EP0173173A2 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0173173A2
EP0173173A2 EP85110231A EP85110231A EP0173173A2 EP 0173173 A2 EP0173173 A2 EP 0173173A2 EP 85110231 A EP85110231 A EP 85110231A EP 85110231 A EP85110231 A EP 85110231A EP 0173173 A2 EP0173173 A2 EP 0173173A2
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EP
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container
heat transfer
transfer elements
heat
area
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Gaston Kriekels
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Konvektco Nederland BV
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Anstalt fuer Metallbau
Konvektco Nederland BV
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H4/00—Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
    • F24H4/02—Water heaters
    • F24H4/04—Storage heaters
    • 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
    • F24H1/208—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes with tubes filled with heat transfer fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
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    • F28D1/0213—Heat exchangers immersed in a large body of liquid for heating or cooling a liquid in a tank
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D1/0475—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits having a single U-bend
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for heating a liquid in a container with heat transfer elements through which the heating medium can flow and surrounded by the liquid.
  • heat exchangers are particularly suitable for heating domestic water.
  • the heat transfer elements are approximately in the form of coils, which are arranged in a thermally insulated container containing the process water, for which purpose e.g. reference is made to the embodiment shown in DE-OS 30 05 858.
  • the heating-up time is still over determines the tank contents, which may be large, even if the short-term need for process water, for example, is only relatively small.
  • heating medium enters the heat transfer elements in an upper region of the container and is guided therein to an underlying region of the container, such that the liquid in the upper container region can first be heated.
  • the heat transfer elements in the upper container area form larger heat transfer areas in terms of volume than in an underlying container area, which means that in the initial phase a much greater heat output takes place in the upper area than below and thus the heating-up time is shortened.
  • the heat transfer elements and inlet and outlet lines for the heating medium are designed as a unit and are interchangeably fastened as such to a container opening, the heat transmission elements being formed by a helical pipeline and the outlet line as returning to the container opening within the coil, heat-insulated line is formed.
  • the advantage achieved by the invention is that the heating of the container liquid can take place in sections, the respective measure and the Time of heating can be determined by appropriate design of the heat transfer elements.
  • a double-walled container 1 is shown, which is installed upright and in which the inlet 3 and the outlet 4 of a circuit for a heating medium leading through the container are arranged in an opening 2 located at the top.
  • This cycle continues. from heat transfer elements 5, through which the heating medium flows, and from a lead-out line 6, which acts against the surrounding one.
  • Liquid is thermally insulated.
  • the heat transfer elements 5 are designed as coiled tubing with a changing slope. In an upper area 10, it has a slight slope, ie a large number of turns. This makes the effective area for heat transfer in this area relatively large. At the same time, the heating medium first enters this area and is therefore at its highest temperature.
  • the liquid in the upper region 10 is therefore first and effectively heated up relatively quickly.
  • the natural heat stratification of the liquid ensures that this heated area is retained and is ready for consumption; in a second area 11 lying underneath, the helical pipeline has fewer turns and has a greater slope.
  • lowest area 12 there is again a larger number of turns or a small pitch of the coiled tubing, so that the remaining heat is optimally released in the coldest area, which improves the effectiveness of the heat transfer is coming.
  • the pipe coil 5 merges into the removal line 6.
  • the cooled heating medium is passed out of the container 1 in an isolated manner through the warmer liquid layers.
  • the exit line is constructed from two coaxial tubes 13, 14, of which the inner tube serves as a transport tube.
  • the space between the pipes is an insulation compound, such as polyurethane.
  • the inner pipe is connected to the outer pipe, which increases the effectiveness of the insulation and protects it.
  • the removal point 15 for the service liquid is located in the upper container area in the rapidly heated liquid layer, while the inlet 16 for the still cold liquid is in the lower container area.
  • the geometric shape of the heat transfer elements 5 need not be helical, as in the exemplary embodiment described.
  • the shape is only predetermined by the fact that a sufficiently large transmission area is available in each of the container areas so that an optimal heat exchange can take place.
  • the heat transfer elements with the removal line possibly provided with a corresponding protective cover, can be designed from simple, straight tube elements, both the manufacture and the assembly are simple. This is particularly the case if these elements are formed in one piece as a unit, so that no connections occur in the container.
  • the unit mentioned is attached to a lid 17 and can be attached to the container 1 with this.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the invention, which is designed to heat water with the aid of a heat pump system 20.
  • the compressor 21 of the heat pump system is cooled by the heating medium when it has flowed through the heat transfer elements and is at a relatively low temperature located.
  • the heating medium which is slightly warmed by the compressor waste heat, is then conducted in a second circuit 22 to further, also helical heat transfer elements 23 which are arranged in the lower part of the container. Since the liquid in the lower part of the container has the lowest temperature, heat transfer can still take place in this phase even when the heating medium is at a relatively low temperature.
