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Die
Erfindung betrifft einen Durchlauf-Erhitzer für eine Nutzflüssigkeit
mit einem Speicherbehälter,
der eine wärmeabgebende
Flüssigkeit
aufnimmt.
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Derartige
Durchlauf-Erhitzer sind bekannt. Der Ausdruck bedeutet, dass die
Nutzflüssigkeit
erwärmt
wird, indem sie innen durch die Rohre eines Wärmeaustauschers hindurchströmt, der
von außen beheizt
wird. Die Nutzflüssigkeit
wird also nicht etwa dadurch erwärmt,
dass ein größerer Vorratsbehälter der
Nutzflüssigkeit
dauernd beheizt wird. Ein praktisches Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Durchlauf-Erhitzer
ist die Bereitstellung von Nutz- oder Brauchwasser in Wohngebäuden. Das Brauchwasser
wird dort für
die Zwecke des Haushalts, der Küche
und im Bad zum Baden oder Duschen benötigt. Das Besondere der Brauchwasser-Entnahme besteht
darin, dass in unregelmäßigen Abständen stark
schwankende Mengen von Brauchwasser zu entnehmen sind. Die zur Verfügung stehende
Menge an entnehmbarer Nutzflüssigkeit
ist oftmals nicht ausreichend.
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Ein
Beispiel für
einen Durchlauf-Erhitzer aus dem Stand der Technik zeigt die
DE 41 42 488 A1 . Bei
diesem Durchlauf-Erhitzer ist die Erwärmung der Nutzflüssigkeit
mit der Erwärmung
des Heizungswassers kombiniert. Die Abgase eines Gasbrenners durchströmen eine
gewendelte Rohrschlange, die aus einem Koaxialrohr gebildet ist.
Durch das Innenrohr des Koaxialrohres strömt bei Entnahme die Nutzflüssigkeit,
während
das Heizungswasser in dem Ringraum zwischen dem Innen- und dem Außenrohr
geführt
ist. Damit ständig
eine genügende Menge
von Nutzflüssigkeit
zur Verfügung
gestellt werden kann, ist dem Koaxialrohr-Wärmeaustauscher ein Speicherbehälter für die Nutzflüssigkeit nachgeschaltet.
Dieser Speicherbehälter
ist ein nach dem Verdrängungsprinzip
arbeitender Schichtenspeicher; die Nutzflüssigkeit wird von einer Ladepumpe
in Kreislauf durch den Koaxialrohr-Wärmeaustauscher und den Schichtenspeicher
gefördert. Die
Entnahme der Nutzflüssigkeit
erfolgt aus dem Schichtenspeicher.
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Eine
andere Ausführung
zeigt ein Durchlauf-Erhitzer gemäß der
DE 198 07 657 C1 .
Bei dieser bekannten Ausführung
ist ein Wärmeaustauscher aus
gewendelten Rohren in einem Speicherbehälter angeordnet. Der Speicherbehälter ist
mit Wasser gefüllt,
das durch verschiedene Einrichtungen erwärmt wird. Hierzu kann ein eingebauter
oder danebenstehender Heizkessel dienen. Zusätzlich kann auch eine Solaranlage
oder eine Wärmepumpe
zum Erwärmen des
Spei cherwassers dienen. Für
die Nutzflüssigkeit ist
kein eigener Speicher vorgesehen. Damit die Wärmekapazität des Speicherwassers ausreicht,
stets eine genügende
Menge von Nutzflüssigkeit
aufzuheizen, muss der Speicherbehälter genügend groß dimensioniert sein, und es
muss die Möglichkeit
bestehen, ihn kurzzeitig stark aufzuheizen.
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Wieder
eine andere Möglichkeit
zeigt die
DE 38 27
585 C2 . Diese Schrift behandelt einen Brauchwasser-Speichererhitzer.
Ein groß dimensionierter Speichererhitzer
dient zur Aufnahme der Brauch- oder Nutzflüssigkeit. In dem Speicherbehälter ist
zudem ein Wärmeaustauscher
aus gewendelten Rohren eingebaut. Die Rohre sind nach Art eines
zylindrischen Gewindeganges angeordnet. Ein erster Abschnitt des
Wärmeaustauschers
ist mit Koaxialrohren versehen, wobei in einem Außenrohr
ein Innenrohr angeordnet ist. In das Innenrohr tritt die kalte Nutzflüssigkeit
ein und geht am Ende des Innenrohres in das Innere des Speicherbehälters über. In
dem Außenrohr
ist eine wärmeabgebende
Flüssigkeit
geführt,
die zunächst
den ganzen Querschnitt des Außenrohres
ausfüllt
und sodann in dem Ringraum zwischen Außen- und Innenrohr geführt ist.
