DE7804109U1

DE7804109U1 - HEAT EXCHANGERS, IN PARTICULAR FOR SYSTEMS FOR THE GENERATION OF SOLAR ENERGY

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Publication number: DE7804109U1
Application number: DE19787804109
Authority: DE
Original assignee: Schaefer Werke 5908 Neunkirchen GmbH
Current assignee: Schaefer Werke 5908 Neunkirchen GmbH
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1978-08-03

Description

Wärmetauscher. Inabesondere für Anlagen zur Gewinnung von SonnenenergieHeat exchanger. Especially for systems for generating solar energy

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere für Anlagen zur Gewinnung von Sonnenenergie, mit einem Behälter für die Aufnahme eines flüssigen Heizmediums, insbesondere Wasser, einer innerhalb des Behälters angeordneten, vom Heizmedium umgebenen HUlIe in Form eines Innenbehälters, einer Rohrschlange oder dergleichen, einem äußeren Wärmeisoliermantel, einer Heizmedium-Vorlaufleitung, die unterhalb der höchsten Stelle des Behälters, vorzugsweise im unterenThe invention relates to a heat exchanger, in particular for systems for the generation of solar energy, with a container for holding a liquid heating medium, in particular water, a sleeve arranged inside the container and surrounded by the heating medium in the form of an inner container, a pipe coil or the like, an outer thermal insulation jacket, a heating medium flow line, the below the highest point of the container, preferably in the lower one

Behälterbereich in den Behälter einmündet und einer Helzmedium-RUcklaufleitung, die in den unteren Bereich des Behälters einmündet .Container area opens into the container and a Helzmedium return line, which opens into the lower area of the container.

Bei Wärmetauschern mit relativ zur Größe des Wärmetausders geringem Durchsatz an Heizmedium und relativ kleinen Temperaturunterschieden zwischen Heizmedium und zu erwärmendem Medium ist eine Temperaturschichtung des Heizmediums im Behälter erwUnecht. Dies gilt insbesondere für Wärmetauscher In the case of heat exchangers with a low throughput of heating medium relative to the size of the heat exchanger and relatively small temperature differences between the heating medium and the medium to be heated, a temperature stratification of the heating medium in the container is desirable. This is especially true for heat exchangers

von Anlagen für die Gewinnung von Sonnenenergie (Solaranlagen). In solchen Anlagen wird Wasser in Absorbern langsam erwärmt und einem Wärmetauscher zugeführt, in dem die Wärme an Brauchwasser abgegeben wird. Die Heizmedium-Vorlaufleitung und die Heizmedium-Rücklauf leitung· werden beide im unteren Bereich des Behälters in diesen eingeführt. Bei bekannten Behältern befindei sich somit an der höchsten Stelle des Behälters kein Anschluß.of systems for the production of solar energy (solar systems). In such systems, water is slowly heated in absorbers and fed to a heat exchanger in which the heat is transferred to domestic water. The heating medium supply line and the heating medium return line · are both inserted in the lower area of the container. In known containers located there is therefore no connection at the highest point of the container.

Im Heizmedium sind in der Regel Gase gelöst, die den Lösungezustand verlassen, also ausgasen können. In Solaranlagen ist im Kreislauf oft Gas enthalten, nämlich dann, wenn 6ie_f Bestandteile der Anlage bildenden, Wärmekoll^ktoren von dem als Heizmedium verwendeten Wasser entleert werc^n können sollen, wenn die Gefahr des Einfrlerens oder auch nur einer unerwünschten Abkühlung oder die Gefahr der überhitzung besteht. Das Heizmedium ist dann in ständiger Berührung mit Gas, z.B. Stickstoff, das auch mitgerissen wird, wodurch ebenfalle Gase in den Behälter gelangen können.As a rule, gases are dissolved in the heating medium that leave the solution state, i.e. can outgas. In solar panels in the circulation is often contain gas, namely, when 6ie _f constituents of the plant forming Wärmekoll ^ ktoren from that used as the heating medium water drained WERC can ^ n should be, if the risk of Einfrlerens or nu r an undesirable cooling or There is a risk of overheating. The heating medium is then in constant contact with gas, for example nitrogen, which is also entrained, which means that gases can also get into the container.

