EP4469733B1

EP4469733B1 - Vorrichtung zum erwärmen eines fluids

Info

Publication number: EP4469733B1
Application number: EP23703131.5A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Stahl
Original assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2025-10-08
Anticipated expiration: 2043-01-17
Also published as: DE102022000282A1; EP4469733A1; WO2023143859A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids. Das Fluid ist beispielsweise eine Flüssigkeit wie Brauchwasser oder ein Gas, z. B. Luft.
Im Stand der Technik ist es bekannt, thermische Energie aus der Anwendung von elektrischem Strom oder aus der Verbrennung von beispielsweise Propan, Butan oder in den gasförmigen Zustand überführten Dieselkraftstoff zu gewinnen und über einen Wärmetauscher auf eine Flüssigkeit, z. B. Brauchwasser zu übertragen. Es ist auch bekannt, dass solche Vorrichtungen ergänzend als Luftheizungen dienen, die somit Luft erhitzen.
Wird das jeweilige Fluid in einen Behälter eingebracht, um z. B. bei Flüssigkeiten in der Art eines Boilers zu funktionieren, so ist eine Schichtung des Fluids zu beachten. Die Schichten beziehen sich dabei auf die unterschiedlich warmen Bestandteile des Fluids und dessen daraus resultierender unterschiedlicher Dichte in dem Behälter. Wird beispielsweise eine warme Flüssigkeit von oben in einen Behälter eingeleitet, die eine Geschwindigkeitskomponente nach unten aufweist, so werden in der Regel mehrere Schichten vermischt. Dies ist auch relevant für die Entnahme aus dem Behälter: So kann z. B. bei einer Entnahme an einer oberen Stelle des Behälters eine warme Schicht nicht vollständig entnommen werden. Strömt zudem z.B. bei einer Entnahme am oberen Ende des Behälters an einer anderen Stelle kalte Flüssigkeit nach (z. B. von einem Anschluss am unteren Ende des Behälters), und hat diese nachströmende, kalte Flüssigkeit eine vertikale Komponente, wird die Schichtung auch dort gestört. Als Konsequenz kann am oberen Ende weniger Flüssigkeit mit hoher, sondern nur mit reduzierter Mischtemperatur entnommen werden. Beispiele von Behältern offenbaren beispielsweise die US 2018/0051908 A1 , die US 5,054,437 A oder die DE 10 2017 129 184 A1 .
Die EP 2 476 970 B1 offenbart einen Fluidspeicher zum geschichteten Speichern zumindest einer Wärmeträgerflüssigkeit in einem Speicherhohlraum.
Die DE 10 2017 119 429 A1 betrifft eine Vorrichtung zur vermischungsarmen Einlagerung und/oder Auslagerung von Volumenströmen in bzw. aus mit Flüssigkeit gefüllten Behältern.
Die EP 2 809 999 B1 beschreibt einen Strahlzerstäuber, der vor einem Wassereinlassrohr im Inneren eines Warmwasserspeichers angeordnet ist. Der Warmwasserspeicher hat ein Gehäuse mit einem Wassereinlass und einem Wasserauslass. Die Achse eines Wasserstrahls beim Einströmen in das Gehäuse verläuft insbesondere tangential zu diesem.
Die DE 10 2006 023 067 A1 beschreibt einen Warmwasser-Schichtspeicher mit einem Behälter, in dessen oberen Bereich je eine Zuführungs- und eine Entnahmeleitung für Warmwasser mündet.
Die DE 10 2007 027 570 B3 offenbart ein Be- und Entladesystem für einen thermischen Energiespeicher mit einem Flüssigkeitsbehälter.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids vorzuschlagen, die sich durch eine möglichst optimale Schichtung des Fluids in einem Behälter auszeichnet.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids, mit einer Energieeinheit, einem Wärmeübertrager und einem Behälter, wobei die Energieeinheit thermische Energie erzeugt, wobei der Wärmeübertrager die von der Energieeinheit erzeugte thermische Energie auf das Fluid überträgt, wobei der Behälter das Fluid aufnimmt, wobei mindestens eine Umlenkvorrichtung zum Einbringen von Fluid in den Behälter und/oder zum Entnehmen von Fluid aus dem Behälter vorhanden ist, wobei die Umlenkvorrichtung ein Ringelement aufweist, welches das Fluid führt, wobei das Ringelement eine längsseitige Öffnung aufweist, und wobei die Öffnung einen Innenraum des Behälters mit der Umlenkvorrichtung verbindet. Eine Seitenwand des Behälters ist in einem ersten Verbindungsbereich mit dem Ringelement verbunden, wobei eine Stirnseite des Behälters in einem zweiten Verbindungsbereich mit dem Ringelement verbunden ist, und wobei die Öffnung sich von dem ersten Verbindungsbereich zu dem zweiten Verbindungsbereich erstreckt. An dem ersten Verbindungsbereich oder an dem zweiten Verbindungsbereich ist ein längsseitiger Steg angeordnet, wobei der Steg die Öffnung teilweise verschließt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids verfügt über eine Energieeinheit, einen Wärmeübertrager und einen Behälter. Von der Energieeinheit wird - beispielsweise durch das Verbrennen einer Brennstoff-Luft-Mischung oder elektrisch - thermische Energie erzeugt. Diese thermische Energie überträgt ein Wärmeübertrager auf das Fluid. Das Fluid ist beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas. In einer Ausgestaltung wird die thermische Energie gemeinsam oder abwechselnd auf eine Flüssigkeit - insbesondere Wasser - und Luft - insbesondere Raumluft - übertragen. Das Fluid wird von einem Behälter aufgenommen. Dabei handelt es sich je nach Ausgestaltung um zu erwärmendes oder um erwärmtes Fluid.
