EP4374124B1 - Wärmespeicher und wärmetauscher für diesen wärmespeicher - Google Patents

Wärmespeicher und wärmetauscher für diesen wärmespeicher

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EP4374124B1
EP4374124B1 EP22758122.0A EP22758122A EP4374124B1 EP 4374124 B1 EP4374124 B1 EP 4374124B1 EP 22758122 A EP22758122 A EP 22758122A EP 4374124 B1 EP4374124 B1 EP 4374124B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
pipe
heat
corrugated pipe
pipe portion
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EP4374124A1 (de
EP4374124C0 (de
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Robert Laabmayr
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Individual
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Definitions

  • the invention relates to a heat storage device and a heat exchanger for this heat storage device with a first and second connection, with a corrugated pipe provided in the flow path between the first and second connection, which has a first pipe section connected to the first connection and a second pipe section adjoining this first pipe section, which runs in a helical shape.
  • the thermal storage tank is designed to include a flow channel containing a corrugated heat exchanger tube.
  • the heat exchanger has two external connections on the tank, allowing the corrugated tube to be supplied with a liquid medium.
  • the corrugated tube within the tank has a first section connected to the external connection. This first section is connected to a second section, which runs helically within the flow channel.
  • the design of the second section ensures high efficiency at the heat exchanger, partly due to the turbulent flow created by the corrugated tube.
  • corrugated tubes tend to expand longitudinally under increased pressure, which can impair the tube's alignment within the flow channel and thus compromise the heat exchanger's efficiency.
  • EP 1 835 214 A1 shows a heat storage device with a corrugated pipe according to the preamble of claim 1.
  • the corrugated pipe is supported by externally mounted brackets.
  • the invention therefore aims to improve the stability of a heat storage device of the type described above in a structurally simple way with regard to higher media pressures at the heat exchanger, in order to make this heat storage device more versatile in its use.
  • the heat exchanger can withstand even higher pressures from media conveyed within it.
  • This stiffening element ensures a defined path for the corrugated tube between the connection and the coil, preventing longitudinal expansion and thus instabilities. This significantly improves the pressure resistance of the heat exchanger.
  • the heat exchanger according to the invention is therefore more versatile and, in particular, suitable for transferring media from a district heating network for heat exchange.
  • the stiffening element can be designed to end after the second turn of the helix in the second pipe section. This stiffening element can also stabilize the shape of the corrugated pipe's helix. Due to the relatively high dimensional stability of the pipe helix, it may be sufficient, for example, if the stiffening element ends after the first turn of the helix in the second pipe section. It may even be sufficient if the stiffening element ends within the second turn of the helix.
  • the design of the heat exchanger can be simplified if the stiffening element is designed as an inner tube running inside the corrugated pipe. Furthermore, an inner tube is easy to handle in the first pipe section, which can further simplify the manufacturing of the heat storage unit.
  • first and/or second connection has a connector, and a fluid-tight press fit is provided between the connector and the corrugated pipe, this can further simplify the design.
  • the stiffening in the pipe sections rests loosely against the corrugated pipe, which particularly stabilizes the pipe sections along their length and can thus further increase the stability of the heat exchanger.
  • the corrugated pipe has a third pipe section connected to the second connection, and if the heat exchanger also has an additional stiffening element within the corrugated pipe that runs through the third pipe section and terminates in the second pipe section, a heat exchanger with excellent pressure resistance along its entire length can be created.
  • the heat exchanger according to the invention may be particularly suitable for use in a heat storage system with a container for holding a heat transfer medium.
  • the connections of the heat exchanger can form external connections on the heat storage tank or be connected to external connections of the heat storage tank.
  • the heat exchanger according to the invention can be particularly advantageous in a heat storage device which has a flow channel provided in the container, which is designed to create free convection of the heat transfer medium, with the second pipe section located in the flow channel.
