DE3036524C2

DE3036524C2 - Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme für eine Anlage zur Wärmegewinnung unter Ausnutzung von Luft- und Sonnenenergie

Info

Publication number: DE3036524C2
Application number: DE3036524A
Authority: DE
Inventors: Karl 4030 Ratingen Ritter
Original assignee: Ritter Heiztechnik 4200 Oberhausen De GmbH
Current assignee: Ritter Heiztechnik 4200 Oberhausen De GmbH
Priority date: 1979-09-29
Filing date: 1980-09-27
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE3036524A1

Description

25

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Anlage zur Wärmegewinnung unter Ausnutzung von jo Luft- und Sonnenenergie, mit einem Sockel, mehreren mit Abstand voneinander auf dem Sockel angeordneten Wärmetauscherrohren, einem am einen Ende der Wärmetauscherrohre angeordneten Vorlaufverteiler und einem am anderen Ende der Wärmetauscherrohre angc- r> ordneten Rücklaufsammler, wobei dieser Wärmetauscher separat aufstellbar, säulenartig ausgebildet und von Luft frei durchströmbar ist.

Für den bekannten Wärmetauscher, von dem die Erfindung ausgeht (vgl. die RWE-Firmenschrift »RWE informiert« 166, Hannover-Messe 1980, insbesondere dort Seite 15. Bild 15 und Text auf Seile 13, rechte Spalte, letzter Absatz), gilt folgendes:

Wärmetauscher der in Rede stehenden Art sind besonders geeignet für die in Mitteleuropa herrschenden klimatischen Verhältnisse mit relativ häufigen Schlechtwettertagen. Auch an Schlechtwettertagen werden nämlich in der durch den Wind bewegten Außenluft große Wärmemengen transportiert, die durch Abkühlung der Außenluft mit dem bekannten Wärmetauscher zum Teil genutzt werden können. Bei dieser in der Luft enthaltenen Wärmeenergie, im folgenden auch kurz als »Luftenergie« bezeichnet, handelt es sich um Sonnenenergie, die auf dem niedrigen Temperaturniveau der Umgebungsatmosphäre gespeichert worden ist. Für den bekannten Wärmetauscher ist nun ein Schlechtwetterzustand besonders günstig. Aus der sich niederschlagenden Luftfeuchtigkeit, aus Regenwasser und mit Hilfe des Windes kann nämlich genügend Energie gewonnen werden, um einen erhöhten Wärmebedarf zu decken, to Der bekannte Wärmetauscher arbeitet gewissermaßen im Einklang mit der Natur, — je stürmischer und unfreundlicher das Wetter ist und je höher hierdurch der Bedarf an Wärmeenergie steigt, desto mehr Wärmeenergie kann der Wärmetauscher liefern. t>5

Für Wärmetauscher der in Rede stehenden Art ist also von ganz besonderer Bedeutung, daß sie separat aufslellbar, säulenartig ausgebildet und von Luft frei durchströmbar sind, so daß durch Wind bedingte Luftbewegungen voll für die Wärmeaufnahme ausgenutzt werden können. Die Ausnutzung der in der Luft enthaltenen Wärmeenergie ist allerdings bei sehr geringer Luftbewegung und niedriger Lufttemperatur problematisch. In diesen Fällen wird insbesondere die Luft in dem von den Wärmetauscherrohren umschlossenen Innenraum des Wärmetauschers stark abgekühlt. Diese abgekühlte Luft sinkt nach unten. Dadurch bildet sich bei dem bekannten Wärmetauscher im unteren Teil ein Käliesiau. der dazu führt, daß sich Reif und Eis an den Wärmetauscherrohren zu bilden beginnen. Diese Bildung von Reif und Eis beginnt unten und schreitet nach oben langsam fort, so daß im Extremfall der ganze Wärmetauscher nicht mehr funktionsfähig ist.

