WO2009071037A1 - Spiral wärmetauscher mit plattenförmigen träger - Google Patents

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Rolf Förster
Frank Hentschel
Dieter Zisowsky
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Coil-coil heat exchangers are also known as tube bundles with separated heat-transfer zones (for example French Offenlegungsschrift 2,817,332, Austrian Patent 270134).
  • Replacement Blade (RULE 26) to be flown. If an attachment is provided, this is done by clamps and clips on an inner or outer support.
  • the copper finned tube usually used for the heat exchanger for DHW heating has a high thermal conductivity, copper can go into solution in water, which has a detrimental effect on drinking water in high doses.
  • the copper finned tubes, which are always located in the high temperature range, are also prone to calcination on the drinking water side, which at the same time is the smooth side of the tube. The result is often required chemical flushing of pipes with special equipment and solvents, which in turn attack the copper of the pipes.
  • the mostly externally mounted copper fins represent for the heat exchanger transversely flowing storage water in comparison to the inside diameter very large flow cross section. As a result, the cooling of the storage water is low, the storage capacity is insufficiently utilized.
  • corrugated pipes preferably made of stainless steel, are used instead of the copper finned tubes.
  • Replacement Blade tions of the heat exchanger arranged so that it over a short distance and separated from each other by insulating material transfers the heat to the layer to be heated.
  • the invention is therefore based on the problem, a system for heat transfer in particular for the integration in water storage where with lime water with maximum utilization of storage capacity maintenance and easy to maintain and wear and without the need for external energy with low heat losses economically and safely operable.
  • the embodiment according to claim 2 makes it possible to use the heat exchanger for the heating of kalk Vietnamesem drinking water. In addition, there is a good cooling or heating of the storage water.
  • Fig. 1 shows a water storage in the form of a thermally insulated and preferably mountable on-site storage container.
  • the storage container consists of an outer bottom 1, a pressure-resistant thermal insulation 2, an inner bottom 3 on which the heat transfer column is placed.
  • the water tank shown has a heat exchanger 4 made of stainless steel corrugated pipe, which is flowed through the entire inner container height, an internally arranged fastening and thermal insulation device 5 made of plate-shaped glass fiber reinforced plastic with recesses which serve in size and shape of the stainless steel corrugated tubes 4, keep them at a distance and the thermal separation allow in particular between flow and return lines.
  • the heat exchanger is surrounded on all sides by water 6 and is liquid-tight and heat-insulating completed by the container inner bottom 1, the container inner wall 7 and the container inner lid 8 made of glass fiber reinforced plastic.
  • the inner storage container is surrounded by an additional wall and cover insulating layer 9.
  • the outer memory end form the outer memory wall 10, the memory outer bottom 1 and the outer memory cover 11.
  • Fig. 2 shows the memory top view with removed storage lid and without insulation overlooking the heat exchanger
  • the warm choirschreiber conceptual. Supply line 12 are separated from the cold choirübertrager- or return line 13 vertically by at least two radial plate-shaped thermal insulation panels 5.
  • the vertical thermal insulation panels made of glass fiber reinforced plastic are arranged so that a stable installation of the heat transfer column is made possible according to the included angle.
  • the vertical heat transfer plates are held in the center of the heat transfer column by horizontal heat transfer plates which have according to the number of vertical heat transfer plates on slots that correspond to half the diameter or half the plate dimension. Since the vertical heat transfer plates have slots of the same length, a twist-proof plug connection is provided after the vertical and horizontal heat transfer plates have been pushed together.
  • the horizontal heat transfer plates have the same
  • Replacement Blade support plates recesses for receiving the heat exchanger lines.
  • the recesses for the guidance of the cold nickelü- transformer or. Return line given.
  • these recesses serve to guide a plurality of cold and warm heat transfer lines, which are spatially and thermally separated from each other by additional vertical heat transfer plates.
  • the heat exchanger lines 4 can be arranged concentrically on a circumference as shown in FIG. 1 and FIG. 2 or distributed over a plurality of enclosures with a defined vertical spacing.
  • Fig. 3 the structural design of the heat exchanger to prevent the heat transfer through the pipes is shown at a standstill.
  • a standstill integrated in the lid insulation warm flow line 12 and cold return line 13 above the memory with a siphon 14 and for water-bearing heat transfer systems are additionally provided with a respective breather 15.
  • the breathers are mounted at the highest point of the piping system in order to remove the air contained in the piping system as completely as possible. Advantages of this arrangement are that no discharge can take place via the pipes at a standstill and the cover insulation at the same time prevents the heat exchange between the pipes and the environment.