  • the efficiency of the heat exchanger can be increased if the flow channel in the area of the second pipe section is designed to run vertically in one direction.
  • the wall of the flow channel has thermal insulation, this can further increase the efficiency of the heat exchanger.
  • the after Fig. 1 The heat storage unit 1, as illustrated, has a container 2 which is enclosed by a container wall 3. An external insulation is attached to this container wall 3.
  • the heat transfer medium 4 of the heat-charged container 2 has a vertical temperature gradient that can be used for free convection 5.
  • a flow channel 6 is provided in the heat storage container 1.
  • the heat storage unit 1 is charged or discharged via an indirect heat exchanger 7.
  • This heat exchanger 7 has a first connection 8 and a second connection 9, between which connections 8, 9 a flow path 10 for a liquid medium 11 is formed.
  • connections 8, 9 of the heat exchanger 7 are provided in the heat storage tank 1 and connected to the external connections 80, 90 of the heat storage tank 1 via connecting lines 81, 91.
  • the connections 8, 9 of the heat exchanger on the heat storage tank 1 form external connections 80, 90 – which is not shown.
  • the heat exchanger 7 includes a corrugated pipe 12, namely a spiral corrugated pipe – preferably made of stainless steel.
  • the corrugated pipe 12 runs inside the container 2 and is connected to the two ports 8 and 9.
  • the corrugated pipe 12 has several pipe sections 13a, 13b, 13c.
  • the first pipe section 13a connects to the first connection 8.
  • the third pipe section 13c connects to the second connection 9.
  • the first and third pipe sections 13a, 13c each connect to the second pipe section 13b, which second pipe section 13b is provided in the flow channel 6 – as shown in Fig. 1 to recognize.
  • the second pipe section 13b also has a helical shape. As is known, this, in conjunction with the corrugated pipe shape, allows turbulent flow to be generated in the flow channel 6, resulting in high efficiency at the heat exchanger 7.
  • the heat exchanger 7 has a stiffening element 14.
  • This stiffening element 14 runs along the entire first pipe section 13a and ends in the second pipe section 13b with a stiffening end 14b, in particular a blunt one.
  • Fig. 2 to be seen in detail.
  • this stiffening 14 ends after a second turn 15b of the helix 15 of the second pipe section 13b - which is not shown.
  • the stiffening 14 is designed as an inner tube 14a, preferably smooth on the outside and/or inside.
  • This stiffening element 14 runs with the corrugated tube 12 into a connecting piece 16 of the first connection 8, as shown in Fig. 2 to be recognized.
  • a fluid-tight press fit 17 is provided between the connecting piece 16, the corrugated pipe 12 and the stiffening 14 in order to ensure a pressure-resistant hydraulic transition into the corrugated pipe 12 at the heat exchanger 7.
  • the stiffening element 14 rests loosely against the corrugated pipe 12 in pipe sections 13a and 13b at most – which is in the Fig. 2 This is evident. This allows a certain degree of flexibility in the corrugated pipe 12, for example to compensate for pressure fluctuations in the liquid medium 11, but the course of the corrugated pipe 12 remains fixed in these sections.
  • the second helically shaped pipe section 13b is therefore provided with a stiffener 14 at both ends. This ensures high dimensional and pressure stability.
  • a stiffening element 14 is provided in the corrugated pipe 12, which runs in the third pipe section 13c and ends in the second pipe section 13b.
  • the effective power of the heat exchanger 7 in the heat storage unit is further increased by the fact that the flow channel 6 in the area of the second pipe section 13b runs vertically in a single direction.
  • the wall 6a of the flow channel 6 has thermal insulation 18, as shown in Fig. 1 to recognize.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher und einen Wärmetauscher für diesen Wärmespeicher mit einem ersten und zweiten Anschluss, mit einem im Strömungspfad zwischen erstem und zweitem Anschluss vorgesehenes Wellrohr, das einen ersten Rohrabschnitt, der an den ersten Anschluss angeschlossen ist, und einen an diesen ersten Rohrabschnitt anschließenden zweiten Rohrabschnitt aufweist, der wendelförmig verläuft.