Um die volle Leistung des Wärmetauschers zu erhalten, muß dieser vollständig mit Heizmedium gefüllt bleiben, da andernfsl die Hülle, die das zu erwärmende Brauchwasser enthält, nicht mehr vollständig mit Heizmedium in Berührung ist und dadurch ; die Auetauschfläche verringert wird. Es sind besondere Vor- ? kehrungen erforderlich, um das Ansammeln von Gasen im Behälter '. zu vermeiden, da ja ein oberer Leitungsanschluß an sich nicht \ In order to obtain the full performance of the heat exchanger, it must remain completely filled with heating medium, since otherwise the shell, which contains the domestic water to be heated, is no longer completely in contact with the heating medium and is therefore; the exchange area is reduced. There are special advantages? precautions required to avoid the accumulation of gases in the tank '. to be avoided, since an upper line connection per se is not \

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vorhanden ist. Bisher hat man hierfür Entlüftungsventile verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, daß sie eine StörungsquelLe darstellen und daß ein eventuell vorhandener Überdruck in der Anlage, der in der Regel vorgesehen wird, nach und nach abgebaut wird, da ja aus dem Kreislauf immer wieder Gase entw-eichen. is available. Vent valves have previously been used for this purpose. However, these have the disadvantage that they represent a source of interference and that any overpressure that may be present in the system, which is usually provided, is gradually dismantled, since gases are repeatedly escaping from the circuit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß unter Vermeidung störanfälliger Bauteile eine ständige Entlüftung des Behälters möglich ist, ohne daß im Bereich des Behälters Gase die Anlage verlassen können, in die der Behälter eingebaut ist.The invention is based on the object of designing a heat exchanger of the type mentioned at the outset in such a way that, while avoiding it failure-prone components a constant venting of the container is possible without the system in the area of the container gases can leave, in which the container is built.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die höchste Stelle des Behälterhohlraumes durch einen Entlüftungskanal mit der Heizmedium-RUcklaufleitung verbunden ist.This object is achieved according to the invention in that the highest point of the container cavity is through a ventilation channel is connected to the heating medium return line.

Bei einem so ausgebildeten Wärmetauscher kann Gas, das sich an der höchsten Stelle des Behälters sammelt, über den Entlüftungskanal zur Heizmedium-Rücklaufleitung gelangen. Das Gas wird also wieder in den Kreislauf eingeführt. Speziell bei Solaranlagen mit teilweiser Gasfüllung ist dies kein Nachteil, sondern sogar erwünscht, da ja eine gewisse Gasmenge im System erforderlich ist um die Entleerung der Kollektoren zu ermöglichen. Der Entlüftungskanal enthält keinerlei bewegliche Teile und ist deshalb absolut funktionssicher. Diese Art derWith a heat exchanger designed in this way, gas that collects at the highest point of the container can pass through the ventilation duct reach the heating medium return line. So the gas will reintroduced into the cycle. Especially in solar systems with partial gas filling, this is not a disadvantage, it is desirable, since a certain amount of gas is required in the system to allow the collectors to be emptied. The ventilation duct contains no moving parts and is therefore absolutely reliable. This kind of

Entlüftung vermeidet auch im Gegensatz «u EntIUftungsventilen das Entweichen von Gas aus dem Kreislauf, so daß ein dort vorhandener überdruck nicht verlorengeht. Durch die Erfindung wurde für einen Wärmetauscher, in dem eine Temperaturschichtung hergestellt werden soll, eine konstruktiv außerordentlich einfache Entlüftungsvorrichtung geschaffen, die zu-dem noch billiger herzustellen ist, als eine Entlüftungseinrichtung mit Entlüftungsventil.In contrast to this, venting also avoids venting valves the escape of gas from the circuit, so that any excess pressure there is not lost. Through the invention For a heat exchanger in which temperature stratification is to be created, an extraordinarily simple one was structurally extremely simple Ventilation device created, which is also cheaper to manufacture than a ventilation device with Vent valve.

Vorzugsweise wird der Entlüftungskanal gemäß Anspruch 2 in die Heizraedium-RUcklaufleitung eingeführt. Hierdurch vermeidet man eine Injektorwirkung, die durch die Strömung in der Heizmedium-RUcklaufleitung sonst eventuell entstehen könnte.Preferably, the ventilation duct according to claim 2 is introduced into the heating medium return line. This avoids an injector effect, which is caused by the flow in the heating medium return line otherwise it could possibly arise.

Der EntlUftungskanal hat einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt. In Betracht kommende Querschnitte sind im Anspruch 3 angegeben. Innerhalb der angegebenen Grenzen wird man kleinere Querschnitte für kurze EntlUftungskanäle und gr^T^re Querschnitte für längere Entlüftungskanäle wählen.The ventilation duct has a relatively small cross-section. Possible cross-sections are specified in claim 3. Within the given limits one becomes smaller Cross-sections for short ventilation ducts and larger cross-sections select for longer ventilation ducts.

