DE2829456A1

DE2829456A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2829456A1
Application number: DE19782829456
Authority: DE
Inventors: Thomas E Brendel; Richard D Rogers; James P Schafer
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1979-02-01
Also published as: MX147223A; IT1097861B; GB2001422B; AR218675A1; IL55047A0; SE7807972L; GB2001422A; SE440554B; JPS5423246A; FR2398278B1; ES471953A1; ES479156A1; BR7804733A; NL7807460A; CH636949A5; NL186719B; FR2398278A1; IT7825833A0; NL186719C

Description

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Wärmetauscher

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Wärmetauscher und im besonderen auf Wärmetauscher, die in Systemen zur Kälteerzeugung und Klimatisierung Verwendung finden, um Wärme zwischen verschiedenartigen Strömungsmedien zu übertragen.

Man hat festgestellt, daß es zur Verbesserung der Wirksamkeit oder zur Reduzierung der Kosten bei der Kälte- und Wärmeerzeugung wünschenswert ist, Wärme zwischen verschiedenartigen Strömungsmedien zu übertragen. Herkömmliche Wärmetauscher übertragen die Wärme nur zwischen zwei Strömungsmedien; normalerweise werden in derartigen Wärmetauschern keine zwischengeschalteten oder alternierenden Strömungsmedien zur Verbesserung der Wärmeübertragung oder zur Wärmeergänzung eingesetzt. Beispielsweise sind Wärmetauscher in einem System zur Kälteerzeugung normalerweise so ausgebildet, daß sie Wärme von einem Kältemittel innerhalb eines rohrförmigen Elementes an Luft übertragen, die über das rohrförmige Element und um dieses herum strömt.

Bei einigen Anwendungsfällen, beispielsweise bei Kälteverflüssigern, ist es wünschenswert, Wärme von dem Strömungsmedium innerhalb eines rohrförmigen Elementes auf ein Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, innerhalb eines zweiten rohrförmigen Elementes zu übertragen oder Wärme

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von dem Kältemittel in dem ersten rohrförmigen Element sowohl auf die um die Rohre strömende Luft als auch auf das im zweiten rohrförmigen Element befindliche Wasser zu übertragen. Derartige Fälle treten auf, wenn eine Wasserquelle zur Verfugung steht, deren Wasser eine niedrigere Temperatur als die Umgebungsluft besitzt und zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen den Strömungsmedien herangezogen werden kann. Beispielsweise steht bei Schiffscontainern Kühlwasser an Bord des Schiffes zur Verfügung, das als Wärmetauschermedium dienen kann, das jedoch entfällt, wenn der Container an einen anderen Ort vom Schiff entfernt bewegt wird.

In ähnlicher Weise ist es bei vielen Anwendungsfällen von Wärmepumpen wünschenswert, in bezug auf die Wärmeübertragung wählen zu können zwischen einem ersten Strömungsmedium, beispielsweise dem Wärmepumpenkältemittel, und einem zweiten Strömungsmedium, beispielsweise der Raumluft, zwischen dem Kältemittel und einem Medium zur Wärmeübertragung aus einem Wärmespeicher oder zwischen dem Strömungsmedium aus dem Wärmespeicher und der Umgebungsluft. Wenn beispielsweise ein Raum in einer Umfassung gekühlt wird, ist es oft vorteilhaft, Wärme aus dem Raum auf einen Wärmespeicher zu übertragen, in dem die Wärme gespeichert werden kann, um zu einem späteren Zeitpunkt Verwendung zu finden. Wenn jedoch aus bestimmten Gründen der Wärmespeicher nicht genug Wärme aufnehmen kann, um den Raum in der Umfassung angemessen zu kühlen, kann es vorteilhaft sein, Wärme aus

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der Umfassung auf das Kältemittel einer Wärmepumpe zu übertragen und die Wärmepumpe in bekannter Weise dazu zu verwenden, die Wärme aus der Umfassung herauszubewegen. Darüber hinaus kann es auch dann, wenn die Temperatur in der Umfassung einen zufriedenstellenden Wert besitzt, wünschenswert sein, Wärme zwischen dem Wärmespeicher und der Umgebungsluft außerhalb der Umfassung unter Umgehung der Umfassung zu übertragen, um auf diese Weise den Wärmespeicher für spätere Wärme- oder Kältebedürfnisse vorzubereiten.

Bei den vorstehend genannten oder ähnlichen Fällen können viele Vorteile erzielt werden, wenn in der erfindungsgemäßen Weise vorgegangen und ein Wärmetauscher verwandet wird, der eine Vielzahl von unabhängigen Rohrschlangen oder -systemen aufweist, die miteinander verbunden sind und mit der Umgebungsluft über eine Reihe von im Abstand angeordneten wärmeleitenden Rippen oder Platten in Verbindung stehen. Die Rohrsysteme können verschachtelt oder in Reihe in der Strömungsbahn der Luft angeordnet sein, die die Rippen passiert, je nachdem, ob in dem speziellen Anwendungsfall des Wärmetauschers Wärme direkt zwischen den in den Rohrsystemen vorhandenen Strömungsmedien, zwischen der Luft und den Strömungsmedien in den Rohrsystemen oder zwischen den Strömungsmedien in den Rohrsystemen mit Luft als Zwischenmedium für den Wärmetausch übertragen werden soll. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmetauscher zwei unabhängige Rohrschlangen auf, die thermisch miteinander verbunden sind und über Bine Reihe von im Abstand angeordneten

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wärmeleitenden Rippen thermisch mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. DBr Wärmetauscher kann in einem System zur Kälteerzeugung eingesetzt werden, wobei durch die eine Schlange Kältemittel und durch die andere Schlange Wasser strömt, so daß zwischen dem Wasser und dem Kältemittel, dem Wasser und der Umgebungsluft und dem Kältemittel und der Umgebungsluft Wärme ausgetauscht werden kann.