  • Fig. 4 shows a container with three heat exchangers.
  • the heat exchanger 4 preferably for drinking water heating according to the water heater principle passes through the water tank from bottom to top.
  • the heat exchanger 16 is arranged as flat as possible in the lower region on the fiberglass support and preferably serves as a solar heat exchanger and the heat exchanger 17 is disposed in the uppermost area and is used for heat input via the reheating or heat removal for short-term provision of heating water.
  • the heat exchangers can be adapted in shape, size and number. It is also possible to set up several heat exchanger columns within a container.

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärme- bzw. Kälteübertrager für den Einbau in Behälter mit Speicherfluid vorzugsweise Wasser. Der Wärme- bzw. Kälteübertrager besteht aus Wellrohr, das zum Zwecke der thermischen Trennung auf biegesteifes Isoliermaterial vorzugsweise glasfaserverstärkten Kunststoff gewickelt wird. Dabei dienen diese Trägerplatten neben der thermischen Isolierung zwischen Vor- und Rücklaufleitung(en) auch der Gewährleistung eines definierten Abstandes zwischen den einzelnen Wickelpaketen sowie untereinander, um eine allseitige Umflutung der Rohre und einen Wärme- bzw. Kälteübergang an das Speichermedium sicherzustellen. Weitere Unterschiede zu bisherigen Speichereinbauten sind, dass die Wärme- und Kälteübertrager entsprechend des jeweiligen Bedarfs und des jeweils zur Verfügung stehenden Raumes sowie insbesondere der Größe des Zuganges zum Montageort in den geometrischen Abmaßen angepasst und vorkonfektioniert werden können. Diese Speichereinbauten sind prädestiniert für das Einbringen in einen vor Ort montierbaren Behälter. Um ein selbständiges Entladen des Speichers im Stillstand über die Aus- und Eingänge der Wärme- bzw. Kälteübertrager zu verhindern, werden die Wellrohre vor dem Verlassen der Dämmung in Form eines Siphons verlegt, wobei an der höchsten Stelle ein Entlüfter anzuordnen ist, um Luftansammlungen insbesondere in offenen Systemen (Trinkwasser, Heizungsnachspeisung) auszuschließen.

Description

SPIRALWARMETAUSCHER MIT PLATTENFORMIGEN TRAGER
Beschreibung
Stand der Technik
Es ist bekannt, Wasserspeicher im oberen Bereich mit internen Rohrschlangen- Wärmeübertragern auszurüsten, die in Sanitärsysteme eingebunden sind, um Warmwasser im Durchflussprinzip zu bereiten (zum Beispiel Schweizer Patent Nr. 180906; deutsche Offenlegungsschriften 19548816, 2325526; deutsche Patentschriften 19710803,4221668; deutsche Gebrauchsmusterschriften 29612894, 29901045, 29920954, 202004003055). Die Wärmeübertrager sind von Leiteinrichtungen umgeben. Die Führung des abgekühlten Speicherwassers erfolgt mittels sich zentral an den Wärmeübertragern anschließender Abströmleitungen in den unteren Speicherbereich.
Weiterhin ist bekannt, Wasserspeicher, die in Heizsysteme eingebunden sind, zur Beladung im unteren Bereich mit internen Rohrschlangen- Wärmeübertragern auszurüsten, die Steigrohre mit Schichteinrichtungen aufweisen (zum Beispiel deutsche Gebrauchsmusterschrift 2961 2894; österreichische Gebrauchsmusterschrift AT 007 215; deutsche Offenlegungsschrift DE 100 00 352 A 1 ; deutsche Patentschrift 4221 668). Die Einbringung des aufsteigenden erwärmten Speicherwassers erfolgt jeweils geschichtet in Speicherbereiche passenden Temperaturniveaus.
Auch sind Rohrschlangenwärmeübertrager als Rohrbündel mit separierten Wärmeübertragungszonen ( zum Beispiel französische Offenlegungsschrift 2 817 332, österreichische Patentschrift 270134) bekannt.
Wärmeübertrager- respektive Wärmetauscherbefestigungen sind ausschließlich auf einem feststehenden Geflechtkörper vorzugsweise Edelstahl oder an der äußeren Wandung mittels Halteschienen befestigt (deutsche Patentnummer P1501452) oder über kugelförmige Abstandshalter in einer Blechummantelung (deutsche Patentnummer
1947144), wobei die spiralförmigen Wärmeübertrager von außen nach innen durch-
ERSATZBLATT (REGEL 26) strömt werden. Sofern eine Befestigung vorgesehen ist, erfolgt diese durch Schellen und Klipse auf einem inneren oder äußeren Träger.
