EP0076416B1 - Wärmetauscher mit Sink- oder Steigschacht - Google Patents

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EP0076416B1
EP0076416B1 EP82108629A EP82108629A EP0076416B1 EP 0076416 B1 EP0076416 B1 EP 0076416B1 EP 82108629 A EP82108629 A EP 82108629A EP 82108629 A EP82108629 A EP 82108629A EP 0076416 B1 EP0076416 B1 EP 0076416B1
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EP
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heat exchanger
heat
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EP82108629A
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Fritz Nixel
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Chemowerk Bayern GmbH
Original Assignee
Chemowerk Bayern GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/18—Water-storage heaters
    • F24H1/20—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for the direct heating or cooling of a storage medium, preferably in process water or heating buffer stores.
  • finned tubes are usually used on the outside of the heat exchanger tube, the large outside surface of which compensates at least partially for the low alpha value on the outside.
  • the achievable increase in performance does not increase linearly with the enlargement of the surface, because there is only a very small amount of convection, in particular with the desired small temperature differences, and on the other hand a so-called rib efficiency which is dependent on the rib height becomes effective.
  • the performance can thus be further improved by forcibly flowing around the finned tube via a pump arrangement (see publication 50.040.977 from Sulo).
  • a pump arrangement see publication 50.040.977 from Sulo.
  • this design requires a comparatively high amount of energy for the circulation pumps used for this.
  • GB-A-2 037 958 describes a solution for separating hot and cold water contents.
  • DE-A-2 903 250 describes in connection with a riser pipe not only the improvement of the temperature stratification, but also an increase in the effectiveness of the heat exchanger, in which the finned tube coil is equipped on the inside with a displacement cylinder and is sealed on the outside by the wall of the riser pipe is surrounded. Convection thus creates a forced flow around the finned tubes of the heat exchanger. Because of the intended slow flow, the outlet temperature from the riser pipe is increased, but the transmission capacity of the heat exchanger as such is not significantly increased.
  • the invention is therefore based on the object of equipping small heat exchangers with a very high transmission capacity.
  • This object is achieved in that the natural thermal convection around the heat exchanger, which arises from rising or sinking shafts extending from the upper to the lower tank area, is strengthened by the measures described below and impairments are avoided: low height of the heat exchanger due to the spiral design, because as a result both the natural friction of the container medium and disturbing turbulence can be reduced.
  • Partial or complete filling of the passage cross-sectional areas within the sink shaft funnel that cannot be directly influenced by the heat exchanger.
  • Conical design of the head part and / or the comparatively flat passage barrier Passage cross section of the heat exchanger and he inner cross section of the sink or riser approximately the same size.
  • the advantage of the sink shaft principle according to the invention for the heat exchanger with the largest possible, preferably horizontal surface as the inflow region is based on an alpha value of the outer surface which is considerably improved by the significantly higher convection speed.
  • the performance of the heat exchanger is greatly increased despite shorter flow paths without expenditure of energy or a larger construction volume, and there is also the possibility of using cheaper, low finned tubes.
  • the invention therefore makes it possible to equip small, light and inexpensive heat exchangers with a high level of performance without any energy and high expenditure on equipment.
  • the heat exchanger (1) is located in the funnel-shaped head part (2) of the sink shaft (3).
  • the free cross section of the spirally wound heat exchanger is closed by a lock (4) so that all the water circulated by the convection brushes the finned tubes.
  • the flat design of the closure cover and its arrangement at the end of the heat exchanger facing the sink shaft are advantageous somewhat conical design of the side wall of the head part (2), because this means that a larger part of the heat exchanger can be acted upon with storage medium that is still thermally uninfluenced, so that in a larger area of the heat exchanger the max. possible temperature difference between the heat exchanger and storage medium can be used.
  • the arrangement shown serves to cool the storage medium, the arrangement is reversed for heating.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum direkten Aufheizen oder Abkühlen eines Speichermediums, vorzugsweise in Brauchwasseroder Heizungs-Pufferspeichern.
