DE19721657A1

DE19721657A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE19721657A1
Application number: DE19721657A
Authority: DE
Inventors: Christian Engelhorn
Original assignee: NOVA SOLAR GmbH
Current assignee: NOVA SOLAR GMBH, 27472 CUXHAVEN, DE
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 1998-12-10

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Wärmetauscher der eingangs genannten Gattung finden beispielsweise in Solarkollektoren, Heizungen oder Kühlsystemen Anwendung.

In diesen Wärmetauschern strömt im Betrieb die Trägerflüssigkeit durch ein Sammelrohr zu und soll sich möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Trägerrohre verteilen, um einen effizienten Wärmetauschprozeß sicherzustellen. Für eine hohe Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers ist neben einigen anderen Eigenschaften vor allem erforderlich, daß aufgenommene Wärme oder Kälte effizient und gleichmäßig abgeführt wird, was zu den wesentlichen Aufgaben der Erfindung zählt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trägerrohre in ihrem Strömungsraum mindestens ein, die Trägerflüssigkeit einer turbulenten Strömung unterwerfendes und einen kontrollierten Druckverlust erzeugendes Mittel aufweisen. Die Turbulenz besitzt als Resultat einen optimalen Wärmeübergang, während der Druckverlust zu einer gleichmäßigen Durchströmung der Trägerrohre führt.

Durch die Erzeugung einer turbulenten Strömung in den einzelnen Trägerrohren, wird ein optimaler Wärme-/Kälteübergang erzielt, die ohne die erfindungsgemäße Maßnahme nur durch größere Strömungsgeschwindigkeiten und/oder größere Rohrdurchmesser erreicht werden würde. Dies ist jedoch nicht immer möglich und würde außerdem zu größeren Druckverlusten führen, was wiederum höhere Pumpenleistungen erforderlich macht. Somit erweist sich der erfndungsgemäße Wärmetauscher als wesentlich flexibler aus, als bisherige Ausführungen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das die Trägerflüssigkeit einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel aus einem, in den Strömungsraum des Trägerrohres einsetzbaren Element, so daß handelsübliche Rohre verwendet werden können. Dieses einzusetzende Element kann aus einer Spirale gebildet sein, die sich zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des durchfließenden Mediums bestens eignet.

Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit das die Wärmeträgerflüssigkeit einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel dadurch zu bilden, daß die Innenwand des Trägerrohres dem gewünschten Ergebnis entsprechend geformt ist. Dies kann während des Rohrherstellungsprozeß oder durch anschließende, von außen wirkende Verformung des Trägerrohres erfolgen. Auch eine Mischform, also eine Kombination aus Formgebung der Innenwand des Trägerrohres und einem hierin eingesetztem Element, beispielsweise einer Spirale, können je nach Anwendungsfall sinnvoll sein. Zur Schaffung der speziellen inneren Struktur des Trägerrohres bieten sich also die verschiedensten Maßnahmen an, wobei insbesondere bei einzusetzenden Turbuelementen individuell auf jede Baumaßnahme reagiert werden kann.

Zweckmäßiger Weise wird das Trägerrohr auf seiner gesamten Länge von dem die Trägerflüssigkeit einer turbulenten Strömung unterwerfenden Mittel durchsetzt. Es sind allerdings auch durch die jeweilige Baumaßnahme bedingte Ausführungsformen denkbar, bei denen es ausreichend ist, die Trägerrohre zumindest in einem Teilbereich von diesem Mittel zu durchsetzen, wobei die nachfolgende Strömungsstrecke so zu wählen ist, daß die gewonnene Turbulenz nicht oder nur unwesentlich verloren geht.

Eine zweckmäßige Verwendung bzw. sinnvoller Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist die Ausbildung als Solarabsorber.

Auch als Deckenkühlsystem, Decken- oder Wandheizungen ist die vorliegende Erfindung geeignet.

Als Materialien für die Trägerrohre und Flächenelemente eignen sich Kupfer oder auch alle anderen Materialien, die dem Wärmetauschprozeß zweckdienlich sind.

Als einzusetzende Turbuelemente eignen sich sowohl metallische Werkstoffe als auch Kunststoff.

Die Verbindung zwischen Trägerrohre und Flächenelementen können durch Verschweißen, Klemmung etc. geschaffen werden oder aber auch einstückig miteinander hergestellt werden.

Bei einer eigenständigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, in den Strömungsbereich zwischen Verteilerrohr und Trägerrohr(e) ein, einen Druckverlust erzeugendes Mittel anzuordnen.