Indem ein Steg vorhanden ist, wird die längsseitige Öffnung zumindest teilweise verschmälert. Der Steg erstreckt sich somit um die Längsseite des Ringelements herum und reduziert den Öffnungswinkel der Öffnung. Der Steg oder mit anderer Bezeichnung die Auskragung ist je nach Ausgestaltung eine separate Komponente oder ist ein Bestandteil des Ringelements selbst.
Weiterhin ist eine Umlenkvorrichtung vorhanden, die das Fluid so umlenkt, dass es eine bestehende Schichtung im Behälter nicht vermischt bzw. dass das aus dem Behälter entnommene Fluid nur einer Schicht entstammt. Hierfür weist die Umlenkvorrichtung ein Ringelement auf. Das Fluid wird also in einem Ring und vorzugsweise nur in einer Ebene geführt. Das Ringelement verfügt dabei über eine längsseitige Öffnung, über welche das Fluid aus dem Ringelement in den Innenraum des Behälters bzw. aus dem Behälter in das Ringelement gelangen kann. Dass es sich um eine längsseitige Öffnung handelt, bedeutet, dass sich die Öffnung z. B. entlang eines Mantels des Ringelements befindet. Es handelt sich somit insbesondere nicht um eine stirnseitige Öffnung, wie sie z. B. bei Schläuchen oder Röhren in der Regel gegeben ist. Mit anderen Worten: Das Ringelement ist seitlich über zumindest einen Teil der Längserstreckung mit einer Öffnung versehen. Die längsseitige Öffnung befindet sich insbesondere auf der Seite des Ringelements, die einer Mitte des Ringelements bzw. einer Längsachse des Behälters zugewandt ist. Die Öffnung liegt also auf der Innenseite des Ringelements.
Das Fluid verlässt das Ringelement seitlich und nach innen, sodass das Fluid sich entsprechend in der Ebene befindet und bewegt, in welcher das Ringelement angeordnet ist. Dies lässt sich auch so formulieren, dass das Fluid seitlich aus dem Ringelement in den Innenraum des Behälters hineinströmt bzw. dass das Fluid seitlich abgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Ringelement bewirkt eine gute Schichtung auch bei flachen Behältern, die ggf. nicht zylindrisch, sondern z. B. quaderförmig sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die längsseitige Öffnung schlitzförmig ausgeführt ist. Die Öffnung umfasst somit einen größeren Winkelbereich des Ringelements. Die Höhe des Schlitzes wird in den folgenden Ausgestaltungen angesprochen.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das Ringelement einteilig mit einer Stirnseite des Behälters ausgeführt ist. In dieser Ausgestaltung ist das Ringelement beispielsweise ein Teil des Deckels oder des Bodens des Behälters.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Stirnseite des Behälters zumindest in einem von dem Ringelement umfassten Bereich in Richtung des Innenraums gewölbt ist. Die Stirnseite, an welcher sich das Ringelement befindet, ist somit in dieser Ausgestaltung nach innen geneigt. Die Wölbung unterstützt eine geringe Vermischung der unterschiedlichen Fluidschichten. Wird das Fluid beispielsweise im Bereich des Deckels eingebracht, so strömt das Fluid nach dem Verlassen des Ringelements im Deckel entlang des z. B. als Oval ausgeführten Innenbereichs des Ringelements, anstatt gleich zur Mitte des Behälters zu strömen.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Stirnseite in dem umfassten Bereich fort vom Innenraum gewölbt.
In einer Ausgestaltung ist der Bereich der Stirnseite, der von dem Ringelement umschlossen ist, nach innen gekrümmt, und ist der Bereich der Stirnseite, der sich außen an das Ringelement angrenzt, flach ausgeführt oder fort vom Innenraum des Behälters gekrümmt.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das Ringelement in sich geschlossen ist. In dieser Ausgestaltung verfügt das Ringelement über keine stirnseitige Öffnung. Das Fluid tritt somit nur über die längsseitige Öffnung oder ggf. mehrere längsseitige Öffnungen in das Ringelement ein und aus. Ansonsten kreist das Fluid vollständig in dem Ringelement. Ein Übergang des in sich geschlossenen Ringelements ist lediglich über eine der folgenden Ausgestaltungen in Form eines Anschlusselements gegeben.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die längsseitige Öffnung sich vollständig um das Ringelement erstreckt. In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die längsseitige Öffnung sich nur teilweise um das Ringelement erstreckt. Die längsseitige Öffnung erstreckt sich somit je nach Ausgestaltung vollständig über eine Innenseite des Ringelements oder lediglich über einen Teil.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Anschlusselement vorhanden ist, dass das Anschlusselement außerhalb des Behälters angeordnet ist, und dass das Anschlusselement und das Ringelement miteinander so gekoppelt sind, dass das Fluid zwischen dem Anschlusselement und dem Ringelement strömen kann. Über das Anschlusselement gelangt somit das Fluid in das Ringelement bzw. gelangt das Fluid aus dem Ringelement hinaus. Das Anschlusselement befindet sich dabei insbesondere außerhalb des Behälters.