  • the supply and removal of the heating medium to the further heat transfer elements preferably takes place in an axially arranged unit 25, which also includes the discharge line of the first heat transfer elements 5. Since the cables have different temperatures, they must be thermally insulated against each other and against the environment.
  • the heat transfer elements described are in both versions vertically from above into the container 1, e.g. a boiler installed. Depending on the capacity of the boiler, more than one such arrangement can be installed.
  • the described invention allows, in particular, the rapid preparation of sufficiently heated liquid, in particular water, for use by utilizing the natural heat stratification.
  • the selected design allows easy maintenance, since the heat transfer elements can be installed and removed as a unit.

Abstract

Um die rasche Erwärmung von Brauchflüssigkeit unabhängig von einem großen Behälterinhalt zu gestatten, sind von einem Heizmedium durchströmte Wärmeübertragungsorgane (5) vorgesehen, in welche das Heizmedium in einem oberen Bereich (10) des Behälters (1) eintritt, um dort zuerst die größte Wärmemenge abzugeben. Danach wird das Heizmedium zu den darunterliegenden Bereichen (11, 12) geführt, in welchen zunächst eine weniger starke Erwärmung auftritt. Das Wärmekissen im oberen Behälterbereich (10) bleibt durch die natürliche Schichtung erhalten und steht zum raschen Verbrauch bereit. Hat das Heizmedium die Wärmeübertragungsorgane (5) durchströmt, so wird es in einer wärmeisolierten Rückführleitung (6) durch den erwärmten Bereich wieder nach außen geführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Aufheizen einer Flüssigkeit in einem Behälter mit von einem Heizmedium durchströmbaren, von der Flüssigkeit umgebenen Wärmeübertragungsorganen. Solche Wärmetauscher sind insbesondere zum Aufheizen von Brauchwasser geeignet. Die Wärmeübertragungsorgane sind dabei etwa in Form von Rohrschlangen ausgebildet, die in einem wärmeisolierten, das Brauchwasser enthaltenden Behälter angeordnet sind, wofür z.B. auf die in der DE-OS 30 05 858 dargestellten Ausführung verwiesen wird. Als Heizmedium dient entweder der Wärmeträger einer Zentralheizungsanlage, wie Dampf oder Wasser, oder aber das Arbeitsmittel einer Wärmepumpenanlage, wie etwa Freon.
  • Der Nachteil bekannter Wärmetauscher dieser Art liegt darin, dass die Zeit bis zur Aufheizung des Behälterinhaltes auf die gewünschte Temperatur relativ lang ist, womit sich der Verbraucher bis dahin mit geringeren Temperaturen begnügen muss. Um diesen Nachteil zu beheben, richteten sich die Bestrebungen zunächst dahin, eine möglichst wirksame, d.h. rasche Erwärmung des Behälterinhaltes zu erzielen, was etwa bei der erwähnten Lösung durch eine induzierte Flüssigkeitszirkulation im Behälter erzielt wurde.
  • Die Aufheizzeit ist damit aber immer noch durch den unter Umständen grossen Behälterinhalt bestimmt, auch wenn der kurzfristige Bedarf z.B. an Brauchwasser nur relativ gering ist.
  • Es stellt sich damit die Aufgabe, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Aufheizzeit mindestens für den kurzfristigen Bedarf an Brauchflüssigkeit weiter reduziert werden kann, und zwar im wesentlichen unabhängig vom Behälterinhalt.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Heizmedium in einem oberen Bereich des Behälters in die Wärmeübertragungsorgane eintritt und darin zu einem darunterliegenden Bereich des Behälters geführt wird, derart dass zunächst die Flüssigkeit im oberen Behälterbereich aufheizbar ist.
  • Unter Ausnutzung der bleibenden natürlichen Wärmeschichtung der Flüssigkeit, insbesondere des Wassers, entsteht damit im oberen Behälterbereich rasch ein Kissen erwärmter Flüssigkeit, das zum Verbrauch bereit steht.
  • Dabei ist es vorteilhaft, dass die Wärmeübertragungsorgane im oberen Behälterbereich auf das Volumen bezogen grössere Wärmeübertragungsflächen bilden, als in einem darunterliegenden Behälterbereich, womit in der Anfangsphase im oberen Bereich eine deutlich grössere Wärmeabgabe stattfindet als darunter und damit dort die Aufheizzeit verkürzt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wärmeübertragungsorgane sowie Ein- bzw. Wegführleitungen für das Heizmedium als Einheit ausgebildet und als solche an einer Behälteröffnung austauschbar befestigt, wobei die Wärmeübertragungsorgane durch eine wendelförmige Rohrleitung gebildet sind und die Wegführleitung als innerhalb der Wendel zur Behälteröffnung zurückführende, wärmeisolierte Leitung ausgebildet ist.