Ansonsten sind besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand den beigefügten Zeichnungen, die besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, wird diese nun näher beschrieben.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen als Absorber von Solarkollektoren ausgebildeten Wärmetauschers,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der in Fig. 1 angedeuteten Linie A-A,

Fig. 3 Fig. 2 in einer Vergrößerung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Darstellung gemäß Fig. 3 in aufgebrochener Situation mit einem eingesetzten die Turbulenz erzeugendem Mittel,

Fig. 5 eine perspektifische Darstellung des Sammel- bzw. Verteilerrohres 4/5,

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Trägerrohreinführung in das Sammel-/Verteilerrohr,

Fig. 7 eine perspektifische Teildarstellung des als Absorber ausgebildeten Wärmetauschers.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel bzw. ein Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung, bei dem der Wärmetauscher 1 als Absorber in einem Solarkollektor eingesetzt ist. Zwischen einem Verteilerrohr 4 und einem Sammelrohr 5 ist beispielsweise eine Gruppe von Flächenelementen 2 hier Absorberflächenelemente angeordnet, die jeweils ein von der Trägerflüssigkeit 6 durchströmtes Trägerrohr 3 aufweisen. Die Trägerrohre 3 sind strömungsmäßig mit dem Verteilerrohr 4 bzw. dem Sammelrohr 5 verbunden. Durch das Verteilerrohr 4 strömt ungeheizte Wärmeträgerflüssigkeit 6 zu. Diese verteilt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme gleichmäßig auf die Trägerrohre 3. Dort nimmt die Wärmeträgerflüssigkeit 6 die vorliegende Wärme auf und fließt in das Sammelrohr 5 ein, von wo aus diese zur Ausnutzung weitergeleitet wird. Wie aus Fig. 1 und Fig. 2 hervorgeht, wird der Absorber bzw. der Wärmetauscher 1 durch parallel angeordnete Flächenelemente 2 mit jeweils einem Tragrohr 3 gebildet. In Fig. 3, bei der das die Turbulenz erzeugende Mittel nicht dargestellt, geht unter anderem noch der herstellungsgemäße Aufbau des Absorbers bzw. des Wärmetauschers 1 hervor. Dieser kennzeichnet sich unter anderem durch seine vollkommen glatte Oberfläche 12 aus. Diese garantiert die maximale Aufnahmefähigkeit für die ankommende Sonnenstrahlung und die minimalste Rückstrahlung, da die Abstrahlungsfläche minimiert ist. Durch eine metallische Aufschweißung der beispielsweise aus Kupfer beschaffenen Trägerrohre 3 auf das Flächenelement 2, was beispielsweise durch Ultraschall erfolgt, wird ein widerstandsloser Wärmeübergang zwischen Absorberflächenelement und Trägerrohr möglich. Auch wird durch die glatte Oberfläche und durch die Anordnung des Trägerrohres unter dem Absorberflächenelement, eine Schattenbildung vermieden.

In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich auf dem Flächenelement 2 eine erste Schicht 11 aus beispielsweise Nickel, die von einer weiteren Schicht 10, beispielsweise aus Schwarzchrom überzogen ist, was ebenfalls zu den bereits geschilderten Vorteilen führt.

Um nun die vorliegende Wärme schnell, effizient und gleichmäßig abzuführen, ist erfindungsgemäß vorgesehen die Wärmeträgerflüssigkeit einer turbulenten Strömung zu unterwerfen. Hierzu ist in einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 4 eine Spirale als Mittel 8 zur Turbulenzerzeugung eingesetzt.

Bei einer alternativen Maßnahme die hier nicht dargestellt ist, wird dies durch eine entsprechende Formgebung der Rohrinnenwand 9 vorgenommen.

Wie bereits eingangs dargelegt, erzeugt die erfindungsgemäße Maßnahme in den einzelnen Trägerrohren 3, die man bei Absorbern für Kollektoren auch Lamellenrohre nennt, eine turbulente Strömung der Wärmeträgerflüssigkeit, die erwiesenermaßen zu einem besseren Wärmeübergang führt. Diese turbulente Strömung kann ohne die erfindungsgemäße vorgeschlagene Maßnahme ansonsten nur durch höhere Strömungsgeschwindigkeiten und/oder größere Rohrdurchmesser erreicht werden, was jedoch nicht immer möglich ist und außerdem große Druckverluste und damit höhere Pumpenleistungen erforderlich macht.