Im Bereich des Koaxialrohres strömt
die wärmeabgebende
Flüssigkeit
im Gegenstrom zur Nutzflüssigkeit.
Bei dieser Anordnung erwärmt
die einlaufende wärmeabgebende
Flüssigkeit
somit zunächst
die bereits im Speicherbehälter
befindliche Nutzflüssigkeit
und sodann im Wärmeaustausch
mit dem Innenrohr des Koaxialrohres auch direkt die einströmende kalte
Nutzflüssigkeit.
Die wärmeabgebende
Flüssigkeit
wird dadurch bereits gut ausgenutzt; es ist aber noch immer ein
sehr großer
Speicherbehälter
für die
Nutzflüssigkeit
erforderlich.
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DE 195 35 265 C1 zeigt
einen in einem Behälter
eines Heißwasserbereiters
befindlichen Zweikammer-Wärmetauscher,
der aus zwei koaxialen schraubenartig gewendelten Rohren ausgebildet
ist. Dabei wird eine Nutzflüssigkeit
in ein Innenrohr des Zweikammer-Wärmeaustauschers durch Zufuhr
von Frischwasser in den Behälter
verdrängt,
und fließt durch
einen Ausfluss, der mit dem Innenrohr verbunden ist, aus dem Heißwasserbereiter.
In dem ringförmigen
Außenbereich
des Zweikammer-Wärmetauschers
fließt
im Gegenstrom Frischwasser in den Behälter. Auch bei dieser Vorrichtung
muss immer das gesamte im Behälter
gespeicherte Medium auf der gewünschten
Entnahmetemperatur gehalten werden, da die Nutzflüssigkeit
dem Behälter
direkt entnommen wird.
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DE 20 2004 016 209
U1 zeigt einen als Druckbehälter ausgebildeten Wärmetauscher,
wobei der Innenraum des Druckbehälters
mit einer Solelösung
gefüllt
ist und unter Druck steht. Das zu erwärmende Frischwasser (Brauchwasser)
fließt
von einem ersten Leitungsanschluss am Wärmetauscher über eine
Frischwasserleitung durch den Innenraum hindurch zu einem zweiten
Leitungsanschluss am Wärmetauscher.
Die Frischwasserleitung weist in einem Bereich einen Doppelrohrübertrager
mit koaxial verlaufenden Rohren auf, wobei das Frischwasser durch
den Ringraum zwischen dem innerem und dem äußerem Rohr fließt. Im Rohrraum
des inneren Rohres kondensiert ein Kältemittel entgegen der Strömungsrichtung
des Frischwassers. Ferner weist der Wärmetauscher eine elektrische
Widerstandsheizung, welche in den Innenraum hineinragt, sowie Anschlüsse für externe
Warmwassererzeuger (Solaranlage oder Feststoffbrennkessel) zur Erwärmung der Solelösung auf.
Zur Erwärmung
von Heizwasser weist der Wärmetauscher
einen weiteren Doppelrohrübertrager
auf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchlauf-Erhitzer für eine Nutzflüssigkeit
mit einem Speicherbehälter
zu schaffen, der eine wärmeabgebende
Flüssigkeit
aufnimmt, wobei durch eine Verbesserung des Wärmeüberganges auf einen Vorratsspeicher
für die
Nutzflüssigkeit
verzichtet werden kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs
1.
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Sie
besteht somit in einem Durchlauf-Erhitzer für eine Nutzflüssigkeit,
mit einem Speicherbehälter,
der eine wärmeabgebende
Flüssigkeit
aufnimmt, und mit einem Koaxialrohr-Wärmeaustauscher,
der in dem Speicherbehälter
angeordnet ist und aus einem gewendelten Außenrohr sowie einem in diesem befindlichen
Innenrohr besteht, wobei das Innenrohr von derselben wärmeabgebenden
Flüssigkeit
durchströmt
wird, die in dem Speicherbehälter
enthalten ist, während
der Ringquerschnitt zwischen dem Innen- und Außenrohr von der Nutzflüssigkeit
durchströmt
wird und das Innen- und Außenrohr
nach Flüssigkeitsführung und
Anschlüssen
vollständig
getrennt sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Durchlauf-Erhitzer
wird die durch den Koaxialrohr-Wärmeaustauscher
strömende
Nutzflüssigkeit
gleichzeitig von innen und von außen aufgeheizt. Das Aufheizen
von innen erfolgt durch die wärmeabgebende
Flüssigkeit, die
durch das Innenrohr des Koaxialrohres strömt. Das Aufheizen von außen erfolgt
durch die in dem Speicherbehälter
befindliche wärmeabgebende
Flüssigkeit.