Dar Wärmetauscher kann auch in einem System zur Übertragung und Speicherung von Wärme Verwendung finden, bei dem ein erstes Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Wasser, aus einem Wärmespeicher, beispielsweise einem isolierten Wassertank, durch das erste Rohrsystem des Wärmetauschers zirkuliert und ein zweites Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise ein Kältemittel einer Wärmepumpe, durch das zweite Rohrsystem des Wärmetauschers zirkuliert. Dabei kann Wärmezwischen den beiden Wärmeübertragungsmedien und zwischen einem Medium oder beiden Medien und der Umgebungsluft ausgetauscht werden. Bei einer Ausführungsfarm ist der Drei-Medien-Wärmetauscher außerhalb einer Umfassung in Verbindung mit der Außenschlange der Wärmepumpe angeordnet, und bei einer zweiten Ausführungsform befindet sich der Drei-Medien-Wärmetauscher innerhalb der Umfassung und steht mit der Innenschlange der Wärmepumpe in Verbindung.

In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen S

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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Rippsnrohrwärmetauschers zusammen mit einer schematisch dargestellten Einrichtung zur Luftumwälzung;

Fig. 2 ein Schema einer Anordnung der Rohre im Wärmetauscher der Fig. 1, wobei die Rohre des einen Rohrsystems als dunkle Kreise und die Rohre des anderen Rohrsystems als helle Kreise dargestellt sind;

Fig. 3 ein Schema einer anderen Anordnung der Rohre im Wärmetauscher der Fig. 1, wobei wiederum die Rohre des einen Rohrsystems als dunkle Kreise und die Rohre des anderen Rohrsystems als helle Kreise dargestellt sind;

Fig. 4 ein Schema einer weiteren Anordnung der Rohre im Wärmetauscher der Fig. 1, wobei wiederum dunkle Kreise die Rohre des einen Rohrsystems und helle Kreise die Rohre des anderen Rohrsystems bezeichnen;

Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts dBs in Fig. dargestellten Wärmetauschers;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Systems zur Wärmeübertragung und Speicherung, bei-dem der in Fig. 1 dargestellte

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Wärmetauscher in Verbindung mit der Außenschlange einer Wärmepumpe eingesetzt ist;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Systems zur Wärmeübertragung und Speicherung, bei dem der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher in Verbindung mit der Innenschlange einer Wärmepumpe eingesetzt ist;

Fig. 8 ein schematisches Flußdiagramm für den in den Systemen der Fig. 6 und 7 verwendeten Drei-Medium-Wärmetauscher, das zur Darstellung der Strämungsrichtung der Medien durch die beiden unabhängigen Strömungskreise des Wärmetauschers dient, wenn Wärme vom Wärmespeicher an die Wärmepumpe übertragen wird; und

Fig. 9 ein schematisches Flußdiagramm für den in den Systemen der Fig. 6 und 7 verwendeten Drei-Medien-Wärmetauscher, das zur Darstellung der Strömungsrichtung der Medien durch die beiden unabhängigen Strömungskrsise des Wärmetauschers dient, wenn Wärme von der Wärmepumpe zum Wärmespeicher übertragen wird.

In den Fig. 1 und 5 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmetauscher dargestellt. Wärmetauscher eines derartigen Typs können für Anwendungs-

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zwecke eingesetzt werden, bei denen Luft oder ein gasförmiges Strömungsmedium über oder durch eine Reihe von Rohren geleitet werden soll, die ein Strömungsmedium enthalten, das eine von der Luft verschiedene Temperatur aufweist, und bei denen Wärme zwischen dem Strömungsmedium und der Luft übertragen werden soll. Der dargestellte Wärmetauscher besitzt die zusätzliche Möglichkeit, Wärme zwischen zwei Strömungsmedien in den Rohren zu übertragen unabhängig davon, ob Luft durch den Wärmetauscher zirkuliert oder nicht.

Der Wärmetauscher 2 ist mit zwei Endplatten 10 versehen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der durch den Raumbedarf bestimmt wird, der in dem speziellen Anwendungsfall zur Wärmeübertragung benötigt wird. Die Endplatten 10 und der zwischen den Endplatten 10 vorhandene Raum bilden eine Strömungsbahn für die Bewegung von Luft durch den Wärmetauscher 2. Ein in Fig. 1 schematisch dargestelltes Gebläse kann Verwendung finden, um Luft durch den Wärmetauscher 2 in einerRichtung parallel zu den Endplatten 10 zu drücken. Die Endplatten 10 lagern ein erstes System von Rohren 14, die sich durch Öffnungen in den Endplatten und über den zwischen den Endplatten vorhandenen Raum erstrecken. Die Rohre 14 sind normalerweise in den Endplatten 10 befestigt, indem sie im Bereich der Endplatten ausgeweitet sind, so daß zwischen den Außenwänden der Rohre 14 und den die Öffnungen in den Endplatten 10 begrenzenden Flächen ein Druckkontakt besteht. Die Rohre 14 sind auf der Außenseite dBr Endplatten 10 über eine Reihe von Endkappen 16 verbunden, so daß auf diese Weise eine gewundene oder serpentinenförmige