Der zuvor behandelte, bekannte Wärmetauscher ist auch in der zum Stand der Technik zählenden, jedoch nicht vorveröffenMichten DE-OS 29 39 597 beschrieben. Aus dieser zum Stand der Technik zählenden Veröffentlichung sind bei einem Wärmetauscher der in Rede stehenden Art Wärmetauscherrohre bekannt, die auf der Außenseite mit wendelförmig durchlaufenden Rippen versehen sind, um so die Ausnutzung der in der Luft enthaltenen Wärmeenergie noch zu verbessern.

Schließlich ist ein Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme für eine Anlage zur Ausnutzung von Sonnenenergie bekannt (vgl. die DE-OS 29 00 758), der zwar separat aufstellbar und säulenartig ausgebildet, jedoch nicht von Luft frei durchströmbar ist. Die Wärmetauscherrohre dieses bekannten Wärmetauschers sind auf einen mit einer reflektierenden Oberfläche versehenen und innen mit einer Wärmeisolierung ausgestatteten Kegelstumpf gewickelt und werden daher allenfalls von Luft bestrichen. Dieses Konzept entspricht der Zielrichtung dieses Wärmetauschers, der in erster Linie zur Ausnutzung von Sonnenenergie und lediglich nebenbei zur Ausnutzung von Luftenergie geeignet ist. Insoweit kann dieser bekannte Wärmetauscher zur Frage einer guten Ausnutzung der in der Luft enthaltenen Wärmeenergie nichts beitragen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Wärmegewinnung unter Ausnutzung von Luft- und Sonnenenergie zu schaffen, mit dem insbesondere bei geringer Luftbewegung und niedriger Lufttemperatur eine bessere Ausnutzung der in der Luft enthaltenen Wärmeenergie möglich ist als bei dem bekannten Wärmetauscher, von dem die Erfindung ausgeht.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes angeordnet sind. Grundlage für die Lehre der Erfindung ist eine genaue Analyse der Ursachen für die bei umfangreichen praktischen Versuchen festgestellte Verreifung bzw. Vereisung der Wärmetauscherrohre des bekannten säulenartig ausgebildeten Wärmetauschers von dem unteren Ende her, ein Phänomen, das insbesondere bei geringer Luftbewegung beobachtet worden ist. Erfindungsgemäß ist hierbei erkannt worden, daß die bekannte, rein zylindrische Form eines Wärmetauschers einen Stau von Luft im unteren Bereich begünstigt, da nämlich die Luft dort nicht leicht genug abfließen kann. Erfindungsgemäß wird nun für das Abfließen von Luft im unteren Bereich des Wärmetauschers eine größere Querschnittsfläche zur Verfügung gestellt. Die für das Abfließen der Luft im unteren Bereich des Wärmetauschers zur Verfügung stehende Querschnittsfläche läßt sich

durch die Wahl des Kegelbasiswinkels des Kegelslumpfes, auf dessen Mantelfläche die Wärmetauscherrohre angeordnet sind, leicht wunschgemäß »einstellen«.

Mit dem erfindungsgeniäßen Wärmetauscher wird eine Konstruktion verwirklicht, bei der in ausgesprochen zweckmäßiger Weise von einem »umgekehrten Ka-nineffekt« Gebrauch gemacht wird. Durch diesen »umgekehrten Kamineffekt« wird erreicht, daß die Luft im unteren Bereich des Wärmetauschers ohne weiteres leicht abströmen kann, so daß im Ergebnis der erfindungsgeniäße Wärmetauscher erheblich weniger leicht zur Verreifung bzw. Vereisung neigt als der bekannte Wärmetauscher, von dem die Lehre dieser Patentanmeldung ausgeht.

Zuvor ist erläitert worden, daß sich die für das Abfließen der Luft im unteren Bereich des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zur Verfügung stehende Qucrschnittsfläehe durch die Wahl des Kegelbasiswinkels des Kegelstumpfes leicht wunschgemäß »einstellen« läßt. Hier hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Kegelbasiswinkel des Kegelstumpfes, auf dessen Mantelfläche die Wärmetauscherrohre angeordnet sind, größer als 70' zu wählen, insbesondere diesen Kegelbasiswinkel zu etwa 85° zu wählen.

