DE10007574C2 - Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen mindestens drei Wärmeträgermedien und Wärmeübertrager zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen mindestens drei Wärmeträgermedien gemäß den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1 sowie einen Wärmeübertrager zur Durchführung des Verfah­ rens gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 2.

Es ist bekannt, die Warmwasserbereitung im Durchflussprinzip, zum Beispiel in Wohngebäuden mit Fernwärmeversorgung zweistufig zu gestalten (Zschernig, Durchflusswassererwärmung contra Speicherlade­ system - Entwicklungstendenzen bei Hausanschlussstationen, Vortrag, gehalten anlässlich der 13. Fachmesse Fern-/Nahwärmetechnik am 19.02.1998 in Essen). Dazu werden üblicherweise zwei gelötete Plat­ tenwärmeübertrager brauchwasserseitig in Reihe geschaltet, wobei die erste Stufe mit Rücklaufwasser aus dem Heizsystem des versorgten Ge­ bäudes und die zweite Stufe mit Vorlaufwasser aus dem Fernwärme­ system oder anderen Wärmequellen betrieben wird, welches nach der zweiten Stufe ebenfalls der ersten Stufe zugeführt wird.

Ziel der zweistufigen Gestaltung der Brauchwasserbereitung ist die tiefere Auskühlung des Heizungsrücklaufwassers vor der Wiedereinlei­ tung in das Fernwärmesystem durch die Nutzung des Kältepotenzials des zu erwärmenden kalten Brauchwassers.

Dabei ergeben sich in der bekannten Ausführung eine aufwendige Ver­ rohrung zwischen den beiden Wärmeübertragern, ein hoher Druckverlust und Platzaufwand. Im Winter bei Heizbetrieb und hoher Heizungsrück­ lauftemperatur steht nur der Apparat der ersten Stufe der Rücklauf­ auskühlung zur Verfügung, die zweite Stufe wird nur teilweise oder gar nicht genutzt.

Für die zweistufige Brauchwasserbereitung ist es wegen der praktisch unbegrenzten Anzahl der Varianten der die Auslegung beeinflussenden Parameter der Heiz- und Brauchwasserbereitungssysteme nicht möglich, Baugrößen vorzubestimmen und serienmäßig herzustellen. Vielmehr wird jede Anlage für den konkreten Anwendungsfall ausgelegt. Dabei besteht die Schwierigkeit in der Auslegung bzw. Auswahl der Wärme­ übertrager und insbesondere in der Leistungsaufteilung zwischen den Stufen in Ermangelung allgemein gültiger Auslegungsrichtlinien.

Zur Lösung einiger der genannten Probleme ist es ferner bekannt, die beiden gelöteten oder geschraubten Plattenwärmeübertrager für die zweistufige Warmwasserbereitung in einem Apparat zu vereinen (z. B. Singer N. M. u. a., Plattenwärmeübertrager in Systemen der Wärmever­ sorgung, Ekonomija Topliwa i Elektroenergii, Moskau, Energoatomisdat, 1995, S. 183-184). Dabei kann die externe Verroh­ rung durch die Vereinigung der beiden Wärmeübertrager und deren in­ terne hydraulische Kopplung zum Teil vereinfacht werden. Auch können bei geschraubten Apparaten nachträglich Korrekturen an der Platten­ anzahl und damit an der Wärmeübertragerleistung und an der Auftei­ lung der Leistung zwischen den Stufen vorgenommen werden. Dies wird jedoch mit einem höheren Wärmeübertragerpreis gegenüber gelöteten Apparaten und der Gefahr von Undichtheiten an den geschraubten Plat­ ten-Dichtungspaketen erkauft. Der Platzbedarf ist nicht wesentlich geringer, da um den geschraubten Apparat herum die Möglichkeit der Demontage des Plattenpaketes vorgesehen werden muss.