Der EntlUftungskanal besteht gemäß Anspruch 4 vorzugsweise av*j einem Metallrohr. Dies ist jedoch nicht die einzig mögliche Lösung. Der Entlüftungskanal könnte z.B. auch eine Bohrung innerhalb einer Armatur sein, die mehrere Funktionen erfüllt.The ventilation duct is preferably av * j according to claim 4 a metal pipe. However, this is not the only possible solution. The ventilation channel could e.g. also be a hole be within a valve that fulfills several functions.

Vorzuziehen ist die Anordnung gemäß Anspruch 5, weil dadurch Wärmeverluste über den Entlüftungskanal und die Helzmedium-The arrangement according to claim 5 is preferable because it causes heat losses via the ventilation duct and the Helzmedium-

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Leitungen vermieden werden. Unter di· Erfindung fallen aber auch Ausführungsformen, bei denen die Leitungen außerhalb des Wärmeisoliermantels liegen.Lines are avoided. The invention also includes Embodiments in which the lines are outside the thermal insulation jacket.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Darstellung einer Solaranlage mitFig. 1 shows a representation of a solar system

Ausgleichbehälter , der teilweise mit Gas gefüllt ist,Expansion tank that is partially filled with gas,

Fig. 2 eine Solaranlage mit einem Membran-Ausdehnungsgefäß undFig. 2 shows a solar system with a membrane expansion tank and

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher.3 shows a vertical section through a heat exchanger according to the invention.

Die Solaranlage nach Fig. 1 hat einen Wärmetauscher 1, ein Ausgleichsgefäß 2 und mindestens einen Sonnenkollektor 3; vorzugsweise werden mehrere parallel geschaltete Kollektoren verwendet. Zunächst soll anhand der Fig. 3 der WärmetauscherThe solar system according to Fig. 1 has a heat exchanger 1, a compensation tank 2 and at least one solar collector 3; several collectors connected in parallel are preferred used. First, with reference to FIG. 3, the heat exchanger

genauer betrachtet werden.be considered more closely.

Der Wärmetauscher 1 hat einen Behälter 4, der vollkommen von einer Wärmeisolierschicht 5 umgeben ist, z.B. aus Mineralfasern, die zwischen der Außenwand des Behälters 4 und einemThe heat exchanger 1 has a container 4 that is completely is surrounded by a heat insulating layer 5, for example made of mineral fibers, between the outer wall of the container 4 and a

umhüllenden Mantel 6 angeordnet sind. Innerhalb des Behälters befindet sich eine Hülle 7, die ihrerseits die Form eines kleineren Behälters aufweist, in dem sich Brauchwasser befindet.enveloping jacket 6 are arranged . Inside the container there is a casing 7, which in turn has the shape of a smaller container in which there is service water.

Innerhalb der Isolierschicht 5, die an der betreffenden Stelle entsprechend dick ausgeführt ist, verlaufen eine Heizmedium-Vorlaufleitung 8 und eine Heizmedium-Rücklaufleitung 9. Die Vorlaufleitung 8 mündet im unteren Bereich des Behälters 4 nahe bei der Behälterwand 4a. Die Rücklaufleitung 9 mündet ebenfalls im unteren Behälterbereich, Jedoch etwa in der Mitte des Behälters. In die Vorlaufleitung 8 ist eine Pumpe 10 eingebaut, die Heizmedium nach unten in den Behälter 4 pumpt.A heating medium flow line runs within the insulating layer 5, which is made correspondingly thick at the point in question 8 and a heating medium return line 9. The flow line 8 opens in the lower region of the container 4 close to the container wall 4a. The return line 9 opens also in the lower part of the container, but roughly in the middle of the container. A pump 10 is installed in the flow line 8, which pumps the heating medium down into the container 4.

in den Behälter 7 mündet eine lCaltwasserleitung 11, die kaltes Wasser in den unteren Bereich der Innenhülle 7 einführt und eine Warmwasserleitung 12, die im oberen Bereich der Hülle 7 warme Wasser entnimmt.A cold water line 11, the cold one, opens into the container 7 Introduces water into the lower region of the inner shell 7 and a hot water pipe 12 which is warm in the upper region of the shell 7 Draws water.

