DE2715268C3 - Wärmeaustauscheinrichtung für eine wärmegebende Primärflüssigkeit und zwei voneinander getrennte wärmeaufnehmende Sekundärmedien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauscheinrichtung für eine wärmeabgebende Primärflüssigkeit und zwei voneinander getrennte, wärmeaufnehmende Sekundärmedien, mit einer inneren, zylindrischen Sekundärkammer für eines der Sekundärmedien, einer die innere Sekundärkammer umgebenden Kanalanordnung für die Primärflüssigkeit und einer die Kanalanordnung sowie zumindest einen Teil der inneren Sekundärkammer umgebenden äußeren Sekundärkammer für das zweite Sekundärmedium, mit einer äußeren Begrenzungswand für die äußere Sekundärkammer als gemeinsame Ummantelung für beide Sekundärkammern und die Kanalanordnung und einer teilweise gemeinsamen Begrenzungswand zwischen innerer und äußerer Sekundärkammer.

Eine Wärmeaustauscheinrichtung dieser Art ist bereits aus der DE-OS 23 16 623 bekannt. Bei dieser bekannten Wärmeaustauscheinrichtung hat die Kanalanordnung für die Primärflüssigkeit die Form einer die innere, zylinderförmige Sekundärkammer umgebenden Rohrschlange, die zwischen die äußere Begrenzungs wand der äußeren Sekundärkammer und die innere Begrenzungswand der inneren Sekundärkammer eingefügt und mit diesen in Berührung ist. Die radiale

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S-Abmessung der äußeren Sekundärkammer ist durch die Dicke der die Kanalanordnung bildenden Rohrschlange bestimmt Bei dieser bekannten Anordnung erfolgt die Verteilung der mit der Primärflüssigkeit zugeführten Energie an die beiden Sekundärkammern sehr ungleichmäßig und nicht auf direktem Wege, denn die Übertragung von der Primärflüssigkeit auf die innere Sekundärkammer erfolgt über das Sekundärmedium in der äußeren Sekundärkammer. Die äußere Sekundärkammer ist auch als Energiespeicher wenig geeignet, da sie im Vergleich zu der inneren Sekundärkammer ein sehr geringes Volumen aufweist

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeaustauscheinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es bei einer einzigen kompakten Einheit gestattet, den Wärmeinhalt aus dem Primärkreislauf gleichzeitig und in gleichem Maße an die zwei getrennten Sekundärmedien zu übertragen, wobei beide Sekundärmedien direkt einer Wärme-Nutzanwendung zugeführt werden können oder wahlweise eines der Sekundärmedien oder beide davon als Speichermedien verwendbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Wärmeaustauscheinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Teil der Wandung der Kanalanordnung eine gemeinsame Begrenzungswand zwischen der inneren Sekundärkammer und der Kanalanordnung und der andere Teil der Wandung der Kanalanordnung eine gemeinsame Begrenzungswand zwischen der Kanalanordnung und der äußeren Sekundärkammer bildet

Durch die gemeinsame Begrenzungswandung zwischen der inneren Sekundärkammer und der Kanalanordnung wird eine direkte Wärmeübertragung aus dem Primärkreislauf durch diese gemeinsame Begrenzungswand hindurch zu der inneren Sekundärkammer hin ermöglicht; durch die gemeinsame Begrenzungswand zwischen der Kanalanordnung und der äußeren Sekundärkammer wird erreicht, daß gleichzeitig eine direkte Wärmeübertragung aus dem Primärkreislauf durch diese gemeinsame Begrenzungswand hindurch in die äußere Sekundärkammer erfolgt. Innerhalb derselben äußeren Ummantelung der Wärmeaustauscheinrichtung können also mehrere voneinander getrennte Medien-Kreislaufabschnitte in gegenseitige Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, wobei nur ein Temperaturgefälle zwischen dem Primär- und dem jeweiligen Sekundärmedium besteht, so daß eine bessere Energieausnutzung als bei bisher üblichen Wärmeaustauscheinrichtungen möglich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kanalanordnung für die Primärflüssigkeit in an sich bekannter Weise aus auf die Außenseite der Wand der inneren Sekundärkammer aufgeschweißten, kanalförmigen Profilstäben gebildet, deren Profilöffnung durch die Wand der inneren Sekundärkammer geschlossen ist. Eine ähnliche Ausbildung der Kanalanordnung ist bereits aus der DE-PS 6 46 866 bekannt. Die dort beschriebene Wärmeaustauscheinrichtung besitzt jedoch nur eine zylinderförmige Medienkammer, die von der Kanalanordnung umgeben ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Kanalanordnung für die Primärflüssigkeit in einer Anzahl voneinander unabhängiger Abschnitte unterteilt, und jeder dieser Abschnitte ist mit " einem Eintritts- und einem Austrittsstutzen versehen, uudurch kann die Kanalanordnung in mehrere Abschnitte aufgeteilt und so in flexibler Weise an vielfältige Anwendungen angepaßt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 eine Wärmeaustauscheinrichtung im Längsschnitt,

