EP2815196A2 - Wärmetauscher für eine heizungsanlage oder ein wärmeversorgungssystem - Google Patents

Wärmetauscher für eine heizungsanlage oder ein wärmeversorgungssystem

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EP2815196A2
EP2815196A2 EP13709038.7A EP13709038A EP2815196A2 EP 2815196 A2 EP2815196 A2 EP 2815196A2 EP 13709038 A EP13709038 A EP 13709038A EP 2815196 A2 EP2815196 A2 EP 2815196A2
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EP
European Patent Office
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medium
heat exchanger
heat
coil
container
Prior art date
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Application number
EP13709038.7A
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EP2815196B1 (de
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Lubor Chytil
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AZ - Pokorny Trade Sro
Original Assignee
AZ - Pokorny Trade Sro
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Publication date
Application filed by AZ - Pokorny Trade Sro filed Critical AZ - Pokorny Trade Sro
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Publication of EP2815196A2 publication Critical patent/EP2815196A2/de
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Publication of EP2815196B1 publication Critical patent/EP2815196B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0083—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/08—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for a heating system or a heat supply system.
  • the various heat sources may be, for example, conventional boilers, thermal solar collectors, geothermal probes, or the like. Heat sinks are commonly used for this task, and heat transfer between the media is achieved by means of separate conduit circuits.
  • the general task for this application is that of incoming heat quantities in the shortest possible time a heated heating medium is generated, which meets the requirements in terms of media temperature and quantity.
  • the above-described objects has to provide a heat exchanger as a central element.
  • a tubular heat exchanger could be considered.
  • Known heat exchangers of this type such as those described in DE 36 41 139 C2, however, are not suitable because of their inertia.
  • the volume ratio can be such that no unnecessary storage volume occurs in such a heat exchanger and, moreover, the separator area is increased by using corrugated pipes, but this type of air-water heat exchanger is not suitable for use as a heat sink in heat supply systems, as it is not designed for operation with two liquid media.
  • the heat exchanger settles within a short period of time and loses considerably in terms of efficiency, throughput and
  • combi storages In some combi storages, a toms consisting of cold water is formed, which permanently disturbs the temperature conditions within the combi cylinder when it sinks. This disadvantageous effect is attempted to be avoided by various manufacturers of such combi storage by the installation of transverse bulkheads and overflow into the combi storage.
  • transverse bulkhead In a known CTC Eco Zeith I 550 CTC AB, 341 26 Ljungby, Sweden, installed in such a combi storage a transverse bulkhead, which is provided in each case with a multi-hole overflow channel both in the upper and in the lower area.
  • Heat exchanger is a tube heat exchanger having at least one tube coil disposed in a container and outwardly directed connections for the tube coil and the container interior.
  • Coil - is a helical and / or spiral wound pipe whose pitch may be uniform or different in different areas.
  • Pipe is a metallic tube with a profiled wall, preferably a corrugated tube with a parallel or a helical corrugation.
  • Separator- is a solid and liquid impermeable partition between different media. It is formed by the pipe wall.
  • Medium- is a fluid that can contain and transport heat.
  • First medium - is a fluid that can be heated by any heat sources and transfers these heat quantities in a heat exchanger to a second medium.
  • Second Medium- is a fluid that takes in a heat exchanger from the first medium quantities of heat and transports them to existing consumers in the system or storage units.
  • the object is achieved with a heat exchanger in the design of a tubular heat exchanger. This is designed so that its container volume is filled with the first medium and a second medium flows through a likewise arranged in the container tube coil.
  • the heat exchanger achieves a conversion efficiency of at least 90 percent, based on the quantities of heat supplied with the first medium and the quantities of heat removed with the second medium, under the temperature conditions existing in heat supply systems.
  • the heat exchanger has at least the following parameters:
  • the aim is a ratio of the volumes of the container and the volume of the coil, which is at a value of 5 or less.
  • the container of the heat exchanger is very thermally insulated.
  • the coil is made of a metallic material.
  • the wall thickness of the tube of the coil is very low.
  • the coil is movable to a limited extent in the container.
  • the container shape is chosen so that a small surface of the container is present.
  • a tube coil which consists of a thin-walled corrugated tube.
  • Such type corrugated pipes have wall thicknesses in the range of a few tenths of a millimeter. The pipe wall thus forms an extremely thin separator, through which an intensive heat transfer can be achieved.
  • stainless steel corrugated pipes are used for the coil.
  • the reduced heat transfer in stainless steels is compensated by the small wall thickness.
  • the helically wound coil of a corrugated tube causes the transition to a turbulent flow even at a comparatively low flow velocity, whereby the exchange process is intensified to a considerable extent.
  • the coil can move in the container to a limited extent, for example as a result of thermal expansion. As a result, and due to the predominantly turbulent flows, no deposits can form in the area of the separator.
  • the container of the heat exchanger preferably has a cylindrical shape. Its length can be up to 6 times the diameter.
  • the comparatively small container volume causes the first medium to be constantly fed again and therefore also has a high flow velocity in the container.
  • a largely turbulent flow also occurs on this side of the separator and the exchange process is additionally intensified.
  • the measures described above prevent a layering of the first medium after the temperature inside the container. This largely prevents tori in the first and temperature fluctuations in the second medium.
  • the heat exchanger according to the invention can thus with a comparatively small volume of about 60 I, an inlet temperature of the first medium of about 90 ° C, a flow rate of the first and second medium of about 3000 l / h and a temperature gradient of about 40 ° C reach a specific power of 750 W per 100 cm 2 separator area.
  • the performance parameters of the heat exchangers according to the invention reach those of plate heat exchangers.