    • Stand der Technik
  • Zur Erwärmung eines Wärmeträgers eines Wärmespeichers ist es bekannt ( EP2489945A2 ), im Behälter des Wärmespeichers einen Strömungskanal vorzusehen, der ein Wellrohr eines Wärmetauschers aufweist. Dem Wärmetauscher sind am Behälter zwei Außenanschlüsse zugeordnet, über die das Wellrohr mit einem flüssigen Medium beschickt werden kann. Das im Behälter vorgesehene Wellrohr weist einen ersten Rohrabschnitt auf, der an den Außenanschluss angeschlossen ist. An diesen ersten Rohrabschnitt schließt ein zweiter Rohrabschnitt an, der im Strömungskanal vorgesehen ist und dort wendelförmig verläuft. Die konstruktive Ausführung des zweiten Rohrabschnitts sorgt für einen hohen Wirkungsgrad am Wärmetauscher - dies unter anderem durch die turbulente Strömung aufgrund des Wellrohrs. Nachteilig weisen Wellrohre bei erhöhtem Mediendruck die Tendenz zu Längsausdehnung auf - was den Verlauf des Wellrohrs im Strömungskanal beeinträchtigt und damit den Wirkungsgrad des Wärmetauschers gefährdet. Zudem kann eine unkontrollierte Längenausdehnung am Wellrohr die Konstruktion sowie die Lebensdauer und Funktionalität des Wärmespeichers gefährden. EP 1 835 214 A1 zeigt einen Wärmespeicher mit einem Wellrohr gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Das Wellrohr wird durch außen angebrachte Halterungen gestützt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Wärmespeicher der eingangs geschilderten Art auf konstruktiv einfache Weise in der Standfestigkeit gegenüber höheren Mediendrücken am Wärmetauscher zu verbessern, um diesen Wärmespeicher vielseitiger verwenden zu können.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Indem der Wärmetauscher eine im Wellrohr vorgesehene Versteifung aufweist, die im ersten Rohrabschnitt verläuft und im zweiten Rohrabschnitt endet, kann selbst höheren Drücken von im Wellrohr geführten Medien standgehalten werden. Die Versteifung sorgt nämlich für einen festgelegten Verlauf des Wellrohrs zwischen Anschluss und Wendel, was Längsausdehnung des Wellrohrs und damit Instabilitäten vermeidet. Dies verbessert die Druckbeständigkeit des Wärmetauschers erheblich. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist daher vielseitiger einsetzbar, insbesondere ist er auch für die Aufnahme von Medien von einem Fernheiznetzwerk zum Wärmetausch geeignet.
  • Um die Druckstabilität des Wärmetauschers weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass die Versteifung nach einer zweiten Windung der Wendel des zweiten Rohrabschnitts endet. Diese Versteifung kann damit auch den Verlauf der Wendel des Wellrohrs stabilisieren. Aufgrund einer vergleichsweise hohen Formstabilität der Rohrwendel kann beispielsweise bereits ausreichend sein, wenn die Versteifung nach einer ersten Windung der Wendel des zweiten Rohrabschnitts endet. Dabei kann ausreichend sein, wenn die Versteifung in der zweiten Windung der Wendel endet.
  • Die Konstruktion des Wärmetauschers kann vereinfacht werden, wenn die Versteifung als ein Innenrohr ausgebildet ist, das im Wellrohr verläuft. Ein Innenrohr ist zudem einfach handhabbar im ersten Rohrabschnitt vorzusehen - was die Herstellung des Wärmespeichers weiter erleichtern kann.
  • Weist der erste und/oder zweite Anschluss ein Anschlussstück auf, und ist zwischen Anschlussstück und Wellrohr ein fluiddichter Presssitz vorgesehen, kann dies die Konstruktion weiter vereinfachen.
