EP4198431A1 - Stationärer flüssigkeitstank - Google Patents
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- EP4198431A1 EP4198431A1 EP22197974.3A EP22197974A EP4198431A1 EP 4198431 A1 EP4198431 A1 EP 4198431A1 EP 22197974 A EP22197974 A EP 22197974A EP 4198431 A1 EP4198431 A1 EP 4198431A1
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Definitions
- the present invention relates to a stationary liquid tank.
- the invention also relates to a heat pump system with such a stationary liquid tank.
- the refrigerant charge is limited by various standards.
- the limitation of the filling quantity also poses a challenge here.
- a heat exchanger or a temperature control device for heating the process water tank is wrapped around it.
- assembly, integration and replacement in the event of a defect are simpler than if the heat exchanger or the temperature control device is arranged in the water tank.
- direct contact of the (drinking) water with the heat exchanger and thus contamination of the drinking water in the water tank by substances from the heat exchanger is ruled out.
- contamination of the drinking water is also ruled out, as this escapes into the environment.
- the flat tubes used with internal channels and webs arranged in between are designed in such a way that you just keep to the bursting pressures P BERST,MIN required by the applicable standard, thereby enabling a material-saving flat tube design.
- thermal resistance of enamel and thermal interface layer can be increased by increasing the Reduce thermal conductivity, reduce the layer thickness and increase the cross-sectional area.
- the layer thickness is usually as thin as possible for the application.
- the present invention is therefore concerned with the problem of further developing a stationary liquid tank with a temperature control device in such a way that an increased heat transfer between a flat tube of a temperature control device and the stationary liquid tank is made possible.
- the present invention is based on the general idea of achieving heat transfer between a flat tube of a temperature control device of a stationary liquid tank and the liquid tank by enlarging a heat transfer surface without increasing the refrigerant volume. According to the invention, this is made possible by two alternative embodiments, namely on the one hand by arranging a heat distribution plate between the flat tube and the liquid tank and on the other hand by integrating such a heat distribution plate into the flat tube by means of a corresponding different geometric cross-sectional shape of the flat tube.
- the stationary liquid tank according to the invention has a temperature control device for temperature control of the liquid in the liquid tank, which is used both for heating as well as for cooling the liquid stored in the liquid tank.
- the temperature control device which represents a heat exchanger, has at least one flat tube externally connected to the liquid tank in a heat-transferring manner, with internal channels with a respective channel width b K and webs with a respective web width b S .
- the flat tube is made from a material with a tensile strength R m and has a bursting pressure P BERST,IST .
- P BERST,MIN is the bursting pressure required by the standard/specification.
- the bursting pressure P BERST,IST of the flat tube must be higher.
- the previously described heat distribution plate is arranged between the flat tube and the liquid tank and is connected over the entire surface to the flat tube and the liquid tank.
- the heat distribution plate has a high thermal conductivity compared to, for example, a thermally conductive layer and is made of aluminum, for example. It distributes a heat flow from the area in contact with the flat tube to a larger area, whereby the heat flow on this larger area is conducted through the heat conducting layer, which can be arranged between the heat distribution plate and the liquid tank, an enamel coating of the liquid tank and the steel of the liquid tank becomes.
- the thermally conductive layer has a thermal conductivity that is significantly lower than that of the flat tube material and/or the heat distribution plate. This enlarged area is also effective for the heat transfer on an inside.
- a wall of the liquid tank usually consists of a steel core and an internal and external enamel coating.
- the flat tube with its channels and webs is designed in such a way that it satisfies the following equation: 1.2 b K + tolerance / b S ⁇ tolerance ⁇ R m / P BURST , MIN
- the web width bs is increased with the same channel size, which consequently also increases the external dimensions of the flat tube and thus the contact surface between the flat tube and the stationary liquid tank.
- the flat tube design according to the invention and the resulting flat tube design differs from previous flat tube designs in that the webs between the individual channels are so solid that they can withstand a significantly higher bursting pressure P BERST,IST than is required by the applicable standard, for example.
- the flat tube wall thickness has not changed compared to the previous design. Experiments and calculations have shown that this embodiment is particularly advantageous if the lower tolerance limit of the web width is at least 20% greater than is necessary to achieve the required bursting pressure P BERST,MIN .
- the stationary liquid tank according to the invention offers the possibility of significantly improved heat transfer compared to previous liquid tanks due to the increased heat transfer surface area on the container circumference while at the same time the internal volume of the flat tubes remains the same.
- the second alternative embodiment also offers the great advantage of relatively short thermal conduction paths and thus a higher heat transfer rate.
- the overall use of materials is lower, the assembly forces with which the heat exchanger is clamped around the liquid tank are lower.