Ein weitere Lösung für eine optimierte Wärmeübertragung stellt das Koaxialwärmeübertragerrohr (deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 017 583 U1) dar, wobei der Beladestrom über den Außenringspalt und der Entnahmestrom über das Heizwasser im Innenrohr erfolgt.
Allen bekannten Lösungen gemein ist, dass der Speicherinhalt nicht optimal genutzt wird, da die Wärmeübertrager meist nur in Form eines Kreislaufes, weit unten zur Beladung von Druckspeichern oder zur Entnahme am oberen Behälterabschluss (deutsche Offenlegungsschrift 102004048884) angeordnet sind.
Die bekannten Anordnungen der Wärmeübertrager ist zudem nachteilig, da nur eine einfache Systemtrennung zwischen Belade- und Entnahmestrom gegeben ist. Eine Undichtheit im Beladesystem gefährdet die Sicherheit des Gesamtsystems, da so das Wärmeträgermedium ungehindert in den Entnahmestrom gelangen kann. Erfindungsgemäß wird dieses Defizit durch die Trennung des Speicherfluids im Behälter vom Wärmeträgerfluid in den Belade- und Entladerohren behoben.
Das meist für den Wärmeübertrager zur Trinkwassererwärmung verwendete Kupferrippenrohr weist zwar eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, Kupfer kann jedoch in Wasser in Lösung gehen, was sich im Trinkwasser in hoher Dosierung schädlich auswirkt. Die sich stets im Bereich hoher Temperaturen befindlichen Kupferrippenrohre neigen zudem auf der Trinkwasserseite, was gleichzeitig die glatte Rohrseite darstellt, zur Verkalkung. Die Folge sind häufig erforderliche chemische Spülungen der Rohre mit speziellen Einrichtungen und Lösungsmitteln, die wiederum auch das Kupfer der Rohre angreifen. Die meist außen angebrachten Kupferrippen stellen für das zum Wärmeübertrager quer strömende Speicherwasser einen im Vergleich zum Innendurchmesser sehr großen Strömungsquerschnitt dar. Im Resultat ist die Abkühlung des Speicherwassers nur gering, die Speicherkapazität wird ungenügend ausgenutzt.
Um einen besseren Wärmeübergang zu bewirken, werden an Stelle der Kupferrippenrohre Wellrohre vorzugsweise aus Edelstahl eingesetzt. Ausserdem werden Zuführlei-
ERSATZBLATT (REGEL 26) tungen des Wärmeübertragers so angeordnet, dass sie über eine kurze Distanz und voneinander durch Isoliermaterial getrennt die Wärme an die zu erwärmende Schicht überträgt.
Weiterhin kommt es in Druckspeichern durch die von aussen eingebrachten Wasserströme wie Kesselvorlauf oder Heizungsrücklauf zu Verwirbelungen und einer Störung der Schichtung, denen mit gesonderten Prallblechen und Leiteinrichtungen entgegengewirkt wird. Eine Störung der Schichtung kann auch durch eine Einbindung der warmen Zirkulationsleitung in die kalte Zuführleitung des Wärmeübertragers eintreten.
Zur Umgehung dieser Probleme ist es ferner bekannt, die Wasserspeicher mit externen Speicherlade- und Entladesystemen zu be- oder entladen (deutsche Patentschrift 4221 668; deutsches Gebrauchsmuster DE 296 12 894 U 1 ; deutsche Offenlegungsschrift DE 100 00 352 A 1). Mit einer Pumpe oder per Schwerkraft wird kaltes Wasser aus dem Speicher entnommen, in einem externen leicht spülbaren Wärmeübertrager indirekt erwärmt oder gekühlt und in einer Speicherschicht mit entsprechender Temperatur wieder in den Speicher eingeschichtet. Über die gesamte Zeit des Lade- oder Entladevorgangs herrschen nahezu gleichbleibende Temperatuverhältnisse im externen Wärmeübertrager. Umwälzpumpen sind jedoch bedeutende Energieverbraucher, ihre Funktion hängt von einer zuverlässigen Energieversorgung ab, sie unterliegen einem Verschleiß, sind korrosions- und als Spaltmotorpumpen durch die Kühlung mit dem umgewälzten Medium an ihren heißen Oberflächen verkalkungsgefährdet.