  • Üblicherweise werden wegen der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Speichermediums auf der Außenseite des Wärmetauscherrohres Rippenrohre eingesetzt, durch deren große Außenoberfläche der niedrige Alpha-Wert der Außenseite wenigstens teilweise kompensiert wird. Jedoch steigt die erzielbare Leistungssteigerung nicht linear mit der Vergößerung der Oberfläche, weil insbesondere bei den angestrebten geringen Temperaturdifferenzen nur eine sehr geringe Konvektion vorhanden ist und andererseits ein von der Rippenhöhe abhängiger sog. Rippenwirkungsgrad wirksam wird.
  • Die Leistungsfähigkeit kann somit durch zwangsweises Umströmen des Rippenrohres über eine Pumpenanordnung weiter verbessert werden (siehe Druckschrift 50.040.977 der Firma Sulo). Diese Ausführung bedingt jedoch einen vergleichsweise hohen Energieaufwand für die dafür eingesetzten Umwälzpumpen.
  • Weiter ist bekannt, Wärmetauscher mit Rohren zu umgeben, um eine gleichmäßige Erwärmung des Behälterinhaltes zu vermeiden und eine, insbesondere für den Brauchwasserbereich sehr vorteilhafte, Wärmeschichtung zu erzeugen FR-A-2 305 695, DE-U-78 00 493).
  • Jedoch sind diese Rohre in Anordnung und Ausführung nicht geeignet, die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers zu steigern; dies ist auch nicht beabsichtigt.
  • Die Patentschrift GB-A-2 037 958 beschreibt eine Lösung zur Trennung von heißem und kaltem Wasserinhalt.
  • Im Gegensatz zu den vorher zitierten Lösungen wird in diesem Fall der Ladewärmetauscher nicht im Steigrohr plaziert, sondern lediglich der völlig frei strömenden Konvektion ausgesetzt. Die Strömungs- und damit auch Wärmeübergangsverhältnisse am Wärmetauscher unterliegen hierbei keiner gezielten Steigerung. Somit erzielt auch diese Lösung zwar eine Verbesserung der Temperaturschichtung im Speicher, bewirkt jedoch keine Leistungssteigerung des Wärmetauschers.
  • Erstmals wird in der DE-A-2 903 250 in Verbindung mit einem Steigrohr nicht nur die Verbesserung der Temperaturschichtung, sondern auch eine Steigerung der Wirksamkeit des Wärmetauschers beschrieben, in dem die Rippenrohrwendel innen mit einem Verdrängungszylinder ausgestattet und außen von der Wand des Steigrohres dicht umgeben ist. Die Konvektion erzeugt somit eine Zwangsströmung um die Rippenrohre des Wärmetauschers. Wegen der vorgesehenen langsamen Strömung wird die Austrittstemperatur aus dem Steigrohr erhöht, die Übertragungsleistung des Wärmetauschers als solche wird jedoch nicht gravierend erhöht.
  • Bei drucklosen Pufferspeichern muß die gesamte Heizleistung über Wärmetauscher im Speicher übertragen werden. Derartig hohe Leistungen lassen sich mit dem oben angeführten technischen Stand nicht oder nur durch sehr große Wärmetauscherdimensionen realisieren. Der Baugröße sind aber nicht nur wirtschaftliche Grenzen, sondern auch Einschränkungen hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Einbauraumes und der lichten Weite der Einbauöffnungen gesetzt.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, kleine Wärmetauscher mit einer sehr hohen Übertragungsleistung auszustatten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die natürliche thermische Konvektion um den Wärmetauscher, die durch vom oberen zum unteren Behälterbereich reichende Steig- oder Sinkschächte entsteht, durch nachstehend beschriebene Maßnahmen verstärkt und Beeinträchtigungen vermieden werden: Geringe Höhe des Wärmetauschers durch spiralförmige Ausbildung, weil dadurch sowohl die Eigenreibung des Behältermediums als auch störende Turbulenzen verringert werden. Teilweises oder ganzes Ausfüllen der nicht unmittelbar vom Wärmetauscher beeinflußbaren Durchlaß-Querschnittsflächen innerhalb des Sinkschachttrichters. Konische Ausbildung des Kopfteiles und/oder die vergleichsweise flach ausgebildete Durchlaßsperre. Durchlaßquerschnitt des Wärmetauschers und er Innerquerschnitt des Sink- oder Steigschachtes annähernd gleich groß.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sinkschachtprinzips zum Wärmetauscher mit einer möglichst großen, vorzugsweise waagerechten Fläche als Zuflußbereich beruht auf einem durch die wesentlich höhere Konvektionsgeschwindigkeit erheblich verbesserten Alpha-Wert der Außenoberfläche. Damit wird die Leistung des Wärmetauschers trotz kürzerer Durchflußwege ohne Energieaufwand oder größeres Bauvolumen stark erhöht, ferner besteht die Möglichkeit zur Verwendung preisgünstigerer niedrig berippter Rohre. Die Erfindung ermöglicht es daher, kleine, leichte und preisgünstige Wärmetauscher ohne energetischen und hohen apparativen Aufwand mit hoher Leistungsfähigkeit auszustatten.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
  • Der Wärmetauscher (1) befindet sich im trichterförmigen Kopfteil (2) des Sinkschachtes (3). Der freie Querschnitt des spiralförmig gewickelten Wärmetauschers wird durch eine Sperre (4) verschlossen, so daß das ganze durch die Konvektion umgewälzte Wasser die Rippenrohre bestreicht. Vorteilhaft ist hierbei die flache Ausbildung des Verschlußdeckels und seine Anordnung an dem, dem Sinkschacht zugewandten Ende des Wärmetauschers und die etwas konische Ausbildung der Seitenwand des Kopfteiles (2), weil dadurch ein größerer Teil des Wärmetauschers mit thermisch noch unbeeeinflußtem Speichermedium beaufschlagt werden kann, so daß in einem größeren Bereich des Wärmetauschers die max. mögliche Temperaturdifferenz zwischen Wärmetauscher und Speichermedium genutzt werden kann. Die gezeigte Anordnung dient zum Abkühlen des Speichermediums, zum Aufheizen kehrt sich die Anordnung um.