- production is simpler since there are no material connection between the flat tube and the heat distribution plate must be made and positioning of the heat conducting plate relative to the flat tubes when joining, for example by soldering, is eliminated.
- the heat distribution plate is connected to an outside of the liquid tank via a thermally conductive layer.
- the heat distribution plate also has a thermal conductivity ⁇ V and a thickness dv, while the thermally conductive layer has a thermal conductivity ⁇ W and a thickness dw.
- at least two flat tubes are wound in parallel around the stationary liquid tank, with a distance s between two flat tubes.
- a liquid tank according to the invention expediently has a heat distribution plate which is soldered to the flat tube. Soldering between the heat distribution plate and the flat tube offers an optimized heat transfer connection with an extremely short heat conduction path at the same time. In addition, solder has a significantly improved thermal conductivity compared to a thermally conductive paste (thermally conductive layer), which enables almost unhindered heat transfer between the flat tube and the heat distribution plate.
- the flat tube has insulation on an outside facing away from the stationary liquid tank. Heat dissipation or absorption from the environment can at least be reduced via such insulation, as a result of which the efficiency of the temperature control device can be significantly increased.
- insulation can be provided, for example, by means of a corresponding plastic coating or a type of housing, in particular made of plastic or mineral wool.
- the temperature control device expediently has a refrigerant circuit, with the flat tube(s) forming part of the refrigerant circuit.
- the Refrigerant which theoretically can also be a coolant, temperature control, in particular heating of the contents of the stationary liquid tank, can take place.
- the flat tube is designed as an extruded profile or as a welded tube.
- the design as an extruded profile for example made of aluminum, offers the great possibility of not only producing the flat tube in a high quality, but also cost-effectively. Extruded profiles of this type can also produce almost any desired cross-sectional shape using appropriate matrices.
- the liquid tank expediently has a steel core and an internal and an external enamel coating.
- hygienic storage of liquid in the liquid tank for example drinking water, can be ensured via the enamel coating.
- the present invention is also based on the general idea of operating the flat tube described as part of a heat pump circuit, via which the liquid container is heated.
- a liquid reservoir offers the advantage that temperature-controlled liquid, for example hot water, can be stored for peak demand and the heat pump system only has to be dimensioned in such a way that it heats the storage volume to the desired temperature over a longer period of time.
- contamination of the liquid tank with refrigerant or coolant is ruled out, since a leak would escape into the environment through the double wall in the form of the flat tube wall and the container wall.
- a stationary liquid tank 1 has a temperature control device 2 for temperature control of a liquid 3, for example water 4, in the liquid tank 1.
- the temperature control device 2 has at least one, preferably several, flat tubes 5 with channels 6, which are connected externally to the liquid tank 1 in a heat-transferring manner and each have a channel width b K (cf. 3 ) exhibit.
- the channels 6 are separated by webs 7 arranged between them, each having a web width bs.
- the flat tube 5 or the flat tubes 5 consist of a material, for example aluminum, with a tensile strength R m and a bursting pressure P BERST,IST .
- the bursting pressure results from the tensile strength of the material and the chosen geometry of the flat tube.
- P BERST,IST is the bursting pressure that the flat tube 5 reaches.
- the flat tubes 5 each open at the longitudinal end into collectors 8 which are clamped against the stationary liquid tank 1 by a clamping device 9 .
- a heat-transferring surface is provided between the temperature control device 2 and the liquid tank 1 to enlarge.
- a heat distribution plate 10 is arranged between the flat tubes 5 and the liquid tank 1, which is flatly connected to the flat tubes 5 on the one hand and the liquid tank 1 on the other (cf. 1 and 4 ).
- Such a heat distribution plate 10 which is in particular soldered to the flat tubes 5 and thereby ensures a high level of heat transfer from them, can create a thermal conductivity that is significantly greater than that of a thermally conductive layer 11.
- the heat-conducting plate 10 distributes the heat flow introduced from a contact surface with the flat tubes 5 over a significantly larger area, as a result of which the heat flow is conducted through the heat-conducting layer 11 and a wall of the liquid tank 1 on this larger surface.
- a wall of the liquid tank 1 can consist, for example, of a steel core 12 and an internal and/or external enamel coating 13 (cf. 4 ). Due to the larger heat-transferring surface of the heat distribution plate 10, an improved and increased heat transfer to the inside of the wall can also be achieved.
- the heat distribution plate 10 is preferably connected to an outside of the liquid tank 1 via the previously described thermally conductive layer 11 and has a thermal conductivity ⁇ V and a thickness d V (cf. 4 ).
- the thermally conductive layer 11 in turn has a thermal conductivity ⁇ W and a thickness dw.
- the temperature control device 1 Considering the temperature control device 1 according to the 1 4 to 5, it can be seen that several flat tubes 5 are arranged parallel to one another and wind around the stationary liquid tank 1.