Aus dem Automobilbau ist ein Wärmeübertrager zur Nutzung der Wärme der Abgase zu Heizungszwecken bekannt (DE 31 03 198 A1). Dieser Wär­ meübertrager besteht aus zwei u. a. in Reihe geschalteten Einzelwär­ meübertragern unterschiedlicher Charakterisitik. Die Gesamtwärme­ übertragerleistung wird an den schwankenden Wärmeanfall und Wärmebe­ darf, u. a. durch die reduzierte Nutzung der Gesamtwärmeübertra­ gerfläche angepasst. Dazu dient eine Absperrvorrichtung in Form einer verstellbaren Klappe in der Trennwand der Einströmkammern der beiden Einzelwärmeübertrager. Durch Öffnen der Verstellklappe können die Abgase den ersten Wärmeübertrager mehr oder weniger umgehen, bei Reihenschaltung der beiden Wärmeübertrager bis zu 100%. Der be­ kannte Wärmeübertrager dient der Wärmeübertragung zwischen zwei Me­ dien, für die Wärmeübertragung zwischen drei Medien ist dieser Wär­ meübertrager nicht geeignet. Die Verstellklappe dient der Reduzie­ rung der Gesamtwärmeübertragerleistung u. a. durch Umgehung des ersten der in Reihe geschalteten Wärmeübertrager. Dies ist für das Ziel der Leistungsanpassung des Wärmeübertragers in einem Kraftfahr­ zeug geboten, nicht jedoch für eine möglichst tiefe Auskühlung der Wärmeträgermedien.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Wärmeübertrager zur Durchführung des Verfahrens aufzuzeigen, mit welchem die Wärmeübertragung zwi­ schen mindestens drei Wärmeträgermedien effektiver gestaltet werden kann.

Die Erfindung löst den verfahrensmäßigen Teil durch die Maßnahmen im Patentanspruch 1 und gegenständlich durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 2.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile beste­ hen gemäß Patentanspruch 1 insbesondere darin, dass für die Wärme­ übertragung zwischen mindestens drei Wärmeträgermedien nur ein mög­ lichst serienmäßiger Wärmeübertrager erforderlich ist.

Speziell für die zweistufige Warmwasserbereitung ist unter Nutzung der Erfindung lediglich ein vordringlich gelöteter serienmäßiger Plattenwärmeübertrager erforderlich.

Eine vorteilhafte gegenständliche Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Durch die gezielte Einpassung einer Trennvorrichtung in zumindest eine Anschlusskammer von Wärmeübertragern können in zumindest einem der Strömungsräume des Wärmeübertragerpakets zwei Wärmeträgermedien geführt werden. Für die zweistufige Warmwasserbereitung zum Beispiel können durch die Einpassung einer Trennvorrichtung in die Heizwas­ serzulaufkammer in diese sowohl der Heizwasserrücklauf als auch der Fernwärmevorlauf eingeführt werden. Durch die Regelung der Fernwär­ mevorlaufmenge erfolgt automatisch und stufenlos und damit optimal eine Aufteilung der von den beiden Heizwasserströmen genutzten Wär­ meübertragerteilflächen. Dabei ist eine Vermischung der beiden Ströme im Wärmeübertragerpaket wegen der geringen Abmessungen der Strömungskanäle praktisch ausgeschlossen, sofern eine saubere Tren­ nung der Wärmeträgermedien in der Heizwasserzulaufkammer erfolgt.

Mit dem zweiten Wärmeübertrager entfallen auch dessen Verrohrung, Platzbedarf und Druckverlust. Insgesamt werden eine beträchtliche Vereinfachung des Warmwasserbereiters, eine kürzere Montagezeit und im Ergebnis eine nicht unerhebliche Kostensenkung erzielt.

Es wird den Baugrößen der Wärmeübertrager entsprechend die Schaffung von Baugrößen der zweistufigen Warmwasserbereitung möglich. Die Aus­ wahl einer Baugröße wird wesentlich vereinfacht.

Zusätzlich kann eine ähnliche Trennvorrichtung in der das Brauchwas­ ser zuführenden Anschlusskammer vorgesehen werden, um einen geson­ derten Zuführkanal für das rezirkulierte Brauchwasser zu erhalten, welches mit höherer Temperatur als das Frischwasser eintritt.

Es ist möglich, die vorgeschlagene Trennvorrichtung in gelöteten oder geschraubten Plattenwärmeübertragern, im Mantel- oder Rohrraum von Rohrbündelwärmeübertragern, in Spiralwärmeübertragern und ande­ ren Wärmeübertragerbauformen einzusetzen.