Bei freier Konvektion und Anordnung der Wärmeübertrager am Wasserspeicher außen (deutsche Offenlegungsschrift DE 100 00 352 AI) ergeben sich sehr große Strömungsquerschnitte, um die erforderliche Leistung mit dem geringen aus dem Naturumtrieb zur Verfügung stehenden Differenzdruck zu erreichen. Es sind Wärmeübertrager mit sehr großen Querschnitten erforderlich. Diese sind gegebenenfalls teuer, erfordern einen großen Bauraum und führen nicht immer zu einer befriedigenden Abkühlung des Speicherwassers.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, ein System zur Wärmeübertragung insbesondere für die Integration in Wasserspeichern wo mit kalkhaltigem Wasser unter maximaler Ausnutzung der Speicherkapazität wartungs- und instandhaltungsfreundlich sowie verschleißarm und ohne Bedarf an Fremdenergie bei geringen Wärmeverlusten wirtschaftlich und sicher betreibbar zu gestalten.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren Vorteile bestehen gemäß Anspruch 1 unter anderem darin, dass die Speicherkapazität optimal ausgenutzt wird, der Wärmeübertrager und die Befestigungseinrichtung aus einem dauerhaften Material preiswert herstellbar sind und zuverlässig im Speicher fixiert werden können und deshalb die oben beschriebenen Nachteile der Systeme des bekannten Standes der Technik an der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auftreten.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht es, den Wärmeübertrager auch für die Erwärmung von kalkhaltigem Trinkwasser einzusetzen. Ausserdem erfolgt eine gute Abkühlung oder Erwärmung des Speicherwassers.
Mit der Ausgestaltung nach den Ansprüchen 3 bis 8 wird es möglich, dass die in den Speicher eintretenden Wasserströme - zum Beispiel das Kesselvorlaufwaser, das Heizungsrücklaufwasser sowie die Warmwasserzirkulation oder die Solarwärme keine größeren Verwirbelungen und Störungen der Schichtung im Speicher hervorrufen können.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Ausführungsbeispiele
Ausführungsbθispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen 1 bis 4 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt einen Wasserspeicher in Form eines wärmegedämmten und vorzugsweise vor Ort montierbaren Speicherbehälters. Der Speicherbehälter besteht aus einem äußeren Boden 1 , einer druckfesten Wärmedämmung 2, einem inneren Boden 3 auf dem die Wärmeträgersäule gestellt wird. Der dargestellte Wasserspeicher besitzt einen über die gesamte Innenbehälterhöhe durchströmten Wärmeübertrager 4 aus Edelstahlwellrohr, eine innen angeordnete Befestigungs- und Wärmedämmeinrichtung 5 aus plattenförmigen glasfaserverstärktem Kunststoff mit Aussparungen, die in Größe und Form der Aufnahme der Edelstahlwellrohre 4 dienen, diese auf Abstand halten und die thermische Trennung insbesondere zwischen Vor- und Rücklaufleitungen ermöglichen. Der Wärmeübertrager ist allseitig von Wasser 6 umgeben und wird durch den Behälterinnenboden 1 , der Behälterinnenwand 7 und dem Behälterinnendeckel 8 aus glasfaserverstärktem Kunststoff flüssigkeitsdicht und wärmedämmend abgeschlossen. Zusätzlich wird der innere Speicherbehälter von einer zusätzlichen Wand- und Deckeldämmschicht 9 umgeben. Den äußeren Speicherabschluss bilden die Speicheraußenwand 10, der Speicheraußenboden 1 und der Speicheraußendeckel 11.
Die Fig. 2 zeigt die Speicherdraufsicht bei abgenommenen Speicherdeckel und ohne Dämmung mit Blick auf den Wärmeübertrager, wobei die warme Wärmeübertragerbzw. Vorlaufleitung 12 von der kalten Wärmeübertrager- bzw. Rücklaufleitung 13 vertikal durch mindestens zwei radiale plattenförmige Wärmedämmplatten 5 getrennt sind. Die vertikalen Wärmedämmplatten aus glasfaserverstärkten Kunststoff sind so angeordnet, dass entsprechend dem eingeschlossenen Winkel eine standsichere Aufstellung der Wärmeübertragersäule ermöglicht wird. Die vertikalen Wärmeträgerplatten werden im Zentrum der Wärmeträgersäule durch horizontale Wärmeträgerplatten gehalten die entsprechend der Anzahl der vertikalen Wärmeträgerplatten über Schlitze verfügen, die dem halben Durchmesser oder der halben Plattenausdehnung entsprechen. Da die vertikalen Wärmeträgerplatten über gleichlange Schlitze verfügen ist nach dem Zusammenschieben von vertikalen und horizontalen Wärmeträgerplatten eine verdrehsichere Steckverbindung gegeben. Die horizontalen Wärmeträgerplatten besitzen wie die verti-
ERSATZBLATT (REGEL 26) kalen Trägerplatten Aussparungen zur Aufnahme der Wärmeübertragerleitungen. Dabei ist im Ausführungsbeispiel nur die Aussparung für die Führung der kalten Wärmeü- bertrager-bzw. Rücklaufleitung gegeben. Wenn mehrere Wärmeübertrager in unterschiedlichen Höhen zum Einsatz kommen, dienen diese Aussparungen zum Führen mehrerer kalter und warmer Wärmeübertragerleitungen, die voneinander durch zusätzliche vertikale Wärmeträgerplatten räumlich und thermisch getrennt sind. Zum Zwecke der größtmöglichen Wärmeübertragung können die Wärmeübertragerleitungen 4 konzentrisch auf einem Umfang wie in Fig.1 und Fig. 2 dargestellt oder auf mehreren Umfangen mit definierten vertikalen Abstand verteilt angeordnet werden.
