batterieartiger Mehrfachanordnung angebracht
werden kann. Derartige Wärmekollektoren sind an sich bekannt, so daß es sich erübrigt,
den Kreislauf, in dem der dargestellte Kollektor enthalten ist, näher zu beschreiben.
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Der Wärmetauscher 1 besitzt wie die übrigen Wärmetauscher der Zeichnung
eine Wärmedurchlaßwand 2, über die die Wärmeaufnahme von außen nach innen erfolgt.
Die eingestrahlte oder durch Konvektion an den Kollektor gelangende Wärme wird also
durch die Wärmedurchlaßwand in das Kollektor-Innere geleitet. Im Inneren des Wärmetauschers
1 ist eine Wärmekreisleitung 3 verlegt, die zwischen einem äußeren Zulaufanschluß
4 und einem äußeren Ablaufanschluß 5 verläuft. In dieser Wärmekreisleitung 3 strömt
das Wärmetransportmedium, das die aufgenommene Wärme an der gewünschten Stelle des
Kreislaufs wieder abgibt. Der Verlauf der Wärmekreisleitung innerhalb des Wärmetauschers
ist im Prinzip beliebig, wobei jeweils eine möglichst große Leitungslänge angestrebt
wird. Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2, wo es sich um einen Wärmetauscher
plattenartiger Gestalt handelt, ist die Wärmekreisleitung 3 zweckmäßigerweise nach
Art einer ebenen Spirale verlegt, wie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet ist. Solche
Spiralwindungen können sehr eng aneinander liegen, und außerdem erfordert die Verlegung
in Spiralform praktisch keine Biegearbeit, wenn man bei der Herstellung des Wärmetauschers
die Wärmekreisleitung 3 von einem Coil abwickelt.
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Die Wärmekreisleitung 3 ist in den Innenraum des Wärmetauschers ausfüllendes
Schüttgut 5 aus die Wärme gut leitendem Material eingebettet. Auf diese Weise ist
die Wärmekreisleitung 3 sozusagen schwimmend gelagert und erfordert keine weitere
Befestigung, wobei Abmesssungsänderungen der Wärmekreisleitung 3 infolge Temperaturschwankungen
von dem Schüttgut 5 aufgenommen werden. Das Schüttgut 5 stützt außerdem die gesamte
Wärmetauscher-Außenwand von innen her ab, die beim Ausführungsbeispiel nach den
Figuren 1 und 2 nur zu einem Teil von der Wärmedurchlaßwand 2 gebildet wird. Außerdem
kann sich infolge der Schüttgutfüllung im Wärmetauscher-Innenraum kein Schwitzwasser
ansammeln.
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Die dichte Anlage des Schüttguts an der Wärmedurchlaßwand 2 und das
gute Wärmeleitvermögen des Schüttgutes gewährleisten, daß die durch die Wärmedurchlaßwand
2 eintretende Wärme sehr schnell zu der Wärmekreisleitung 3 gelangt. Sodann tritt
die Wärme durch die Wandung der Wärmekreisleitung 3 und erhitzt das in dieser befindliche
Wärmetransportmedium. Da die Wärmekreisleitung rundum in das Schüttgut 5 eingebettet
ist, erhält man eine größtmögliche Wärmeübertrittsfläche.
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Die der Wärmedurchlaßwand 2 gegenüberliegende und den das Schüttgut
und die Wärmekreisleitung 3 aufnehmenden Innenraum an der entgegengesetzten Seite
abschließende Wand 6 des Wärmetauschers 1 ist als Wärme-Isolationswand ausgebildet
und besteht hierzu aus geeignetem Wärmedämmaterial, z. B. aus Kunststoff. In gleicher
Weise kann auch die den Umfang bildende Wand 7 ausgebildet sein. Hierdurch wird
ein unerwünschter
Wärmeaustritt an dieser Seite verhindert.
