DE102021215093A1 - Heat exchanger, water treatment plant, heat pump - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, aufweisend ein Gehäuse, einen ersten Fluidraum, einen zweiten Fluidraum, einen ersten Fluidraumeinlass und einen ersten Fluidraumauslass des ersten Fluidraums, einen zweiten Fluidraumeinlass und einen zweiten Fluidraumauslass des zweiten Fluidraums. Der erste Fluidraumeinlass und der erste Fluidraumauslass sind auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet. Zumindest eine Trennwand trennt den ersten Fluidraum vom zweiten Fluidraum ab. Die Trennwand ist derart ausgestaltet, dass ein erster Durchflussquerschnitt des ersten Fluidraums am ersten Fluidraumeinlass unterschiedlich ist zu einem zweiten Durchflussquerschnitt des ersten Fluidraums am ersten Fluidraumauslass.The invention relates to a heat exchanger having a housing, a first fluid space, a second fluid space, a first fluid space inlet and a first fluid space outlet of the first fluid space, a second fluid space inlet and a second fluid space outlet of the second fluid space. The first fluid chamber inlet and the first fluid chamber outlet are located on opposite sides of the housing. At least one partition separates the first fluid space from the second fluid space. The partition wall is designed in such a way that a first flow cross section of the first fluid space at the first fluid space inlet is different from a second flow cross section of the first fluid space at the first fluid space outlet.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, eine Wasseraufbereitungsanlage und eine Wärmepumpe.The invention relates to a heat exchanger, a water treatment system and a heat pump.
Stand der TechnikState of the art
Es sind Wärmeübertrager bekannt, bei denen erste Fluidräume und zweite Fluidräume jeweils von einer Trennwand getrennt sind und ein erstes Fluid im ersten Fluidraum Wärme durch die Trennwand von einem zweiten Fluid im zweiten Fluidraum aufnimmt oder an ein zweites Fluid im zweiten Fluidraum abgibt. Solche Wärmeübertrager können beispielsweise in Wasseraufbereitungsanlagen als Verdampfer-Kondensator-Einheiten eingesetzt werden oder in Wärmepumpen zum Übertragen von Wärme zwischen einem Umgebungskreislauf und einem Wärmepumpenkreislauf beziehungsweise vom Wärmepumpenkreislauf zu einem Heizkreislauf. Solche Wärmeübertrager können beispielsweise als Plattenwärmeübertrager mit parallelen Platten oder als Rohrbündelwärmeübertrager mit parallelen Rohren ausgestaltet sein.Heat exchangers are known in which first fluid chambers and second fluid chambers are each separated by a partition and a first fluid in the first fluid chamber absorbs heat through the partition from a second fluid in the second fluid chamber or gives it off to a second fluid in the second fluid chamber. Such heat exchangers can be used, for example, in water treatment systems as evaporator-condenser units or in heat pumps for transferring heat between an ambient circuit and a heat pump circuit or from the heat pump circuit to a heating circuit. Such heat exchangers can be designed, for example, as plate heat exchangers with parallel plates or as tube bundle heat exchangers with parallel tubes.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Wärmeübertrager bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wasseraufbereitungsanlage mit einem solchen Wärmeübertrager und eine Wärmepumpe mit einem solchen Wärmeübertrager bereitzustellen.One object of the invention is to provide an improved heat exchanger. A further object of the invention is to provide a water treatment system with such a heat exchanger and a heat pump with such a heat exchanger.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.These objects are solved with the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments are specified in the dependent patent claims.