In Fig. 3 wird die konstruktive Gestaltung des Wärmetauschers zur Verhinderung des Wärmeaustrages über die Rohrleitungen im Stillstand gezeigt. Vorzugsweise werden die in der Deckeldämmung integrierten warme Vorlaufleitung 12 und kalte Rücklaufleitung 13 oberhalb des Speichers mit je einem Siphon 14 und für wasserführende Wärmeübertragungssysteme zusätzlich mit je einem Entlüfter 15 versehen. Die Entlüfter werden an der höchsten Stelle des Leitungssystems montiert, um die im Leitungssystem enthaltene Luft möglichst vollständig zu entfernen. Vorteile dieser Anordnung sind, dass keine Entladung über die Rohrleitungen im Stillstand erfolgen kann und die Deckeldämmung gleichzeitig den Wärmeaustausch zwischen den Rohrleitungen und der Umgebung unterbindet.
Fig. 4 zeigt einen Behälter mit drei Wärmeübertragern. Der Wärmeübertrager 4 vorzugsweise für die Trinkwassererwärmung nach dem Durchlauferhitzerprinzip durchläuft den Wasserspeicher von unten nach oben. Der Wärmeübertrager 16 ist möglichst flach im unteren Bereich auf dem GFK-Träger angeordnet und dient vorzugsweise als Solarwärmetauscher und der Wärmeübertrager 17 ist im obersten Bereich angeordnet und dient zum Wärmeeintrag über die Nachheizung oder zur Wärmeentnahme zur kurzfristigen Bereitstellung von Heizungswasser.
Zur Bereitstellung größerer Wärme~/Kältemengen können die Wärmetauscher in Form, Größe und Anzahl angepasst werden. Ebenfalls ist die Aufstellung mehrerer Wärmetauschersäulen innerhalb eines Behälters möglich.
ERSATZBLATT (REGEL 26)

Claims

Patentansprüche
1. Wärme- bzw. Kälteübertrager insbesondere zur Montage in Wasserspeicher aus mindestens einem Wellrohr, das ring-, spiral- oder schraubenförmig quer zur Behälterachse von einem Wärmeträgerfluid durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- bzw. Kältetauscher auf einen plattenförmigen wärmeisolierenden Träger gewickelt wird, der über den Außendurchmesser der Wellrohre entsprechende Schlitze bzw. Aussparungen verfügt, wodurch die Wellrohre horizontal und vertikal auf Abstand gehalten werden.
2. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens 2 nicht fluchtende Trägerplatten in axialer Richtung des Wasserspeichers erstrecken.
3. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Trägerplatten zentral durch mindestens 2 horizontale Trägerplatten gehalten werden.
4. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 und Unteransprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Trägerplatten und die vertikalen Trägerplatten zur Fixierung und gegenseitigen Stützung über gleichlange und der Dicke der jeweiligen Trägerplatte entsprechend breite Schlitze zum Fügen aufweisen.
5. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 und Unteransprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Trägerplatten jeweils zwischen zwei benachbarten vertikalen Trägerplatten über einen den Außendurchmesser der Wellrohre entsprechenden Schlitz oder Aussparung verfügen.
6. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Trägerplatten zentral an einem druckfesten Profil befestigt werden.
ERSATZBLATT (REGEL 26)
7. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrohre durch die Trägerplatten gegeneinander thermisch gedämmt sind.
8. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrohre an der höchsten Stelle vor dem Verlassen der Dämmung in Form eines Siphons verlegt werden.
9. Wärme- bzw. Kälteübertrager nach Patentanspruch 1 und Unteransprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrohre an der höchsten Stelle mit einem Entlüfter versehen werden.
ERSATZBLATT (REGEL 26)
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