- the at least two flat tubes 5 of the temperature control device 2 have a distance s between them (cf. Figures 1 and 2 ) and are preferably arranged in such a way that applies: (0.25 ⁇ V d V / s) ⁇ ( ⁇ W s / d W ) ⁇ (4 ⁇ V d V / s), particularly preferably: (0.5 ⁇ V dV /s) ⁇ ( ⁇ W s/dw) ⁇ (2 ⁇ V dV /s).
- the flat tubes 5 with the channels 6 and the webs 7 are designed in such a way that they fulfill the following equation: 1.2 b K + tolerance / b S ⁇ tolerance ⁇ R m / P BURST , IS
- the web width bs in the respective flat tube 5 is increased with the same channel size, which increases the external dimensions of the respective flat tube 5 and thus also a contact surface between the flat tube 5 and the liquid tank 1 available for heat transfer.
- the resulting flat tube design deviates from previous designs in that the webs 7 between the individual channels 6 are made so solid that they can withstand a significantly higher bursting pressure P BERST,IST than the bursting pressure P BERST,MIN required by the applicable standard . This design becomes interesting if the bursting pressure P BERST,MIN required for the application can be exceeded by 20% by means of a corresponding design of the web width bs and the channel width b K .
- the channels 6 themselves can have a square cross-section, as in accordance with the Figures 1 to 4 is shown, and theoretically they can also have a rectangular, non-square or round cross-section.
- an additional insulation 14 for example a polystyrene shell, can be provided on the flat tubes 5 on an outside facing away from the stationary liquid tank 1 (cf. 1 ).
- the temperature control device 2 can also have a refrigerant circuit, with the flat tubes 5 representing part of this refrigerant circuit.
- the temperature control device 2 it is of course also conceivable for the temperature control device 2 to have a coolant circuit, with the flat tubes 5 forming part of the coolant circuit in this case.
- the flat tubes 5 can be designed as extruded profiles, in particular as aluminum extruded profiles, or alternatively as welded tubes.
- the design as aluminum extruded profiles allows almost any design of the channels 6 and the webs 7 arranged between them.
- the stationary liquid tank 1 can be part of a heat pump system 15, for example. Overall, with the temperature control device 2 according to the invention and the stationary liquid tank 1 according to the invention, a significantly improved temperature control of the liquid 3 can be achieved with the (internal) volume of the flat tubes 5 remaining the same.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen stationären Flüssigkeitstank. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmepumpensystem mit einem solchen stationären Flüssigkeitstank.
- Bei der Verwendung von Kältemitteln, z.B. in stationären Wärmepumpensystemen, ist eine Kältemittelfüllmenge durch verschiedene Normen limitiert. Je nach Kältemittel ist die Einhaltung einer maximalen Füllmenge, der Leistungsauslegung und der baulichen Anforderungen mit herkömmlichen Komponenten nicht ohne Weiteres einzuhalten. Daher gibt es bereits heute einen Wechsel von Rundrohrsystemen auf Flachrohrsysteme in der Stationärtechnik. Jedoch stellt auch hier die Limitierung der Füllmenge teilweise eine Herausforderung dar.
- In der Stationärtechnik wird z.B. bei der Brauchwassertemperierung in Wohngebäuden ein Wärmeübertrager bzw. eine Temperiereinrichtung zur Beheizung des Brauchwassertanks um eben diesen gewickelt. Bei einer solchen Ausführung sind Montage, Integration und Austausch im Falle eines Defekts einfacher, als wenn der Wärmeübertrager bzw. die Temperiereinrichtung in dem Wassertank angeordnet ist. Zusätzlich wird ein direkter Kontakt des (Trink-)wassers mit dem Wärmeübertrager und damit eine Kontamination des im Wassertank befindlichen Trinkwassers durch Stoffe vom Wärmeübertrager ausgeschlossen. Auch ist bei einer Leckage von Kältemittel eine Kontamination des Trinkwassers ausgeschlossen, da dieses in die Umgebung entweicht.
- Heutzutage werden hierbei zum Einsatz kommende Flachrohre mit innenliegenden Kanälen und dazwischen angeordneten Stegen so ausgelegt, dass Sie die nach gültiger Normung erforderlichen Berstdrücke PBERST,MIN gerade so einhalten und dadurch ein materialsparendes Flachrohrdesign ermöglichen.
-
- PBERST,MIN = nach Normung erforderlicher Berstdruck und
- PBERST,IST = Berstdruck, den das ausgeführte Flachrohr bei Sollmaßen aufgrund der Stegdicke einhält.