  • the heat exchanger according to the invention in such a way that the tube coil is fanned in the container interior to form a multiple arrangement.
  • the volume ratios between the first and second medium in the heat exchanger in favor of the second medium can be influenced.
  • the plurality of pipe coils can either be guided with their individual ports to the outside and connected outside the container or branched within the container.
  • one of the tube coils can also be connected to a further heat source.
  • one of the coils may be connected to a circuit of a heat supply system which requires a different temperature level.
  • a preferred embodiment is that at least one second tube coil serves to connect a third medium from a heat source or from a heat consumer to the heat exchanger, if the third medium may not be mixed with the first or the second medium due to special properties.
  • a heat supply system in which the heat exchanger according to the invention may be provided with a coil for the service water supply, so that the provision of hot water can be made possible in this way.
  • a heat supply system in which the heat exchanger according to the invention may be provided with an electrically operated heating cartridge, which can take over either a supply of heat or only the assurance of frost protection.
  • the surface serving for heat exchange increases, hence the so-called separator surface. Furthermore, the second medium to be heated in the coil undergoes a turbulent flow through the profiled wall, which intensifies the heat exchange.
  • the heat exchanger is designed so that it has the lowest possible inertia in the heat transfer based on the heat demand in the heating circuit.
  • the heat exchanger is designed to have a conversion efficiency of at least 90 percent.
  • FIG. 1- A schematic representation of the heat exchanger according to the invention.
  • Fig. 2- An embodiment of the heat exchanger according to the invention, in which all the coils are connected in parallel.
  • FIG. 3- An embodiment of the heat exchanger according to the invention, in which all the coils are connected in parallel within the heat exchanger.
  • the heat exchanger 1 consists at least of a container 2, an insulation 3 surrounding the container 2 and a tube coil 4. Contrary to the embodiment known from the prior art heat exchanger for heating systems or heat supply systems provided by heat generators heated first medium in the interior 7 of the container 2 is present and a heat consumer supplying second medium, which is heated by exchange processes, flows through the coil 4.
  • the coil 4 is connected with its guided outward terminals 5 and 6 with a line circuit in which there are heat consumers.
  • the first medium In the interior 7 of the container 2 is the first medium, wherein the container 2 is connected via the terminals 8 and 9 with the first line circuit, are arranged in the heat generator.
  • Heat generators can be thermal solar collectors, heat pumps, boilers, geothermal probes or facilities that recover process heat.
  • a second tube coil 10 and a third coil 11 may be arranged, which may also be connected with their terminals 12 and 13 and 14 and 15 with heat consumers.
  • the coils 4, 10 and 11 may be connected to one and the same circuit. You can also feed different circuits with a heated medium.
  • Such an arrangement has the following advantages when a heat exchanger 1 having a volume of 60 l is used:
  • the ratio between the first medium in the interior 7 of the container 2 and the second medium in the coil 4 moves between 1: 2 to 1 : 4th
  • the transfer performance of the separator / separator wall is 125 W / 100 cm 2 .
  • the heat exchanger 1 has a capacity of 470 l / h, an inlet temperature of 50 ° C and an outlet temperature of 10 ° C, a power of about 23 kW.
  • the specific power of the separator may then be 150 W / 100 cm 2 .
  • the heat exchanger 1 achieved after heating properties that correspond to those of a plate heat exchanger. Only during the heating cycle is the inertia resulting from the volume flows at the inlet and outlet of the heat exchanger 1 present.
  • a volume of about 500 l of heated second medium at a temperature of 50 ° C can be removed under the same conditions for an arbitrarily long time.
  • the heat exchanger 1 has a calculated peak power of 120 kW, based on a flow rate of 3000 l / h.
  • the heat exchanger 1 has a specific power of 750 W / 100 cm 2 at an increased flow of 3000 l / h, with an inlet temperature of 90 ° C, a starting temperature of 50 ° C at the separator / separator wall.
  • the transmitted power is directly proportional to the area of the separator, thus to the area of the corrugated pipe used and ultimately also to the number of corrugated pipe coils.
  • the transmitted power is directly proportional to the volume flow on the primary and the secondary side and to the temperature gradient At.
  • the coil 4 is made of a stainless steel corrugated pipe.
  • the stainless steel corrugated tube is profiled in parallel or helical.
  • the wall thickness of the stainless steel corrugated pipe is between 0.1 mm and 0.5 mm.
  • the coil 4 is suspended in the interior space 7 of the container 2 movable. It may expand due to temperature changes and / or change shape slightly.
  • the flow in the coil is turbulent even at low flow velocities through the use of corrugated tubes, thus ensuring an intensive exchange process.
  • the volume ratios and the geometric design of the coil 4 are chosen so that in the interior 7 of the container 2, a turbulent flow prevails and thus the exchange process takes place on both sides of the separator equally intense.
  • the effectively conducted exchange process also causes a target temperature of 50 ° C in the second medium to be reached in one-tenth of the time required by a combi store known in the art.
  • the extremely low inertia of the heat exchanger 1 is achieved in addition to the measures already mentioned above, characterized in that the separator surface realized with the coil 4 has a value between 150 cm 2 - 700 cm 2 per liter of container volume.
  • the coils 4, 10 and 11 may be designed as helical coils, as helical coils or as a combination of both forms. Special embodiments of the heat exchanger 1 according to the invention can result from the fact that the coils 4, 10 and 11 are connected to a connection 16 outside the insulation 3. It is also possible to carry out the connection 16 only between two of the existing coils 4, 10 and 11, while the remaining coil is assigned to a separate line circuit. This is, for example, the preferred variant if, in addition to the heating or heat supply system, a process water treatment must take place.