Erfindungsgemäß ist die höchste Stelle 4b des Behälters 4 über einen Entlüftungskanal 13 n>it der Rücklaufleitung 9 verbunden. Der Entlüftungskanal 3 mündet unter einem spitzen Winkel ».-'.■ in die Rücklaufleitung 9 ein. Der Winkel./-liegt so, daß der Entlüft ingskanal 13 bei der durch den Pfeil 14 angedeuteten Strömungsrichtung in der Rücklaufleitung das Bestreben hat, etwas Flüssigkeit aufzufangen, so daß ein Saugeffekt an der Einmündungsstelle vermieden wird.According to the invention, the highest point 4b of the container 4 is above a ventilation duct 13 is connected to the return line 9. The ventilation channel 3 opens at an acute angle ».- '. ■ into the return line 9. The angle./- is such that the Entlüft ingskanal 13 in the indicated by the arrow 14 The direction of flow in the return line aims to to catch some liquid so that a suction effect at the point of confluence is avoided.

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Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des Wärmeaustauschers soll nachfolgend seine Anordnung in einer Solaranlage zunächst anhand der Fig. 1 betrachtet werden.For a better understanding of how the heat exchanger works its arrangement in a solar system will be considered below with reference to FIG. 1.

Bei der Anlage nach Fig. 1 ist die Vorlaufleitung 9 an den Ausgleichbehälter 2 angeschlossen. Vom oberen Ende des Ausgleichbehälters geht eine Leitung 9a aus, die zum unteren Ende des Kollektors 3 führt. Das obere Ende des Kollektors 3 ist mit der Rücklaufleitung 9 verbunden.In the system according to FIG. 1, the flow line 9 is connected to the Expansion tank 2 connected. From the top of the expansion tank a line 9a goes out, which leads to the lower end of the collector 3. The upper end of the collector 3 is with the return line 9 connected.

Wenn im Kollektor 3 Wärme gewonnen-werden kann,, was 3.B. durch einen Temperaturfühler angezeigt wird, wird die Pumpe 10 in Bewegung gesetzt. Hierbei fördert die Pumpe Heizmedium über die Vorlaufleitung θ in den Behälter 4, aus dem Wasser in die Rücklaufleitung 9 verdrängt wird und dadurch zu dem Kollektor 3 steigt. Dieses Wasser verdrängt die im Kollektor enthaltene Luft, die sich im Ausgieichbehälter 2 sammelt. Wenn der Kollektor vollständig mit Wasser gefüllt ist, welcher Zustand in Fig. 1 dar gestellt ist, herrscht im Ausgleichbehälter 2 das durch die Linie 15 angedeutete Niveau. Wenn, z.B. bei Frostgefahr oder zu geringem Wärmeangebot oder bei überhitzungsgefahr, die Pumpe 10 abgeschaltet wird, läuft das Wasser aus; dem Kollektor heraus und sammelt sich im Ausgleichbehälter 2. In diesem Fall wird das Flüssigkeitsniveau 16 erreicht. Bei diesen Vorgängen nimmt die Flüssigkeit (in der Regel Wasser) immer wieder Gase auf oder reißt Gase mit, die in den Behälter 4 gelangen. DortIf heat can be obtained in the collector 3, what 3.B. is indicated by a temperature sensor, the pump 10 is set in motion. Here the pump conveys heating medium the flow line θ in the container 4, from the water in the Return line 9 is displaced and thereby rises to collector 3. This water displaces the water contained in the collector Air that collects in the equalizing container 2. If the collector is completely filled with water, which is the state in Fig. 1 is provided, prevails in the expansion tank 2 by the Line 15 indicated level. If, e.g. if there is a risk of frost or insufficient heat or if there is a risk of overheating, the Pump 10 is switched off, the water runs out; the collector and collects in expansion tank 2. In this case the liquid level 16 is reached. During these processes, the liquid (usually water) repeatedly absorbs gases or entrains gases that get into the container 4. there

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kann sich trotzdem kein oberer Luftsack ausbilden, da die Luft über den Entlüftungskanal 13 in die Rücklaufleitung 9 gelangt, so daß der Behälter 4 immer vollständig gefüllt bleibt. Ein unervünschtes Mitreißen von Heizmedium aus dem Behälter wird einmal durch den verhältnismäßig engen Querschn_ ^t des Entlüftungskanales 13 und zum anderen auch durch den Einmündungswinkel cC· vermieden, der eine Injektorwirkung an der Einmündungsstelle nicht entstehen läßt. nevertheless can form no upper air bag, as the air passes through the vent channel 13 in the return line 9, so that the container 4 is always completely filled. Undesired entrainment of heating medium from the container is avoided on the one hand by the relatively narrow cross section of the ventilation channel 13 and on the other hand by the confluence angle cC · which does not allow an injector effect at the confluence point.

