DE3490119T1

DE3490119T1 - Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE3490119T1
Application number: DE19843490119
Authority: DE
Inventors: Leif Oakland N.J. Liljegren; Harry J. Garden N.Y Scanlan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-03-17
Filing date: 1984-03-19
Publication date: 1985-05-30
Also published as: EP0141825A1; DE3490119C2; GB2146424A; AU567032B2; JPS60500824A; US4747447A; JPH0581838B2; EP0141825A4; WO1984003758A1; GB8427656D0; EP0141825B1; GB2146424B; AU2732384A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum Erwärmen oder Kühlen von fließfähigen Medien (Flüssigkeiten oder Gase) in wirksamer und schneller Weise, der sich für die verschiedensten Zwecke eignet, wie zum Erwärmen von Wasser für die Dampferzeugung ganz allgemein oder für die Raumheizung.

In den meisten Fällen wird ein zu erwärmendes oder zu kühlendes fließfähiges Medium von dem Medium physikalisch getrennt gehalten, welches Wärme zu- oder abführen soll, durch Einschluß in einem Behälter oder einer Leitung. Das aus dem fließfähigen Medium Wärme zu- oder abführende Medium, also Heiz- bzw. Kühlmedium ist im allgemeinen ebenfalls in einem Behälter oder in einer Leitung eingeschlossen. Diese bauen einen Wärmeaustauscher auf.

Die meisten Wärmeaustauscher sind ein Rohr oder ein Rohrsystem mit dessen Hilfe die Trennung zwischen fließfähigem Medium und Heiz/Kühlmedium erreicht wird. Häufig ist es zur Erhöhung der Wirksamkeit der Wärmeübertragung notwendig, ein kompliziertes System von Leitblechen und Rohren vorzusehen und Rohre anzuwenden, die im Hinblick auf den Wärmeübergang ausgelegt sind, z.B. die mit Rippen oder Wellen oder dergleichen versehen sind. Im Hinblick auf die Haltbar-

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keit wird oft teueres Metall, wie Kupfer, angewandt. Die Kompliziertheit des Aufbaus und die hohen Materialkosten machen wirksame und über lange Zeit arbeitsfähige Wärmeaustauscher sehr kostspielig.

Viele in großem Umfang angewandte Anlagen haben Wärmeaustauscher mit relativ geringer Wirksamkeit. So haben Öfen für die Raumbeheizung und zur Warmwasserbereitung,.die mit Erdgas oder Öl beheizt werden, im allgemeinen nur einen Wirkungsgrad von etwa 50 %. Mit Erdgas und Öl befeuerte Anlagen können mit der derzeit zur Verfügung stehenden Technik der Konstruktion von Wärmeaustauschern höhere Wirkungsgrade erreichen, jedoch nur bei beträchtlicher Zunahme der Kompliziertheit und Größe der Anlage, womit diese wieder aufwendiger wird.

Aufgabe der Erfindung ist nun ein Wärmeaustauscher sehr einfacher Konstruktion, der sich auch mit relativ geringem Aufwand herstellen läßt. Ohne wesentliche Kostensteigerung wird eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht, insbesondere gegenüber den bisher bekannten Wärmeaustauschern. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher besteht nun aus einem geschlossenen Gefäß mit wärmeleitenden Wänden, in welchem sich Helium befindet, das als Wärmeträger dient und zwischen Wärme- oder Kältequelle und den Behälterwänden zirkuliert, so daß die Behälterwände als Wärmeüberträger zwischen Helium und dem fließfähigen Medium dienen. .

Bei einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist das Gefäß rohrförmig und hat innere und äußere wärmeleitende Wände (Heizflächen). Entweder die innere oder äußere Wand ist das wärmeübertragende Medium zwischen dem zu erwärmenden oder zu kühlenden fließfähigen Medium und Helium und die andere ist das Übertragungsmedium zwischen der Wärme- bzw. Kältequelle und dem Helium. So kann beispielsweise die Innenwand als Leitung dienen, durch die flüssiges Heizmedium geführt wird und über welche die Wärme