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Bahn durch den Wärmetauscher 2 gebildet wird. In der gleichen Weise wie der erste Satz Rohre 14 wird ein zweiter Satz Rohre 1G durch die Endplatten 10 gelagert. Die Rohre 18 durchziehen ebenfalls den Raum zwischen den Endplatten 10 und sind mit den Rohren 14 so v/erschachtelt, wis es beispielsweise in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Alternativ dazu können die Rohre 10 auch neben den Rohren 14 angeordnet sein, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Endkappen 20 verbinden die Rohre 18 auf der Außenseite der Endplatten 10, so daß ebenfalls eine gewundene oder serpentinenförmige Bahn durch den Wärmetauscher 2 gebildet wird.

Eine Reihe von wärmeleitenden Rippen oder Platten 22 aus Metall oder einem anderen geeigneten wärmeleitenden Material ist in Abständen und zueinander ausgerichtet .wischen den Endplatten 10 angeordnet. Die Rippen 22 werden durch die Rohre 14 und 18 gelagert und sind parallel zu den Endplatten angeordnet, so daß Luft über die Oberfläche der Rippen strömen kann. Jede Platte oder Rippe 22 weist eine Reihe von eingeschnittenen Öffnungen auf, deren Lage der Position der Rohre 14 und 18 entspricht. Wenn die Rohre in die öffnungen der Endplatten 10 eingesetzt werden, werden sie auch durch die entsprechenden Öffnungen in den Rippen 22 geschoben. Die Rippen werden dann zu Lagerungs- und Wärmeübertragungszwecken an den Rohren befestigt, so daß zu diesen ein guter thermischer Kantakt besteht.

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Im Betrieb des Wärmetauschers dringt ein erstes Strömungsmedium, beispielsweise ein Kältemittel, am Punkt 24 in die Rohre 14 ein, läuft durch den Raum zwischen den Endplatten 10 vor und zurück und tritt schließlich am Punkt 26 aus. Ein zweites Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, dringt in die Rohre 18 am Punkt 28 ein,· läuft durch den Raum zwischen den Endplatten 10 vor und zurück und verläßt den Wärmetauscher am Punkt 30. Die Lage der Eintrittspunkte 24 und 28 und Austrittspunkte 26 und 30 wird durch die spezielle Anordnung der verwendeten Rohre festgelegt. Jedes Strömungsmedium kann vom Boden des Wärmetauschers bis zum oberen Ende desselben oder umgekehrt fließen, oder das Strömungsmedium kann an einer Seite in den Wärmetauscher eintreten und an der anderen Seite wieder austreten. Die wärmeleitenden Rippen können Wärme in jeder Richtung zwischen den Rohren 14 und den Rohren übertragen. Daher kann Wärme von dem Strömungsmedium im Rohrsystem 14 auf das Strömungsmedium im Rohrsystem 18 übertragen werden oder in umgekehrter Richtung, d.h. von dem Strömungsmedium im Rohrsystem 18 auf das Strömungsmedium im Rohrsystem 14. Wenn beispielsweise ein heißes Kältemittel durch das Rohrsystem 14 und Kühlwasser durch das Rohrsystem 18 geleitet wird, wird Wärme aus dem Strömungsmedium in den Rohren 14 über die Rippen 22 auf das Strömungsmedium in den Rohren 18 übertragen. Darüber hinaus können die Rippen 22 auch Wärme zwischen jedem Rohrsystem 14,18 und der Umgebungsluft übertragen. Wenn daher in dem obigen Beispiel kein Kühlwasser zur Verfugung steht, kann das Gebläse 12 in Betrieb gesetzt werden, um Luft mit einer niedrigeren" Temperatur als das Kältemittel in den Rohren 14 durch den Raum zwischen den Endplatten 10 in

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Kantakt mit den Rippen 22 zu leiten. Die Wärme aus dem Kältemittel wird dann über die Rippen 22 auf die Luft übertragen. Bei dieser Betriebsweise können die Rohre 18 untätig sein, ader sie können Kühlwasser enthalten, um zur Wärmeübertragung von den Rohren 14 beizutragen. Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Rohranordnungen sind für diese Alternativmöglichkeiten besonders geeignet.

Für Anwendungsfälle, bei denen Luft das primäre Kühlmedium ist und Wasser verwendet wird, um die Wärmeübertragung zu ergänzen, wenn die Lufttemperatur besonders hoch ist, kann die in Fig. 4 dargestellte Rohranordnung Verwendung finden. Die Luft strömt zuerst über denjenigen Abschnitt der Rippen 22, der sich mit dem Kühlwasser enthaltenden Rohrsystem 18 in Kontakt befindet. Die in der Luft enthaltene Wärme wird über die Rippen 22 auf das Wasser in den Rohren 18 übertragen, wodurch die Temperatur der Luft verringert wird. Danach strömt die Luft über denjenigen Abschnitt der Rippen 22, der sich mit dem Kältemittel enthaltenden Rohrsystem 14 in Kontakt befindet, wobei die Wärme des Kältemittels über die Rippen 22 auf die Luft übertragen wird. Bei dieser Betriebsweise wird darüber hinaus auch Wärme direkt von den Rohren 14 über die Rippen 22 auf die Rohre 18 übertragen.

