DE9208890U1

DE9208890U1 - Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Abwärme von Wärmepumpenkompressoren

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Publication number: DE9208890U1
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Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2002-07-04

Description

Heinrich-Hertz-Straße 28

D-7730 VS-Villingen

WÄRMETAUSCHER ZUR RUCKGEWINNUNG DER ABWÄRME VON WARMEPUMPENKOMPRESSOREN

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Abwärme von Wärmepumpenkompressoren.

Unter dem Begriff Wärmepumpenkompressor soll sowohl der Kompresser einer Wärmepumpe im eigentlichen Sinn, als auch ein Kompresser einer Kältemaschine oder Kompressorkühleinrichtung verstanden werden, die eine Wärmepumpe im weiteren Sinn darstellt.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 91 08 694.9 ist es bekannt, die im Kühlbetrieb eines Kompressorkühlschranks von dem Verflüssiger des Kühlschranks abgegebene Abwärme zur Bereitung von Warmwasser auszunutzen. Dies geschieht dadurch, daß man den Verflüssiger in thermischem Kontakt mit einem Speicherbehälter bringt, um darin gesammeltes Wasser zu erwärmen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine weitere Möglichkeit aufzuzeigen, beim Betrieb von Kompressorwärmeanlagen, insbesondere Kühlanlagen, anfallende Abwärme kostensparend zurückzugewinnen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der als eine - im Wärmetauschbetrieb - das Kompressorgehäuse umschließende und Abwärme von dem Kompressergehäuse aufnehmende Manschette ausgebildet ist, die einen Einlaß, einen Auslaß und wenigstens einen den Einlaß mit dem Auslaß verbindenden, die Manschette durchsetzenden Strömungskanal für ein wenigstens einen Teil der Abwärme aufnehmendes und transportierendes Fluid, insbesondere Wasser, aufweist.

Es hat sich gezeigt, daß ein nicht unerheblicher Anteil der im Betrieb eines derartigen Kompressors anfallenden Abwärme unmittelbar über das Kompressorgehäuse an die Umgebung abgegeben wird. Insbesondere bei großen Kompressorkühlanlagen, die beispielsweise zur Kühlung von Kühlhäusern oder Kühlkammern in Schlachthöfen, Lagerhäusern für Nahrungsmittel, Gefrieranlagen für Schiffe oder Klimaanlagen und dergleichen herangezogen werden, werden große Wärmemengen freigesetzt. Mittels einem oder gegebenenfalls auch mehreren Wärmetauschern nach der Erfindung läßt sich diese Abwärme rückgewinnen bzw. kostensparend nutzen. Die Manschette ist so an das Kompressorgehäuse angepaßt, daß sie möglichst großflächig in enger Berührung mit dem Kompressorgehäuse steht, um einen möglichst effizienten Wärmeübergang von der Gehäusewand des Kompressors zu der Manschette zu gewährleisten. Die von der Manschette aufgenommene Wärme wird jedenfalls teilweise an das in dem Strömungskanal gesammelte bzw. diesen durchströmende Fluid abgegeben, und dann von dem Fluid an den Ort transportiert, an dem die Wärme genutzt werden soll.

Auf diese Weise kann der Wärmetauscher nach der Erfindung zur Einsparung von Energiekosten herangezogen werden. Hinzu kommt, daß die Herstellungs- und Montagekosten vergleichsweise niedrig gehalten werden können, zumal der Wärmetauscher in vielen Fällen ohne weiteres mit geringem Montageaufwand nachträglich an vorhandene Kompressoren angebaut werden kann. Das nachträgliche Anbauen eines Wärmetauschers nach der Erfindung an einen Kompressor gestaltet sich insbesondere dann besonders einfach, wenn der Kompressor einen zylindrischen oder sonstwie gleichmäßig runden, beispielsweise ovalen Umfangsabschnitt aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Manschette biegsam ausgebildet. Diese Ausführung erleichtert die Anpassung der Manschette an das Kompressorgehäuse während der Montage.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Manschette als ein um den Kompressor herum spannbares Band ausgebildet. Das Band kann auf einfache Weise auch um solche Kompressorgehäuse herumgespannt werden, bei denen ein Überstülpen einer Manschette mit in sich geschlossenem Umfang, beispielsweise wegen hervorstehender Kompressorelemente, nicht möglich wäre. Das Band bietet im Hinblick auf eine gute Anschmiegbarkeit an den Kompressorumfang große Vorteile auch bei Kompressoren mit geometrisch einfachen und leicht zugänglichen Formen.
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Vorzugsweise ist die Manschette aus Metall, insbesondere Kupfer, gebildet, das einen guten Wärmetransport von der Kompressorwand zu dem in dem Strömungskanal gesammelten Fluid gewährleistet. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten kann die Manschette an ihrem äußeren Umfang mit einer