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, aufweisend ein Gehäuse, einen ersten Fluidraum, einen zweiten Fluidraum, einen ersten Fluidraumeinlass und einen ersten Fluidraumauslass des ersten Fluidraums, einen zweiten Fluidraumeinlass und einen zweiten Fluidraumauslass des zweiten Fluidraums. Der erste Fluidraumeinlass und der erste Fluidraumauslass sind auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet. Zumindest eine Trennwand trennt den ersten Fluidraum vom zweiten Fluidraum ab. Die Trennwand ist derart ausgestaltet, dass ein erster Durchflussquerschnitt des ersten Fluidraums am ersten Fluidraumeinlass unterschiedlich ist zu einem zweiten Durchflussquerschnitt des ersten Fluidraums am ersten Fluidraumauslass.The invention relates to a heat exchanger having a housing, a first fluid space, a second fluid space, a first fluid space inlet and a first fluid space outlet of the first fluid space, a second fluid space inlet and a second fluid space outlet of the second fluid space. The first fluid chamber inlet and the first fluid chamber outlet are located on opposite sides of the housing. At least one partition separates the first fluid space from the second fluid space. The partition wall is designed in such a way that a first flow cross section of the first fluid space at the first fluid space inlet is different from a second flow cross section of the first fluid space at the first fluid space outlet.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine erste Ebene durch das Gehäuse näher am ersten Fluidraumeinlass und eine zur ersten Ebene parallele zweite Ebene durch das Gehäuse näher am ersten Fluidraumauslass angeordnet ist und der erste Durchflussquerschnitt auf die erste Ebene und de zweite Durchflussquerschnitt auf die zweite Ebene bezogen ist.In particular, it can be provided that a first plane through the housing is arranged closer to the first fluid chamber inlet and a second plane parallel to the first plane through the housing is arranged closer to the first fluid chamber outlet and the first flow cross section is related to the first plane and the second flow cross section is related to the second plane is.
Durch die unterschiedlichen Durchflussquerschnitte kann der Wärmetauscher insbesondere vorteilhaft eingesetzt werden, wenn ein Phasenübergang flüssig gasförmig oder umgekehrt im ersten Fluidraum stattfinden soll. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass dem gasförmigen Fluid im ersten Fluidraum ein größerer Durchflussquerschnitt zur Verfügung steht als dem flüssigen Fluid.Due to the different flow cross sections, the heat exchanger can be used particularly advantageously when a phase transition from liquid to gas or vice versa is to take place in the first fluid space. In particular, it can be provided that the gaseous fluid in the first fluid chamber has a larger flow cross section than the liquid fluid.
In einer Ausführungsform sind der zweite Fluidraumeinlass und der zweite Fluidraumauslass auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet. Der erste Fluidraumeinlass und der zweite Fluidraumauslass sind an einer ersten Seite des Gehäuses angeordnet und der zweite Fluidraumeinlass und der erste Fluidraumauslass sind an einer zweiten Seite des Gehäuses angeordnet. Der Wärmeübertrager kann dann im Gegenstromprinzip betrieben werden, so dass sich ein erstes Fluid und ein zweites Fluid gegenläufig durch den Wärmeübertrager bewegen.In one embodiment, the second fluid space inlet and the second fluid space outlet are located on opposite sides of the housing. The first fluid chamber inlet and the second fluid chamber outlet are arranged on a first side of the housing and the second fluid chamber inlet and the first fluid chamber outlet are arranged on a second side of the housing. The heat exchanger can then be operated according to the countercurrent principle, so that a first fluid and a second fluid move in opposite directions through the heat exchanger.
In einer Ausführungsform ist die Trennwand derart ausgestaltet ist, dass ein dritter Durchflussquerschnitt des zweiten Fluidraums am zweiten Fluidraumeinlass unterschiedlich ist zu einem vierten Durchflussquerschnitt des zweiten Fluidraums am zweiten Fluidraumauslass. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn entweder wenig thermischer Widerstand vorliegen soll, oder wenn gleichzeitig im ersten Fluidraum ein Übergang gasförmig flüssig und im zweiten Fluidraum ein Übergang flüssig gasförmig stattfinden soll, wie beispielsweise in einer Verdampfer-Kondensator-Einheit einer Wasseraufbereitungsanlage. Dies kann gegebenenfalls ebenso auf die erste und die zweite Ebene bezogen sein.In one embodiment, the partition wall is designed in such a way that a third flow cross section of the second fluid space at the second fluid space inlet is different from a fourth flow cross section of the second fluid space at the second fluid space outlet. This can be particularly advantageous if there is to be little thermal resistance, or if a gas-to-liquid transition is to take place in the first fluid space and a liquid-to-gas transition in the second fluid space, such as in an evaporator-condenser unit of a water treatment plant. If necessary, this can also be related to the first and the second level.