In einer Ausgestaltung mündet das Anschlusselement auf derjenigen Seite des Ringelements, welches von der längsseitigen Öffnung abgewandt ist. Dies ist also die Außenseite des Ringelements.
Eine ergänzende Ausgestaltung besteht darin, dass das Anschlusselement das Fluid tangential zu dem Ringelement führt oder von dem Ringelement abführt. Das Fluid wird somit entweder seitlich in das Ringelement eingebracht oder aus diesem entnommen. Dies hängt von der Benutzung ab.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Ringelement eine ovale Form aufweist. In dieser Ausgestaltung verfügt das Ringelement über eine große Halbachse und eine kleine Halbachse. In einer Ausgestaltung befindet sich der Übergang zwischen dem Anschlusselement und dem Ringelement entlang der großen Halbachse des Ovals. Ein möglichst großes Oval hat den Vorteil, dass die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Ebene des Ovals sehr klein ist. Die Bewegungsenergie der Fluidströmung konnte sich zudem schon im Oval abbauen, und verursacht damit keine ungewollten Verwirbelungen mit Fluid anderer Schichten.
In einer alternativen Ausgestaltung hat das Ringelement eine Kreisform.
Das Ringelement ist mit dem Behälter verbunden bzw. das Ringelement geht in den Behälter über. Dabei ist das Ringelement mit einer Seitenwand und mit einer Stirnseite verbunden bzw. ist eine Struktur des Behälters gegeben, bei welcher eine Seitenwand und eine Stirnseite in das Ringelement übergehen. Die längsseitige Öffnung, die vorzugsweise als Schlitz ausgestaltet ist, erstreckt sich dabei zwischen den beiden Verbindungsseiten am Ringelement, also zwischen der Seitenwand sowie der Stirnseite (also z. B. Deckel oder Boden des Behälters).
In einer Ausgestaltung erstreckt sich der Steg nur über einen Teil der längsseitigen Öffnung und/oder hat eine variable Ausdehnung. In dieser Ausgestaltung ist die Höhe der längsseitigen Öffnung nicht konstant, sondern variiert entlang des Ringelements. Damit lässt sich z. B. in Abhängigkeit vom jeweiligen Krümmungsradius des Ringelements steuern, wieviel Fluid das Ringelement verlassen bzw. einfließen kann.
Gemäß einer Ausgestaltung sind zwei Umlenkvorrichtungen vorhanden, wobei den zwei Umlenkvorrichtungen ein gemeinsamer Drehsinn zugeordnet ist. Die zwei Umlenkvorrichtungen befinden sich beispielsweise einmal am Deckel und einmal am Boden des Behälters. Dass beiden Umlenkvorrichtungen ein gemeinsamer - oder der gleiche - Drehsinn zugeordnet ist, bedeutet, dass sich das Fluid in beiden Umlenkvorrichtungen in die gleiche Richtung - also entweder links- oder rechts-herum - dreht. Wird somit über eine Umlenkvorrichtung das Fluid eingebracht und über die andere Umlenkvorrichtungen entnommen, so wird über den gleichen/gemeinsamen Drehsinn der Gefahr einer Verwirbelung der Temperaturschichten begegnet. Der Drehsinn in den Umlenkvorrichtungen ergibt sich in einer Ausgestaltung insbesondere über Position und Kontaktierung des jeweiligen Anschlusselements.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das Fluid eine Flüssigkeit, z. B. Brauchwasser ist. Die einzelnen Komponenten und deren Verbindungen sind somit in dieser Ausgestaltung trinkwassergeeignet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Energieeinheit durch das Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemischs und/oder durch die Umwandlung elektrischer Energie thermische Energie erzeugt. Die thermische Energie wird in dieser Ausgestaltung über das Verbrennen eines Brennstoffs, z. B. brennbares Gas oder in den gasförmigen Zustand überführter Dieselbrennstoff, oder über die Umwandlung von elektrischer Energie erzeugt.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids,
Fig. 2: eine räumliche Darstellung eines Behälters mit zwei Umlenkvorrichtungen,
Fig. 3: einen Schnitt durch den Behälter der Fig. 2,
Fig. 4: einen vergrößerten Ausschnitt eines Behälters mit drei überlagerten alternativen Ausführungen einer Umlenkvorrichtung,
Fig. 5: eine räumliche Darstellung eines Behälters mit zwei Umlenkvorrichtungen mit einer weiteren Variante und
Fig. 6: einen angeschnittenen Teil des Behälters der Fig. 5.

Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Erwärmen mindestens eines Fluids. In einer Variante erwärmt die Vorrichtung z. B. Wasser und Luft.
Die thermische Energie für die Erwärmung wird von der Energieeinheit 1 durch das Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugt und von dem Wärmeübertrager 2 auf das Fluid übertragen. Das erwärmte Fluid wird in dem gezeigten Beispiel in einen Behälter 3 eingebracht und anschließend von einem Benutzer entnommen.
In den Abbildungen Fig. 2 und Fig. 3 ist ein Behälter 3 mit zwei Umlenkvorrichtungen 4 dargestellt, die sich jeweils an den beiden Stirnseiten (also Deckel bzw. Boden) befinden. Beide Abbildungen werden gemeinsam beschrieben. Dabei zeigt Fig. 2 die Linie, an welcher der Behälter 3 für die Darstellung der Fig.3 geschnitten ist.
Der Behälter 3 hat eine flache Bauform, sodass die Höhe kleiner als ist Länge ist. Zu erkennen ist im Schnitt der Fig. 3, dass beide Stirnseiten 30 sowie die Seitenwände 32 in die Ringelemente 41 der zwei Umlenkvorrichtungen 4 übergehen. Der Behälter 3 und die Ringelemente 41 sind somit in der dargestellten Ausführung einstückig realisiert.
Die Ringelemente 41 sind in dem dargestellten Beispiel zylindrisch mit einer kreisförmigen Grundfläche ausgestaltet und sind in Richtung des Innenraums 31 des Behälters 3 mit einer Öffnung 42 versehen. Somit kann das Fluid vom Innenraum 31 in das Ringelement 41 bzw. aus einem Ringelement 41 in den Innenraum 31 gelangen.
Beim unteren Ringelement ist in dem gezeigten Schnitt zu erkennen, wie das zugehörige untere (hier auf der rückwärtigen Seite befindliche) Anschlusselement tangential in das Ringelement einmündet.
Die Ringelemente 41 sind in sich geschlossen, sodass also das Fluid bis auf die seitlichen Öffnungen 42 in ihnen kreisen kann. Dem Übergang zwischen den Ringelementen 41 und einer äußeren - hier nicht dargestellten - Peripherie, z. B. in Form von Schläuchen oder Röhren usw. dienen die Anschlusselemente 40, die jeweils tangential in das Ringelement 41 übergehen. In den Anschlusselementen 40 wird das Fluid hier jeweils nur geradlinig geführt. Wird also beispielsweise über ein Anschlusselement 40 das Fluid in den Behälter 3 eingebracht, so bewegt es sich zunächst nur linear, gelangt dann in das Ringelement 41 und wird dort im Oval geführt.
Das Ringelement 41 umfasst in der dargestellten Ausführung ein Oval, wobei dieser Teil der Stirnseite 30 nach innen, also in Richtung des Innenraums 31 gewölbt ist. Außerhalb des Ringelements 41 ist die Stirnseite in die entgegengesetzte Richtung gewölbt.
Zu erkennen ist, dass die Öffnung 42 sich über den gesamten Zwischenbereich erstreckt, an welchem die Stirnseite 30 und die Seitenwand 32 voneinander beabstandet sind.
In der Fig. 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt eines Deckels 30 mit insgesamt drei Varianten des Ringelements 41 dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Öffnung 42 durch unterschiedliche umlaufende Stege 45 verkleinert worden ist. Die Öffnung 42 würde sich ansonsten - wie in der Fig. 3 - zwischen dem ersten Verbindungsbereich 43 und dem zweiten Verbindungsbereich 44 erstrecken, über welche das Ringelement 41 mit der Seitenwand 32 bzw. mit der Stirnseite 30 verbunden ist bzw. übergeht. Die Stege 45 verengen die Öffnung 42 jeweils unterschiedlich.
Die Abbildungen Fig. 5 und Fig. 6 zeigen eine weitere Ausführung des Behälters 3 mit den Ringelementen 41, wobei hier nur die Unterschiede zu der Variante der Abbildungen Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben werden.
Die Ringelemente 41 umfassen dabei eine Kreisfläche. Weiterhin verläuft das Anschlusselement senkrecht zu der großen Längsachse des Behälters 3 und nicht - wie bei der Fig. 2 - parallel dazu.
Zu erkennen ist zudem, dass die Öffnung 42 deutlich kleiner ist, indem sich ein unterer Bereich des zylinderförmigen Ringelements 41 ausgehend von dem ersten Verbindungsbereich 43 weiter erstreckt.