  • the interconnection of the coils 4, 10 and 11 may also be performed in the interior 7 of the container 2 with a connection 17.
  • the interconnection is carried out in the area enclosed by the insulation 3 and there are only the terminals of the coil 4 out through the insulation to the outside. This creates an effective heat exchanger with a large separator surface.
  • such a heat exchanger forms the possibility of designing various embodiments in the manner of a modular system and thus of adapting it to specific conditions of use.
  • the arrangement described above can be carried out by known means as a standing or as a hanging arrangement or as a combination of both possibilities
  • the insulation 3 of the heat exchanger 1 can be designed according to the criteria of optimal energy utilization. It may further include conduits, valves and circulation pumps. Likewise, it can be designed removable.
  • the invention thus has the advantage that it proposes heat exchangers for heating or heat supply systems that work efficiently, whose dimensions are small, which provide heated with low inertia media and can otherwise be produced inexpensively and with low material and manufacturing costs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem in der Form eines Röhrenwärmetauschers mit einem geschlossenen Behälter, bei dem der Innenraum mit einem ersten Medium, das Wärmemengen zuführt, befüllt ist und ein zweites Medium, das Wärmemengen abführt, sich in der Rohrschlange desselben befindet. Die Erfindung betrifft ferner die Ausgestaltung solcher Wärmetauscher mit geringer Baugröße und hohem Wirkungsgrad sowie hoher spezifischer Leistung.

Description

Wärmetauscher für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem.
In Heizungsanlagen oder Wärmeversorgungssystemen besteht oft die Notwendigkeit, aus den mit unterschiedlichen Parametern hinsichtlich Menge und Medien- temperatur ankommenden Medien ein an die Bedingungen angeschlossener Verbraucher angepasstes Medium bereitzustellen. Die verschiedenen Wärmequellen können zum Beispiel konventionelle Heizkessel, thermische Solarkollektoren, Erdwärmesonden oder ähnliches sein. Für diese Aufgabe werden gewöhnlich Wärmesenken eingesetzt und mit Hilfe von getrennten Leitungskreisen eine Wärmeübertragung zwischen den Medien erreicht. Die allgemeine Aufgabenstellung für diesen Einsatzfall ist dabei, dass aus ankommenden Wärmemengen in möglichst kurzer Zeit ein aufgeheiztes Heizmedium erzeugt wird, das hinsichtlich Medientemperatur und Menge den Anforde- rungen entspricht.
Seit langem ist bekannt, dass auf der Seite der Energiegewinnung deutliche Unterschiede bei den Medienparametern bestehen. So liefern konventionelle Heizkessel Medien mit Temperaturen von 40°C und mehr. Solarthermische Kollektoren benötigen einen eigenen Medienkreislauf. Erdwärmesonden liefern Medien mit Temperaturen zwischen 30°C und mehr als 100°C. Auf der Verbraucherseite kann ein Heizungskreis Temperaturen zwischen 35°C und 80°C verlangen, während Brauchwasser mit Temperaturen von mehr als 55°C bereitgestellt werden muss. Es kommt hinzu, dass bestimmte Leitungskreise von anderen Leitungskreisen getrennt bleiben müssen. So enthält beispielsweise der Leitungskreis eines thermischen Solarkollektors ein frostsicheres Medium, während das im Leitungskreis eines Heizkessels nicht nötig ist. Verbraucherseitig bestehen gleichfalls Unter-
BESTÄTIGUNGSKOPIE schiede zwischen einem Leitungskreis für Heizungszwecke und einem Leitungskreis für Brauchwasser, der Trinkwasserqualität haben und deshalb mit Frischwasser gespeist werden muss. Da ein Zusammenführen der unterschiedlichen Medien mit den ebenso unterschiedlichen Wärmeinhalten nicht möglich und ebenso eine direkte Weiterleitung bestimmter Medien in angeschlossene Heizungssysteme ausgeschlossen ist, werden in Wärmeversorgungssystemen die primären Energiequellen in einer so genannten Wärmesenke zusammengefasst und in dieser ein Wärmeaustausch von den primären Medien in ein sekundäres Medium ausgeführt. Für den Ausgleich stark variierender Wärmemengen wird sekundärseitig ein größeres Flüssigkeitsvolumen vorgesehen.
Die oben beschriebenen Aufgaben hat ein Wärmetauscher als zentrales Element zu leisten.
Dafür könnte beispielsweise ein Röhrenwärmetauscher in Betracht kommen. Bekannte Wärmetauscher dieser Art, wie beispielsweise der in DE 36 41 139 C2 beschriebene, sind jedoch wegen ihrer Trägheit nicht geeignet.
Zwar lässt sich bei einer Bauart eines Rohrbündelwärmetauschers gemäß DE 35 19 315 A1 das Volumenverhältnis so gestalten, dass kein unnötiges Speichervolumen in einem solchen Wärmetauscher auftritt und im Übrigen die Separatorfläche durch Verwendung von Wellrohren vergrößert ist, jedoch ist diese Art eines Luft- Wasser- Wärmetauschers nicht für einen Einsatz als Wärmesenke in Wärmeversorgungssystemen geeignet, da sie nicht für einen Betrieb mit zwei flüssigen Medien ausgelegt ist.
Diese Aufgaben lassen sich mit einem hoch effektiven Plattenwärmetauscher lö- sen. Jedoch haben diese aufgrund ihrer Bauart in Wärmeversorgungssystemen erhebliche Nachteile. So besteht in Gebieten mit einem Trinkwasseraufkommen mit großer Härte die Notwendigkeit, die Betriebsmedien der Wärmeversorgungs- anlage mit chemisch- physikalischen Methoden aufzubreiten. Letztlich ist dies auch notwendig bei nur geringen Nachfüllmengen.