Wärmeisolationsschicht versehen sein, die vorzugsweise aus Kunststoff besteht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Manschette aus einem Drahtgeflecht mit darin aufgenommenen, den Strömungskanal bildenden Röhren aufgebaut. Das Drahtgeflecht kann von der Art sein, wie man es von Massekabeln aus der Elektrotechnik kennt. Ein derartiges Drahtgeflecht läßt sich als Band herstellen, welches problemlos um ein Kompressorgehäuse herumgelegt und mit Spannmitteln befestigt werden kann.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht eine Manschette vor, die an ihrem Innenumfang leicht deformierbare Metallelemente aufweist, welche sich - in der Montageanordnung - an das Kompressorgehäuse anschmiegen. Bei einer derartigen Manschette, die im übrigen auch als flexibles Band ausgebildet sein kann, wird ein intensiver Kontakt mit der Gehäusefläche des Kompressors auch dann hergestellt, wenn Unebenheiten an der Kompressorwand vorhanden sein sollte.

Vorzugsweise sind die Metallelemente Metallborsten in hoher Dichte, die sich durch eine abdichtende Wand hindurch in den Strömungskanal hineinerstrecken. Bei einer derartigen Ausführungsform kann der Manschettenkörper im wesentlichen aus Kunststoff gebildet sein. Die Metallborsten sind dabei in den Kunststoffkörper eingebettet, so daß sie als hervorragende Wärmeleiter Kompressorabwärme zu dem Fluid in den Strömungskanal ableiten. Mit ihren in den Strömungskanal hineinreichenden Enden verursachen die Borsten Turbulenzen in dem Fluid. Aufgrund dieser Turbulenzen wird eine besserte Wärmeübertragung auf das Fluid erzielt. Das Kunststoffmaterial des Manschettenkorpers gewährleistet eine gewisse Flexibilität, was der Anpaß-

&Igr; barkeit der Manschette an einen Kompressor zugute kommt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Warmwasserbereitungsanlage mit einem Wärmepumpenkompressor, insbesondere Kältemaschinenkompressor, und einem Abwärme von dem Kompressor aufnehmenden und an das durch den Strömungskanal zu leitende Wasser abgebenden Wärmetauscher nach der Erfindung.

Dabei kann der Kompressor beispielsweise ein gewöhnlicher Kühlschrankkompressor sein.

Vorzugsweise ist ein das erwärmte Wasser aufnehmender Speicherbehälter mit dem Fluidauslaß des Wärmetauschers verbunden. Dieser Speicherbehälter hält das erwärmte Wasser für die Entnahme bereit.

Sofern die Wassertemperatur noch weiter gesteigert werden soll, kann eine dem Fluidauslaß oder dem Speicherbehälter nachgeschaltete Zusatzheizeinrichtung vorgesehen sein, die das Wasser auf eine höhere Temperatur erhitzt. Die Zusatzheizeinrichtung kann ein elektrischer Durchlauferhitzer sein.

Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmeerzeuger für eine Heizungsanlage, insbesondere Niedrigtemperatur-Fußbodenheizungsanlage mit wenigstens einem Wärmepumpenkompressor, insbesondere Kältemaschinenkompressor, einem Abwärme von dem Kompressor aufnehmenden und an das durch den Strömungskanal zu leitende Heizungsfluid eines Heizungsfluidkreislaufs abgebenden Wärmetauscher nach der Erfindung.