Im übrigen ist der Vollständigkeit halber noch darauf hinzuweisen, daß bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher auch die Ausgestaltungen der Wärmetauscherrohre gewählt werden können, die in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 29 39 597. die eingangs schon angesprochen worden ist, erläutert werden. Desweiteren ist noch darauf hinzuweisen, daß die Lehre der Erfirdung mit dem Ergebnis eines »umgekehrten Kamineffek'.s« auch dann erreicht werden kann, wenn die Wärmetauscherrohre des Wärmetauschers auf der Mantelfläche eines Pyraniidensiumpfes angeordnet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert: es zeigt

F i g. 1 schenatisch. teilweise mit Symbolen, ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Wärniegewinnung unter Ausnutzung von Luft- und Sonnenenergie mit einem erfindungsgeniäßen Wärmetauscher und

F i g. 2 einen Schnitt durch den Gegenstand nach Fi g. 1 langer der Linie 11-11.

Die in Fig. 1 gezeigte Anlage zur Wärniegewinnung unter Ausnutzung von Luft- und Sonnenenergie weist einen ersten Wärmetauscher 1 zur Wärmeaufnahme, einen zweiten Wärmetauscher 2 zur Wärmeabgabe und eine Umwälzpumpe 3 auf. Der erste Wärmetauscher 1, der zweite Wärmetauscher 2 und die Umwälzpumpe 3 sind über Wärmeträgerleitungen 4, 5, 6 zur Bildung eines Wärmeträgerkreislaufes miteinander verbunden. In dem Wärmeträgerkreislauf sind im übrigen Ventile 7 und ein Durchflußmengenregler 8 angeordnet. Mit dem Wärmeträgerkreislauf verbunden sind ein Vorlanfthermometer 9 und ein Rücklaufthermonieter IO sowie ein Ausgleichsbehälter 11. Durch die Wärmeträgerleitungen 4, 5, 6 wird ein Wänneträgermedium geführt. In Durchflußrichtung des Wärmeträgermtdiums ist. wie F i g. 1 deutlich zeigt, der erste Wärmetauscher 1 vor dem zweiten Wärmetauscher 2 angeordnet. In F i g. 1 ist angedeutet, daß der zweite Wärmetauscher 2 als Wärmepumpe ausgeführt ist und daß diesem zweiten Wärmetauscher 2 als Wärmeverbraucher 12 eine Warmwasserheizung nachgeschaltet ist.

Der erste Wärmetauscher 1 ist separat aufstcllbar. säulcnartig ausgebildet und von Luft frei durchströmbiir. Dazu weist der erste Wärmetauscher 1 auf einem Sockel 13 mehrere parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordnete Wärmetauscherrohre 14 auf. Am einen Ende der Wärmetauscherrohre 14 ist ein Vorlaufverteiler 15 angeordnet, am anderen Ende ein Rücklaufsanimler 16. Die Wärmetauscherrohre 14 sind, in F'13.1 nur angedeutet, mit Bippen 17 versehen. Zur Erhöhung der Wärmestrahlungsabsorptionsfähigkeit sind die Wärmetauscherrohre 14 und die Rippen 17 schwarz eingefärbt.

Oberhalb der WärnietauschenOhre 14 und auch oberhalb des Rücklaufsammlers 16 ist ein Regenwassersammler 18 angeordnet. Dem Regenwassersaminler 18 kann das Regenwasser nahestehender Gebäude zugeführt und in diesem gesammelt werden. Nicht erkennbar ist. daß der Regenwassersammler 18 mit einer verschließbaren Abtropföffnung versehen ist. von der aus das Regenwasser über die Rippen 17 der Wärmetauscherrohre 14 geleitet werden kann.

Schematisch ist in Fi g. 1 angedeutet, daß ein Hilfsgeblase 19 vorgesehen ist. Das Hilfsgebläse 19 sitzt oberhalb des Regenwassersammlers 18 am Kopf des ersten Wärmetauschers 1 und ist über einen nicht dargestellten Luftschacht mit dem von den Wärmetauscherrohren 14 umschlossenen Innenraum verbunden. Zur Steuerung des Hilfsgebläses 19 ist ein Windmesser 20 vorgesehen.