In einer Ausführungsform ist zumindest eine Trennwand rohrförmig ausgestaltet, wobei ein Innenraum eines Rohres der Trennwand dem ersten Fluidraum und ein Außenraum des Rohres der Trennwand dem zweiten Fluidraum zugeordnet ist. Es können auch mehrere Rohre vorgesehen sein. Diese Ausführungsform kann als Rohrbündelwärmeübertrager bezeichnet werden.In one embodiment, at least one partition is tubular, with an interior of a tube of the partition being associated with the first fluid space and an exterior of the tube of the partition being associated with the second fluid space. Several tubes can also be provided. This embodiment can be referred to as a tube bundle heat exchanger.
In einer Ausführungsform umfasst das Rohr mehrere Rohrabschnitte mit unterschiedlichem Querschnitt. Solche Rohre sind einfach herzustellen und können anschließend wie in konventionellen Rohrbündelwärmeübertragern eingesetzt werden.In one embodiment, the tube comprises a plurality of tube sections with different cross sections. Such tubes are easy to manufacture and can then be used as in conventional tube bundle heat exchangers.
In einer Ausführungsform ist das Rohr konisch ausgestaltet. Dies erlaubt eine einfache Herstellung eines Rohrbündelwärmeübertragers mit den geforderten Eigenschaften, also dem unterschiedlichen Durchflussquerschnitt.In one embodiment, the tube is designed conically. This allows a simple production of a tube bundle heat exchanger with the required properties, ie the different flow cross section.
In einer Ausführungsform ist im Innenraum des Rohres zur Verkleinerung des ersten Durchflussquerschnitts oder des zweiten Durchflussquerschnitts ein Einsatz angeordnet. Der Einsatz weist zumindest zwei unterschiedliche Innendurchmesser auf. Ein solcher Wärmeübertrager kann beispielsweise hergestellt werden, indem einer oder mehrere solche Einsätze in einen konventionellen Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt werden.In one embodiment, an insert is arranged in the interior of the tube to reduce the first flow cross section or the second flow cross section. The insert has at least two different inner diameters. Such a heat exchanger can be produced, for example, by inserting one or more such inserts into a conventional shell-and-tube heat exchanger.
In einer Ausführungsform sind zumindest zwei Trennwände als im Wesentlichen ebene Platten ausgestaltet, die sich gegenüberliegen. Der erste Fluidraum ist zwischen den Platten angeordnet. Die Platten stehen in einem Winkel zueinander, der zwischen 1 und 89, bevorzugt zwischen 2 und 45 Grad, und insbesondere zwischen 5 und 25 Grad beträgt.In one embodiment, at least two partitions are designed as essentially flat plates that face each other. The first fluid space is located between the plates. The plates are at an angle to one another which is between 1 and 89 degrees, preferably between 2 and 45 degrees, and in particular between 5 and 25 degrees.