Je nach Art und Anzahl von einbezogenen Kompressoren kann der Wärmeerzeuger nach der Erfindung bereits dazu ausreichen, eine Niedrigtemperatur-Heizungsanlage ohne Unter-

- 6 Stützung durch weitere Heizquellen mit Wärme zu versorgen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:

Fig. 1 ein teilweise gebrochen und perspektivisch dargestelltes erstes Ausführungsbeispeil eines Wärmetau-schers nach der Erfindung in Montageanordnung

an einem Wärmepumpenkompressor,

Fig. 2 ein teilweise gebrochen und perspektivisch

dargestelltes zweites Ausführungsbeispeil eines Wärmetauschers nach der Erfindung, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers nach der Erfindung in einer Abwicklungsdraufsicht,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Warmwasserbe-

reitungsanlage nach der Erfindung, Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Variante der

Warmwasserbereitungsanlage in Fig. 4, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Heizungsanlage mit einem Wärmeerzeuger nach der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Wärmetauscher nach der Erfindung. Der Wärmetauscher besteht aus einer Manschette 3, in die ein Kompressor 5 mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse eingesetzt ist, der über einen Kältemittelzufluß 7 und einen Kältemittelabfluß 9 in den nicht gezeigten Kältemittelkreislauf eines Kühlaggregats integriert ist.

Die im wesentlichen hohlzylindrische Manschette 3 liegt mit ihrer inneren ümfangsflache 11 eng an dem Gehäusemantel 13 an, so daß ein großflächiger Wärmeübergang von dem

Kompressorgehäuse auf die Manschette 3 stattfinden kann. Ein innerer Kupferring 15 der Manschette 3 nimmt Abwärme von dem Gehäusemantel 13 des Kompressors 5 auf und leitet diese jedenfalls teilweise zu einer die Wärme aufnehmenden Flüssigkeit in einem Kanal 17, der durch untereinander verbundene Nuten am äußeren Umfang 19 des hohlzylindrischen Kupferringteils 15 der Manschette 3 gebildet ist. Die Nutkanäle 17 sind nach außen durch einen Kunststoffmantel 21 abgedichtet, der gleichzeitig eine äußere Wärmeisolationsschicht für den Kupferring 15 bildet. Darüber hinaus sind noch weitere ringförmige Dichtungselemente im oberen Bereich und im unteren Bereich der Manschette zwischen der Kunststoffschicht 21 und dem Kupferring 15 vorgesehen.

Die Flüssigkeit, insbesondere Wasser, wird dem Kanalsystem 17 über einen im unteren Bereich der Manschette 3 seitlich angeordneten Einlaß 25 zugeführt und über einen im oberen Teil der Manschette 3 angeordneten seitlichen Auslaß 27 wieder abgeleitet. Die abgeleitete Flüssigkeit transportiert die in dem Kanalsystem 17 aufgenommene Wärme dorthin, wo sie genutzt werden soll.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Elemente, die ihrer Funktion nach Elementen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit entsprechend gleichen Bezugsziffern und einem nachgestellten Kleinbuchstaben gekennzeichnet.

Der Wärmetauscher la in Fig. 2 weist eine Manschette 3a auf, die aus einem flexiblen Kunststoffband gebildet ist. Das Kunststoffband kann - wie in Fig. 2 angedeutet - um einen zylindrischen Gehäuseteil 13a eines Kompressors 5a herum gewickelt und mittels nicht gezeigter Spannelemente um den Kompressor 5a herum gespannt werden.

An der die innere Umfangsflache 11a der Manschette bildenden Flachseite des Bandes erstrecken sich zahlreiche Borsten oder Metalldrähtchen 29, die in dem Kunstsstoff eingebettet sind und im Inneren des Bandes bis in den Kanal 17a hineinreichen, wie an der ausgebrochenen Stelle in Fig. 2 zu erkennen ist.

Der Kanal 17a für das wärmeaufnehmende und -transportierende Fluid erstreckt sich im wesentlichen über die ganze Länge des Bandes 3a. Er ist jedoch an den Stirnseiten 31 verschlossen.

Die zahlreichen Drähtchen 29 schmiegen sich beim Umwickeln des Bandes 3a an den Gehäusemantel 13a des Kompressors 5a an und gewährleisten daher eine großflächige effiziente Wärmeaufnahme von dem Kompressor 5a, selbst wenn der Gehäusemantel 13a kleinere Unebenheiten aufweisen sollte. Die von den Drähtchen oder Borsten 29 aufgenommene Wärme wird von ihnen jedenfalls teilweise an das Fluid in dem Kanal 17a abgegeben. Ein wünschenswerter Effekt ist der, daß die in den Kanal 17a hineinreichenden Enden der Drähtchen 29 Turbulenzen in dem Fluid verursachen. Aufgrund dieser Turbulenzen wird der Wärmeübergang von den Drähtchen 29 auf das Fluid noch verbessert.