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Der Zulauf 4 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel im Zentrum
der Wärme-Isolationswand 6, während der Ablauf 5 tangential zur Spirale der Wärmekreisleitung
an der Umfangswand 7 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung des Wärmetransportmediums
kann auch umgekehrt sein, ebenso wie der Ort der Anschlüsse anders gewählt werden
kann. Die Wärme-Isolationswand 6 bildet mit der Umfangswand 7 sozusagen ein Gehäuse,
das durch die Wärmedurchlaßwand 2 abgeschlossen ist, die man auf die Umfangswand
7 beispielsweise aufschrauben kann.
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Der konstruktive Aufbau und die Herstellung des Wärmetauschers 1 ist
denkbar einfach. In das erwähnte Gehäuse braucht man nur die Wärmekreisleitung 3
einzulegen und sodann das Schüttgut in den Innenraum einzufüllen, wonach anschließend
an das Aufsetzen der Wärmedurchlaßwand 2 der Wärmetauscher fertig ist. Die Durchführungen
der Anschlüsse 4, 5 durch die Wärmetauscher-Außenwand bedürfen keiner Abdichtung.
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Die Wärmedurchlaßwand 2 kann aus Glas bestehen, das man der guten
Absorption der auftreffenden Strahlung wegen zweckmäßigerweise schwärzen oder mit
einer schwarzen oder ähnlich dunklen Schicht belegen kann.
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Die Wärmedurchlaßwand 2 kann jedoch auch aus einem Metall mit gutem
Wärmeleitvermögen, z. B. Kupfer oder Aluminium, bestehen, wobei man wiederum zusätzlich
eine schwarze oder ähnlich dunkle Belagsschicht anbringen kann.
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Als Schüttgut 5 kann man zweckmäßigerweise Graphit und/oder Kohlenstoffasern
und/oder Metallpartikel z. B. aus Kupfer oder Aluminium verwenden.
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Die Wärmekreisleitung 3 kann von einem Metallrohr, zweckmäßigerweise
aus Kupfer, Aluminium oder einem ähnlich gute Wärmeleiteigenschaften aufweisenden
Metall gebildet werden. Je nach der Verwendung des Wärmetauschers kann die Wärmekreisleitung
3 auch aus einem Kunststoffschlauch bestehen, was bei Verwendung eines gegenüber
Metall aggressiven Mediums als Wärmetransportmedium zweckmäßig ist.
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Der Wärmetauscher 1 ist in Draufsicht (Fig. 2) quadratisch, er kann
jedoch auch eine andere Rechteckform oder einen beliebigen anderen Umriß besitzen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach den Figuren 1 und 2 nur im Verlauf der Wärmekreisleitung. Diese Wärmekreisleitung
3a verläuft in diesem Falle schlangenförmig, wobei sich beide Anschlüsse 4a, 5a
an der Umfangswand befinden.
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Es versteht sich, daß auch die Plattengestalt des Wärmetauschers 1
kein zwingendes Erfordernis ist. Die Form der Wärmetauscher-Außenwand einschließlich
der Wärmedurchlaßwand 2 kann an die jeweiligen Erfordernisse und die Verwendung
des Wärmetauschers angepaßt sein.
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Ferner ist es möglich, die gesamte Wärmetauscher-Außenwand
als
Wärmedurchlaßwand auszubilden, beispielsweise wenn er als im Freien aufgestellter
Sonnenwärmekollektor verwendet wird und rundum eine solche Temperatur herrscht,
die einen Wärmeeintritt in den Wärmetauscher bewirkt.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher läßt sich auch als Heizelement
benutzen. In diesem Falle stellt man beispielsweise den in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Wärmetauscher in einem zu beheizenden Raum auf und leitet durch die Wärmekreisleitung
3 anderweitig erhitztes Wärmetransportmedium, z.B.