F i g. 2 eine Frontansicht der in F i g. 1 gezeigten Wärmeaustauscheinrichtung,

Fig.3 einen Schnitt längs der Linie ίίΙ-IIl in Fig. 1, und

F i g. 4 die Abwicklung einer der beiden aus F i g. 3 ersichtlichen Kreislaufabschnitte für die Primärflüssig- to keit

In den F i g. 1 und 3 bezeichnet 1 allgemein das Gehäuse einer Wärmeaustauscheinrichtung, das im wesentlichen aus einer Ummantelung 2, einer Frontwand 3, einer Rückwand4, einem über die Frontwand 3 herausragenden Kragen 5 und einem Kragenflansch 6 besteht Die Frontwand 3 enthält Anschlußstutzen 7 und 8 für die Zuleitung bzw. Ableitung eines ersten Sekundärmediums, und die Rückwand 4 kann mit Durchführungen 9 und 10 für das Einführen bzw. das Anschließen der Zu- und Rücklaufleitungen einer mit unterbrochenen Linie schematisch dargestellten Zusatz-Wärmeaustauschervorrichtung 11 z. B. in der Form eines Rohrwendeis oder eines elektrisch betriebenen Heizeinsatzes innerhalb des Gehäuses 1 versehen sein.

Mit 15 ist allgemein ein Wärmeaustauschereinsatz bezeichnet, welcher im wesentlichen aus einem horizontal im Gehäuse 1 eingebauten, vorzugsweise praktisch zylindrischen Behälter 16 mit einem gewölbten Boden 17 und einem Behälterflansch 18 besteht. In diesem Flansch 18 befinden sich Anschlußstutzen 19 und 20 fur die Zuleitung bzw. Ableitung eines zweiten Sekundärmediums. Mit dem zylindrischen Mantelabschnitt 21 ist eine Kanalanordnung 22 fest verbunden, die im vorliegenden Fall und wie aus F i g. 3 besser ersichtlich ist, in zwei separate Abschnitte 22.1 und 22.2 unterteilt ist, von welchem je einer links und rechts der Mittelsenkrechten 23 des Wärmeaustauschereinsatzes 15 angeordnet ist. Jeder der Abschnitte 22.1 und 22.2 besitzt je einen unteren, mit 24.1 und 24.2 und einen oberen, mit 25.1. und 25.2 bezeichneten Anschlußstutzen für die Zuleitung bzw. Ableitung eines dritten Mediums bzw. für die wärmeabgebende Primärflüssigkeit. In Fig.4 ist die Abwicklung eines dieser Kanalanordnungsabschnitte gezeigt. Die Kanalanordnungsabschnitte können, wie gezeigt, durch Aufschweißen von U-Profilen, deren öffnung dem Mantel bzw. der Wand des Behälters 16 zugewandt ist, gebildet werden, wobei sich die einzelnen Sektionen der Kanalanordnungsabschnitte in der Reihenfolge a, b, c, d, e ... n-2, n-1, η mäanderförmig und mit Abstand 33 voneinander über die bezügliche Hälfte des Behältermantels erstrecken. Um für das zweite Sekundärmedium gegenüber dem Mantel des Behälters 16 eine große Kontaktfläche zu erzielen, wird zweckmäßig ein rechteckiger Rohrquerschnitt mit einem Seitenverhältnis von 3 bis 6 zu 1 gewählt. Die Anschlußstutzen 24.1, 24.2, 25.1 und 25.2 der Kanalanordnungsabschnitte sind durch entsprechende öffnungen im Behälterflansch 18 auf dessen Außenseite geführt und mit diesem dicht verschweißt.