Erfolgt keine Aufbereitung des Mediums, setzt sich innerhalb kurzer Zeiträume der Wärmetauscher zu und verliert dabei erheblich an Wirkungsgrad, Durchsatz und
I
Dynamik.
Nicht zu vermeiden ist bei Plattenwärmetauschern die Verkalkung in dem der Brauchwasserversorgung dienenden Abschnitt, der ständig mit Frischwasser be- füllt wird. Eine chemische Reinigung zugesetzter Plattenwärmetauscher führt letztlich zur Materialschädigung und damit zu einer verkürzten Lebensdauer desselben. Aus den vorgenannten Gründen werden Platten Wärmetauscher in Wärmeversorgungsanlagen nur selten eingesetzt. Um die bei Plattenwärmetauschern geschilderten Probleme zu vermeiden, werden in Wärmeversorgungssystemen so genannte Kombispeicher mit einem großen Behälter und einer darin angeordneten Rohrschlange ausgeführt. Diese haben ein vergleichsweise großes Speichervolumen bei einer zugleich kleinen Separatorfläche des Wärmetauschers. Bedingt durch im Kombispeicher zwangsläufig entste- hende Wärmeschichtungen ergibt sich in diesen ein Temperaturgefälle von oben nach unten.
Wird in einem solchen Kombispeicher das Gleichgewicht durch Entnahme von Wärmemengen gestört, erfolgt dies naturgemäß über im Kombispeicher oben an- geordnete Entnahmemöglichkeiten, wodurch im oberen Bereich des Kombispeichers eine deutliche Abkühlung eintritt. Das abgekühlte Medium beginnt sich nach unten zu bewegen und vermischt sich mit kälteren Schichten, sodass letztlich eine Mischtemperatur erzeugt wird, die möglicherweise keine Entnahme von Wärmemengen mehr zulässt.
Bei einigen Kombispeichern bildet sich ein aus Kaltwasser bestehender Toms, der beim Absinken die Temperaturverhältnisse innerhalb des Kombispeichers nachhaltig stört. Dieser nachteilige Effekt wird bei verschiedenen Herstellern solcher Kombispeicher durch den Einbau von Querschotten und Überströmkanälen in den Kombispeicher zu vermeiden versucht. So ist bei einer bekannten Anlage CTC Eco Ze- nith I 550 der Firma CTC AB, 341 26 Ljungby, Schweden, in einem solchen Kombispeicher ein Querschott eingebaut, das jeweils mit einem mehrfach gelochten Überströmkanal sowohl im oberen als auch im unteren Bereich versehen ist.
Bei dem Spiro-Kombispeicher der Firma FEURON AG, 9430 St. Margrethen, Schweiz, wird wiederum mit einem über das gesamte Volumen des Kombispeichers verteilt geführten Spiralwärmetauscher versucht, eine Schichtung des Mediums entsprechend der naturgegebenen Temperaturschichten möglichst lange beizubehalten. In beiden oben beschriebenen Kombispeichern wird das zumeist mit der höchsten Temperatur zugeführte Medium eines solarthermischen Kollektors mit einem eigenen Wärmetauscher innerhalb des Kombispeichers zugeführt und derselbe in beiden Fällen am Behälterboden angeordnet. Beim Kombispeicher der CTC Eco Ze- nith I 550 Anlage erfolgt der Wärmetausch mit dem in der unteren Kammer vor- handenen kalten Medium, während beim Spiro-Kombispeicher der Firma FEURON AG zusätzlich ein enger spiralförmig gewundener Wärmetauscher in einem gesonderten Gehäuse eingeschlossen ist und mit einem Steigkanal bevorzugt das Ansteigen des erwärmten Mediums in den oberen Bereich des Kombispeichers erfolgen soll.
Beide Systeme haben den Nachteil, dass sie mit großen Volumina arbeiten und einen komplizierten inneren Aufbau haben. Die unweigerlich entstehende Temperaturschichtung und die technischen Vorkehrungen zum Unterbinden ungewollter Mischvorgänge machen zugleich die Kombispeicher in ihrem Verhalten träge. Der technische Aufwand und damit die Herstellungskosten sind hoch.
Für die Sicherstellung eines Wärmeaustausche mit geringer Trägheit ist es aber unerlässlich, einen hoch effektiven Wärmeaustausch sicherzustellen. Beim Spiro-Kombispeicher der Firma FEURON AG ist dafür eine Rohrschlange vorgesehen, die in Wellrohr ausgeführt ist und entsprechend der technischen Beschreibung dieses Kombispeichers im Inneren der Wellrohrleitung eine turbulente Strömung für einen effektiven Wärmeaustausch erzeugen soll. Ein effektiver Wärmeaustausch kann jedoch nicht erreicht werden, da das das Wellrohr umgebende Medium keine turbulente Strömung hat und besondere Vorkehrungen zur Erreichung dieser Strömungsform nicht vorhanden sind. Deshalb besteht ein Bedürfnis, die Kombispeicher durch Wärmetauscher zu ersetzen, die mit deutlich verringerter Trägheit den Austausch von Wärmemengen zwischen einem primären und einem sekundären Medium ermöglichen, jedoch gleichzeitig die bei den oben beschriebenen Plattenwärmetauschern vorhandene Störanfälligkeit vermeiden. Bisher bekannte Einsatzbedingungen mit ihren unter- schiedlichen Temperaturbereichen müssen dabei ebenso berücksichtigt werden.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Wärmespeicher vorzuschlagen, der von ankommenden Medien aus primären Leitungskreisen die Wärmemengen ohne große Trägheit auf ein ebenso im Wärmetauscher vorhandenes sekundäres Medium überträgt und somit eine schnelle Reaktion auf wechselnden Wärmebedarf ermöglicht, haltbar ist und außerdem einfach und kostengünstig aufgebaut werden kann, damit zugleich die Gesamtkosten für Heizungsanlagen bzw. Wärmeversorgungssysteme senkt und im übrigen den Wärmeausnutzungsgrad solcher Anlagen verbessert.
