DE7837686U1

DE7837686U1 - Waermeuebertrager

Info

Publication number: DE7837686U1
Application number: DE19787837686U
Authority: DE
Original assignee: Alfa Laval Agrar GmbH
Current assignee: Alfa Laval Agrar GmbH
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1981-02-26
Also published as: US4438806A; US4305454A; NL7909170A; FR2444915A1; IT1127725B; JPS55123986A; DK543479A; GB2037975B; DE2854999A1; IT7928064A0; GB2037975A

Description

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Sie Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme eines wärmeren Mediums auf eine zu erwärmende Flüssigkeit mit einem im wesentlichen aufrechtstehenden isolierten Außenmantel und einem die Strömung der zu erwärmenden Flüssigkeit lenkenden Wärmeleitkörper, der sich innerhalb eines vom Außenmantel umschlossenen Innenraumes erstreckt.

Derartige Wärmeübertrager dienen insbesondere zur Wärmerückgewinnung aus aufgewärmten Kühlmedien, aus Abwässern und aus naturwarmen Medien. Deren Wärme konnte bisher nur schwierig ausgenutzt werden. Versuche zur Gewinnung dieser Wärme sind nur sehr zögernd in die Praxis umgesetzt worden, da die Investitionskosten im Vergleich zu der zurückgewonnenen Wärme sehr hoch waren. Im Hinblick auf das relativ kleine Temperaturgefälle mußte im Regelfall mit großen Heizflächen gearbeitet werden. Neuerdings haben die Überlegungen für die Konstruktion von Wärmeübertragern, die zu diesen Zwecken geeignet sind, angesichts steigender Energiekosten und gehobener Ansprüche an den Umweltschutz wieder an Bedeutung gewonnen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei geringer Temperaturdifferenz und relativ kleinen Durchsatzmengen des wärmeren Mediums ein guter Wirkungsgrad bei einfachem Aufbau erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der ^Wärmeleitkörper einen vom wärmeren Medium durchflossenen Heizkörper umgibt und als eine die sich am Heizkörper aufheizende Kühlflüssigkeit von dem übrigen Inhalt des Außenmantels abtrennende Trennwand ausgebildet ist, die im Sinne der aufgrund seiner Erwärmung in ihm aufsteigenden zu erwärmenden Flüssigkeit an ihrem unteren Ende einer Einströmöffnung und an ihrem oberen Ende einer Auslaßöffnung aufweist.

Mit Hilfe des Wärmeleitkörpers wird aus dem gesamten Volumen der aufzuheizenden Flüssigkeit ein relativ kleiner Anteil abgegrenzt und in unmittelbaren Kontakt mit dem Heizkörper gebracht. Dieser Teil der vom Wärmeleitkörper umschlossenen Flüssigkeit heizt sich daher intensiv an dem Heizkörper auf, da seine Vermischung mit der übrigen zu erwärmenden Flüssigkeit durch den Wärmeleitkörper verhindert wird. Infolge der Aufheizung steigt die zu erwärmende Flüssigkeit aufwärts, so daß kühlere Flüssigkeit von unten in den Wärmeleitzylinder nachdringen kann. Auf diese Weise bildet sich im Wärmeleitkörper eine Strömung aus, die dazu führt, daß aus dem oberen Teil des Wärmeleitkörpers die erwärmte Flüssigkeit austritt und sich auf die im unteren Teil des Wärmeübertragers vorhandene kühlere Flüssigkeit aufschichtet. Die Temperatur der wärmeren Flüssigkeit legt deren wirtschaftliche Verwertung nahe. Sie wird aus dem oberen Teil des Wärmeübertragers entnommen, ohne daß sie sich angesichts der relativ exakt ausgebildeten Trennschicht mit der in den unteren Teil des Behälters zugespeisten kalten Flüssigkeit vermischen kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auslaßöffnung als eine Drosselstelle ausgebildet. Durch sie wird verhindert, daß die natürliche Strömung im Wärmeleitkörper so heftig verläuft, daß die Austrittstemperatur an der Auslaßöffnung für Gebrauchszwecke nicht hoch genug ist. Durch die Wahl der Drosselöffnung kann die Strömung im Wärmeleitkörper so bestimmt werden, daß die Temperatur an der Auslaßöffnung im Rahmen der thermodynamischen Möglichkeiten gäer Wärmeübertragung weitgehend bestimmt werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist»

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In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 ; einen Längsschnitt durch einen Wärmeübertrager mit einem in seinem Oberteil geöffneten Wärmeleitkörper und

Figur 2 : einen Längsschnitt durch einen Wärmeübertrager mit einem den Wärmeleitkörper oben abschließenden Steigrohr.