- Bei der Auslegung des Wärmeübertragers bzw. der Temperiereinrichtung ist es teilweise nicht möglich, einen gewünschten Wärmestrom bei Einhaltung der Anforderungen an die Füllmenge und damit an ein Innenvolumen des Wärmeübertragers einzuhalten. Bei dem um einen stationären Flüssigkeitstank gewickelten Wärmeübertrager machen dessen Flachrohre den größten Teil des Innenvolumens aus.
- Beim Wärmeübergang vom Kältemittel an die zu temperierende Flüssigkeit, bzw. an das Wasser, stellt eine Wärmeleitung in einer Emaillebeschichtung und in einer Wärmeleitschicht (Wärmeleitpaste) einen großen Teil des Wärmedurchgangswiderstands dar. Abhängig vom Wärmeübergangskoeffizienten auf der Wasserseite stellt auch die Wasserseite einen signifikanten Anteil des Gesamtwärmedurchgangswiderstands dar. Der Wärmeleitwiderstand von Emaille und Wärmeleitschicht (Thermal Interface Material) lässt sich durch Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit, Reduktion der Schichtdicke und Vergrößerung der Querschnittsfläche reduzieren. Die Wärmeleitfähigkeit ist als Materialeigenschaft nicht veränderbar bzw. durch die Materialauswahl bereits so weit erhöht, wie für den Einsatz möglich. Die Schichtdicke ist bereits üblicherweise so dünn ausgeführt, wie für den Einsatz möglich. Eine Erhöhung der Querschnittsfläche als wirksame Maßnahme zur Erhöhung des übertragenen Wärmestroms ist mit der derzeitigen Flachrohrauslegung bei Einhaltung des geforderten Innenvolumens nicht umsetzbar.
- Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen stationären Flüssigkeitstank mit einer Temperiereinrichtung derart weiter zu entwickeln, dass ein erhöhter Wärmeübertrag zwischen einem Flachrohr einer Temperiereinrichtung und dem stationären Flüssigkeitstank ermöglicht wird.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Wärmeübertragung zwischen einem Flachrohr einer Temperiereinrichtung eines stationären Flüssigkeitstanks und dem Flüssigkeitstank durch eine Vergrößerung einer Wärmeübertragungsfläche ohne eine Erhöhung des Kältemittelvolumens zu erreichen. Erfindungsgemäß wird dies durch zwei alternative Ausführungsformen ermöglicht, nämlich einerseits durch ein Anordnen einer Wärmeverteilerplatte zwischen dem Flachrohr und dem Flüssigkeitstank und andererseits durch eine Integration einer solchen Wärmeverteilerplatte in das Flachrohr durch eine entsprechende andere geometrische Querschnittsform des Flachrohrs. Der erfindungsgemäße stationäre Flüssigkeitstank besitzt dabei eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitstank, die sowohl zum Beheizen als auch zum Kühlen der im Flüssigkeitstank bevorrateten Flüssigkeit dienen kann. Die Temperiereinrichtung, welche einen Wärmeübertrager darstellt, weist zumindest ein außen mit dem Flüssigkeitstank wärmeübertragend verbundenes Flachrohr mit innenliegenden Kanälen mit einer jeweiligen Kanalbreite bK und Stegen mit einer jeweiligen Stegbreite bS auf. Das Flachrohr ist dabei aus einem Material mit einer Zugfestigkeit Rm ausgebildet und besitzt einen Berstdruck PBERST,IST. PBERST,MIN ist dabei der nach Normung/Spezifikation geforderte Berstdruck. Der Berstdruck PBERST,IST des Flachrohrs muss darüber liegen. Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstanks ist dabei zwischen dem Flachrohr und dem Flüssigkeitstank die zuvor beschriebene Wärmeverteilplatte angeordnet, die flächig mit dem Flachrohr und dem Flüssigkeitstank verbunden ist. Die Wärmeverteilplatte hat dabei im Vergleich zu beispielweise einer Wärmeleitschicht eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist beispielsweise aus Aluminium ausgebildet. Sie verteilt einen Wärmestrom von der mit dem Flachrohr in Kontakt stehenden Fläche auf eine größere Fläche, wodurch der Wärmestrom auf dieser größeren Fläche durch die Wärmeleitschicht, die zwischen der Wärmeverteilplatte und dem Flüssigkeitstank angeordnet sein kann, eine Emaillebeschichtung des Flüssigkeitstanks und den Stahl des Flüssigkeitstanks geleitet wird. Die Wärmeleitschicht besitzt eine Wärmeleitfähigkeit, die wesentlich geringer ist, als die des Flachrohrwerkstoffs und/oder der Wärmeverteilplatte. Auch für den Wärmeübergang auf einer Innenseite ist diese vergrößerte Fläche wirksam. Eine Wandung des Flüssigkeitstanks besteht dabei üblicherweise aus einem Kern aus Stahl sowie einer innenliegenden und außenliegenden Emaillebeschichtung.