In Fig. 6 ist ein erstes System zur Wärmeübertragung und Speicherung schematisch dargestellt, das erfindungsgemäß ausgebildet ist und bei dem der vorstehend beschriebene Drei-Medien-Wärmetauscher 2 Verwendung findet. Das System umfaßt eine Wärmepumpe 110, die ein Wärmeübertragungs-

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medium, beispielsweise ein Kältemittel, enthält und einen Wärmespeicher 150, beispielsweise einen isolierten Wassertank, der ein Wärmeaustauschmedium, beispielsweise Wasser, enthält. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit einem Solarkollektor ISO verwendet. Es können jedoch auch andere Wärmequellen mit dem System zur Wärmeübertragung und Speicherung kombiniert werden, oder das System kann alleine verwendet werden.

Die Wärmepumpe 110 umfaßt einen Kompressor 112, ein Umschaltventil für das Kältemittel, ein umschaltbares Expansionsventil 116, eine Innenschlange 132, die innerhalb einer Umfassung 130 angeordnet ist, eine Außenschlange 14, die in den Fig. 5, 8 und 9 dargestellt und in dem Drei-Medien-Wärmetauscher 2 gelagert ist, sowie Kältemittelleitungen 122,124,126 und 128. Über eine Wasserpumpe 151 wird Wasser aus dem Wassertank ,150 über eine Wasserversorgungsleitung 152 zu einer in den Fig. 5, 8 und 9 gezeigten Wasserschlange 18 gepumpt, die in dem Drei-Medien-Wärmetauscher 2 gelagert ist. Das Wasser zirkuliert durch die Wasserschlange 18 und danach durch die Wasserrückführleitung 154 in den Wassertank 150 zurück. Die Wasserrückführleitung 154 führt das Wasser durch einen Solarkollektor 160. Ein Überlaufventil 156 und eine Auswaichlaitung 158 sind vorgesehen, um das Wasser aus der Wasserschlange 18 direkt zum Wassertank 150 zurückzuführen, wenn der Solarkollektor übergangen werden soll. Ein Gabläse 136 ist vorgesehen, um Umgebungsluft über die Innenschlange 132 dar Wärmepumpe 110 zu drücken, während ein

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Gebläse 146 dazu dient, Umgebungsluft über beide Schlangen 14 und 18 des Wärmetauschers 2 zu führen.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten System handelt es sich bei dem Drei-Medien— Wärmetauscher 2 um einen Luft-Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher, der, wie in den Fig. 5, O und 9 gezeigt ist, durch Verknüpfung der Außenschlange 14 der Wärmepumpe 110 mit der Wasserschlange 18 gebildet ist. Die Aussenschlange 14 wird durch die Rohrbleche 10 gelagert und erstreckt sich zwischen diesen, und das Kältemittel der 'iVärmepumpe 110 zirkuliert durch dis Schlange 14 in beiden Richtungen, Wie durch die gestrichsl-

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ten Linien in den Fig. 8 und 9j ist. Die Strömungsrichtung des Kältemittels hängt von der speziellen Betriebsweise der Wärmepumpe 110 ab. Wenn die Wärmepumpe 110 heizt, d.h. zum Erwärmen des in der Umfassung 130 befindlichen Raumes eingesetzt wird, zirkuliert das Kältemittel durch die Schlange 14, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 8 gezeigt ist. Wenn die Wärmepumpe 110 kühlt, d.h. zum Kühlen des in der Umfassung 130 befindlichen Raumes eingesetzt wird, zirkuliert das Kältemittel durch die Schlange 14 so, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 9 gezeigt. Zwischen den gleichen Rohrblechen 10 erstreckt sich auch die Wasserschlange 18, wobei Wasser aus dem Speichertank 150 durch die Schlange in der durch die durchgezogenen Linien der Fig. 8 und 9 angedeuteten Weise zirkuliert. Die Schlangen 14 und 18 werden jeweils durch die Rohrbleche 10 in alternierenden Vertikalebenen gelagert und tragen über die sich zwischen den Rohrblechen 10 erstreckende Längs der Schlangen eine Vielzahl von gemeinsamen Rippen 22.

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Bei dem Luft-Wasser-KältBmittel-Wärmetauscher 2 kann Wärme zwischen den verschiedenartigen Wärmeübertragungsmedien, die den Wärmetauscher passieren_f übertragen warden. Beispielsweise kann durch Inbetriebsetzen der Wärmepumpe 110 und der Wasserpumpe 150 und durch Außerbetriebsetzen des Gebläses 146 Wärme zwischen dem Wärmepumpenkältemittel, das die Schlange 14 passiert, und dem Wasser, das die Schlange 18 passiert, ausgetauscht werden. Durch Inbetriebnahme der Wärmepumpe 110 und des Gebläses 146 und Außerbetriebsetzen der Wasserpumpe 151 kann Wärme zwischen dem Wärmepumpenkältemittel, das die Schlange 14 passiert, und der Umgebungsluft ausgetauscht werden. Oder es kann durch Inbetriebnahme der Wasserpumpe 151 und des Gebläses 146 und Außerbetriebsetzen der Wärmepumpe 110 Wärme zwischen dem durch die Schlange 18 strömenden Wasser und der Umgebungsluft ausgetauscht werden.