Gemäß einer hier nicht gezeigten Variante sind die Drähtchen 29 durch leicht deformierbare Rippenelemente gebildet.

An der dem Kompressor 5a abgewandten Seite der Manschette 3a bildet der nicht von Metalldrähtchen durchsetzte Bereich der Kunststoffmanschette eine vergleichsweise gute Wärmeisolation. An dieser Flachseite der Manschette 3a sind auch Anschlüsse für den Fluideinlaß 25a zu dem Kanal 17a und den Fluidauslaß 27a vorgesehen.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

Wärmetauschers Ib nach der Erfindung schematisch skizziert, wobei eine Draufsicht auf eine Breitseite oder Flachseite des Wärmetauschers gewählt wurde. 5

Dabei handelt es sich um ein zu einer Manschette für einen Wärmepumpenkompressor wickelbares Band 3b aus einem flexiblen Metallgeflecht, wie man es etwa von breiten Masseflachkabeln aus der Elektrotechnik kennt. In dieses Band 3b sind flexible Rohre 17b, etwa aus einem wärmebeständigen, mit Metallkörnern durchsetzten Kunststoff, eingeflochten, die den Strömungskanal für das die Wärme aufnehmende und transportierende Fluid bilden. An den Endbereichen des Bandes 3b sind Anschlüsse für den Fluideinlaß 25b, 27b angeordnet, die über die Röhrchen 17b miteinander verbunden sind.

Auch für dieses dritte Ausführungsbeispiel wird eine hier nicht gezeigte - Isolationsschicht an einer Flachseite des Bandes vorgeschlagen.

Fig. 4 zeigt eine Warmwasserbereitungsanlage nach der Erfindung.

Die Warmwasserbereitungsanlage umfaßt einen eine Kühlanlage betreibenden Kompressor 5c mit einem Wärmetauscher, wie er bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Es könnte allerdings auch ein Wärmetauscher nach Fig. 2 oder Fig. 3 verwendet werden.

Das zu erwärmende Wasser tritt über den Einlaß 25c in den manschettenförmigen Wärmetauscher ein und erwärmt sich aufgrund der von dem Kompressor abgegebenen Abwärme in den Kanälen 17c. Das erwärmte Wasser tritt aus dem Auslaß 27c aus und fließt über eine Rohrverbindung in einen

-&igr;&ogr;&iacgr; Speicherbehälter 33, dem es bei Bedarf über ein Rohr 35 entnommen werden kann.

Zur Nacherwärmung des Wassers auf eine höhere Entnahmetemperatur ist in das Ableitungsrohr 35 ein Durchlauferhitzer 37 geschaltet.

Die Warmwasserbereitungsanlage nach Fig. 4 wird insbesondere für die Warmwasserbereitung von Brauchwasser zu Haushaltszwecken empfehlen, wenngleich sie nicht darauf beschränkt ist.

Fig. 5 zeigt eine Variante der in Fig. 4 dargestellten Warmwasserbereitungsanlage. Bei der Anlage in Fig. 5 ist der in Fig. 4 mit 33 gekennzeichnete Speicherbehälter weggelassen und der Durchlauferhitzer 37' unmittelbar dem Wasserauslaß 27c¹ des Wärmetauschers Ic¹ nachgeschaltet.

In Fig. 6 ist ein Wärmeerzeuger für eine Niedrigtemperatur-Fußbodenheizungsanlage schematisch skizziert. Der Wärmeerzeuger umfaßt mehrere Kompressoren 5d einer Großkühlanlage, von denen in Fig. 6 zwei dargestellt sind. Jeder dieser Kompressoren 5d ist mit einem Wärmetauscher nach der Erfindung versehen. Im gezeigten Fall ist dies der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene Wärmetauscher, wenngleich ein Wärmetauscher nach Fig. 2 oder Fig. 3 herangezogen werden könnte. Die Auslässe 27d der Wärmetauscher Id sind an einer gemeinsamen Zuleitung 39 angeschlossen, welche zu einem Wärmepufferspeicher 41 der Heizungsanlage führt. An diesem Wärmepufferspeicher 41 sind die Heizschlangen 43 der Niedrigtemperatur-Fußbodenheizanlage angeschlossen. Ein von den Heizschlangen 43 abgehendes Ableitungsrohr 45 führt zurück zu den Einlassen 25d der Wärmetauscher Id, so daß ein geschlossener Wärmefluidkreislauf gebildet wird. Zur Aufrechterhaltung

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der Zirkulation des Wärmefluids ist eine Pumpe 47 in dem Kreislauf vorgesehen.