Auch sind andere Anwendungsfälle für den zwei- oder mehrstufigen Wärmeübertrager mit gleichartigen Wärmeträgermedien mit variablen oder festen Mengenstromverhältnissen denkbar.

Die Ausgestaltung nach Patentanspruch 3 ermöglicht es, wenigstens in einen Strömungsraum von Wärmeübertragern zumindest zwei Wärmeträger­ medien gleichzeitig einzuführen, indem an diesem Strömungsraum zu­ mindest eine zusätzliche Anschlusskammer angebracht wird.

Die Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 gewährleistet, dass die mischbaren Wärmeträgermedien möglichst unvermischt durch die An­ schlusskammer/n geschleust werden.

Nach Patentanspruch 5 kann die Trennvorrichtung rohrförmig ausgebil­ det sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt einen serienmäßigen Wärmeübertrager 1, zum Bei­ spiel einen Plattenwärmeübertrager, bestehend aus den die Wärmeträ­ germedien zu- bzw. abführenden Anschlusskammern 2 und dem die Wärme übertragenden Wärmeübertragerpaket 3, wobei in eine der Anschluss­ kammern 2 nachträglich eine zungenförmige Trennvorrichtung 4 mit Stützstrebe 4a eingeführt ist, welche durch eine kammförmige Ausbil­ dung an beiden Längskanten bis in die entsprechenden Strömungskanäle hineinragt, wobei die Zähne der Trennvorrichtung 4 in ihrer Breite den Wärmeträgerkanälen entsprechen und die Zahnabstände der Blech­ stärke des Wärmeübertragerpaketes 3. An die sich bildenden Zufluss­ räume 5 und 6 sind zwei Wärmeträgerzuführkanäle 7 und 8 gesondert angeschlossen.

Der Wärmeübertrager 1 arbeitet als zweistufiger Warmwasserbereiter folgendermaßen:
Das zu erwärmende Wasser wird mit 5°C über eine der Anschlusskam­ mern 2, z. B. die untere, dem Wärmeübertrager 1 zugeführt, durch­ strömt die entsprechenden Strömungskanäle des Wärmeübertragerpaketes 3 und sammelt sich erneut in der gegenüberliegenden oberen An­ schlusskammer 2, erwärmt auf 50°C. Zur Vorwärmung des zu erwärmen­ den Wassers dient das Rücklaufwasser aus der Heizung mit 40°C, wel­ ches über den Wärmeträgerzuführkanal 8 und den Zuflussraum 6 in die entsprechenden Strömungskanäle gelangt. Zur Nachwärmung dient das Fernwärmevorlaufwasser mit 78°C, welches über den Wärmeträgerzu­ führkanal 7 und den Zuflussraum 5 in dieselben Strömungskanäle ge­ langt. Die zungenförmige Trennvorrichtung 4 in dieser Anschlusskam­ mer 2 verhindert sicher, dass sich die beiden Wärmeträgermedien vor dem Eintritt in die Strömungskanäle vermischen. Dazu ist die zungen­ förmige Trennvorrichtung 4 an der Innenwand der Anschlusskammer 2 eng anliegend und ragt mit ihren kammförmigen Zähnen beidseitig bis in die Strömungskanäle hinein. Da die zungenförmige Trennvorrichtung 4 mit ihren Zähnen in die Strömungskanäle hineinragt, teilt sie den Querschnitt dieser Kammer 2 in zwei ungleiche Segmente. Das kleinere Segment ist dem Fernwärmevorlauf als Wärmeträgermedium mit dem höhe­ ren Vordruck und der geringeren Durchsatzmenge zugeteilt, das größere Segment dem Heizungsrücklauf mit dem geringeren Vordruck und der größeren Durchsatzmenge. Damit das Fernwärmevorlaufwasser mit seinem höheren Druck nicht die zungenförmige Trennvorrichtung 4 in Richtung Zuflussraum 6 des Heizungsrücklaufwassers mit dem niedrige­ ren Druck verbiegt, hat die zungenförmige Trennvorrichtung 4 auf der Seite des Zuflussraumes 6 eine zusätzliche Stützstrebe 4a. Die zun­ genförmige Trennvorrichtung 4 ist unter einem solchen Winkel in der Anschlusskammer 2 angeordnet, dass eine möglichst große Fläche des Wärmeübertragerpaketes 3 auch von dem Rücklaufwasser überstrichen wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Temperatur des Rücklaufwassers zur Warmwasserbereitung ausreicht und kein zu­ sätzliches Fernwärmevorlaufwasser zur Nachwärmung erforderlich ist.