-
- Bei dieser Lösung wird die Stegbreite bs bei gleicher Kanalgröße erhöht, wodurch sich in Folge auch ein Flachrohraußenmaß und damit eine Kontaktfläche zwischen dem Flachrohr und dem stationären Flüssigkeitstank vergrößert. Das erfindungsgemäße und sich hieraus ergebende Flachrohrdesign weicht insofern von bisherigen Flachrohrdesigns ab, als dass die Stege zwischen den einzelnen Kanälen derart massiv ausgeführt sind, dass sie einen wesentlich höheren Berstdruck PBERST,IST aushalten, als dies beispielsweise nach geltender Norm erforderlich ist. Die Flachrohrwandstärke ist dabei gegenüber der bisherigen Ausführung nicht verändert. Versuche und Berechnungen haben dabei ergeben, dass diese Ausführungsform besonders vorteilhaft ist, wenn die untere Toleranzgrenze der Stegbreite um mindestens 20 % größer ist, als zur Erreichung des geforderten Berstdrucks PBERST,MIN nötig.
- Unabhängig von der gewählten Ausführungsform bietet der erfindungsgemäße stationäre Flüssigkeitstank die Möglichkeit einer im Vergleich zu bisherigen Flüssigkeitstanks deutlich verbesserten Wärmeübertragung aufgrund der vergrößerten Wärmeübertragungsfläche am Behälterumfang bei gleichzeitig gleichbleibendem Innenvolumen der Flachrohre. Hierdurch steht auch eine für die im Flüssigkeitstank gelagerte zur Verfügung stehende vergrößerte Wärmeübertragungsfläche an einer Behälterinnenwand zur Verfügung. Insgesamt kann hierdurch eine Erhöhung des Wärmestroms ohne eine Erhöhung des Kältemittelvolumens erreicht werden. Die zweite alternative Ausführungsform bietet darüber hinaus den großen Vorteil von relativ kurzen Wärmeleitpfaden und damit einem höheren übertragenen Wärmestrom. Zusätzlich fällt der Gesamtmaterialeinsatz geringer aus, die Montagekräfte, mit der der Wärmeübertrager um den Flüssigkeitstank gespannt wird, sind geringer. Zusätzlich ist die Fertigung einfacher, da keine stoffschlüssige Verbindung zwischen Flachrohr und Wärmeverteilplatte hergestellt werden muss und eine Positionierung der Wärmeleitplatte gegenüber den Flachrohren beim Fügen, zum Beispiel durch Löten, entfällt.
- Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der ersten Alternative des erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstanks ist die Wärmeverteilplatte mit einer Außenseite des Flüssigkeitstanks über eine Wärmeleitschicht verbunden. Die Wärmeverteilplatte besitzt darüber hinaus eine Wärmeleitfähigkeit λV sowie eine Dicke dv, während die Wärmeleitschicht eine Wärmeleitfähigkeit λW und eine Dicke dw besitzt. Um einen möglichst hohen Wärmeübertrag der Temperiereinrichtung an den Flüssigkeitstank und dessen Inhalt zu erreichen, sind zumindest zwei Flachrohre parallel um den stationären Flüssigkeitstank gewickelt, wobei zwischen zwei Flachrohren ein Abstand s besteht. Hierbei gilt:
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- Dabei ist Rv der Wärmeleitwiderstand in axialer Richtung in der Wärmeverteilplatte näherungsweise Rv = s / 2 / (λV · dv) und Rw der Wärmeleitwiderstand in der Wärmeleitschicht in radialer Richtung näherungsweise Rw = dw / (λW · s). Werden diese Beziehungen eingehalten, so ergibt sich hieraus der große Vorteil, dass die Fläche zwischen den Flachrohren effizient an der Wärmeübertragung teilnimmt und damit zu einer Erhöhung des übertragenen Wärmestroms zwischen Flachrohr und Flüssigkeitsbehälter führt. Gleichzeitig wird bei Erfüllung der Beziehung die Wärmeverteilplatte nur so dick ausgeführt, wie es für eine Steigerung des Wärmestroms sinnvoll ist. Dies führt zu einer verbesserten Ausführung bezüglich Bauraum, Gewicht und Kosten.