Sollte bei einer gegebenen Installation die von den Kompressoren rückgewonnene Wärme nicht dazu ausreichen, die Heizung befriedigend zu betreiben, so kann eine unterstützende Heizvorrichtung vorgesehen sein.

Claims

SCHUTZANSPRUCHE

° 1. Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Abwärme von Wärmepumpenkompressoren, der als eine - im Wärmetauschbetrieb - das Kompressorgehäuse (13; 13a; 13b) umschließende und Abwärme von dem Kompressorgehäuse aufnehmende Manschette (3; 3a; 3b) ausgebildet ist, die einen Einlaß (25; 25a; 25b), einen Auslaß (27; 27a; 27b) und wenigstens einen den Einlaß mit dem Auslaß verbindenden, die Manschette durchsetzenden Strömungskanal (17; 17a; 17b) für ein wenigstens einen Teil der Abwärme aufnehmendes und transportierendes Fluid, insbesondere Wasser, aufweist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Manschette

(3; 3a; 3b) zwecks Erleichterung ihrer Anpassung an das Kompressorgehäuse (13; 13a; 13b) biegsam ausgebildet ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Manschette (3a; 3b) von einem um den Kompressor (5a; 5b)

herum spannbaren Band (3a; 3b) gebildet ist. 25
4. Wärmetauscher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Manschette (3; 3a; 3b) aus Metall, insbesondere Kupfer, gebildet ist.
5. Wärmetauscher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Manschette (3) an ihrem äußeren Umfang mit einer Wärmeisolationsschicht (21), insbesondere wärmebeständige Kunststoffschicht, versehen ist.

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6. Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Band (3b) ein Drahtgeflecht mit darin aufgenommenen, den Strömungskanal (17b) bildenden

Röhren ist.
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7. Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Manschette (3a) an ihrem Innenumfang leicht deformierbare Metallelemente (29) aufweist, die sich - in der Montageanordnung an dem Kompressor - an das Kompressorgehäuse (13a) anschmiegen.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei er einen von dem Kanal (17a) durchsetzten Kunststoffkörper (21a) hat und sich die Metallelemente (29) durch eine abdichtende Wand hindurch in den Strömungskanal (17a) hineinerstrecken .
9. Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Metallelemente Metallborsten (29) in hoher Dichte sind.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Metallelemente Rippen sind.
11. Warmwasserbereitungsanlage (Fig. 4; Fig. 5) mit einem Wärmepumpenkompressor (5c; 5c¹), insbesondere Kältemaschinenkompressor, und einem Abwärme von dem Kompressor aufnehmenden und an das durch den Strömungskanal (17c; 17c¹) zu leitende Wasser abgebenden Wärmetauscher (lc; lc¹) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Warmwasserbereitungsanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein das erwärmte Wasser aufnehmender Speicherbehälter (33) mit dem Fluidauslaß (27c) des Wärmetauschers verbunden ist.
13. Warmwasserbereitungsanlage nach Anspruch 11 oder 12, wobei eine dem Fluidauslaß (27c; 27c¹) nachgeschaltete - insbesondere elektrische - Zusatzheizeinrichtung (37; 37c¹) vorgesehen ist, die das Wasser auf eine höhere Temperatur erhitzt.
14. Warmwasserbereitungsanlage nach Anspruch 13, wobei die Zusatzheizeinrichtung ein Durchlauferhitzer (37; 37c¹) ist.
15. Wärmeerzeuger (Fig. 6) für eine Heizungsanlage, insbesondere Niedrigtemperatur-Fußbodenheizungsanlage, mit wenigstens einem Wärmepumpenkompressor (5d), insbesondere Kältemaschinenkompressor¹¹ veinem Abwärme von dem Kompressor aufnehmenden und an das durch den Strömungskanal (17d) zu leitende Heizungsfluid eines Heizungsfluidkreislaufs abgebenden Wärmetauscher (Id) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11.