Der Erwärmung dient vorrangig das Rücklaufwasser aus der Heizung. Nur die zur Erreichung der gewünschten Endtemperatur des Warmwassers erforderliche Restwärme wird durch das Fernwärmevorlaufwasser einge­ bracht. Dieses strömt über den Wärmeträgerzuführkanal 7 und den Zu­ flussraum 5 zusätzlich in die entsprechenden Strömungskanäle, wo es kolbenförmig das Rücklaufwasser aus der Heizung verdrängt. Dadurch ergibt sich praktisch automatisch auch ein gewisser Warmwasservor­ rang vor der Heizung. Eine Vermischung kommt in den Strömungskanälen durch deren geringe Abmessungen von wenigen Millimetern praktisch nicht zustande. Je nach Mengenverhältnis überstreicht das Fernwärme­ vorlaufwasser einen mehr oder weniger großen Teil der Fläche des Wärmeübertragerpaketes 3, die dem Austritt des Warmwassers nahegele­ gen ist. Etwa auf die Temperatur des Rücklaufwassers von 50°C abge­ kühlt, strömen die beiden Wärmeträgermedien nun parallel durch die Strömungskanäle der gegenüberliegenden Anschlusskammer 2 zu, in wel­ cher sie sich vermischen und mit ca. 27°C als Fernwärmerücklaufwas­ ser austreten.

Die Fig. 2 zeigt einen Wärmeübertrager 1 mit den üblichen die Wärmeträgermedien zu- und abführenden Anschlusskammern 2, dem die Wärme übertragenden Wärmeübertragerpaket 3 und einer zusätzlichen Anschlusskammer 9.

Der Wärmeübertrager 1 kann im Gegensatz zu dem oben angeführten Beispiel vorteilhafterweise als einstufiger Warmwasserbereiter eingesetz werden:
Das zu erwärmende Trinkwasser wird mit 5°C über die obere Anschlusskammer 2 dem Wärmeübertrager 1 zugeführt, durchströmt die entsprechenden Wärmeträgerkanäle des Wärmeübertragerpaketes 3 und sammelt sich erneut in der seitlichen Anschlusskammer 2, erwärmt auf 50°C. Über die zusätzliche Anschlusskammer 9 wird das rezirkulierte Brauchwasser aus dem Hausnetz mit ca. 45°C in die selben Wärmeträgerkanäle gesondert eingeleitet. Zur Erwärmung dient das Fernwärmevorlaufwasser mit 78°C, welches über die untere Anschlusskammer 2 in die übrigen Wärmeträgerkanäle gelangt. Die Anschlusskammern 2 und 9 sind soweit voneinander entfernt angeordnet, dass sicher verhindert wird, dass sich die beiden Wärmeträgermedien unmittelbar beim Eintritt in die Wärmeträgerkanäle miteinander vermischen. Die größere Anschlusskammer 2 ist dem Kaltwasser als Wärmeträgermedium mit dem höheren Vordruck und der größeren Durchsatzmenge zugeteilt, die kleinere Anschlusskammer 9 - dem Zirkulationswasser mit dem geringeren Vordruck und der geringeren Durchsatzmenge. Die Anschlusskammern 2 und 9 sind so angeordnet, dass eine möglichst große Fläche des Wärmeübertragerpaketes von dem Kaltwasser überstrichen wird. Dies dient dazu, dass mit dem Kaltwasser der Fernwärmerücklauf möglichst weit ausgekühlt wird und die hohe Temperatur des Zirkulationswassers dem nicht störend entgegenwirkt. Dies geschieht bei herkömmlichen einstufigen Warmwasserbereitern, bei denen der kalte Trinkwasser- und der warme Zirkulationswasserstrom vor dem Wärmeübertrager vermischt werden, so dass der Fernwärmerücklauf nicht tiefer, als bis zu der sich auf der kalten Seite ergebenden Mischtemperatur abgekühlt werden kann.