  • Der mit der Erfindung erreichte Vorteil liegt darin, dass die Erwärmung der Behälterflüssigkeit in Abschnitten erfolgen kann, wobei das jeweilige Mass und die Zeit der Erwärmung durch entsprechende Ausgestaltung der Wärmeübertragungsorgane bestimmbar ist.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
    • Fig. 1 eine erste Ausführung eines Wärmeaustauschers im Schnitt, und
    • Fig. 2 eine entsprechende Darstellung eines zweiten Wärmetauschers mit schematisch gezeigter Wärmepumpe.
  • In Fig. 1 ist ein doppelwandiger Behälter 1 gezeigt, der stehend eingebaut ist und in welchem in einer oben gelegenen Oeffnung 2 der Einlass 3 und der Auslass 4 eines durch den Behälter führenden Kreislaufs für ein Heizmedium angeordnet ist. Dieser Kreislauf setzt sich. aus Wärmeübertragungsorganen 5, die vom Heizmedium durchflossen sind, sowie aus einer Wegführleitung 6 zusammen, welche gegen die sie umgebende. Flüssigkeit wärmeisoliert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wärmeübertragungsorgane 5 als Rohrwendel mit sich ändernder Steigung ausgebildet. In einem oberen Bereich 10 weist sie eine geringe Steigung, d.h. eine grosse Windungszahl auf. Damit wird die wirksame Fläche für den Wärmeübergang in diesem Bereich relativ gross. Zugleich tritt das Heizmedium zunächst in diesen Bereich ein und hat damit dort seine höchste Temperatur. Die Flüssigkeit im oberen Bereich 10 wird deshalb zuerst und relativ rasch wirksam aufgeheizt. Die natürliche Wärmeschichtung der Flüssigkeit gewährleistet, dass dieser erwärmte Bereich erhalten bleibt und zum Verbrauch bereit steht, in einem zweiten, darunterliegenden Bereich 11 weist die wendelförmige Rohrleitung weniger Windungen auf und hat eine grössere Steigung. In einem weiteren, untersten Bereich 12 schliesslich ist wieder eine grössere Anzahl Windungen bzw. eine geringe Steigung der Rohrwendel vorgesehen, so dass die übrig gebliebene Wärme im kältesten Bereich optimal abgegeben wird, was der Wirksamkeit des Wärmeüberganges zu Gute kommt. An ihrem unteren Ende geht die Rohrwendel 5 in die Wegführleitung 6 über. Darin wird das abgekühlte Heizmedium isoliert durch die wärmeren Flüssigkeitsschichten hindurch aus dem Behälter 1 geleitet. Dazu ist die Wegführleitung aus zwei Koaxialrohren 13,14 aufgebaut, wovon das Innenrohr als Transportrohr dient. Der Zwischenraum zwischen den Rohren ist eine Isolationsmasse, z.B. Polyurethan. An der Stelle, wo das Innenrohr in die Wegführleitung 6 eintritt, ist das Innen- mit dem Aussenrohr verbunden, was die Wirksamkeit der Isolation erhöht und diese schützt. Die Entnahmestelle 15 für die Brauchflüssigkeit befindet sich im oberen Behälterbereich bei der rasch erwärmten Flüssigkeitsschicht, während der Zulauf 16 für die noch kalte Flüssigkeit im unteren Behälterbereich liegt.
  • Die geometrische Form der Wärmeübertragungsorgane 5 braucht nicht, wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel, wendelartig zu sein. Die Form ist lediglich dadurch vorgegeben, dass in jedem der Behälterbereiche eine ausreichend grosse Uebertragungsfläche zur Verfügung steht, so dass ein optimaler Wärmeaustausch stattfinden kann. Da die Wärmeübertragungsorgane mit der Wegführleitung, eventuell mit einer entsprechenden Schutzabdeckung versehen, aus einfachen, geraden Rohrelementen gestaltet werden können, ist sowohl die Herstellung als auch die Montage einfach. Dies ist insbesondere der Fall, wenn diese Elemente als Einheit einstückig ausgebildet sind, so dass im Behälter keine Verbindungen auftreten. Die genannte Einheit ist an einem Deckel 17 angebracht und kann mit diesem am Behälter 1 befestigt werden.