Claims (4)

1. Wärmetauscher bestehend aus gewickeltem Rohr, umgeben von einem Steig- oder Sinkschacht (2, 3), der in seinem nicht direkt den Wärmetauscher umschließenden Bereich (3) aus einem oder mehreren Schächten besteht, die einen kleineren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Wärmetauschers (1) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) zur Verstärkung der freien Konvektion spiralförmig gewickelt ist, der Steig-oder Sinkschacht (2, 3) in seinem nicht direkt den Wärmetauscher umschließenden Bereich (3) insgesamt einen annähernd gleichen Innenquerschnitt wie der Durchlaßquerschnitt des Wärmetauschers (1) für das Speichermedium besitzt und der Wärmetauscher (1) an dem Schachtende (2) angeordnet ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) im Verhältnis zu seinem Durchmesser eine geringere Höhe aufweist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle überflüssigen freien Durchlaßquerschnitte des Wärmetauschers durch Sperren (4) verschlossen sind, deren Bauhöhe deutlich geringer ist als die des Wärmetauschers (1).
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des Kopfteiles (2) konisch ausgebildet ist, so daß der zylindrische oder mit einer geringeren Konizität als das Kopfteil ausgebildete Wärmetauscher (1) nur partiell dicht umschlossen wird.
EP82108629A 1981-10-03 1982-09-18 Wärmetauscher mit Sink- oder Steigschacht Expired EP0076416B1 (de)

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DE19813139451 DE3139451A1 (de) 1981-10-03 1981-10-03 Waermetauscher mit sink- oder steigschacht
DE3139451 1981-10-03

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EP0076416A1 EP0076416A1 (de) 1983-04-13
EP0076416B1 true EP0076416B1 (de) 1986-11-05

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