- Zweckmäßig weist ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitstank entsprechend der ersten alternativen Ausführungsform eine Wärmeverteilplatte auf, die mit dem Flachrohr verlötet ist. Eine Verlötung zwischen der Wärmeverteilplatte und dem Flachrohr bietet eine optimierte wärmeübertragende Verbindung bei gleichzeitig äußerst kurzem Wärmeleitpfad. Lot besitzt darüber hinaus im Vergleich zu einer Wärmeleitpaste (Wärmeleitschicht) eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit, wodurch ein nahezu ungehinderter Wärmeübergang zwischen dem Flachrohr und der Wärmeverteilplatte ermöglicht wird.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstanks, weist das Flachrohr an einer dem stationären Flüssigkeitstank abgewandten Außenseite eine Isolierung auf. Über eine derartige Isolierung kann eine Wärmeabgabe oder -aufnahme aus der Umgebung zumindest reduziert werden, wodurch die Effizienz der Temperiereinrichtung deutlich gesteigert werden kann. Eine derartige Isolierung kann beispielsweise mittels einer entsprechenden Kunststoffbeschichtung oder einem Art Gehäuse, insbesondere aus Kunststoff oder Mineralwolle, erfolgen.
- Zweckmäßig weist die Temperiereinrichtung einen Kältemittelkreislauf auf, wobei das/die Flachrohre einen Teil des Kältemittelkreislaufs bildet/bilden. Über das Kältemittel, was rein theoretisch auch ein Kühlmittel sein kann, kann eine Temperierung, insbesondere eine Erwärmung des Inhalts des stationären Flüssigkeitstanks erfolgen.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstanks, ist das Flachrohr als Strangpressprofil oder als Schweißrohr ausgebildet. Besonders die Ausbildung als Strangpressprofil, beispielsweise aus Aluminium, bietet die große Möglichkeit, das Flachrohr nicht nur qualitativ hochwertig, sondern auch kostengünstig herzustellen. Derartige Strangpressprofile können darüber hinaus durch entsprechende Matrizen nahezu beliebige Querschnittsformen erzeugen.
- Zweckmäßig weist der Flüssigkeitstank einen Stahlkern sowie eine innenliegende und eine außenliegende Emaillebeschichtung auf. Über die Emaillebeschichtung kann insbesondere eine hygienische Lagerung von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitstank, beispielsweise Trinkwasser, gewährleistet werden.
- Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, das beschriebene Flachrohr als Teil eines Wärmepumpenkreislaufs zu betreiben, über das der Flüssigkeitsbehälter beheizt wird. Die Verwendung eines solchen Flüssigkeitsspeichers bietet den Vorteil, dass temperierte Flüssigkeit, zum Beispiel Heißwasser für Bedarfsspitzen bevorratet werden kann und das Wärmepumpensystem nur so dimensioniert werden muss, dass es über einen längeren Zeitraum das Vorratsvolumen auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Bei der beschriebenen Ausführung ist eine Kontamination des Flüssigkeitstanks mit Kältemittel oder Kühlmittel ausgeschlossen, da eine Leckage durch die Doppelwandigkeit in Form der Flachrohrwand und der Behälterwand in die Umgebung entweichen würde.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
- Dabei zeigen, jeweils schematisch:
- Fig. 1
- eine Außenansicht auf und eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstank mit einer Temperiereinrichtung mit mehreren Flachrohren entsprechend einer ersten alternative Ausführungsform der Erfindung,
- Fig. 2
- eine Außenansicht auf und eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstank mit einer Temperiereinrichtung mit mehreren Flachrohren entsprechend einer zweiten alternative Ausführungsform der Erfindung,
- Fig. 3
- eine Querschnittsdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform eines Flachrohrs,
- Fig. 4
- eine Schnittdarstellung durch eine Wand des stationären Flüssigkeitstanks mit Flachrohren und Wärmeverteilplatte sowie Wärmeleitschicht, entsprechend einer ersten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstanks.
- Entsprechend den
Fig. 1 sowie 2 und 4 weist ein erfindungsgemäßer stationärer Flüssigkeitstank 1 eine Temperiereinrichtung 2 zum Temperieren einer Flüssigkeit 3, beispielsweise Wasser 4, in dem Flüssigkeitstank 1 auf. Die Temperiereinrichtung 2 besitzt dabei zumindest ein, vorzugsweise mehrere außen mit dem Flüssigkeitstank 1 wärmeübertragend verbundene Flachrohre 5 mit Kanälen 6 auf, die jeweils eine Kanalbreite bK (vgl.Fig. 3 ) aufweisen. Die Kanäle 6 sind dabei durch dazwischen angeordnete Stege 7 mit einer jeweiligen Stegbreite bs getrennt. Das Flachrohr 5 bzw. die Flachrohre 5 bestehen dabei aus einem Material, beispielsweise Aluminium, mit einer Zugfestigkeit Rm und einem Berstdruck PBERST,IST. Der Berstdruck ergibt sich aus der Zugfestigkeit des Materials und der gewählten Geometrie des Flachrohrs. PBERST,IST ist der Berstdruck, den das Flachrohr 5 erreicht. - Die Flachrohre 5 münden dabei jeweils längsendseitig in Sammler 8, die über eine Spannvorrichtung 9 gegen den stationären Flüssigkeitstank 1 verspannt sind.