Ein Wärmeübertrager besteht im wesentlichen aus einem Außenmantel 1, einem Wärmeleitkörper 2 und einem als Wärmeaustauscher ausgebildeten Heizkörper 3. Der Außenmantel 1 steht im wesentlichen mit seiner Längsachse aufrecht auf Beinen 15_f die an einem unteren Außenboden 16 des Außenmantels 1 befestigt sind. Im unteren Boden 16 ist eine öffnung 17 vorgesehen, deren Querschnitt so groß bemessen ist, daß der Wärmeleitkörper 2 mit dem Heizkörper 3 durch die Öffnung 17 in das Innere 18 des Außenmantels 1 eingeführt werden kann. Diese öffnung 17 ist mit einer Bodenplatte 12 wasserdicht verschlossen. Auf der Bodenplatte 12 ist der Heizkörper 3 befestigt, so daß der Zulauf 20 und der Ablauf 19 für das den Heizkörper durchfließende wärmere Medium durch die Bodenplatte 12 hindurchragen. Der Heizkörper 3 ist als eine Wendel ausgebildet, deren Durchmesser in etwa dem Innendurchmesser des als Zylinder ausgebildeten Wärmeleitkörpcrs 2 entspricht. Dabei ist der Heizkörper 3 hinsichtlich seiner Abmaße so ausgelegt, daß die Wendel die Innenwandungen des Wärmeleitkörpers 2 nicht berühren. Auf die Weise kann sich zwischen der Wendel und den Innenwandungen des Wärmelextkörpers 2 noch eine Strömung der den Wärmeleitkörper 2 ausfüllenden Flüssigkeit ausbilden.

Im unteren Teil des Außenmantels 1 ist eine Zuströmöffnung 6 für die kalte Flüssigkeit angebracht. Sie befindet sich unmittelbar über der Rundung eines inneren Bodens 10, kann allerdings auch im unteren Teil des Bodens 1O unmittelbar neben der Bodenplatte 12 angeordnet sein. Da die zu erwärmende

Flüssigkeit von allen Seiten des Querschnittes in die Einströmöffnung 21 des Wärmeleitkörpers 2 eintreten soll, bietet
sich die konzentrische Anordnung des Wärmeleitkörpers 2 bezüglich des Außenmantels 1 an.

Der Wärmeleitkörper 2 besitzt an seinem oberen Ende eine Aus- | gangsöffnung 22, aus der die aufgewärmte Flüssigkeit in Richtung auf das Innere 18 des Außenmantels 1 austreten kann.
Bei gleichmäßiger Strömungsverteilung innerhalb des Wärmeleit-I

körpers 2 tritt die aufgewärmte Flüssigkeit nach allen Seiten |

hin in das Innere 18 ein und schichtet sich |

auf die im unteren Teil des Außenmantels 1 vor- |

handene kalte Flüssigkeit. Am höchsten Punkt eines gewölbten f

oberen Bodens 11 ist eine Ausströmöffnung 7 vorgesehen, aus | der die warme Flüssigkeit dem Inneren 18 entnommen werden

kann. Die jeweilige Temperatur der warmen Flüssigkeit zeigt ί

ein Thermometer 9 an. L_;

Das Wärmemedium, beispielsweise die aufgeheizte Kühlflüssigkeit eines nicht näher dargestellten Kreislaufes, wird am \ Zulauf 20 in die Wendel des Heizkörpers ein- und am Ablauf 19 I wieder abgeleitet. Es durchströmt die Wendel und gibt dabei
seine Wärme an die zu erwärmende Flüssigkeit ab, die innerhalb des Wärmeleitkörpers 2 den Heizkörper 3 umgibt. Aufgrund i ihrer Erwärmung steigt die sich im Inneren des Wärmeleit- ρ körpers 2 befindliche Flüssigkeit im Wärmeleitkörper 2 auf ^ und bildet eine in Richtung auf den oberen Boden 11 verlau- ^ fende natürliche Strömung aus. Dabei durchläuft die im unteren S Teil des Heizkörpers ?· bereits vorgewärmte Flüssigkeit im
oberen Teil weitere Windungen der Heizkörperwendel 3, so daß
sie sich entsprechend der vom wärmeren Medium zur Verfügung
gestellten Wärme und abhängig vom jeweiligen Temperaturniveau
mit längerem Verweilen im Wärmeleitkörper 2 zunehmend aufheizt. Die auf diese Welse aufgewärmtejpiüssigkeit tritt aus §

der AuslaßÖffnung 22 aus dem Wärmeleitkörper 2 aus und er- 1

¥ gießt sich nach allen Seiten auf die im unteren Teil des |

Inneren 18 vorhandene kalte Flüssigkeit, so daß sich die |

aufgewärmte auf die kalte Flüssigkeit schichtet. Je nach Bedarf kann aus der Ausströmöffnung 7 die aufgewärmte Flüssigkeit entnommen werden. Deren jeweilige Temperatur wird am Thermometer 9 abgelesen.