In der nachstehenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Patentansprüchen werden die nachstehend aufgeführten Begriffe mit folgendem Bedeutungsinhalt verwendet: Wärmetauscher— ist ein Röhrenwärmetauscher mit wenigstens einer in einem Behälter angeordneten Rohrschlange und nach außen geführten Anschlüssen für die Rohrschlange und den Behälterinnenraum. Rohrschlange— ist ein schrauben- und/oder spiralförmig gewundenes Rohr, dessen Steigung gleichmäßig oder in verschiedenen Bereichen unterschiedlich sein kann. Rohr— ist ein metallisches Rohr mit einer profilierten Wandung, bevorzugt ein Wellrohr mit einer parallelen oder einer schraubenförmig verlaufenden Wellung.
Separator— ist eine feste und für Flüssigkeiten undurchlässige Trennwand zwischen verschiedenen Medien. Er wird durch die Rohrwandung gebildet.
Medium— ist ein Fluid, das Wärmemengen enthalten und transportieren kann.
Erstes Medium— ist ein Fluid, das durch beliebige Wärmequellen erwärmt werden kann und in einem Wärmetauscher diese Wärmemengen an ein zweites Me- dium überträgt.
Zweites Medium— ist ein Fluid, das in einem Wärmetauscher vom ersten Medium Wärmemengen übernimmt und diese zu im System vorhandenen Verbrauchern oder zu Speichereinheiten transportiert.
Die oben stehende Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Patentanspruches. Neben- und nachgeordnete Patentansprüche beschreiben Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe mit einem Wärmetauscher in der Bauart eines Röhrenwärmetauschers erfüllt. Dieser ist so ausgelegt, dass sein Behältervolumen mit dem ersten Medium ausgefüllt ist und ein zweites Medium durch eine gleichfalls im Behälter angeordnete Rohrschlange strömt.
Damit wird erreicht, dass stets eine ausreichend große Menge an aufgeheiztem erstem Medium vorhanden ist und das Wärmemengen abtransportierende zweite Medium diese Wärmemengen nach Bedarf und in kurzer Zeit sowie mit einem großen Förderstrom übernehmen kann.
Der Wärmetauscher erreicht dabei einen Umwandlungswirkungsgrad von wenigs- tens 90 Prozent, bezogen auf die mit dem ersten Medium zugeführten und die mit dem zweiten Medium abgeführten Wärmemengen unter den in Wärmeversorgungssystemen bestehenden Temperaturverhältnissen.
Um dies zu erreichen, hat der Wärmetauscher wenigstens folgende Parameter:
- Es wird ein Verhältnis der Volumina des Behälters und des Volumens der Rohrschlange angestrebt, das bei einem Wert von 5 oder darunter liegt.
- Der Behälter des Wärmetauschers ist stark wärmegedämmt.
- Die Rohrschlange besteht aus einem metallischen Werkstoff.
- Die Wandstärke des Rohres der Rohrschlange ist sehr gering. - Die Rohrschlange ist in begrenztem Umfang im Behälter beweglich.
- Die Behälterform ist so gewählt, dass eine geringe Oberfläche des Behälters vorhanden ist. Mit den oben beschriebenen Maßnahmen wird erfindungsgemäß erreicht, dass der Behälter des Wärmetauschers stets mit einer ausreichenden Menge an erwärmtem erstem Medium gefüllt ist. Entsteht ein Wärmebedarf, strömt das zweite Medium durch die Rohrschlange und es findet ein intensiver Wärmeaustausch statt.
Besonders bevorzugt wird hierbei eine Rohrschlange, die aus einem dünnwandigen Wellrohr besteht. Solcher Art Wellrohre haben Wandstärken im Bereich von wenigen zehntel Millimetern. Die Rohrwandung bildet also einen extrem dünnen Separator, durch den ein intensiver Wärmeübergang erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß werden Edelstahlwellrohre für die Rohrschlange verwendet. Der verminderte Wärmedurchgang bei Edelstählen wird durch die geringe Wandstärke kompensiert.
Die schraubenförmig gewickelte Rohrschlange aus einem Wellrohr bewirkt bereits bei einer vergleichsweise geringen Strömungsgeschwindigkeit den Übergang in eine turbulente Strömung, wodurch der Austauschprozess in erheblichem Maße intensiviert wird.
Die Rohrschlange kann sich im Behälter in begrenztem Umfang bewegen, beispielsweise in Folge von Wärmedehnung. Dadurch und durch die überwiegend turbulenten Strömungen können sich im Bereich des Separators keine Ablagerungen bilden.
Der Behälter des Wärmetauschers hat bevorzugt eine zylindrische Form. Dessen Länge kann bis zum 6-fachen des Durchmessers betragen.
Das vergleichsweise geringe Behältervolumen bewirkt andererseits, dass auch das erste Medium ständig neu zugeführt werden muss und deshalb im Behälter ebenfalls eine hohe Strömungsgeschwindigkeit hat. So tritt auch auf dieser Seite des Separators eine weitgehend turbulente Strömung auf und der Austauschpro- zess ist zusätzlich intensiviert.