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heißes Wasser oder Wasserdampf. Bei diesem sozusagen umgekehrten Betrieb
erfolgt der Wärmeübergang in entgegengesetzter Richtung, d. h. von der Wärmekreisleitung
3 in das Schüttgut 5 und sodann durch die Wärmedurchlaßwand 2 in den zu beheizenden
Raum. Hinsichtlich der Wärmetauscherausbildung gilt bei dieser Verwendungsart das
gleiche wie oben beschrieben. Es versteht sich, daß man auch in diesem Falle gegebenenfalls
die gesamte Wärmetauscher-Außenwand als Wärmedurchlaßwand ausbilden und zweckmäßigerweise
aus Metallblech fertigen kann. Zur Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Wärmedurchlaßwand
und Schüttgut und somit zu einem noch verbesserten Wärmeübertritt kann in jedem
Falle zweckmäßigerweise vorgesehen sein, daß die Wärmedurchlaßwand an ihrer dem
Schüttgut zugewandten Innenseite nach innen hin vorstehende Vorsprünge, z. B. Rippen,
pyramidenähnlich geformte Segmente od.dgl., aufweist. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel
hierfür, das ansonsten der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform entspricht. Die
an der Innenseite der Wärmedurchlaßwand 2a vorhandenen Vorsprünge sind durch die
Bezugsziffer 8 gekennzeichnet.
Es handelt sich hier um zahnartige
Rippen, wobei man sich anhand der Fig. 4 auch leicht vorstellen kann, daß die Vorsprünge
8 nicht durchgehend ausgebildet sein müssen, sondern auch lokale Erhebungen sein
können, die rasterartig auch rechtwinkelig zur Zeichenebene angeordnet sind.
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Fig. 4 zeigt beispielhaft einen im Freien aufgestellten Sonnenwärmekollektor,
der mittels Stützbeinen 9 auf dem Erdboden 10 steht. Es handelt sich hier um einen
kugelähnlichen Wärmetauscher, wobei die gesamte Wärmetauscher-Außenwand von einer
kugeligen Wärmedurchlaßwand 2b gebildet wird. Wiederum ist der Innenraum mit dem
beschriebenen Schüttgut 5b ausgefüllt, in das die in vielen Windungen verlaufende
Wärmekreisleitung 3b eingebettet ist. Mit 4b und 5b sind der Zulaufanschluß und
der Ablaufanschluß bezeichnet. Je nach dem Aufstellort kann ein Teil der Wärmetauscher-Außenwand
auch eine Wärme-Isolationswand sein.
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Der Wärmetauscher gemäß den Figuren 6 und 7 ist wiederum ein im Freien
aufgestellter Sonnenwärmekollektor, der hier jedoch säulenähnliche Gestalt aufweist.
Er ist mittels eines Fußes 11 im Erdboden verankert, wobei er selbstsverständlich
auch in anderer Weise in seiner Lage gehalten werden kann.
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Der Querschnitt kann wie dargestellt kreisrund oder auch anders sein.
Die Wärmedurchlaßwand ist mit 2c, die Wärmekreisleitung (diese ist in Fig. 6 gestrichelt
angedeutet und verläuft wendelförmig) mit 3c, und die Außenanschlüsse sind mit 4c
bzw. 5c bezeichnet. Während im Falle der Fig. 5 keine Wärme-Isolationswand vorhanden
ist, wird bei der Variante
gemäß den Figuren 6 und 7 ein Teil der
Wärmetauscher-Außenwand von einer solchen Wärme-Isolationswand 6c gebildet.
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Die Wärmedurchlaßwand 2c erstreckt sich jedoch mindestens über den
den Sonnenstrahlen ausgesetzten Bereich der Außenwand.
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Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, daß der Wärmetauscher
drehbar angeordnet ist, derart, daß seine Wärmedurchlaßwand zur Sonne hin drehbar
ist. Diese drehbare Lagerung ist in den Figuren 6 und 7 angedeutet (Achse 12).
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Wie weiter oben schon ausgeführt, tritt wegen des Schüttguts innerhalb
des Wärmetauschers praktisch kein Schwitzwasser auf. Sollte die Korngröße des Schüttguts
jedoch etwas gröber sein, kann sich etwas Kondenswasser bilden. Damit dieses ins
Freie austreten oder abgesaugt werden kann, kann man die Wärmetauscher-Außenwand
mit einer oder mehreren Öffnungen versehen. Eine solche Öffnung ist in Fig. 1 bei
13 gestrichelt angedeutet.
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