Eine Steuermöglichkeit für die Temperatur der aufzuwärmenden Flüssigkeit wird mit Hilfe einer Drosselstelle 5 vorgenommen. Diese wird an der Auslaßöffnung 22 des Wärmeleitköirper 2 ausgebildet, indem diese bis auf die jeweils gewünschte Drosselstelle 5 mit einer Platte 4 verschlossen wird. Durch die richtige Wahl der Drosselstelle 5 wird die wärmere Flüssigkeit am Austritt aus dem Wärmeleitkörper 2 so lange gehindert, bis sie die gewünschte Temperatur erreicht hat. Für den Fall, daß wechselnde Temperaturen an der Ausströmöffnung 7 des Wärmeübertragers zur Verfügung stehen sollen, ist es möglich, die Drosselstelle 5 variabel zu gestalten.

Zweckmäßigerweise kann darüber hinaus die Drosselstelle 5 als ein Steigrohr ausgebildet sein, das die gleichmäßige Verteilung der aufzuwärmenden Flüssigkeit begünstigt. Dieses Steigrohr kann darüber hinaus exzentrisch zum zylindrischen Wärmeleitkörper 2 angeordnet sein, um auf diese Weise zu verhindern, daß die im Steigrohr aufsteigende sich erwärmende FlüssiCTkRit unmittelbar über die Ausströmöffnung 7 abgesaugt wird.

Der Wärmeleitkörper 2 kann mit Hilfe von Abstützstegen IJ im Inneren 18 des Außenmantels 1 gehaltert sein. Diese Abstützstege 13 sind so ausgebildet, daß sie der sich im Inneren des Wärmeübertragers ausbildenden Flüssigkeitsströmung ein möglichst geringes Hindernis entgegensetzen. Sie dienen der Transportsicherung,um ein Verbiegen von Heizkörper 3 und Wärmeleitkörper während des Transportes zu verhindern.

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Zusätzlich zur Befestigung des Heizkörpers 3 auf der Bodenplatte 12 ist es zweckmäßig, diesen auch noch im Inneren des Wärmeleitkörpers 2 gegenüber diesem abzustützen. Auf diese Weise ist die Wendel im Wärmeleitkörper 2 so justiert, daß sie auch bei einem Transport des Wärmeübertragers keinen Schaden nehmen kann.

Sehr wesentlich ist, daß der Wärmeleitkörper 2 hinsichtlich J seines Volumens so klein bemessen wird, daß der Heizkörper 3 gerade noch in ihn hineinpaßt. Auf diese Weise wird das Volumen des Wärmeleitkörpers 2 kleingehalten, so daß die in ihm vorhandene sich zu erwärmende Flüssigkeit schnell aufheizen kann. Dadurch wird eine kräftige Aufwärtsströmung hervorgerufen, die zu einem günstigen Wärmeübergang am Heizkörper 3 führt. Sollte das zur Aufheizung der Flüssigkeit vorgesehene Medium nicht in ausreichender Menge oder mit der gewünschten Temperatur zur Verfügung stehen, kann zur Unterstützung der sich im Wärmeleitkörper 2 ausbildenden Strömung eine Pumpe vorgesehen werden, die für die notwendige Umwälzgeschwindigkeit sorgt und damit zur Verbesserung des Wärmeübergangs beiträgt. Darüber hinaus ist es isögl^ch, im Inneren 18 des Wärmeübertragers eine Elektroheizung 8 vorzusehen.

Diese wird zur Unterstützung des Gesamtsystems eingeschaltet, wenn vom abzukühlenden Medium nicht genügend Wärme zur Verfügung gestellt wird. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, auf wirtschaftliche Art ständig ein gleichbleibendes Wärmeangebot im oberen Teil des Wärmeübertragers zur Verfügung zu halben.

Der Wärmeleitkörper 2 kann aus metallischen oder anderen Werkstoffen bestehen. Bei metallischen Werkstoffen muß entlang des Wärmeleitkörpers 2 mit einem Wärmeübergang an die sich außerhalb des Wärmeleitkörpers 2 befindliche Kühlflüssigkeit gerechnet werden. Demgegenüber wirken andere Werkstoffe wie z.B. Kunststoffe und keramische Werkstoffe, isolierend,

so daß auch bei kleinem Temperatursprung mit einer guten Aufwärmung der zu erwärmenden Flüssigkeit innerhalb des Wärmeleitkörpers 2 gerechnet werden kann. Insbesondere in diesen Fällen kommt es darauf an, die Wärme innerhalb des Wärmeleitkörpers 2 so zusammenzuhalten, daß sich innerhalb des Wärmeleitkörpers 2 eine natürliche Strömung der sich aufheizenden Flüssigkeit ausbilden kann. Daher ist es in solchen Fällen angebracht, den Wärmeleitkörper 2 aus Materialien herzustellen, die schlechte Wärmeleiter darstellen.