Mit den oben beschriebenen Maßnahmen wird verhindert, dass im Inneren des Behälters eine Schichtung des ersten Mediums nach der Temperatur entstehen kann. Damit werden Tori im ersten und Temperaturschwankungen im zweiten Me- dium weitgehend verhindert.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann so bei einem vergleichsweise geringen Volumen von etwa 60 I, einer Eingangstemperatur des ersten Mediums von etwa 90°C, einem Volumenstrom des ersten und zweiten Medium von jeweils etwa 3000 l/h und einem Temperaturgradienten von etwa 40°C eine spezifische Leistung von 750 W je 100 cm2 Separatorfläche erreichen. Damit erreichen die Leistungsparameter der erfindungsgemäßen Wärmetauscher die von Plattenwärmetauschern.
Es ist weiterhin möglich, den erfindungsgemäßen Wärmetauscher so auszuführen, dass die Rohrschlange im Behälterinneren zu einer Mehrfachanordnung aufgefä- chert wird. Damit lassen sich die Volumenverhältnisse zwischen erstem und zweitem Medium im Wärmetauscher zugunsten des zweiten Mediums beeinflussen. Die Mehrzahl an Rohrschlangen kann dabei entweder mit ihren einzelnen Anschlüssen nach außen geführt und außerhalb des Behälters verbunden oder innerhalb des Behälters verzweigt sein.
Im Fall, dass im Behälter mehr als eine Rohrschlange angeordnet sind und deren Anschlüsse nach außen geführt sind, kann eine der Rohrschlangen auch mit einer weiteren Wärmequelle verbunden sein. Ebenso kann eine der Rohrschlangen mit einem Kreis eines Wärmeversorgungssystems verbunden sein, der ein anderes Temperaturniveau verlangt.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass wenigstens eine zweite Rohrschlange dazu dient, ein drittes Medium von einer Wärmequelle oder von ei- nem Wärmeverbraucher an den Wärmetauscher anzuschließen, wenn das dritte Medium aufgrund besonderer Eigenschaften nicht mit dem ersten oder dem zweiten Medium vermischt werden darf.
Abhängig von der konkreten Ausgestaltung eines Wärmeversorgungssystems, in dem der erfindungsgemäße Wärmetauscher zum Einsatz kommt, kann dieser mit einer Rohrschlange für die Brauchwasserversorgung versehen sein, sodass auf diese Weise die Bereitstellung von Warmwasser ermöglicht werden kann. Ebenso abhängig von der Ausgestaltung eines Wärmeversorgungssystems, in dem der erfindungsgemäße Wärmetauscher zum Einsatz kommt, kann dieser mit einer elektrisch betriebenen Heizpatrone versehen sein, die entweder eine Versorgung mit Wärmemengen oder lediglich die Sicherstellung des Frostschutzes übernehmen kann.
Durch die profilierte Wandung der Rohrschlange vergrößert sich einerseits die dem Wärmeaustausch dienende Fläche, mithin die sogenannte Separatorfläche. Weiterhin erfährt das aufzuheizende zweite Medium in der Rohrschlange durch die profilierte Wandung eine turbulente Strömung, die den Wärmeaustausch intensiviert.
Nach der Erfindung wird der Wärmetauscher so ausgeführt, dass er bezogen auf den Wärmebedarf im Heizungskreis die geringst mögliche Trägheit beim Wärme- Übergang hat. Um dies zu erreichen, wird der Wärmetauscher so ausgelegt, dass er einen Umwandlungs- Wirkungsgrad von wenigstens 90 Prozent hat.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1— Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Fig. 2— Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei der alle Rohrschlangen parallel geschaltet sind.
Fig. 3— Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei der alle Rohrschlangen innerhalb des Wärmetauschers parallel geschaltet sind.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 besteht wenigstens aus einem Behälter 2, einer den Behälter 2 umgebenden Isolierung 3 und einer Rohrschlange 4. Entgegen der Ausführungsform aus dem Stand der Technik bekannter Wärmetauscher für Heizungsanlagen oder Wärmeversorgungssysteme ist ein von Wärmeerzeugern bereitgestelltes aufgeheiztes erstes Medium im Innenraum 7 des Behälters 2 vorhanden und ein Wärmeverbraucher versorgendes zweites Medium, das durch Austauschprozesse aufgeheizt wird, strömt durch die Rohrschlange 4.
Die Rohrschlange 4 ist mit ihren nach außen geführten Anschlüssen 5 und 6 mit einem Leitungskreis verbunden, in dem sich Wärmeverbraucher befinden. Im Innenraum 7 des Behälters 2 befindet sich das erste Medium, wobei der Behälter 2 über die Anschlüsse 8 und 9 mit dem ersten Leitungskreis verbunden ist, in dem Wärmeerzeuger angeordnet sind. Wärmeerzeuger können dabei thermische Solarkollektoren, Wärmepumpen, Heizkessel, Erdwärmesonden oder Einrichtungen, die Prozesswärme zurückgewinnen, sein. Im erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 können eine zweite Rohrschlange 10 und eine dritte Rohrschlange 11 angeordnet sein, wobei diese mit ihren Anschlüssen 12 und 13 sowie 14 und 15 gleichfalls mit Wärmeverbrauchern verbunden sein können. Die Rohrschlangen 4, 10 und 11 können mit ein und demselben Leitungskreis verbunden sein. Sie können ebenso verschiedene Leitungskreise mit einem erwärmten Medium speisen.
Im einfachsten Fall ist lediglich eine Rohrschlange 4 im Wärmetauscher 1 ange- ordnet.