Dadurch lässt
sich der Wärmeübergang
sehr günstig
gestalten, und auch der Speicherbehälter für die wärmeabgebende Flüssigkeit
muss nicht übermäßig groß werden.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
hat zudem den Vorteil, dass nicht ein Speicherbehälter für die Nutzflüssigkeit
(Brauchwasser), in dem die Flüssigkeit öfter steht,
sauber und keimfrei gehalten werden muss, sondern nur der Ringraum
des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers,
was mit den üblichen
technischen und chemischen Mitteln einfacher zu bewerkstelligen
ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Durchlauf-Erhitzers sind
in den Ansprüchen
2 bis 11 angegeben.
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Die
Ansprüche
12 bis 15 betreffen eine hydraulische Schaltung eines Erhitzers
für eine
Nutzflüssigkeit,
wobei von einem Stand der Technik gemäß der
DE 38 27 585 C2 ausgegangen
wird.
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Erfindungsgemäß ist somit
auch die hydraulische Schaltung eines Erhitzers für eine Nutzflüssigkeit,
die von einer wärmeabgebenden
Flüssigkeit aufgeheizt
wird, mit einem Speicherbehälter,
in dem ein Koaxialrohr-Wärmeaustauscher,
bestehend aus einem gewendelten Außenrohr und einem in diesem befindlichen
Innenrohr, angeordnet ist, mit getrennter Flüssigkeitsführung und getrennten Anschlüssen von Innen-
und Außenrohr
und mit Mündung
des einen Endes des Innenrohres in das Innere des Speicherbehälters, wobei
die hydraulische Schaltung derart erfolgt, dass die Nutzflüssigkeit
durch den Ringquerschnitt zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr geleitet
wird, während
die wärmeabgebende
Flüssigkeit
in einem Kreislauf durch das Innenrohr und den Speicherbehälter strömt.
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Dank
der hydraulischen Schaltung nach dem Anspruch 12 wird somit aus
dem Brauchwasser-Speichererhitzer
gemäß der
DE 38 27 585 C2 ein Durchlauf-Erhitzer
für die
Brauch- oder Nutzflüssigkeit
mit den Vorteilen, wie sie bereits für den Anspruch 1 aufgezählt worden
sind.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der hydraulischen Schaltung sind in den Ansprüchen 13
bis 15 angegeben.
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Die
Erfindung wird anschließend
anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. In
den Figuren ist das Folgende dargestellt:
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1 ist
ein Längsschnitt
durch einen Durchlauf-Erhitzer gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
in einem Querschnitt das Prinzip des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers
bei dem erfindungsgemäßen Durchlauf-Erhitzer.
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3 verdeutlicht
das Detail 1 der 1 in vergrößerter Darstellung.
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4 zeigt
den Schnitt gemäß der Linie
A-A in 1.
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1 zeigt
den erfindungsgemäßen Durchlauf-Erhitzer
in einem Längsschnitt.
Er besteht aus einem Speicherbehälter 1,
der in dem hier gewählten Ausführungsbeispiel
als Standbehälter
mit senkrechter Längsachse
dargestellt ist. Der Speicherbehälter 1 kann
als druckloser oder druckfester Behälter ausgeführt sein und eine geteilte
oder geschlossene Isolierung 17 aufweisen.
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In
dem Speicherbehälter 1 sind
verschiedene Wärmeaustauscher
untergebracht. In seinem oberen Bereich befindet sich der Koaxialrohr-Wärmeaustauscher 2.
Er erstreckt sich nur über
einen Teil der Höhe
des Speicherbehälters 1 nach
unten, im dargestellten Ausführungsbeispiel
bis zu der Schnittlinie A-A. Der Koaxialrohr-Wärmeaustauscher 2 besteht
aus gewendelten Rohren. Im Ausführungsbeispiel
ist eine Wendelung nach Art eines zylindrischen Schraubenganges,
wie bei einer Schraubenfeder, dargestellt. Der Koaxialrohr-Wärmeaustauscher 2 könnte jedoch
auch spiralförmig
oder spiralförmig-kegelförmig (wie
bei einer Kegelfeder) ausgebildet sein. Die gewendelten Rohre des
Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2 sind
als Koaxialrohre ausgebildet, wie ein Querschnitt durch ein einzelnes
Rohr gemäß der 2 zeigt.