  • Dies insbesondere, wenn das Wellrohr zwischen Anschlussstück und Versteifung vorgesehen ist und sich der Presssitz zwischen Anschlussstück, Wellrohr und Versteifung ausbildet. Zudem kann damit ein besonders druckbeständiger Übergang zwischen Anschluss und Wellrohr sicherstellen werden - was die Druckstabilität des Wärmetauschers weiter erhöhen kann.
  • Vorzugsweise liegt die Versteifung in den Rohrabschnitten lose am Wellrohr an, was die Rohrabschnitte im Verlauf besonders stabilisiert und damit die Standfestigkeit des Wärmetauschers weiter erhöhen kann.
  • Weist das Wellrohr einen dritten Rohrabschnitt auf, der an dem zweiten Anschluss angeschlossen ist. Weist der Wärmetauscher zudem eine im Wellrohr vorgesehene weitere Versteifung auf, die im dritten Rohrabschnitt verläuft und im zweiten Rohrabschnitt endet, kann ein über die gesamte Länge hinsichtlich Druckbeständigkeit hervorragender Wärmetauscher geschaffen werden.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann sich insbesondere bei einem Wärmespeicher mit einem Behälter zur Aufnahme eines Wärmeträgers eignen.
  • Dabei können die Anschlüsse des Wärmetauschers Außenanschlüsse am Wärmespeicher ausbilden oder mit Außenanschlüssen des Wärmespeichers verbunden sein.
  • Besonders kann sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher bei einem Wärmespeicher auszeichnen, der einen im Behälter vorgesehenen Strömungskanal aufweist, der zur Ausbildung einer freien Konvektion des Wärmeträgers ausgebildet ist, wobei sich der zweite Rohrabschnitt im Strömungskanal befindet.
  • Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers ist erhöhbar, wenn der Strömungskanal im Bereich des zweiten Rohrabschnitts in eine Richtung vertikal verlaufend ausgeführt ist.
  • Weist die Wand des Strömungskanals eine Wärmeisolierung auf, kann dies den Wirkungsgrad des Wärmetauschers weiter erhöhen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In den Figuren ist beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand einer Ausführungsvariante näher dargestellt. Es zeigen
    • Fig. 1 eine Schnittansicht zu einem Wärmespeicher mit einem Wärmetauscher und
    • Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht zum Wärmetauscher des nach Fig. 1 dargestellten Wärmespeichers.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Der nach Fig. 1 beispielsweise dargestellte Wärmespeicher 1 weist einen Behälter 2 auf, der von einer Behälterwand 3 umfasst ist. An diese Behälterwand 3 schließt eine Außenisolierung an.
  • Der Wärmeträger 4 des wärmebeladenen Behälters 2 weist einen vertikaler Temperaturgradienten auf, der für eine freie Konvektion 5 genützt werden kann. Zu diesem Zweck ist im Wärmespeicher 1 ein Strömungskanal 6 vorgesehen.
  • Der Wärmespeicher 1 wird über einen indirekten Wärmetauscher 7 beladen oder entladen. Dieser Wärmetauscher 7 weist einen ersten Anschluss 8 und einen zweiten Anschluss 9 auf, zwischen welchen Anschlüssen 8, 9 sich ein Strömungspfad 10 für ein flüssiges Medium 11 ausbildet.
  • Die Anschlüsse 8, 9 des Wärmetauschers 7 sind im Wärmespeicher 1 vorgesehen und mit Außenanschlüsse 80, 90 des Wärmespeichers 1 über Anschlussleitungen 81, 91 verbunden. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Anschlüsse 8, 9 des Wärmetauschers am Wärmespeicher 1 Außenanschlüsse 80, 90 ausbilden - was nicht dargestellt ist.