Es versteht sich, daß anstelle der auf dem Mantel des Behälters 16 aufgeschweißten U-Profile für die Kanalanordnung 22 eine Konstruktion gewählt werden kann, bei welcher der mäanderförmig verlaufende Primärflüssigkeitskreislaufabschnitt auch direkt in die Behälterwand integriert ist, wie bei einem Flächenheizkörper, bei welchem Partien der Außenwandbleche zur Herstellung einer Flüssigkeitssperre zusammengepreßt und miteinander verschweißt sind, während in den nicht zusammengepreßten Partien die Flüssigkeit zirkulieren kann.

Der Behälterflansch 18 besitzt eine zentrale öffnung 26, db mit einem Deckel 27 verschlossen ist. Die öffnung 26 ermöglicht den Zutritt zum Innern des Behälters 16, beispielsweise zu Kontroll- und Reinigungszwecken. Der Deckel 27 kann mit öffnungen 28, 29 versehen sein, die für die Aufnahme von Temperaturfühl- und Meßgeräten dienen und eine vorzugsweise zentrale öffnung 30 aufweisen, die für die Montage einer Schutzanode vorgesehen ist Eine Grundrißdarstellung des Behälterflansches 18 und die Anordnung des Deckels 27 auf diesem Flansch gehen aus F i g. 2 hervor.

Die in der Zeichnung dargestellte spezielle Ausführungsform der Wärmeaustauscheinrichtung ist auf die Verwendung in einer Anlage für die Ausnutzung der Sonnenenergie ausgelegt, durch welche Warmwasser für den allgemeinen Gebrauch, und Warmwasser für den Betrieb einer Gebäudeheizung aufbereitet werden soll. Mehrere, vorzugsweise zwei Wärmeaustauscheinrichtungen der gezeigten Art können zu einer Speicherbzw. Austauscherbatterie zusammengebaut werden, wobei sich die aus den F i g. 1 und 3 hervorgehende prismatische Form des Gehäuses 1 nicht nur raumsparend, sondern auch im Hinblick auf die Wärmeisolierung günstig auswirken kann.

Bei der nachfolgenden Erläuterung einer möglichen Betriebsweise der gezeigten Wärmeaustauscheinrichtung ist die auf der Außenseite des zylindrischen Mantelabschnittes 21 des Wärmeaustauschereinsatzes 15 angebrachte Kanalanordnung 22 bzw. deren Abschnitte 22.1 und 22.2 einem primären Flüssigkeitskreislaufsystem zugeordnet, welches z. B. einen oder mehrere Sonnenkollektoren enthalten kann, durch den bzw. die beispielsweise eine Wasser-Frostschutz-Mischflüssigkeit erwärmt wird. Durch Thermosyphon- oder Zwangszirkulation (Pumpe) zirkuliert die Primärflüssigkeit in der Kanalanordn^ ig 22, deren beide Abschnitte in später beschriebener Weise schaltbar sind. Die warme PrimärflüEsigkeit tritt im Falle der F i g. 1 und 3 je nachdem, ob Gleich- oder Gegenstrombetrieb vorgesehen ist, über die Anschlußstutzen 24.1, 24.2 ein und über die Anschlußstutzen 25.1, 25.2 aus, oder umgekehrt. Anhand der Fig. 3 ist somit leicht ersichtlich, daß die Anordnung der Kanalanordnung 22 bzw. deren Abschnitte 22.1 und 22.2 auf dem Behälter 16 zwei getrennte Sekundärkammern 31 und 32 zu schaffen gestattet, deren Inhalt in direktem Kontakt mit Oberflächenpartien der Kanalanordnung 22 gelangt, so daß eine unmittelbare Wärmeübertragung stattfindet. Es ergibt sich daraus auch, daß beim Betrieb der Einrichtung sowohl das Medium in der äußeren Sekundärkammer 31 als auch dasjenige in der inneren Sekundärkammer 32 als Speichermedium wirken kann, wobei ein unmittelbarer Wärmeaustausch zwischen den beiden Kammern in den Spalten 33 zwischen zwei benachbarten Sektionen a, c, e eic. (F i g. 3, 4) und im Bereich des Bodens 17 durch die Wand des Behälters 16 hindurch stattfindet.