Wie F i g. 1 zeigt, sind die Wärmetauscherrohre 14 auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes angeordnet, wobei der Kegelbasiswinkel des Kegelstumpfes etwa gleich 85° ist.

jo Fig. 2 zeigt, daß die Wärmetauscherrohre 14 — zusätzlich zu den außen vorgesehenen Rippen 17 — innen mit wendelförmig durchlaufenden Rippen 21, 22 versehen sind. Dabei sind die Rippen 21 an der Innen wandung der Wärmetauscherrohre 14 vorgesehen, so daß J5 zwischen den Wärmetauscherrohren und den Rippen 21 Wärmeleitung stattfinden kann. Die Rippen 22 sind im Kernbereich 23 der Wärmetauscherrohre 14 vorgesehen, und zwar im Außenbereich 24 in Verbindung mit dem Innenbereieh 25 des Kernbereiches 23 der Wärmetauschcrrohre 14 angeordnet.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage zur Wärniegewinnung arbeitet folgendermaßen:

Kühles Wärmeträgermedium mit einer Temperatur deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur, d. h. ctwa 5 bis 6 K unterhalb der Uir^ebungstemperauir. wird von der Umwälzpumpe 3 durch die Wärmeträgerleitu:ig 6 in den eisten Wärmetauscher I gepumpt. Im ersten Wärmetauscher 1 wird das zugeführie Wärmeträgermedium in dem Vorlaufverteiler 15 auf die einzelneu WärnietauschenOhre 14 verteilt und mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Wärmetauscherrohre 14 geführt. Das aus den Wärmetauscherrohren 14 austretende Wärmeträgermedium wird im Rücklaufsammler 16 gesammelt und über die Wärmeträgerlei-M tung 4 dem zweiten Wärmetauscher 2 zugeführt. Während des Durchlaufens des Wärmeträgermediums durch die Wärmetauscherrohre 14 ist das Wärmeträgermedium aufgewärm; worden. Die aufgenommene Wärme wird dem Wärmeträgermedium in dem zweiten Wärmew) tauscher 2. der als Wärmepumpe ausgeführt ist. wieder entzogen und in dem Wärmeverbraucher 12 verwertet.

Der Wärmeübergang aus der Umgcbungslufi an das Wärnieträgcrmediiim ist bei dein ersten Wärmetauscher I der dargestellten Anlage zur Wärmegewiniumg tvi ausgesprochen hoch. Bei geringen Windgeschwindigkeiten, beispielsweise unterhalb von eiwa 1.3 m/s macht sich ein »umgekehrter Kamineffeki« des Wärmetauschers I vorteilhaft bemerkbar, indem die Luft im tune-

fen Bereich des Wärmetauschers 1 aufgrund der Ke^eI-stumpfform ohne weiteres abströmt. Dadurch wird eine Bildung von Reif oder Eis im unteren Bereich auch bei geringen Windgeschwindigkeiten verhindert. Zusätzlich kann, gesteuert vom Windmesser 20, auch das Hill'sgebläse 19 eingeschaltet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

JO

J5

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme für eine Anlage zur Wärmegewinnung unter Ausnutzung von Luft- und Sonnenenergie, mit einem Sockel, mehreren mit Abstand voneinander auf dem Sockel angeordneten Wärmetauscherrohren, einem am einen Ende der Wärmetauscherrohre angeordneten Vorlaufverteiler und einem am anderen Ende der Wärmetauscherrohre angeordneten Rücklaufsammler, wobei dieser Wärmetauscher separat aufstcllbar. säulenartig ausgebildet und von Luft frei durchströmbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (14) auf der Mantelfläehe eines Kegelstumpfes angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Kegcioasiswinkel des Kegelstumpf, auf dessen Mantelfläche die Wärmetauscherrohre (14) angeordnet sind, größer als 70° ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelbasiswinkel etwa gleich 85" ist.