- Um nun eine bessere Temperierung, insbesondere ein besseres Erwärmen bzw. ein besseres Kühlen von in dem Flüssigkeitstank 1 gespeicherter Flüssigkeit 3 zu ermöglichen, ohne dabei ein Innenvolumen der Flachrohre 5 zu vergrößern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine wärmeübertragende Fläche zwischen der Temperiereinrichtung 2 und dem Flüssigkeitstank 1 zu vergrößern.
- Entsprechend einer ersten alternativen Ausführungsform der Erfindung ist dabei zwischen den Flachrohren 5 und dem Flüssigkeitstank 1 eine Wärmeverteilplatte 10 angeordnet, die flächig mit den Flachrohren 5 einerseits und dem Flüssigkeitstank 1 andererseits verbunden ist (vgl.
Fig. 1 und4 ). - Über eine derartige Wärmeverteilplatte 10, die insbesondere mit den Flachrohren 5 verlötet ist und dadurch einen hohen Wärmeübertrag von diesen gewährleistet, kann ein im Verhältnis zu einer Wärmeleitschicht 11 deutlich vergrößerte Wärmeleitfähigkeit geschaffen werden. Zudem verteilt die Wärmeleitplatte 10 den von einer Kontaktfläche mit den Flachrohren 5 eingetragenen Wärmestrom auf eine deutlich größere Fläche, wodurch der Wärmestrom auf dieser größeren Fläche durch die Wärmeleitschicht 11 und eine Wandung des Flüssigkeitstanks 1 geleitet wird. Eine derartige Wandung des Flüssigkeitstanks 1 kann beispielsweise aus einem Stahlkern 12 sowie einer innen- und/oder außenliegenden Emaillebeschichtung 13 bestehen (vgl.
Fig. 4 ). Durch die größere wärmeübertragende Fläche der Wärmeverteilplatte 10 kann auch ein verbesserter und erhöhter Wärmeübergang auf die Innenseite der Wandung erreicht werden. - Die Wärmeverteilplatte 10 ist dabei vorzugsweise mit einer Außenseite des Flüssigkeitstanks 1 über die zuvor beschriebene Wärmeleitschicht 11 verbunden, und weist eine Wärmeleitfähigkeit λV sowie eine Dicke dv auf (vgl.
Fig. 4 ). Die Wärmeleitschicht 11 wiederum besitzt eine Wärmeleitfähigkeit λW sowie eine Dicke dw. - Betrachtet man die Temperiereinrichtung 1 entsprechend den
Fig. 1 sowie 4 bis 5, so kann man erkennen, dass mehrere Flachrohre 5 parallel zueinander angeordnet sind und sich um den stationären Flüssigkeitstank 1 winden. Die zumindest zwei Flachrohre 5 der Temperiereinrichtung 2 besitzen dabei einen Abstand s zwischen einander (vgl.Fig. 1 und 2 ) und sind vorzugsweise derart angeordnet, dass gilt: (0,25 · λV · dV / s) < (λW · s / dW) < (4 · λV · dV / s), besonders bevorzugt: (0,5 · λV · dV / s) < (λW · s / dw) < (2 · λV · dV / s). -
- Die Stegbreite bs im jeweiligen Flachrohr 5 wird dabei bei gleicher Kanalgröße erhöht, wodurch sich ein Außenmaß des jeweiligen Flachrohres 5 und damit auch eine zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Kontaktfläche zwischen dem Flachrohr 5 und dem Flüssigkeitstank 1 vergrößert. Das sich hieraus ergebende Flachrohrdesign weicht insofern von bisherigen Designs ab, als dass die Stege 7 zwischen den einzelnen Kanälen 6 so massiv ausgeführt sind, dass sie einen wesentlich höheren Berstdruck PBERST,IST aushalten, als den nach geltender Normung erforderlichen Berstdruck PBERST,MIN. Interessant wird diese Ausführung, sofern durch eine entsprechende Auslegung der Stegbreite bs und der Kanalbreite bK der für die Anwendung geforderte Berstdruck PBERST,MIN um 20% überschritten werden kann.
- Generell macht eine solche erfindungsgemäße Ausführungsform selbstverständlich nur dann Sinn, wenn in der betrachteten Anwendung die zulässige Kältemittelmenge begrenzt ist oder die Kosten pro Volumen für flüssiges Kältemittel höher sind als für den Wärmeübertragerwerkstoff.