Nimmt man ferner an, daß in der äußeren Seku,;Järkammer31 Warmwasser für den Betrieb einer Raumheizung und in der inneren Sekundärkammer 32 Warmwasser für den Haushaltgebrauch bereitet werden soll, so ergeben sich für den Betrieb der gezeigten Wärmeaustauscheinrichtune folgende Verhältnisse:

Bei Sonneneinstrahlung wird die Primärflüssigkeit auf eine Vorlauftemperatur von beispielsweise 70°C am Eintrittsstutzen der Kanalanordnung 22 gebracht und verläßt diese mit einer Temperatur von beispielsweise 50° C. Unter der Annahme, daß sich die Wassermenge in der äußeren Se· undärkammer 31 zur Wassermenge in der inneren Medienkammer etwa gleich verhält wie die Größe der der äußeren Sekundärkammer zugewandten Oberfläche der Kanalanordnung 22 zu der der inneren Sekundärkammer zugewandten Oberfläche, ergeben sich im stationären Zustand, d. h. ohne Wasserzu- und -abfluß in beiden Kammern praktisch gleiche Wassertemperaturen mit einem Mittelwert von ca. 55°C. Wird nun der inneren Sekundärkammer Warmwasser entzogen, so sinkt die Wassermischtemperatur in dieser Kammer, so daß nun ein zusätzlicher Energiefluß sowohl aus der Kanalanordnung 22 als auch von der äußeren Sekundärkammer her einsetzt, um die Wassertemperatur in der inneren Sekundärkammer wieder auszugleichen. Das Wasser in der äußeren Sekundärkammer 31 übt somit in diesem Falle so lange die Funktion eines Wärmelieferanten aus, bis der Temperaturausgleich stattgefunden hat. In gleicher Weise ergibt sich ein in umgekehrter Richtung laufender zusätzlicher Energiefluß, wenn der äußeren Sekundärkammer 31 durch Wärmetransport in die Heizanlage Wärme entzogen wird. Wenn beispielsweise im Sommer keine Heizenergie benötigt wird, wirkt das ganze Flüssigkeitsvolumen in der äußeren Sekundärkammer 31 als Wärmespeicher. Daraus ergibt sich, daß in einem besonderen Anwendungsfall die äußere Sekundärkammer grundsätzlich als Wärmespeicher betrieben werden könnte, vorzugsweise unter Verwendung eines Mediums mit großer Speicherkapazität zum Füllen der äußeren Sekundärkammer.

Für den Fall, daß die durch die Primärflüssigkeit aus dem Sonnenkollektor eingespeiste Wärmemenge nicht genügt, um den infolge Wasser- bzw. Energieentzug sowohl aus der inneren Sekundärkammer 32 als auch aus der äußeren Sekundärkammer 31 resultierenden Temperaturabfall auszugleichen, kann man entweder — durch Heizmittel außerhalb der gezeigten Wärmeaustauscheinrichtung — die Wärmeenergiezufuhr durch die Primärflüssigkeit entsprechend erhöhen, oder man kann durch in der äußeren Medienkammer eingebaute zusätzliche Heizmittel, wie die in Fig. 1 mit 11 bezeichnete Wärmeaustauschervorrichtung, mehr Wärme zuführen. Die Wärmeaustauschervorrichtung 11 kann beispielsweise in einen Heizkreis eingeschaltet sein und diesen mit Wärme aus dem Speichermedium speisen, wenn die äußere Sekundärkammer 31 ein nur der Wärmespeicherung dienendes Medium enthält.