Auf verschiedene Weise kann Wärme in den Wassertank 150 zu Speicherungszwecken für eine spätere Verwendung eingeführt werden. Wenn beispielsweise die Wasserpumpe 151 in Betrieb genommen wird, kann Wasser vom Wassertank 150 durch den Solarkollektor 160 strömen, von diesem Wärme absorbieren und zum Wassertank 150 zurückströmen. Darüber hinaus kann, wenn sich die Wärmepumpe 110 im Kühlbetrieb befindet, d.h. zur Kühlung des in der Umfassung 130 befindlichen Raumes verwendet wird, und überschüssige Wärme aus der Umfassung 130 durch die Wärmepumpe 110 von der Innenschlange 132 zur Außenschlange 14 übertragen wird, diese überschüssige Wärme durch Inbetriebnahme der Wasserpumpe 151 zum Wassertank 150 überführt werden. Die Wasserpumpe 151 bewirkt eine Zirkulation des

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Wassers aus dem Wassertank 150 durch die Wasserschlange 18. Während das Wasser die Wasserschlange 18 passiert, kann es Wärme von dem Kältemittel absorbieren, das durch die Außenschlange 14 strömt. Dieses erhitzte Wasser strömt dann entweder direkt oder durch den Solarkollektor 160 zum Wassertank 150 zurück. Auf diese Weise kann überschüssige Wärme der Umfassung 130 aus der Umfassung herausgeführt und im Wärmespeicher 150 zur späteren Verwendung gespeichert v/erden.

Zur besseren Verdeutlichung der Art und Weise, in der das in Fig. 6 dargestellte System zur Wärmeübertragung und Speicherung funktioniert, wird das System sowohl beim Aufheizen als auch beim Kühlen des in der Umfassung 130 befindlichen Raumes beschrieben.

Um den in der Umfassung 130 befindlichen Raum zu erhitzen, werden die Gebläse 136 und 146 in Betrieb gesetzt, und die Wärmepumpe 110 wird zum Heizen in Betrieb genommen. An der Außenschlange 14 absorbiert das Wärmepumpenkältemittel Wärme von der Umgebungsluft, da diese Luft durch das Gebläse 146 über die Außenschlange 14 geführt wird. Die Wärmepumpe 110 überträgt dann diese Wärme zur Innenschlange 132, wo sie zur Umgebungsluft freigegeben wird, die durch das Gebläse 136 über die Schlange geführt wird.

Wenn die Wärmepumpe 110 keine ausreichende Wärmemenge von dar Außenluft an den in der Umfassung 130 befindlichen Raum übertragen kann, um diesen in zufriedenstellender Weise zu erwärmen, kann die vorher in den Wassertank 150 eingeführte Wärme zur Unterstützung der Wärmepumpe 110

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verwendet werden. Dies wird durch Inbetriebnahme der »Vasserpumpe 151 bewirkt. Die Wasserpumpe 151 wälzt Wasser aus dorn Wassertank 150 durch die Wasserschlange 10 des Wärmetauschers 2 um. Das Wasser führt IVärme mit sich, die im Wassertank 150 gespeichert worden war. Wenn das Wasser durch die Wasserschlange 18 strömt, wird ein großer Teil dieser Wärme auf das Kältemittel übertragen, das durch die Außenschlange 14 der Wärmepumpe 110 strömt, das danach diese Wärme zusammen mit der von der Umgebungsluft absorbierten Wärme über die Innenschlange 132 an die Umfassung 130 überträgt. Wenn der in der Urnfassung 130 befindliche Raum durch die vom Speichertank 150 über die Wärmepumpe 110 zur Umfassung übertragene Wärme allein ausreichend erwärmt werden kann, so daß es nicht erforderlich ist, Wärme von der Außenluft zur Umfassung zu übertragen, kann das Gebläse 146 außer Betrieb gesetzt werden, so daß keins Umgebungsluft mehr über die Außenschlange 14 geführt wird. Nachdem das Wasser die Wasserschlange 18 verlassen hat, kann es über die Wasserrückführleitung 154 durch den Solarkollektor 160 strömen und danach zum Wassertank 150 zurückströmen, so daß die Strahlungswärme der Sonne zum Wassertank 150 überführt werden kann. Wenn es gewünscht wird, den Solarkollektor 160 zu umgehen, kann Wasser durch Betätigung des Überlaufventils 156 von der Wasserschlange 18 über die Bypasswasserleitung 158 zum Wassertank 150 geführt werden.

Um dan in der Umfassung befindlichen Raum zu kühlen, werden die Gebläse 136 und 146 in Betrieb genommen, und die Wärmepumpe 110 wird zum Kühlen in Betrieb gesetzt. An der Innenschlange 132 absorbiert das Wärmepumpenkältemittel Wärme von der Umgebungsluft, da diese Luft durch das Gebläse

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136 über die Innenschlange 132 geführt wird. Die Wärmepumpe 110 überträgt diese Wärme an die AuDenschlange 14, wo sie an die Umgebungsluft, die über das Gebläse 146 über die Schlange 14 geführt wird, freigegeben wird. Die Wasserpumpe 151 kann in Betrieb genommen werden, so daß, wie vorstehend erläutert, Wasser aus dem Wassertank 150 durch die Wassarschlange 10 strömt, Wärme vom Kältemittel absorbiert, das durch die Außenschlange 14 der Wärmepumpe 110 strömt, und danach zum Wassertank 150 zurückströmt. Die vorstehend beschriebene Betriebsweise ist nicht nur zur Speicherung überschüssiger Wärme aus der Umfassung 130 für eine spätere Verwendung von Vorteil, sondern auch zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe 110, wenn das Wasser im Wassertank 150 eine niedrigere Temperatur besitzt als die die Außenschlange 14 umgebende Luft.