- Die Kanäle 6 selbst können einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wie dies gemäß der
Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, wobei sie rein theoretisch auch einen rechteckigen, nicht quadratischen oder einen runden Querschnitt besitzen können. Um eine möglichst effiziente Temperierung der Flüssigkeit 3 im Flüssigkeitstank 1 erreichen zu können, kann an den Flachrohren 5 an einer dem stationären Flüssigkeitstank 1 abgewandten Außenseite zusätzlich noch eine Isolierung 14, beispielsweise eine Styroporschale, vorgesehen werden (vgl.Fig. 1 ). Die Temperiereinrichtung 2 kann darüber hinaus einen Kältemittelkreislauf aufweisen, wobei die Flachrohre 5 einen Teil dieses Kältemittelkreislaufes darstellen. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Temperiereinrichtung 2 einen Kühlmittelkreislauf aufweist, wobei die Flachrohre 5 in diesem Fall einen Teil des Kühlmittelkreislaufs bilden. - Um die Flachrohre 5 kostengünstig und dennoch qualitativ hochwertig herstellen zu können, können diese als Strangpressprofil, insbesondere als Aluminiumstrangpressprofile, ausgebildet sein, oder alternativ als Schweißrohre. Besonders die Ausbildung als Aluminiumstrangpressprofile ermöglicht eine nahezu beliebige Ausführung der Kanäle 6 und der dazwischen angeordneten Stege 7.
- Der stationäre Flüssigkeitstank 1 kann dabei beispielsweise Bestandteil eines Wärmepumpensystems 15 sein. Insgesamt lässt sich mit der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung 2 und dem erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstank 1 eine deutlich verbesserte Temperierung der Flüssigkeit 3 bei gleichbleibendem (Innen-)Volumen der Flachrohre 5 erreichen.
Claims (10)
- Stationärer Flüssigkeitstank (1) mit einer Temperiereinrichtung (2) zum Temperieren einer Flüssigkeit (3) in dem Flüssigkeitstank (1), die zumindest ein außen mit dem Flüssigkeitstank (1) wärmeübertragend verbundenes Flachrohr (5) mit Kanälen (6) mit einer jeweiligen Kanalbreite bK und Stegen (7) mit einer jeweiligen Stegbreite bs aufweist, wobei das Flachrohr (5) aus einem Material mit einer Zugfestigkeit Rm ausgebildet ist und einen Berstdruck PBERST,IST aufweist,- wobei zwischen dem Flachrohr (5) und dem Flüssigkeitstank (1) eine Wärmeverteilplatte (10) angeordnet ist, die flächig mit dem Flachrohr (5) und dem Flüssigkeitstank (1) verbunden ist, odermit Toleranz = Fertigungstoleranzen.
- Stationärer Flüssigkeitstank nach Anspruch 1, erste Alternative,
dadurch gekennzeichnet,- dass die Wärmeverteilplatte (10) mit einer Außenseite des Flüssigkeitstanks (1) über eine Wärmeleitschicht (11) verbunden ist,- dass die Wärmeverteilplatte (10) eine Wärmeleitfähigkeit λV und eine Dicke dv aufweist,- dass die Wärmeleitschicht (11) eine Wärmeleitfähigkeit λW und eine Dicke dw aufweist,- dass zumindest zwei Flachrohre (5) parallel um den stationären Flüssigkeitstank (1) gewickelt sind, wobei zwischen zwei Flachrohren (5) ein Abstand s besteht,- dass für das Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit der Wärmeverteilplatte (10) in axialer Richtung und Wärmeverteilplatte (10) in radialer Richtung gilt:- dass bevorzugt gilt: (0,5 λV . dV / s) < (λW · s / dW) < (2 λV · dV / s). - Stationärer Flüssigkeitstank nach Anspruch 1, erste Alternative, oder nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmeverteilplatte (10) mit dem Flachrohr (5) verlötet ist. - Stationärer Flüssigkeitstank nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle (6) einen quadratischen, einen rechteckigen oder einen runden Querschnitt aufweisen. - Stationärer Flüssigkeitstank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Flachrohr (5) an einer dem stationären Flüssigkeitstank (1) abgewandten Außenseite eine Isolierung (14) aufweist. - Stationärer Flüssigkeitstank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperiereinrichtung (2) einen Kältemittelkreislauf aufweist, wobei das Flachrohr (5) einen Teil des Kältemittelkreislaufs bildet. - Stationärer Flüssigkeitstank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Flachrohr (5) als ein Strangpressprofil oder als ein Schweißrohr ausgebildet ist. - Stationärer Flüssigkeitstank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Flüssigkeitstank (1) eine Wandung mit einem Stahlkern (12) und einer innen- und/oder außenliegender Emaillebeschichtung (13) aufweist. - Stationärer Flüssigkeitstank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der stationäre Flüssigkeitstank (1) als Wassertank, insbesondere als Brauchwassertank, ausgebildet ist. - Wärmepumpensystem (15) mit einem stationären Flüssigkeitstank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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