Bezugszeichenliste

1: Energieeinheit
2: Wärmeübertrager
3: Behälter
4: Umlenkvorrichtung
30: Deckel
31: Innenraum
32: Seitenwand
40: Anschlusselement
41: Ringelement
42: Öffnung
43: erster Verbindungsbereich
44: zweiter Verbindungsbereich
45: Steg

Claims

Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids,
mit einer Energieeinheit (1), einem Wärmeübertrager (2) und einem Behälter (3),

wobei die Energieeinheit (1) thermische Energie erzeugt,

wobei der Wärmeübertrager (2) die von der Energieeinheit (1) erzeugte thermische Energie auf das Fluid überträgt,

wobei der Behälter (3) das Fluid aufnimmt,

wobei mindestens eine Umlenkvorrichtung (4) zum Einbringen von Fluid in den Behälter (3) und/oder zum Entnehmen von Fluid aus dem Behälter (3) vorhanden ist,

wobei die Umlenkvorrichtung (4) ein Ringelement (41) aufweist, welches das Fluid führt,

wobei das Ringelement (41) eine längsseitige Öffnung (42) aufweist,

wobei die Öffnung (42) einen Innenraum (31) des Behälters (3) mit der Umlenkvorrichtung (4) verbindet,

wobei eine Seitenwand (32) des Behälters (3) in einem ersten Verbindungsbereich (43) mit dem Ringelement (41) verbunden ist,

wobei eine Stirnseite (30) des Behälters (3) in einem zweiten Verbindungsbereich (44) mit dem Ringelement (41) verbunden ist, und

wobei die Öffnung (42) sich von dem ersten Verbindungsbereich (43) zu dem zweiten Verbindungsbereich (44) erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Verbindungsbereich (43) oder an dem zweiten Verbindungsbereich (44) ein längsseitiger Steg (45) angeordnet ist,

wobei der Steg (45) die Öffnung (42) teilweise verschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (42) schlitzförmig ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei ein Anschlusselement (40) vorhanden ist,

wobei das Anschlusselement (40) außerhalb des Behälters (3) angeordnet ist,

wobei das Anschlusselement (40) und das Ringelement (41) miteinander so gekoppelt sind, dass das Fluid zwischen dem Anschlusselement (40) und dem Ringelement (41) strömen kann, und

wobei das Anschlusselement (40) das Fluid tangential zu dem Ringelement (41) führt oder von dem Ringelement (41) abführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei Umlenkvorrichtungen (4) vorhanden ist, und wobei den zwei Umlenkvorrichtungen (4) ein gemeinsamer Drehsinn zugeordnet ist.