Die Funktion des erfindungsg^mäßen Wärmeübertragers ist unabhängig von der konstruktiven Anordnung der Bodenplatte 12. Der Wärmeleitkörper 2 kann mit dem in ihm verlaufenden Heizkörper 3 auch auf andere Weise in den Außenmantel 1 eingeführt werden. Beispielsweise ist daran zu denken, daß der Wärmeleitkörper 2 und der Heizkörper 3 von oben in den Außenmantel 1 eingeführt werden. In diesem Falle ist im oberen Boden eine Verschlußplatte vorzusehen, mit der sowohl der Wärmeleitkörper 2 als auch der Heizkörper 3 verbunden sind.

Claims

1 IKI · · J «II 3 1 ■ · ■ DlPL-IN(3.'D1R. GEftTHELDT Rechtsanwalt, Patentanwalt Dr. Gart Haldt - Neuer Wall 57 iv- - 2000 Hamburg 36 ~1 Neuer Wall 57IV- - 2000 Hamburg 36 Buf: 040/3715 77 Sprechstunden nach Vereinbarung Telegramme: Patentheldt. Hamburg Anwaltsakte: AL 2 5 ALFA-LAVAL Agrar GmbH. Wilhelm-Bergner-Straße 2 Glinde bei Hamburg Wärmeübertrager nsprüche

1. Wärmeübertrager zur übertragung von Wärme eines wärmeren Mediums auf eine zu erwärmende Flüssigkeit mit einem im wesentlichen aufrechtstehenden isolierten Außenmantel und einem die Strömung der Kühlflüssigkeit lenkenden Wärmeleitkörper, der sich innerhalb eines vom Außenmantel umschlossenen Innenraumes erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (2) einen vom wärmeren Medium durchflossenen Heizkörper (3) umgibt und als eine sich am Heizkörper (3) aufheizende zu erwärmende Flüssigkeit von dem übrigen Inhalt des Innenraumes abtrennende Trennwand ausgebildet ist, die im Sinne der aufgrund ihrer Erwärmung in ihm aufsteigenden zxx erwärmenden Flüssigkeit an ihrem unteren Ende eine Einströmöffnung (21) und an ihrem oberen Ende eine Auslaßöffnung (22) aufweist.

Taleloniich übermittelte Auftrage sowie lololonlsch järleljlo /Jugkürzte jbedfrie'rr =jji*i JtlkJiej Bestätigung. Postscheckkonto ι Hamburg 96670-200

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet* daß die Auslaßöffnung (22) als eine Drosselstelle (5) ausgebildet ist.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dar Querschnitt der Droßselatelle (5) in ' _v seiner Größe verstellbar ist.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch I bis 3/ dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselstelle (5) ein Steigrohr vorgesehen ist, das aus einer die Auslaßöffnung (22) abschließe senden Platte (4) herausrayt,

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr exzentrisch zum Wärmeleitkörper (2) angeordnet ist.

6. Wärmeübertrayer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil des Außenmantels (1) ein in die zu erwärmende Flüssigkeit hineinragendes Thermometer (9) vorgesehen ist.

7. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (2) als Zylinder ausgebildet ist, in den ein als Wendel gewickelter Heizkörper (3) hineinragt.

8. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen aes Wärmeleitkörpers (2) unwesentlich größer als das Volumen des Heizkörpers (3) ist.

9. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (2) konzentrisch in einem als Zylinder ausgebildeten Aqßenmantel (1) befestigt ist.

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10. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, daß der wiirmeleitkörper (2) und der Heizkörper (3) auf einer den Außenmantel (1) an seiner untersten Stelle verschließenden Bodenplatte (12) befestigt sind.

11. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bia 10# dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (2.) durch Abatützstege

(13) im Außenmantel (1) abgestützt ist.

12. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 ble 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (3) im Wärmeleitkörper (2) abgestützt ist.

13. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur konstanten Aufheizung der zu erwärmenden Flüssigkeit auf eine vorgegebene Temperatur bei wechselndem Wärmeangubot eine Elektroheizung (8) innerhalb des Außenmantels (1) vorgesehen ist.

14. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper aus Stahl besteht.

15·. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wär/neleitkörper (2) aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht.

16. Wärmeübertrager nach Anspruch-1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (2) aus einem keramischen Werkstoff besteht.