In Fig. 7 ist der schematische Aufbau eines zweiten Systems zur Wärmeübertragung und Speicherung dargestellt, das erfindungsgemäß ausgebildet ist und bei dem der vorstehend erläuterte Drei-Medien-Wärmetauscher 2 Verwendung findet. Das in Fig. 7 dargestellte System ist

der

dem der Fig. 6 ähnlich mit]Ausnahme, daß in Fig. 7 der Drei-Medien-Wärmetauscher 2, der die Kühlschlange 14 der Wärmepumpe 10 einschließt, innerhalb einer Umfassung [in Fig. 7 nicht gezeigt) angeordnet ist und daß die Kühlschlange 132 der Wärmepumpe außerhalb der Umfassung ange ordnet ist. Daher wird mit Bezug auf das in Fig. 7 dargestellte System die Schlange 14 als Innenschlange der Wärmepumpe und die Schlange 132 als AußBnschlange der Wärmepumpe bezeichnet. Darüber hinaus mündet bei dem in Fig. 7 dargestellten System die WasserrückfUhrleitung 154 vom

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Wärmetauscher 2 direkt in den Wärmespeicher 150, und 'Wasser vom Wärmespeicher wird über eine Pumpe 161 und Wasserleitungen 162 und 163 direkt zwischen dem Speicher und dem Solarkollektor 160 umgewälzt.

Um die Art und Weist, in der das in Fig. 7 dargestellte System zur Wärmeübertragung und Speicherung funktioniert, besser zu erläutern, wird das System nachfolgend sowohl beim Erhitzen als auch beim Kühlen des in einer Umfassung befindlichen Raumes (in Fig. 7 nicht gezeigt) beschrieben. Beim Heizbetrieb wird die Pumpe 161 in Betrieb gesetzt, so daß die Solarkollektoren 160 Strahlungswärme der Sonne auf das im Speichertank 150 enthaltene Wasser übertragen. Um den in der Umfassung befindlichen Raum zu erhitzen, wird die Pumpe 151 in Betrieb gesetzt, um das erhitzte Wasser über die Wasserzuführleitung 152 abzuziehen, damit dieses durch die Wasserschlange 1Θ des Wärmetauschers 2 zirkulieren kann. Der Wärmetauscher 2 ist in einem Raum 142 in der Nähe eines geeigneten Gebläses 146 angeordnet, das eingeschaltet wird und Luft durch den Wärmetauscher 2 führt, während das erhitzte Wasser über die Rückführleitung 154 zum Speichertank 150 zurückgeführt wird. Das durch die Wasserschlange 18 zirkulierende erwärmte Wasser überträgt Wärme auf die vorbeiströmende Luft, so daß auf diese Weise eine Erhitzung des in der Umfassung befindlichen Raumes in Ansprache auf eine Thermostatsteuerung (nicht gezeigt) bewirkt wird, die zur Steuerung des WärmeUbertragungssystems in bekannter Weise angeschlossen ist. Die van dem Solarkollektor 160 übertragene Wärme, die für eine sofortige Erwärmung nicht benötigt wird, wird im Wasser des Speichertanks 150 zur späteren Verwendung gespeichert.

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Wenn die Wärmemenge, die durch den Solarkollektor 160 dem im Speichertank 150 enthaltenen Wasser zugeführt wird, den geforderten Heizbedarf nicht erfüllen kann, wird die Wärmepumpe 110 in Betrieb genommen, um Wärme durch Zirkulation des Wärmepumpenkältemittels durch die Innenschlange 14 in einer bei im Handel erhältlichen Wärmepumpen üblichen Weise van außen nach innen zu übertragen. Dabei können das Kältemittel von der Wärmepumpe 110 und das Wasser vom Speichertank 150 getrennt oder kombiniert umgewälzt werden, um Wärme durch Umwälzung von Luft durch den Wärmetauscher 2 von außen in die Umfassung zu überführen, wie dies die Thermostatsteuerung erfordert.

Um die Betriebskosten des Systems zu senken, beispielsweise durch Inanspruchnahme von niedrigeren Stromtarifen zu bestimmten Tages- und Nachtzeiten, kann die Wärmepumpe 110 zur Speicherung von Wärme zur späteren Verwendung eingesetzt werden, indem die durch das Wärmepumpenkältemittel an der Außenschlange 132 absorbierte Wärme über den Wärmetauscher 2 auf das Speichermedium im Tank 150 übertragen wird. Um Wärme zwischen den beiden Strömungsmedien zu übertragen, wird die Wärmepumpe 110 zum Heizen in Betrieb gesetzt, wobei Wärme von der Außenschlange zur Innenschlange 14 übertragen wird, die Wasserpumpe 151 betätigt wird, um WassBr aus dem Speicher 150 durch die Wasserschlange 18 umzuwälzen, und die durch das Gebläse 146 bewirkte Luftströmung gestoppt wird. Wie man Fig. θ entnehmen kann, in der die üblichen Flußsymbole @ und © zur Anzeige einer Strömung in die ZeichnungsebenB hinein und aus dieser heraus verwendet sind, ist die Strömungsbahn der beiden Wärmetauschmedien parallel. Wärme wird dann von außen auf das Wärmespeichermedium

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übertragen, um sie bis zu einem Zeitpunkt zu speichern, an dem sie benötigt wird, ader für sine spätere Verwendung in Zeiträumen, wenn sich die Energiekasten zum Betrieb der Wärmepumpe 11D auf einem höheren Niveau befinden.