  • In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das zur Aufheizung von Wasser mit Hilfe einer Wärmepumpenanlage 20 ausgebildet ist. Der Kompressor 21 der Wärmepumpenanlage wird dabei durch das Heizmedium gekühlt, wenn es die Wärmeübertragungsorgane durchströmt hat und sich auf relativ niedriger Temperatur befindet. Das von der Kompressorabwärme leicht erwärmte Heizmedium wird dann in einem zweiten Kreislauf 22 zu weiteren, ebenfalls wendelförmigen Wärmeübertragungsorganen 23 geführt, die im unteren Teil des Behälters angeordnet sind. Da die Flüssigkeit im unteren Teil des Behälters die geringste Temperatur hat, kann auch bei relativ niedriger Temperatur des Heizmediums in dieser Phase noch ein Wärmeübergang stattfinden. Die Zu- und Wegfuhr des Heizmediums zu den weiteren Wärmeübertragungsorganen geschieht vorzugsweise in einer axial angeordneten Einheit 25, welche auch die Wegführleitung der ersten Wärmeübertragungsorgane 5 umfasst. Da die Leitungen unterschiedliche Temperatur haben, müssen sie gegeneinander und gegen die Umgebung wärmeisoliert sein.
  • Eine derartige Ausführung unter Verwendung einer Wärmepumpe mit dem Kühlmittel Freon führt ebenfalls zu einem Kissen von zuerst und am stärksten erwärmter Flüssigkeit im oberen Bereich 10 des Behälters, wo der Wärmetausch anfängt und wo sich der erste Teil der Wärmeübertragungsorgane mit geringer Steigung und einer relativ grossen Anzahl Windungen befindet. Damit kann die Ueberhitzungsphase des Freonkreislaufes optimal genutzt werden, so dass sich im Bereich 10 höhere Temperaturen erzielen lassen, als in traditionellen Ausführungen.
  • Die beschriebenen Wärmeübertragungsorgane sind bei beiden Ausführungen vertikal von oben in den Behälter 1, z.B. einen Boiler, eingebaut. Je nach Fassungsvermögen des Boilers kann mehr als eine solche Anordnung eingebaut sein.
  • Die beschriebene Erfindung gestattet neben einer guten Wärmeübertragung insbesondere die rasche Aufbereitung von ausreichend erhitzter Flüssigkeit, insbesondere von Wasser, zum Gebrauch, indem die natürliche Wärmeschichtung ausgenutzt wird. Die gewählte Konstruktion erlaubt eine einfache Wartung, da die Wärmeübertragungsorgane als Einheit ein- und ausbaubar sind.

Claims (10)

1. Wärmetauscher zum Aufheizen einer Flüssigkeit in einem Behälter (1) mit von einem Heizmedium durchströmbaren, von der Flüssigkeit umgebenen Wärmeübertragungsorganen (5;23), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium in einem oberen Bereich (10) des Behälters in die Wärmeübertragungsorgane (5) eintritt und darin zu einem darunterliegenden Bereich des Behälters geführt wird, derart, dass zunächst die Flüssigkeit im oberen Behälterbereich (10) aufheizbar ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsorgane (5) im oberen Behälterbereich (10) auf das Volumen bezogen grössere Wärmeübertragungsflächen bilden, als in einem darunterliegenden Behälterbereich.
3. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmeübertragungsorgane (5;23) sowie Zu- bzw. Wegführleitungen (6;25) für das Heizmedium als Einheit ausgebildet und als solche an einer Behälteröffnung (2) austauschbar befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsorgane (5;23) durch eine wendelförmige Rohrleitung gebildet sind und die Wegführleitung als innerhalb der Wendel zur Behälteröffnung zurückführende, wärmeisolierte Leitung (14) ausgebildet ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälteröffnung (2) an der Oberseite des Behälters (1) angeordnet ist, wobei die wendelförmige Rohrleitung in diesem Bereich beginnt, sich gegen den Behälterboden erstreckt und an ihrem unteren Ende in die isolierte Wegführleitung (14) übergeht.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Rohrleitungswendel im oberen Behälterbereich (10) kleiner ist als in einem darunterliegenden Bereich.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein im unteren Behälterbereich (12) gelegener Teil der Wärmeübertragungsorgane eine Steigung der Rohrleitungswendel aufweist, die kleiner ist als im darüberliegenden Bereich (11).
7. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizmedium in einer Wärmepumpenanlage (20) mit Kompressorkühlung (21) aufheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium nach dem Durchlauf der Wärmeübertragungsorgane (5) der Kompressorkühlung (21) zuführbar ist und dass an die Kompressorkühlung angeschlossene weitere Wärmeübertragungsorgane (23) im unteren Behälterbereich vorgesehen sind.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Wegleitung des Heizmediums zu den weiteren Wärmeübertragungsorganen in wärmeisolierten Rohrleitungen (25) durch den oberen Behälterbereich hindurch erfolgt.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zu- bzw. Wegleitungen des Heizmediums zu bzw. von den Wärmeübertragungsorganen innerhalb des Behälters zu einer Einheit zusammengefasst sind.
10. Verwendung des Wärmetauschers nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Boiler zur Erwärmung von Brauchwasser.
EP85110231A 1984-08-29 1985-08-15 Wärmetauscher Withdrawn EP0173173A3 (de)

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CH420684 1984-08-29

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