  • Zudem gehört dem Wärmetauscher 7 ein Wellrohr 12 zu, nämlich ein Spiralwellrohr - vorzugsweise aus Edelstahl. Das Wellrohr 12 verläuft im Behälter 2 und ist an die beiden Anschlüsse 8, 9 angeschlossen.
  • Dabei weist das Wellrohr 12 mehrere Rohrabschnitte 13a, 13b, 13c auf. Der erste Rohrabschnitt 13a schließt an den ersten Anschluss 8 an. Der dritte Rohrabschnitt 13c schließt an den zweiten Anschluss 9 an. Erster und dritter Rohrabschnitt 13a, 13c schließen jeweils an den zweiten Rohrabschnitt 13b an, welcher zweite Rohrabschnitt 13b im Strömungskanal 6 vorgesehen ist - wie in Fig. 1 zu erkennen.
  • Der zweite Rohrabschnitt 13b verläuft zudem wendelförmig. Damit kann im Zusammenhang mit der Wellrohrform bekanntermaßen im Strömungskanal 6 eine turbulente Strömung erzeugt werden, was zu einem hohen Wirkungsgrad am Wärmetauscher 7 führt.
  • Um den bekannten Nachteil eines Wellrohrs 12 hinsichtlich einer geringen Druckbeständigkeit in Längsrichtung zu beseitigen, weist der Wärmetauscher 7 eine Versteifung 14 auf. Diese Versteifung 14 verläuft entlang des gesamten ersten Rohrabschnitts 13a und endet im zweiten Rohrabschnitt 13b mit einem, insbesondere stumpfen, Versteifungsende 14b - wie Fig. 2 im Detail zu erkennen.
  • Damit kann das Wellrohr 12 auch bei höherem Innendruck des flüssigen Mediums 11 seitlich nicht ausweichen, was eine Längsausdehnung des Wellrohrs 12 verhindert. Damit ist der Wärmetauscher 7 auch gegenüber einem hohen hydraulischen Druck standfester, was die Verwendungsmöglichkeit des Wärmespeicher 1 bzw. des Wärmetauschers 7 erweitert - beispielsweise auch in Richtung eines Anschlusses an ein nicht näher dargestelltes Fernwärmenetz.
  • Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, endet diese Versteifung 14 nach einer ersten Windung 15a der Wendel 15 des zweiten Rohrabschnitts 13b. Damit ist bis zur sich selbst stabilisierenden Form der Wendel das Wellrohr 12 im Verlauf fixiert. Dies stellt eine hohe Druckbeständigkeit des Wärmetauschers 7 sicher, da die Versteifung unter anderem eine Axialbelastung des Wellrohrs 12 aufnimmt. Das Wellrohr 12 ist daher besonders standfest gegenüber axialen, zug- und/oder druckförmigen Beanspruchungen.
  • Es ist aber auch vorstellbar, dass dieses Versteifung 14 nach einer zweiten Windung 15b der Wendel 15 des zweiten Rohrabschnitts 13b endet - was nicht dargestellt ist.
  • Wie außerdem der Fig. 2 zu entnehmen, ist die Versteifung 14 als ein vorzugsweise außen und/oder innen glattes, Innenrohr 14a ausgebildet.
  • Diese Versteifung 14 verläuft mit dem Wellrohr 12 in ein Anschlussstück 16 des ersten Anschlusses 8 ein, wie in Fig. 2 zu erkennen. Zwischen dem Anschlussstück 16, dem Wellrohr 12 und der Versteifung 14 ist ein fluiddichter Presssitz 17 vorgesehen, um einen druckfesten hydraulischen Übergang in das Wellrohr 12 am Wärmetauscher 7 sicherzustellen.
  • Zudem liegt höchstens abschnittsweise die Versteifung 14 in den Rohrabschnitten 13a, 13b lose am Wellrohr 12 an - was in der Fig. 2 zu erkennen ist. Damit wird eine gewisse Beweglichkeit am Wellrohr 12 ermöglicht, um beispielsweise Druckschwankungen am flüssigen Medium 11 ausgleichen zu können, dennoch aber bleibt damit der Verlauf des Wellrohrs 12 in diesen Abschnitten fixiert. Der zweite wendelförmig verlaufende Rohrabschnitt 13b ist daher an beiden Enden mit einer Versteifung 14 versehen. Eine hohe Form- und Druckstabilität kann dadurch sichergestellt werden.