Während der Kühlung des in der Umfassung befindlichen Raumes strömen die Wärmetauschmedien gegeneinander, wie in Fig. 9 dargestellt ist, in der die gleichen Flußsymbale wie in Fig. B verwendet sind. Das Kältemittel in der Wärmepumpe 110 und/oder das Wasser im Speichertank 150 we.rden durch ihre jeweiligen Schlangen 14 und 18 des Wärmetauschers 2 unter Kontrolle des Thermostatsteuersystems umgewälzt. Wenn die Temperatur des Wassers im Speichertank 1bO so hoch ist, daß Wärme aus der Umfassung dem Wasser zugeführt wird, wird die Pumpe eingeschaltet, die Wasser durch die Schlange 18 umwälzt, während das Gebläse Luft durch den Wärmetauscher 2 führt, so daß eine Wärmeübertragung zwischen der Luft und dem durch die mit RippBn versehene Schlange strömenden Wasser möglich ist. Kältemittel wird von der Wärmepumpe 110 durch die'Innenschlange 14 umgewälzt, um Wärme aus der Umfassung nach außen hin abzuziehen und auf diese Weiss die von der Wasserschlange abgezogene Wärme zu ergänzen, falls dies erforderlich ist.

In ähnlicher Weise wie Wärme auf das Speichermedium übertragen wird, kann Wärme durch dia Wärmepumpe 110 in Tageszeiten vom Wärmespeichermedium abgezogen werden, wenn die Energiekasten zum Betrieb der Wärmepumpe am niedrigsten sind. Eine Übertragung von Wärme aus dem Speicher-

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medium während Zeiten geringer Energiekasten ermöglicht es, daß Wasser während Zeiten höherer Energiekasten durch die Wasserschlange 18 des Wärmetauschers 2 umgewälzt werden kann, um den Einsatz der Wärmepumpe 110 zur Kühlung des in der Umfassung befindlichen Raumes zu unterstützen ader zu ersetzen. Beim Abziehen von Wärme aus dem Speichermedium befindet sich das Gebläse nicht in Tätigkeit, um Luft durch den Wärmetauscher 2 zu leiten, sondern befindet sich außer Betrieb, während die vVärmetauschmedien durch ihre entsprechenden Schlangen 14 und 18 zur Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien umgewälzt werden.

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Claims

Carrier Corporation

Carrier Tower

Syracuse, New York 13221 /USA

D-119 ■ . 30. Juni 1978

Patentansprüche

/Ί. \ Einstückiger Drei-Medien-Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen einer Vielzahl von Strömungsmedien, gekennzeichnet durch zwei End— platten (10), die im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß eine Luftbewegung dazwischen stattfinden kann, ein erstes Rohrsystem (14) und ein zweites Rohrsystem (ΐθ), die jeweils durch die Endplatten (1O) gelagert sind und sich in dem Raum zwischen den Endplatten vor und zurück erstrecken, wobei das erste und zweite Rohrsystem jeweils einen unabhängigen Strömungsweg für die Strömungsmedien vorsehen, sowie Einrichtungen (22), die sich in thermischem Kontakt mit der sich zwischen den Endplatten (ΐθ) bewegenden Luft befinden, um das erste und zweite Rohrsystem (14,18) thermisch miteinander zu verbinden und eine Wärmeübertragung zwischen den Strömungsmedien in den Rohrsystemen und zwischen der Luft und den Strömungsmedien in den Rohrsystemen zu ermöglichen.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur thermischen Verbindung der Rohrsysteme ein

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ORIGINAL INSPECTED

wärmeleitendes Material (22) umfassen, das sich mit der sich zwischen den Endplatten (1O) bewegenden Luft, mit dem ersten Rohrsystem (14) und mit dem zweiten Rohrsystem (18) in thermischem Kontakt befindet, so daß u'ärme zwischen dem ersten Rohrsystem und der sich zwischen den Endplatten bewegenden Luft, zwischen dem zweiten Rohrsystem und der sich zwischen den Endplatten bewegenden Luft und zwischen dem ersten Rohrsystem und dem zweiten Rohrsystem übertragen werden kann.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten wärmeleitenden Rippen (22) umfaßt, die zwischen den Endplatten (iü) und parallel zu diesen angeordnet sind und mit dem ersten Rohrsystem (14) und dem zweiten Rohrsystem (1S) in Kontakt stehen sowie durch diese gelagert werden, um auf diese Weise eine wärmeleitende Bahn zwischen den Rohrsystemen herzustellen.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren Einrichtungen (12) zur Bewegung von Luft zwischen die beiden Endplatten (1O) in Kontakt mit der Reihe der wärmeleitenden Rippen (22) einschließt.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein heißes Kältemittel durch das erste Rohrsystem (14) und Kühlwasser durch das zweite Rohrsystem (ΐθ) geleitet werden, so daß Wärme vom heißen Kältemittal auf das Kühlwasser, die zwischen den