Eine solche Anordnung hat folgende Vorteile, wenn ein Wärmetauscher 1 mit einem Volumen von 60 I zugrunde gelegt wird: - Das Verhältnis zwischen dem ersten Medium im Innenraum 7 des Behälters 2 und dem zweiten Medium in der Rohrschlange 4 bewegt sich zwischen 1 :2 bis 1 :4. Für einen Wärmetauscher 1 mit einem Inhalt von 60 I be- deutet das, dass bis zu 24 I des zweiten Mediums in der Rohrschlange 4 enthalten sein können.
Der Wärmetauscher 1 hat bei einem Volumenstrom von Qi=1000 l/h, einer Eingangstemperatur von 60°C und einer Ausgangstemperatur von 40°C eine Leistung von 24 kW.
In dem beschriebenen Fall beträgt die Übertragungsleistung des Separators/der Separatorwand 125 W/100 cm2.
Der Wärmetauscher 1 hat bei einem Volumenstrom von 470 l/h, einer Eingangstemperatur von 50°C und einer Ausgangstemperatur von 10°C eine Leistung von etwa 23 kW.
Die spezifische Leistung des Separators kann dann 150 W/100 cm2 betragen.
Der Wärmetauscher 1 erreicht nach dem Aufheizen Eigenschaften, die denen eines Plattenwärmetauschers entsprechen. Lediglich beim Aufheizzyklus ist die sich aus den Volumenströmen am Ein- und Ausgang des Wärmetauschers 1 ergebende Trägheit vorhanden.
Nach erfolgtem Aufheizen kann unter gleichen Bedingungen für eine beliebig lange Zeit ein Volumen von etwa 500 I aufgeheiztes zweites Medium mit einer Temperatur von 50°C entnommen werden.
Der Wärmetauscher 1 hat eine rechnerisch ermittelte Spitzenleistung von 120 kW, bezogen auf einen Durchfluss von 3000 l/h.
Er kann bei einem Stocken der Zufuhr von erwärmtem ersten Medium für eine Zeit von etwa 1 min den Austauschprozess mit einer Leistung von etwa 100 kW aufrechterhalten. - Der Wärmetauscher 1 hat bei einem erhöhten Durchfluss von 3000 l/h, bei einer Eingangstemperatur von 90°C, einer Ausgangstemperatur von 50°C am Separator/der Separatorwand eine spezifische Leistung von 750 W/100 cm2.
Unabhängig von der tatsächlichen Größe des erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 gilt weiterhin: - Die übertragene Leistung ist direkt proportional zur Fläche des Separators, mithin zur Fläche der eingesetzten Wellrohrschlange und letztlich auch zur Anzahl der Wellrohrschlangen. Ebenso verhält sich die übertragene Leistung direkt proportional zum Volumenstrom auf der Primär- und der Sekundärseite sowie zum Temperaturgradienten At.
- Die Rohrschlange 4 besteht aus einem Edelstahlwellrohr.
- Das Edelstahlwellrohr ist parallel oder schraubenförmig profiliert. - Die Wanddicke des Edelstahlwellrohrs liegt zwischen 0,1 mm und 0,5 mm.
Damit wird durch die geringe Wanddicke der an sich ungünstigere Wärmeübergang bei Edelstählen gegenüber unedlen Stählen weitgehend unterdrückt. - Die Rohrschlange 4 ist im Innenraum 7 des Behälters 2 begrenzt beweglich aufgehängt. Sie kann sich aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnen und/oder ihre Form geringfügig ändern.
- Die Strömung in der Rohrschlange ist durch die Verwendung von Wellroh- ren bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten turbulent und sichert damit einen intensiven Austauschprozess. - Die Volumenverhältnisse und die geometrische Gestaltung der Rohrschlange 4 sind so gewählt, dass auch im Innenraum 7 des Behälters 2 eine turbulente Strömung herrscht und damit der Austauschprozess auf beiden Seiten des Separators gleich intensiv abläuft.
- Durch die Wahl einer Rohrschlange 4 aus Edelstahl-Wellrohr in Verbindung mit ihren Formveränderungen und den turbulenten Strömungen werden Ablagerungen auf dem Separator vermieden und der Austauschprozess kann dabei über lange Zeit mit gleicher Intensität erhalten bleiben.
- Durch die gewählten Volumenverhältnisse zwischen Innenraum 7 und Rohrschlange 4 und durch die Form derselben können im Innenraum keine temperaturabhängigen Schichtungen des ersten Mediums entstehen. Damit ist gewährleistet, dass der Wärmetauscher 1 in jedem Betriebszustand einen auf das erreichbare Maximum ausgelegten Austauschprozess realisiert und dabei in jedem Fall einen über 90 % liegenden Wirkungsgrad erreicht.
Der effektiv geführte Austauschprozess bewirkt ferner, dass eine Solltemperatur von 50°C im zweiten Medium in einem Zehntel der Zeit erreicht wird, die ein im Stand der Technik bekannter Kombispeicher benötigt.
Die außerordentlich geringe Trägheit des Wärmetauschers 1 wird neben den oben bereits aufgeführten Maßnahmen dadurch erreicht, dass die mit der Rohrschlange 4 realisierte Separatorfläche einen Wert zwischen 150 cm2 - 700 cm2 je Liter Behältervolumen hat.
Die Erreichung eines solch hohen Wertes kann auch dadurch ermöglicht sein, dass weitere Rohrschlangen 10 und 11 im Behälter 2 angeordnet sind.