Pig. 2 zeigt eine geschlossene Anlage, in deren Kreislauf an sich überhaupt keine Gase vorhanden sein sollen. In dieser Anlage ist an die Vorlaufleitung 9 ein Membran-Ausdehnungsgefäß 17 über eine Leitung 18 angeschlossen. Oberhalb dr Membran 19 befindet eich Flüssigkeit„ während unterhalb der Membran 19 ein gasförmiges Druckpolster vorhanden ist, das aber wegen der Abtrennung durch die Membran 19 mit dem Heizmedium nicht in Berührung kommen kann. In einer solchen Anlage ist der Wärmetauscher 1 mit dem EntlUftungskanal 13 ebenfalls von Vorteil, da auch hier die Ansammlung von Gas im Behälter 1 vermieden wird. Das Gas wird in der Rücklaufleitung 9 bis zur höchsten Stelle der Anlagereführt und kann dort über ein Entlüftungsventil 20 entweichen. Druckverluste entstehen dabei praktisch nicht, da Ja das Druckpolster im Gefäß 17 den Druck aufrechterhält. Nach einiger Zeit ist das Helzmedium praktisch vollständig entgast.Pig. 2 shows a closed system, in the circuit of which there should not be any gases at all. In this facility a membrane expansion tank 17 is connected to the flow line 9 a line 18 is connected. Above the membrane 19 there is liquid, while below the membrane 19 there is a gaseous one Pressure cushion is present, but because of the separation by the membrane 19, it is not in contact with the heating medium can come. In such a system, the heat exchanger 1 with the ventilation duct 13 is also advantageous here, too the accumulation of gas in the container 1 is avoided. The gas is in the return line 9 to the highest point of the System guided and can there via a vent valve 20 escape. There are practically no pressure losses because the pressure cushion in the vessel 17 maintains the pressure. To For some time the Helzmedium is practically completely degassed.

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Es sei hier noch einmal auf die besondere Grundkonzeption des Wärmetauschers hingewiesen, der speziell für Solaranlagen geeignet ist. Die Einführung und der Abzug des Heizmediams im unteren Behälterbereich gestattet die Herstellung einer Wärmeschichtung, die bei dem relativ geringen Wärmeangebot erwünscht ist. Man erreicht dadurch die Möglichkeit einer fast vollständigen Entnahme der Wärme aus dem als Speicher aufzufassenden Wärmetauscher 1. Die oberen Schichten im Behälter 4 sind die wärmsten Schichten, ebenso die Schichten in der Hülle 7. Durch die Entnahme mit der Leitung 12 im oberen Bereich der Hülle 7 läßt sich alles dort enthaltene wärme Wasser abziehen. Ebenso kann das Heizmedium alle darin enthaltene Wärme auf das in der Hülle 7 enthaltene Brauchwasser Übertragen. The special basic conception of the heat exchanger, which is especially suitable for solar systems, should be pointed out here again. The introduction and withdrawal of the heating mediam in the lower container area allows the production of a thermal stratification, which is desirable given the relatively low heat supply. This enables almost complete removal of the heat from the heat exchanger 1. The upper layers in the container 4 are the warmest layers, as are the layers in the shell 7. By the removal with the line 12 in the upper region of the shell 7 all the heat water contained there can be drawn off. Likewise, the heating medium can all the heat contained therein to the contained in the sheath 7 hot water transfer.

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Claims

- 10 protection claims:

1. Heat exchangers »especially for plants for extraction of solar energy, with a container for holding a liquid heating medium, especially water, one inside the container arranged, rom heating medium surrounded shell in the form of an inner container, a pipe coil or the like, an outer thermal insulation jacket, a heating medium flow line, which is below the highest point of the container opens and a heating medium return line, which opens into the lower area of the container, thereby being marked, that the highest point (4b) of the container cavity through a ventilation duct (13) with the heating medium return line (9) connected is.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that d « Ventilation duct at an acute angle, e.g. an angle of approx. SO °, against the direction of flow in the heating medium return line (9) flows into this.

3. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the ventilation duct (13) has a clear cross-section of about 7 to 50 square millimeters, at circular clear cross-section an inside diameter of approx. 3 to approx. 8 millimeters.

4. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the ventilation duct (13) consists of a

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Metallrohr besteht.Metal pipe is made.

5. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the heating medium return line (9) and the ventilation duct (13) and preferably also u ^ e heating medium supply line (8) are in the heat insulating jacket (5).

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