Die Erfindung betrifft ferner eine Wasseraufbereitungsanlage mit einem Einlass für Wasser, einem ersten Auslass für aufbereitetes Wasser und einem zweiten Auslass für Abwasser, einem ersten Wassergefäß, einer Verdampfer-Kondensator-Einheit und einem Kompressor. Der Einlass ist mit dem Wassergefäß verbunden. Das Wassergefäß ist mit einem Verdampfereinlass eines Verdampfers der Verdampfer-Kondensator-Einheit verbunden. Ein Verdampferauslass des Verdampfers der Verdampfer-Kondensator-Einheit ist mit einem Kondensatoreinlass eines Kondensators der Verdampfer-Kondensator-Einheit verbunden. Ein Kondensatorauslass des Kondensators der Verdampfer-Kondensator-Einheit ist mit dem ersten Auslass verbunden. Der Kompressor ist zwischen dem Verdampferauslass und dem Kondensatoreinlass angeordnet. Der Kompressor ist eingerichtet, auf der Seite des Verdampferauslasses einen Unterdruck zu erzeugen. Die Verdampfer-Kondensator-Einheit ist als erfindungsgemäßer Wärmeübertrager ausgestaltet. Der erste Fluidraum bildet den Kondensator. Der zweite Fluidraum bildet den Verdampfer. Der erste Durchflussquerschnitt ist größer als der zweite Durchflussquerschnitt. Somit steht dem im Kondensator zu kondensierenden Wasserdampf ein größerer Durchflussquerschnitt zur Verfügung als dem kondensierten Wasser, so dass ein effizienter Betrieb des Wärmeübertragers möglich ist. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Trennwand derart ausgestaltet ist, dass ein dritter Durchflussquerschnitt des zweiten Fluidraums am zweiten Fluidraumeinlass unterschiedlich ist zu einem vierten Durchflussquerschnitt des zweiten Fluidraums am zweiten Fluidraumauslass. Dies ermöglicht einen noch vorteilhafteren Betrieb, da auch dem verdampften Wasser im Verdampfer ein größerer Durchflussquerschnitt zur Verfügung steht.The invention further relates to a water treatment system with an inlet for water, a first outlet for treated water and a second outlet for waste water, a first water tank, an evaporator-condenser unit and a compressor. The inlet is connected to the water tank. The water tank is connected to an evaporator inlet of an evaporator of the evaporator-condenser unit. An evaporator outlet of the evaporator of the evaporator-condenser unit is connected to a condenser inlet of a condenser of the evaporator-condenser unit. A condenser outlet of the condenser of the evaporator-condenser unit is connected to the first outlet. The compressor is located between the evaporator outlet and the condenser inlet. The compressor is configured to create a negative pressure on the evaporator outlet side. The evaporator-condenser unit is designed as a heat exchanger according to the invention. The first fluid space forms the condenser. The second fluid space forms the evaporator. The first flow cross section is larger than the second flow cross section. This means that the water vapor to be condensed in the condenser has a larger flow cross section than the condensed water, so that efficient operation of the heat exchanger is possible. It can also be provided that the partition wall is configured such that a third flow cross section of the second fluid space at the second fluid space inlet is different from a fourth flow cross section of the second fluid space at the second fluid space outlet. This enables an even more advantageous operation, since the evaporated water in the evaporator also has a larger flow cross section.
Die Erfindung betrifft ferner eine Wärmepumpe zur Heizenergieerzeugung mit einem Wärmepumpenkreislauf mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Kondensator und einem Entspanner. Der Verdampfer ist mit einem Umgebungskreislauf verbindbar. Der Kondensator ist mit einem Heizkreislauf verbindbar. Der Verdampfer umfasst einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager, wobei der erste Fluidraumeinlass mit dem Entspanner verbunden ist und der erste Fluidraumauslass mit dem Verdichter verbunden ist. Der zweite Fluidraumeinlass und der zweite Fluidraumauslass sind mit dem Umgebungskreislauf verbindbar. Der erste Durchflussquerschnitt ist kleiner als der zweite Durchflussquerschnitt. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Verdampfers.The invention also relates to a heat pump for generating heating energy with a heat pump circuit with an evaporator, a compressor, a condenser and an expander. The evaporator can be connected to an ambient circuit. The condenser can be connected to a heating circuit. The evaporator comprises a heat exchanger according to the invention, the first fluid space inlet being connected to the expander and the first fluid space outlet being connected to the compressor. The second fluid chamber inlet and the second fluid chamber outlet can be connected to the surrounding circuit. The first flow cross section is smaller than the second flow cross section. This enables efficient operation of the evaporator.