Es befindet sich ein Innenrohr 3 in einem Außenrohr 4,
wobei zwischen dem Innenrohr 3 und dem Außenrohr 4 ein
Ringquerschnitt 6 gebildet wird. Der Vollquerschnitt des
Innenrohres 3 ist mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet.
Innen- und Außenrohr 3, 4 können starr
oder flexibel ausgebildet sein.
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Das
Innenrohr 3 und das Außenrohr 4 sind nach
Flüssigkeitsführung und
Anschlüssen
vollständig
getrennt geführt.
Zum Anschluss sind ein oberes T-Stück 7 und zwei untere
T-Stücke 8a und 8b vorgesehen.
Das obere T-Stück 7 ist
oben an dem Speicherbehälter 1 vorgesehen
und in 3 vergrößert dargestellt.
Im Zusammenhang der 1 und 2 ergibt
sich, dass über
das obere T-Stück 7 das Innenrohr 3 zu
einem ersten Umschaltventil 14a und das Außenrohr 4 zu
einem zweiten Umschaltventil 14b geführt ist.
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Die
unteren T-Stücke 8a und 8b befinden sich
an dem unteren Ende des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2 und
sind in 4 vergrößert dargestellt. Die weiterführenden
Verbindungen sind in 4 ebenfalls angedeutet. Das
Innenrohr 3 des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2 ist
somit durch das erste untere T-Stück 8a und das zweite
untere T-Stück 8b hindurch
abgedichtet nach außen
geführt.
Es wird an einer nicht dargestellten Steile mit dem Inneren des
Speicherbehälters 1 in
Verbindung gebracht. Es kann aber auch über das erste untere T-Stück 8a unmittelbar
dem Inneren des Speicherbehälters 1 zugeführt werden.
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Das
Außenrohr 4 des
Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2 steht über die
beiden T-Stücke 8a und 8b mit
einer Zirkulationsleitung 15 in Verbindung, die zu dem
zweiten Umschaltventil 14b geführt ist, aber auch mit einer
Pumpe 16 in Verbindung steht. Aus 4 geht nicht
unmittelbar hervor, dass an dem ersten unteren T-Stück 8a auch
eine nach unten führende Öffnung vorhanden
ist; das erste untere T-Stück
bildet somit ein räumliches
oder doppeltes T-Stück. Über diese
zusätzliche Öffnung steht
das Außenrohr 4 mit
einem Normalrohr-Wärmeaustauscher 9 in
Verbindung.
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Der
Normalrohr-Wärmeaustauscher 9 ist
als zylindrische Rohrschlange nach Art einer Schraubenfeder ausgebildet
Er besteht aus normalen Rohren, beispielsweise aus Edelstahl, mit
einem Vollquerschnitt und ist über
das erste untere T-Stück 8a mit
dem Ringquerschnitt des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2 in
Reihe geschaltet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel reicht er bis
in den Bodenbereich des Speicherbehälters 1. Sein Anschluss 9a ist dort
nach außen
geführt.
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Den
Koaxialrohr-Wärmeaustauscher 2 und den
Normalrohr-Wärmeaustauscher 9 konzentrisch umgebend
sind in dem Speicherbehälter 1 ferner
drei Zusatz-Wärmeaustauscher 10, 11 und 12 mit
getrennten eigenen Anschlüssen
vorgesehen. Die Zusatz-Wärmeaustauscher 10, 11, 12 können zum
Beispiel an Solarregister oder an ein System zur Wärmerückgewinnung
angeschlossen sein.
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Bei
seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch
wird dem bisher beschriebenen Durchlauf-Erhitzer über die
Anschlussleitung 20 die wärmeabgebende Flüssigkeit
mittels einer Pumpe 13 zugeführt. Über das erste Umschaltventil 14a und
das obere T-Stück 7 gelangt
die wärmeabgebende
Flüssigkeit in
den Vollquerschnitt 5 des Innenrohres 3, das sich in
dem Koaxialrohr-Wärmeaustauscher 2 befindet. Über das
erste Umschaltventil 14a und die unteren T-Stücke 8a und 8b besteht
aber auch eine Verbindung zu dem Inneren des Speicherbehälters 1.