Das Trinkwasser strömt bei Zapfung über die Sammelkammer 2 zusätzlich in die Wärmeträgerkanäle, wo es kolbenförmig das Zirkulationswasser verdrängt. Selbst kleinste Warmwasserzapfmengen führen so bereits zu einer wunschgemäßen Fernwärmerücklauf­ auskühlung. Gleichzeitig ergibt sich praktisch automatisch ein gewisser Warmwasservorrang vor der Zirkulation. Dies ist grundsätzlich nicht nachteilig, da bei maximaler Warmwasserzapfung eine Zirkulation praktisch überflüssig ist, da hier an allen Zapfstellen warmes Wasser anliegt.

Eine Vermischung von Trink- und Zirkulationswasser kommt in den Wärmeträgerkanälen durch deren geringe Abmessungen von wenigen Millimetern praktisch nicht zustande. Je nach Mengen- und Druckverhältnis überstreicht das Zirkulationswasser einen mehr oder weniger großen Teil der Fläche des Wärmeübertragerpaketes, die dem Austritt des Warmwassers nahegelegen ist. Die beiden Wärmeträgermedien strömen parallel durch die Wärmeträgerkanäle der seitlichen Anschlusskammer 2 zu, aus welcher sie mit 50°C als Warmwasser vermischt austreten.

Die Fig. 3 zeigt einen Wärmeübertrager 1 mit den üblichen die Wärmeträgermedien zu- und abführenden Anschlusskammern 2, dem die Wärme übertragenden Wärmeübertragerpaket 3 und einer zusätzlichen rohrförmigen Trennvorrichtung 4.

Bezugszeichenaufstellung

1

Wärmeübertrager

2

Anschlusskammer

3

Wärmeübertragerpaket

4

Trennvorrichtung

4

a Stützstrebe

5

Zuflussraum

6

Zuflussraum

7

Wärmeträgerzuführkanal

8

Wärmeträgerzuführkanal

9

zusätzliche Anschlusskammer.

Claims (5)

1. Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen mindestens drei Wärmeträgermedien in einem Wärmeübertrager, wobei mindestens zwei der Wärmeträgermedien in dem Wärmeübertrager miteinander vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte oder jedes weitere Wärmeträgermedium zunächst ohne vorherige Mischung neben dem zweiten Wärmeträgermedium in einen Strömungsraum eines Wärmeübertragers eingeführt wird, so dass in dem Strömungsraum das zweite Wärmeträgermedium zumindest zonenweise von dem dritten oder jedem weiteren Wärmeträgermedium verdrängt wird, worauf die Wärmeträgermedien weitgehend unvermischt parallel durch den Strömungsraum hindurch geleitet werden, während gegebenenfalls im Betrieb oder im Stillstand automatisch oder per Hand der Ort der Einführung des dritten oder jedes weiteren Wärmeträgermediums in den Strömungsraum gewählt wird, so dass zwischen den Wärmeträgermedien in den beiden Strömungsräumen in jedem Betriebsfall eine optimale Wärmemenge übertragen wird.

2. Wärmeübertrager (1) für die zwei- oder mehrstufige Wärmeübertragung zwischen mindestens drei Wärmeträgermedien zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit die Wärmeträgermedien zu- oder abführenden Anschlusskammern (2) und einem Wärme übertragenden Wärmeübertragerpaket (3), dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest eine Anschlusskammer (2) zwei Wärmeträgerzuführkanäle (7, 8) angeschlossen sind, wobei die Anschlusskammer (2) von einer in die Anschlusskammer (2) eingepassten Trennvorrichtung (4) in zwei Zufluss­ räume (5, 6) aufgeteilt ist, wobei die Trennvorrichtung (4) bis in Strömungskanäle des Wärmeübertragerpakets (3) hineinragen kann und ge­ gebenenfalls im Betrieb oder im Stillstand automatisch oder per Hand im Einbauwinkel und/oder der Eintauchtiefe in die Strömungskanäle variier­ bar ist.

3. Wärmeübertrager nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass zumindest eine ein drittes Wärmeträgermedium zuführende Anschlusskammer (9) an das Wärmeübertragerpaket (3) angeschlossen ist.

4. Wärmeübertrager nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trennvorrichtung (4) kammfömig ausgebildet ist mit in die Strömungskanäle hineinragenden Zähnen.

5. Wärmeübertrager nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (4) rohrförmig ausgebil­ det ist.