Die allerdings durch die erfindungsgemäße Maßnahme erzeugten Druckverluste sorgen dagegen in den einzelnen Trägerrohren für die gleichmäßige Durchströmung. Sind nämlich die Druckverluste an diesen Stellen gering im Vergleich zu denen in den Verteiler/Sammelrohren, was bei den normalerweise sehr geringen Volumenströmen immer der Fall ist, strömt die Wärmeträgerflüssigkeit hauptsächlich durch einen Teil der Trägerrohre, die geringfügig geringere Druckverluste aufweisen. Die restlichen Trägerrohre würden somit ohne die erfindungsgemäße Maßnahme nur gering durchströmt und die erzeugte Wärme dadurch schlecht abgeführt werden.

Die in den weiteren Figuren dargestellten Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wie in den vorangegangenen Zeichnungen.

Claims

1. Wärmetauscher, bestehend aus mindestens einem, zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme oder Kälte geeigneten Flächenelement, auf dem ein oder mehrere Trägerrohre zum Transport einer Trägerflüssigkeit angeordnet ist/sind, wobei zwischen Flächenelement und Trägerrohr(e) eine zum Wärme- oder Kälteaustausch geeignete Verbindung vorliegt und bei dem das/die Trägerrohr(e) an seinen/ihren freien Enden einerseits in ein Verteilerrohr für die Zuströmung und andererseits in ein Sammelrohr für die Abströmung der Trägerflüssigkeit eingeführt ist/sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (3) in seinem Strömungsraum (7) mindestens ein, die Wärmeträgerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfendes, einen kontrollierten Druckverlust erzeugendes Mittel (8) aufweist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Trägerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel (8) aus einem in dessen Strömungsraum (7) einsetzbares Element besteht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Trägerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel (8) eine Spirale ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Trägerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel (8) durch die Formgebung der Tragrohrinnenwand (9) gebildet ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Trägerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel (8) das Trägerrohr (3) auf seiner gesamten Länge durchsetzt.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Trägerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel (8) zumindest in einem Teilbereich des Strömungsraumes (7) im Trägerrohr (3) angeordnet ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) als Absorber für Solarkollektoren ausgebildet ist.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurdurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) als Deckenkühlsystem ausgebildet ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher als Deckenheizung ausgebildet ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher als Wandheizung ausgebildet ist.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente (2) aus beschichteten Kupferblechen bestehen.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente (2) aus Edelstahl bestehen.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente (2) aus Aluminium bestehen.

14. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (3) aus Kupfer besteht.

15. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (3) aus Edelstahl besteht.

16. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorliegenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (3) aus Aluminium besteht.

17. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (3) aus das Flächenelement (2) aufgeschweißt ist.

18. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (2) und die Trägerrohre (3) einstückig ausgebildet sind.

19. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Trägerrohren (3) und Flächenelement (2) durch Falzung vorliegt.

20. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Trägerrohren (3) und Flächenelement (2) durch Klemmung vorliegt.

21. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Trägerrohren (3) und Flächenelement (2) durch Klebung vorliegt.

22. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Trägerrohren (3) und Flächenelement (2) eine Klipsverbindung vorliegt.

23. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Trägerrohren (3) und Flächenelement (2) eine Klammerverbindung vorliegt.

24. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Trägerrohren (3) und Flächenelement (2) eine Manschettenverbindung vorliegt.

25. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das die Trägerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel (8) aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist.

26. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das die Trägerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfende Mittel (8) aus Kunststoff gebildet ist.

27. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (2) als Absorberflächenelement ausgebildet ist.

28. Wärmetauscher, bestehend aus mindestens einem, zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme oder Kälte geeigneten Flächenelement, auf dem ein oder mehrere Trägerrohre zum Transport einer Trägerflüssigkeit angeordnet ist/sind, wobei zwischen Flächenelement und Trägerrohr(e) eine zum Wärme- oder Kälteaustausch geeignete Verbindung vorliegt und bei dem das/die Trägerrohr(e) an seinen/ihren freien Enden einerseits in ein Verteilerrohr für die Zuströmung und andererseits in ein Sammelrohr für die Abströmung der Trägerflüssigkeit eingeführt ist/sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsbereich zwischen Verteilerrohr und Trägerrohr(e) ein, einen Druckverlust erzeugendes Mittel angeordnet ist.

29. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Strömungsraum der Trägerrohre angeordnete Mittel zur Turbulenzerzeugung eine Kombination aus Innenwandgestaltung des Trägerrohres und eingesetztem Element ist.

30. Wärmetauscher, bestehend aus mindestens einem Trägerrohr, das als Wärmeträger dient, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (3) in seinem Strömungsquerschnitt (7) mindestens ein, die Wärmeträgerflüssigkeit (6) einer turbulenten Strömung unterwerfendes, einen kontrollierten Druckabfall erzeugendes Mittel (8) aufweist.