Mittels thermischer Zirkulation oder durch Zwangsförderung
mittels der Pumpe 13 kann die wärmeabgebende Flüssigkeit
durch den Speicherbehälter 1 und
den Vollquerschnitt 5 des Innenrohres 3 gefördert werden.
Dabei ist auch ein Kreislauf durch das Innenrohr 3 möglich, ohne
dass wärmeabgebende
Flüssigkeit von
außen
zugeführt
wird. Wesentlich ist vor allem, dass dieselbe wärmeabgebende Flüssigkeit
den Ringquerschnitt 6 des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2 sowohl
von innen als auch von außen
beaufschlagt. Der jeweils gewünschte
und erforderliche Strömungszustand
der wärmeabgebende
Flüssigkeit kann
nach Maßgabe
eines ersten Temperaturfühlers 18 (Messstelle)
gesteuert werden, der die Temperatur der Nutzflüssigkeit überwacht.
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Die
Nutzflüssigkeit
wird über
den Anschluss 9a dem Normalrohr-Wärmeaustauscher 9 zugeführt und
gelangt an der Übergangsstelle
bei dem ersten unteren T-Stück 8a in
den Ringquerschnitt 6 des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2.
Sie strömt
dann bei Bedarf über
das obere T-Stück 7 und
das zweite Umschaltventil 14b zum Verbraucher ab. Die Nutzflüssigkeit
kann aber auch im Kreislauf durch die Zirkulationsleitung 15 geführt werden.
Die gewünschte
Strömungsführung kann
nach Maßgabe
eines zweiten Temperaturfühlers 19 automatisch
oder von Hand eingestellt werden. Die beiden Flüssigkeiten können innerhalb
des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers grundsätzlich im
Gegenstrom oder Gleichstrom geführt
werden.
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Das
bevorzugte Anwendungsgebiet des beschriebenen Durchlauf-Erhitzers
ist die hygienische Erwärmung
von Brauchwasser in Gebäuden.
Daher wird als Nutzwasser in der Regel Kaltwasser zugeführt. Dieses
erwärmt
sich schon beim Durchströmen des
Normalrohr-Wärmeaustauschers 9,
weil dieser von außen
durch die wärmeabgebende
Flüssigkeit beaufschlagt
ist, die sich in dem Speicherbehälter 1 befindet.
Beim Durchströmen
des Koaxialrohr-Wärmeaustauschers 2 kommt
noch das Aufheizen von innen hinzu, weil die in dem Innenrohr 3 befindliche wärmeabgebende
Flüssigkeit
die Nutzflüssigkeit ebenfalls
aufheizt.
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Die
Zusatz-Wärme-Austauscher 10, 11, 12 können die
in dem Speicherbehälter 1 befindliche wärmeabgebende
Flüssigkeit,
welche den Normalrohr-Wärmeaustauscher 9 und
den Koaxialrohr-Wärmeaustauscher 2 von
außen
beaufschlagt, zusätzlich aufheizen.
Diese Zusatz-Wärmeaustauscher 10, 11, 12 können einzeln
oder gemeinsam angeordnet werden. Sie sind besonders dann vorteilhaft,
wenn zusätzliche
Wärmequellen
wie Solarregister oder Systeme zur Wärmerückgewinnung zur Verfügung stehen,
die von derjenigen Wärmequelle
unabhängig sind,
durch die die dem Durchlauferhitzer zugeführte wärmeabgebende Flüssigkeit
ihre Wärme
zu Anfang erhalten hat.
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Die
Zweckbestimmung der beschriebenen Anordnung ist die Erwärmung von
Nutzwasser. Wenn sich in dem Speicherbehälter 1 und dem Vollquerschnitt
des Innenrohres 3 eine gekühlte Flüssigkeit befindet, kommt naturgemäß für die Nutzflüssigkeit eine
Kühlwirkung
zustande.
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Die
Nutzflüssigkeit
wird bei Bedarf über
das zweite Umschaltventil 14b abgezogen. Die Austrittstemperatur
wird über
den zweiten Temperaturfühler (Messstelle) 19 überwacht.
Ist die Austrittstemperatur zu hoch, kann die Nutzflüssigkeit
auch vollständig oder
als Teilstrom über
die Zirkulationsleitung 15 im Kreislauf durch den Koaxialrohr-Wärmeaustauscher geleitet
werden.
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Die
Zirkulationsleitung 15 kann auch dazu benutzt werden, mittels
der Pumpe 16 die das Nutzwasser führenden Leitungen des Durchlauf-Erhitzers zu
reinigen, beispielsweise auch zur Bekämpfung von Legionellen.