Wie bereits erwähnt, ist die in Fig.3 gezeigte Kanalanordnung 22 bzw. sind deren Abschnitte 22.1 und 22.2 so auf dem Wärmeaustauschereinsatz 15 angeordnet, daß je nach Wahl des Vorlauf-Eintritts, d. h. bei den

to Anschlußstutzen 24.1, 24.2 oder bei den Anschlußstutzen 25.1, 25.2, die Einrichtung nach dem Gegenstromprinzip oder nach dem Gleichstromprinzip betrieben werden kann. Wird Wärmeaustauscherbetrieb nach dem Kreuzstrombetrieb gewünscht, so wird der Wärrneaustauschereinsatz 15 um 90° gedreht eingebaut, wobei die in Fig.3 beidseils der Mittelsenkrechten 23 gezeigten Kanalanordnungsabschnitte 22.1, 22.2 horizontal übereinanderliegen und deren Anschlußstutzen 24.1,24.2 und 25.1,25.2 beidseits der Horizontalen 34 zu liegen kommen. In diesem Fall wird an der Verbindungsstelle der beidseits der Mittelsenkrechten liegenden Sektionen der Kanalanordnungsabschnitte 22.1 und 22.2 ein zusätzlicher Stutzen 35 angebracht, wie in F i g. 4 gestrichelt angegeben, der im Falle des obenliegenden Kanalanordnungsabschnittes als Entlüftungsstutzen, und im Falle des untenliegenden Kanalanordnungsabschnittes als Entleerungsstutzen dient.

Bereits die in Fig.3 gezeigte Anordnung der Kanalanordnungsabschnitie 22.1 und 22.2 zeigt, daß mehr als ein separater Primärflüssigkeitsabschnitt in einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauscheinrichtung vorhanden sein kann, welche von verschiedenen Wärmequellen stammende Energie an die in der Einrichtung aufzuheizenden Sekundärmedien übertragen. So kann z. B. der eine der beiden Abschnitte mit einer Sonnenkollektorenbatterie verbunden sein, während der andere einer Zusatzheizung zugeordnet ist. Die gegenüber der F i g. 3 um 90° gedrehte Anordnung des Wärmeaustauschereinsatzes erlaubt nicht nur den Kreuzstrombetrieb auf der Primärseite, sondern auch einen gleichzeitigen Gleich- und Gegenstrombetrieb, indem der Primärflüssigkeitseintritt jeweils mit dem in diesem Fall zuoberst bzw. zuunterst liegenden zusätzlichen Stutzen 35 (Fig.4) verbunden ist, und der Primärflüssigkeitsaustritt an den dann beidseits der Horizontalen 34 liegenden Anschlußstutzen 24.1, 24.2 und 25.1,25.2 erfolgt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscheinrichtung für eine wärmeabgebende Primärflüssigkeit und zwei voneinander getrennte, wärmeaufnehmende Sekundärmedien, mit einer inneren, zylindrischen Sekundärkammer für eines der Sekundärmedien, einer die innere Sekundärkammer umgebenden Kanalanordnung für die Primärflüssigkeit und einer die Kanalanordnung sowie zumindest einen Teil der inneren Sekundärkammer umgebenden äußeren Sekundärkammer für das zweite Sekundärmedium, mit einer äußeren Begrenzungswand für die äußere Sekundärkammer als gemeinsame Ummantelung für beide Sekundärkammern und die Kanalanordnung und einer teilweise gemeinsamen Begrenzungswand zwischen innerer und äußerer Sekundärkammer, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wandung der Kanalanordnung (22) eine gemeinsame Begrenzungswand zwischen der inneren Sekundärkammer (32) und der Kanalanordnung (22) und der andere Teil der Wandung der Kanalanordnung (22) eine gemeinsame Begrenzungswand zwischen der Kanalanordnung (22) und der äußeren Sekundärkamrner (31) bildet

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung (22) für die Primärflüssigkeit in an sich bekannter Weise aus auf die Außenseite der Wand der inneren Sekundärkammer (32) aufgeschweißten, kanalförmigen Profilstäben gebildet ist, deren Profilöffnung durch die Wand der inneren Sekundärkammer (32) geschlossen ist.

3. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung (22) für die Primärflüssigkeit in eine Anzahl voneinander unabhängiger Abschnitte (22.1, 22.2) unterteilt ist und jeder dieser Abschnitte (22.1, 22.2) mit je einem Eintritts- und einem Austrittsstutzen versehen ist (F ig. 3,4).