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Endplätzen hindurchströmende Luft oder sowohl auf das Kühlwasser und die zwischen den Endplatten hindurchströmende Luft übertragen wird.
6. Einstückiger Drei-Medien-Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und Luft oder Wasser, gekennzeichnet durch zwei Endplatten (1O), die im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß sie eine Luftbewegung zwischen den Platten ermöglichen, ein erstes Rohrsystem (14), das durch die Endplatten (1O) gelagert ist und sich in dem Raum zwischen den Endplatten vor und zurück erstreckt, wobei das erste Rohrsystem (14) einen Strömungsweg für ein zwischen den Endplatten (1O) vor und zurück zirkulierendes Kältemittel vorsieht, ein zweites Rohrsystem (18), das durch die Endplatten (1O) gelagert ist und sich in dem Raum zwischen den Endplatten vor und zurück erstreckt, wobei das zweite Rohrsystem 18 einen Strömungsweg für Wasser vorsieht, das zwischen den Endplatten 10 vor und zurück zirkuliert, und eine Reihe von wärmeleitenden Rippen C²²)ι die zwischen den Endplatten (1O) in thermischem Kontakt mit dem ersten Rohrsystem (14) und dem zweiten Rohrsystem (1B) angeordnet sind und sich mit der zv/ischen den Endplatten bewegenden Luft in Kontakt befinden, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel in dem ersten Rohrsystem und dem Wasser im zweiten Rohrsystem oder der sich zwischen den Endplatten bewegenden Luft zu ermöglichen.

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7. System zur Übertragung und Speicherung von Wärme zur Erhitzung und Kühlung eines in einer Umfassung befindlichen Raumes und zur Verwendung mit einem zur Wärmeübertragung geeigneten Strömungsmedium, gekennzeichnet durch eine Wärmepumpe (1O) zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Punkten, die ein Kältemittel, einen Kompressor (12), ein Expansionsventil (16) und ein Umschaltventil (14] für das Kältemittel aufweist, einen Wärmespeicher (15), der in der Lage ist, das zur Wärmeübertragung geeignete Strömungsmedium zu speichern, einen Drei-Medien-Wärmetauscher (2) zur Durchführung eines Wärmeaustausches zwischen dem Kältemittel und dem Strömungsmedium, dem Kältemittel und der Umgebungsluft und dem Strömungsmedium und der Umgebungsluft, erste Verbindungseinrichtungen (152,154), die den Wärmespeicher und den Drei-Medien-Wärmetauscher miteinander verbinden, so daß das Strömungsmedium zirkulieren und Wärme zwischen dem Wärmespeicher und dem Drei-Medien-Wärmetauscher übertragen kann, und zweite Verbindungseinrichtungen (126,12b), die die Wärmepumpe und den Drei-Medien-Wärmetauscher miteinander verbinden, so daß das Kältemittel zirkulieren und Wärme zwischen der Wärmepumpe und dem Drei-Medien-Wärmetauscher übertragen kann.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) folgende Bestandteile umfaßt: einen ersten thermisch leitenden Strömungsweg [ΐθ), der an die ersten Verbindungseinrichtungen (152,154) angeschlossen ist, so daß das zur Wärmeübertragung geeignete

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Strömungsmedium durch den ersten Strömungsweg zirkulieren und Wärme zum ersten Strömungsweg übertragen kann, einen zweiten thermisch leitenden Strömungsweg (14), der an die zweiten Verbindungseinrichtungen (126,128) angeschlossen ist, so daß das Kältemittel durch den zweiten Strömungsweg zirkulieren und Wärme zum zweiten Strörnungsweg übertragen kann, und Wärmeübertragungseinrichtungen (22), die sich in thermischem Kontakt mit dem ersten Stromungsweg (ΐθ), dem zweiten Strömungsweg (14) und der Umgebungsluft befinden, so daß Wärme zwischen dem ersten Strömungsweg und dem zweiten Strömungsweg, zwischen dem ersten Strömungsweg und der Umgebungsluft und zwischen dem zweiten Strömungsweg und der Umgebungsluft übertragen werden kann.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drei-Medien-Wärmetauscher (2) außerhalb der Umfassung (30 J angeordnet ist.
10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drei-Medien-Wärmetauscher (2)·innerhalb der Umfassung (3θ) angeordnet ist.
11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren Hilfseinrichtungen (ISO) zum Erhitzen umfaßt, die das zur Wärmeübertragung geeignete Strömungsmedium erwärmen können.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfseinrichtungen einen Solarkollektor (I6O) umfassen, der Strahlungshitze

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dsr üanne auf das zur Wärmeübertragung geeignete Strömungsmedium übertragen kann,
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dt:ß dor XIrηιε-speicher ainen isaliortsn Tank (150) umfaßt, der eins Flüssigkeit enthalten kann, und daß das zur V/ärmQübertragung geeignete Strömungsmedium eine Flüssigkeit umfaßt.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strömungsweg eine erste serpentinenförmig ausgebildete Wärmetauscherschlange (ΐθ) umfaßt, daß der zweite Strömungsv/eg eine zweite serpentinenfürmig ausgebildete IVärmetauscherschlange (14) umfallt und daß die erste und zweite Wärmetauscherschlange in alternierenden parallelen Vartikalebenen angeordnet sind und die A'ärmeübertragungseinrichtungen mindestens eine Rippe (22) umfassen, die der ersten und zweiten Wärmetauscherschlange (iü,14) gemeinsam ist.

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