  • Der gleiche Aufbau ist auch am zweiten Anschluss 9 des Wärmetauschers vorgesehen, von dem ausgehend das Wellrohr 12 einen dritten Rohrabschnitt 13c aufweist.
  • Auch hier ist im Wellrohr 12 eine Versteifung 14 vorgesehen, die im dritten Rohrabschnitt 13c verläuft und im zweiten Rohrabschnitt 13b endet.
  • Die Wirkleistung des Wärmetauschers 7 im Wärmespeicher erhöht sich weiter, indem der Strömungskanal 6 im Bereich des zweiten Rohrabschnitts 13b in eine einzige Richtung vertikal verlaufend ausgeführt ist. Zudem weist die Wand 6a des Strömungskanals 6 eine Wärmeisolierung 18 auf, wie in Fig. 1 zu erkennen.

Claims (12)

  1. Wärmetauscher mit einem ersten und zweiten Anschluss (8, 9), mit einem im Strömungspfad (10) zwischen erstem und zweitem Anschluss (8, 9) vorgesehenen Wellrohr (12), das einen ersten Rohrabschnitt (13a), der an den ersten Anschluss (8) angeschlossen ist, und einen an diesen ersten Rohrabschnitt (13a) anschließenden zweiten Rohrabschnitt (13b) aufweist, der wendelförmig verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) eine im Wellrohr (12) vorgesehene Versteifung (14) aufweist, die im ersten Rohrabschnitt (13a)verläuft und im zweiten Rohrabschnitt (13b) endet.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifung (14) nach einer ersten, vorzugsweise in der zweiten, Windung (15a) der Wendel (15) des zweiten Rohrabschnitts (13b) endet.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifung (14) als ein Innenrohr (14a) ausgebildet ist.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Anschluss (8, 9) ein Anschlussstück (16) aufweist, und dass zwischen Anschlussstück (16) und Wellrohr (12) ein fluiddichter Presssitz (17) vorgesehen ist.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellrohr (12) zwischen Anschlussstück (16) und Versteifung (14) vorgesehen ist und dass sich der Presssitz (17) zwischen Anschlussstück (16), Wellrohr (12) und Versteifung (14) ausbildet.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifung (14) in den Rohrabschnitten (13a, 13b) lose am Wellrohr (12) anliegt.
  7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellrohr (12) einen dritten Rohrabschnitt (13c) aufweist, der an dem zweiten Anschluss (9) angeschlossen ist, und dass der Wärmetauscher (7) eine im Wellrohr (12) vorgesehene weitere Versteifung (14) aufweist, die im dritten Rohrabschnitt (13c) verläuft und im zweiten Rohrabschnitt (13b) endet.
  8. Wärmespeicher mit einem Behälter (2) zur Aufnahme eines Wärmeträgers (4) und mit dem Wärmetauscher (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Wärmespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (8, 9) des Wärmetauschers (7) mit Außenanschlüssen (80, 90) des Wärmespeichers (1) verbunden sind.
  10. Wärmespeicher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher einen im Behälter (2) vorgesehenen Strömungskanal (6) aufweist, der zur Ausbildung einer freien Konvektion des Wärmeträgers (4) ausgebildet ist, wobei sich der zweite Rohrabschnitt (13b) im Strömungskanal (6) befindet.
  11. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (6) im Bereich des zweiten Rohrabschnitts (13b) in eine Richtung vertikal verlaufend ausgeführt ist.
  12. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (6a) des Strömungskanals (6) eine Wärmeisolierung (18) aufweist.
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