In einer Ausführungsform der Wärmepumpe umfasst der Kondensator einen weiteren erfindungsgemäßen Wärmeübertrager. Der weitere erste Fluidraumeinlass ist mit dem Verdichter verbunden. Der weitere erste Fluidraumauslass ist mit dem Entspanner verbunden. Der weitere zweite Fluidraumeinlass und der weitere zweite Fluidraumauslass sind mit dem Heizkreislauf verbindbar. Der weitere erste Durchflussquerschnitt ist größer als der weitere zweite Durchflussquerschnitt. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Kondensators.In one embodiment of the heat pump, the condenser includes a further heat exchanger according to the invention. The further first fluid space inlet is connected to the compressor. The further first fluid space outlet is connected to the expander. The further second fluid chamber inlet and the further second fluid chamber outlet can be connected to the heating circuit. The additional first flow cross section is larger than the additional second flow cross section. This allows the condenser to operate efficiently.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen Wärmeübertrager; -
2 einen Querschnitt durch einen weiteren Wärmeübertrager; -
3 einen Querschnitt durch einen weiteren Wärmeübertrager; -
4 einen weiteren Querschnitt durch den Wärmeübertrager der3 ; -
5 einen weiteren Querschnitt durch den Wärmeübertrager der3 ; -
6 einen Querschnitt durch einen weiteren Wärmeübertrager; -
7 einen Querschnitt durch einen weiteren Wärmeübertrager; -
8 einen Querschnitt durch einen weiteren Wärmeübertrager; -
9 einen weiteren Querschnitt durch den Wärmeübertrager der8 ; -
10 einen weiteren Querschnitt durch den Wärmeübertrager der8 ; -
11 eine Wasseraufbereitungsanlage; und -
12 eine Wärmepumpe.
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1 a cross section through a heat exchanger; -
2 a cross section through another heat exchanger; -
3 a cross section through another heat exchanger; -
4 Another cross section through the heat exchanger3 ; -
5 Another cross section through the heat exchanger3 ; -
6 a cross section through another heat exchanger; -
7 a cross section through another heat exchanger; -
8th a cross section through another heat exchanger; -
9 Another cross section through the heat exchanger8th ; -
10 Another cross section through the heat exchanger8th ; -
11 a water treatment plant; and -
12 a heat pump.
Beim Wärmeübertrager der
Die Trennwand 130 kann, wie in
Das Gehäuse 101 und die Trennwände 130 können metallisch ausgestaltet sein und beispielsweise Kupfer oder Edelstahl beinhalten. Das Gehäuse 101 und die Trennwände 130 können aber auch aus mit Graphit gefüllter Kunststoff ausgestaltet sein, also beispielsweise PP oder PPS mit darin enthaltenen Graphitpartikeln. Die Graphitpartikel können dabei die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzes erhöhen.The
Alternativ kann die Trennwand 130 des Wärmeübertragers 100 der
Auch im Ausführungsbeispiel der
Sowohl für den Wärmeübertrager 100 der
Die im Zusammenhang mit den
Die in den
Der erste Fluidraumeinlass 111 bildet also den Kondensatoreinlass 217. Der erste Fluidraumauslass 112 bildet also den Kondensatorauslass 218. Der zweite Fluidraumeinlass 121 bildet also den Verdampfereinlass 212. Der zweite Fluidraumauslass 122 bildet also den Verdampferauslass 213.The first
Optional in
Wasser aus dem Wassergefäß 204 wird im Verdampfer 211 verdampft und wieder zum Wassergefäß 204 geleitet, dort erwärmt der im Verdampfer 211 erzeugte Dampf das Wasser, sodass auch im Wassergefäß 204 die Temperatur soweit erhöht wird, dass Wasser verdampft. Dieser Dampf steigt zusammen mit dem Dampf aus dem Verdampfer 211 auf und wird durch den Tropfenabscheider 205 in Richtung Kompressor 220 geleitet. Dabei werden gegebenenfalls mitgerissene Wassertropfen im Tropfenabscheider 205 entfernt. Anschließend wird der Wasserdampf über den Kompressor 220 zum Kondensator 216 geführt und dort kondensiert, so dass über den ersten Auslass 202 gereinigtes beziehungsweise destilliertes Wasser abgegeben werden kann. Bei der Kondensation entstehende Kondensationswärme kann auf Wasser im Verdampfer 211 übertragen werden und so dieses zum Verdampfen bringen. Durch diese Wärmerückgewinnung ist nur eine geringe Energiezufuhr, beispielsweise im Verdampfer 211 oder im Wassergefäß 204 notwendig, um destilliertes Wasser zu erzeugen.Water from the
Anstelle der Ausgestaltung der
Optional ist in
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited to the disclosed Bei games restricted and other variations thereof can be devised by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
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