Die Rohrschlangen 4, 10 und 11 können als schraubenförmige Wickel, als spiralförmige Wickel oder als Kombination aus beiden Formen ausgeführt sein. Besondere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 können dadurch entstehen, dass die Rohrschlangen 4, 10 und 11 mit einer Verbindung 16 außerhalb der Isolierung 3 verbunden sind. Es ist ebenso möglich, die Verbindung 16 nur zwischen zwei der vorhandenen Rohrschlangen 4, 10 und 11 auszuführen, während die verbleibende Rohrschlange einem gesonderten Leitungskreis zugeordnet ist. Dies ist beispielsweise die Vorzugsvariante, wenn zusätzlich zum Heizungs- oder Wärmeversorgungssystem eine Brauchwasseraufbereitung erfolgen muss.
Die Zusammenschaltung der Rohrschlangen 4, 10 und 11 kann auch im Innenraum 7 des Behälters 2 mit einer Verbindung 17 ausgeführt sein. In diesem Fall ist die Zusammenschaltung im von der Isolierung 3 umschlossenen Bereich erfolgt und es sind lediglich noch die Anschlüsse der Rohrschlange 4 durch die Isolierung nach außen geführt. Auf diese Weise entsteht ein effektiver Wärmetauscher mit einer großen Separatorfläche.
Letztlich bildet ein solcher erfindungsgemäßer Wärmetauscher die Möglichkeit, nach der Art eines Baukastensystems verschiedene Ausführungsformen zu ge- stalten und diesen somit an bestimmte Einsatzverhältnisse anzupassen.
Die oben beschriebene Anordnung kann mit bekannten Mitteln als stehende oder als hängende Anordnung oder als Kombination aus beiden Möglichkeiten ausgeführt sein
Es ist ferner möglich, den erfindungsgemäßen Wärmetauscher in vorkonfektionierter Form mit den notwendigen Leitungsanschlüssen und gegebenenfalls mit Ventilen und Umwälzpumpen kombiniert auszuführen. Die Isolierung 3 des Wärmetauschers 1 kann nach den Gesichtspunkten einer optimalen Energieausnutzung ausgelegt sein. Sie kann ferner Leitungen, Ventile und Umwälzpumpen einschließen. Ebenso kann sie abnehmbar gestaltet sein. Die Erfindung hat also den Vorteil, dass sie Wärmetauscher für Heizungs- oder Wärmeversorgungssysteme vorschlägt, die effizient arbeiten, deren Abmessungen klein sind, die mit geringer Trägheit erwärmte Medien bereitstellen und im übrigen kostengünstig und mit geringem Material- und Herstellungsaufwand erzeugt wer- den können.
Bezugszeichenliste
1 Wärmetauscher
2 Behälter
3 Isolierung
4 Rohrschlange
5 Anschluss
6 Anschluss
7 Innenraum
8 Anschluss
9 Anschluss
10 Rohrschlange
11 Rohrschlange
12 Anschluss
13 Anschluss
14 Anschluss
15 Anschluss
16 Verbindung
17 Verbindung

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher (1) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem, bestehend aus
einem Röhrenwärmetauscher mit einem geschlossenen Behälter (2) und einer im Behälter (2) angeordneten, spiral- oder schraubenförmig gewickelten Rohrschlange (4),
aus einem Wellrohr oder einem Wellschlauch
sowie einer den Behälter (2) umschließenden Isolierung (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erstes wärmeführendes Medium den Innenraum (7) des Behälters (2) befüllt und die Rohrschlange (4) ein zweites wärmeführendes Medium enthält
und das Volumen des ersten Mediums im Innenraum (7) des Behälters (2) höchstens das 6-fache des Volumens des zweiten Mediums in der Rohrschlange (4) beträgt.
2. Wärmetauscher (1 ) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
derselbe ein Volumen von etwa 60 I hat und bei einer Durchflussmenge des ersten und des zweiten Mediums von jeweils etwa 600 l/min einer Eingangstemperatur des ersten Mediums von 80°C, einer Eingangstemperatur des zweiten Mediums von 10°C, einer Ausgangstemperatur von 50°C des zweiten Mediums, mithin eines Temperaturgradienten At=40°C im zweiten Medium eine Leistung von 30 kW hat.
3. Wärmetauscher (1) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
derselbe bei einem Volumen von etwa 60 I eine kurzfristig erreichbare Spitzenleistung von etwa 100 kW oder eine theoretische Spitzenleistung von etwa 120 kW, bezogen auf einen Durchfluss von 3000 Liter pro Stunde im zweiten Medium hat.
Wärmetauscher (1) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
derselbe bei einer Durchflussmenge von jeweils etwa 3000 l/h des ersten und des zweiten Mediums, einer Eingangstemperatur von 90°C des ersten und einer Ausgangstemperatur von 50°C des zweiten Mediums, mithin bei einem Temperaturgradienten At=40°C zwischen beiden Medien, ein Umwandlungsgrad des Separators von 750 W/100 cm2 erreichbar ist.
5. Wärmetauscher (1) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher so ausgelegt ist, dass er eine Separatorfläche von wenigstens 150 cm2 bezogen auf einen Liter Behälterinhalt hat.
6. Wärmetauscher (1 ) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rohrschlange mehrsträngig aufgeteilt ist und wenigstens eine äußere und eine innere Rohrschlange koaxial zueinander angeordnet sind.
7. Wärmetauscher (1 ) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Behälter wenigstens eine weitere Rohrschlange angeordnet ist, die mit einem unabhängigen Leitungskreis, der ein drittes Medium führt, verbunden ist.
8. Wärmetauscher (1 ) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in der weiteren Rohrschlange geführte dritte Medium in einem offenen Kreislauf geführt ist.
9. Wärmetauscher (1) für eine Heizungsanlage oder ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dritte Medium dem Wärmetauscher Wärmemengen zu- und/oder abführt.
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