auf das Helium im Behälter übertragen wird.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers befindet sich das mit Helium gefüllte Gefäß zumindest teilweise innerhalb eines Behälters/ durch eine oder mehrere Leitungen des Behälters wird Flüssigkeit auf die bzw. aus der Wärme übertragen werden soll, geleitet und nach dem Erwärmen über eine oder mehrere Ableitungen im Abstand von dem oder den Zuleitung(en) wieder ausgetragen.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist das Gefäß ein Rohr und umschließt eine Innenwand, die eine Leitung begrenzt, welche von einer zu kühlenden heißen Flüssigkeit durchströmt werden kann. Die Außenwand des Gefäßes ist 'von einer Behälterwand umgeben, so daß ein Durchgang für den Strom eines Mediums auf welches Wärme übertragen werden soll, gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform nehmen die Innen- und Außenwände des Gefäßes enthaltend Helium an dem Wärmeübergang zwischen zwei Medien teil. Ein solcher Wärmeaustauscher ist besonders geeignet in Anlagen, wo aus Sicherheitsgründen zwischen den zwei Medien eine doppelwandige Sperrschicht gewünscht wird. Eine gefährliche Strömung innerhalb der inneren Leitung des Gefäßes, wird durch die Außenwand des Gefäßes aufgefangen, wenn die Innenwand zu Bruch geht.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann noch eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Merkmale aufweisen. Handelt es sich bei dem Wärmeaustauschergefäß um ein Rohr und soll Wärme zwischen einem innerhalb der Innenwand oder Leitung strömenden Medium und einem über die Außenwand strömenden Medium übertragen werden, ist Gegenstrom der beiden Medien angezeigt. Die Leitung des Gefäßes kann sich nach innen erstreckende in Längsrichtung befindliche Rippen aufweisen, um den Wärmestrom zwischen Wand und Medium über die

Wand zu verbessern. Das Gefäß kann quer unterteilt sein unter Bildung einer Vielzahl einzelner nebeneinander ange-

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ordneter Kammern, um eine Zirkulation des Heliums über die Länge des Wärmeaustauschers zu verhindern und somit einen hohen Temperaturgradienten über die Länge zu bewirken.

Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers liegt darin, daß das Helium in dem Gefäß einen vergleichsweise hohen Temperaturübergang bewirkt. Helium h^t unter allen Gasen einen sehr hohen Koeffizienten der Wärmeleitung, also eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Es überträgt daher die Wärme sehr schnell auf die Gefäßwände und damit auch durch die Wände auf das fließfähige Medium.

Ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher gestattet die Wärmeübertragung aus einem recht kleinen Bereich sehr hoher Temperatur auf eine große Heizfläche, nämlich die äußeren Wände des Helium enthaltenden Gefäßes. Die Temperatur der Gefäßwände von denen die Wärme auf das Medium übertragen werden soll, ist wesentlich geringer als die Temperatur der Wärmequelle und läßt sich auf optimale Wärmeübergangs-Bedingungen zwischen Gefäßwand und Medium bemessen. So ist beispielsweise ein wirksamer Wärmeübergang auf die Flüssigkeit am besten bei Temperaturen, bei äsen, kein Filmsieden auftritt. Die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers zur Wärmeübertragung von einer sehr heißen jedoch kleinen Quelle auf eine großflächige Trennwand mit relativ niederer Temperatur in einer nicht aufwendigen Anlage ist ein bedeutender Vorteil.

Helium ist sehr leicht. Ein Wärmeübergang zwischen einer kleinen Fläche hoher Temperatur und einer großen Fläche ist zwar mit Metallen und einigen Flüssigkeiten möglich, jedoch werden in einem solchen Fall die Anlagen schwer und aufwendig. Die einfache Konstruktion und das geringe Gewicht des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers erleichert die Herstellung und Installation der Anlage.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher läßt sich für die verschiedensten Zwecke einschließlich Industrieprodukten anwenden, insbesondere für den Wärmeaustausch zwischen fließfähigen Medien mit großen Temperaturdifferenzen, wo zwei oder mehrere Sperren zwischen den beiden Medien gefordert sind oder wünschenswert sind und wo mirimale Lagerkqpazität (Wämeträgteit) ags~ strebt wird. Eine besonders wichtige Anwendung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist in Anlagen zur Warmwasserbereitung oder Dampferzeugung für allgemeine Anwendung und für die Raumheizung in Häusern, Appartements, Hotels, Motels, Büros und anderen Gebäuden. Warmwasserkessel mit erfindungsgemäßem Wärmeaustauscher sind wirtschaftlich und leicht zu montieren und gestatten die Anwendung vergleichsweise kleiner Einheiten in umitbslbarer Nähe zu der Stelle, wo das Warmwasser benötigt wird. Der Aufwand für sowohl Investition, als auch Betriebskosten kann herabgesetzt werden, indem kleine Warmwasserbereiter an den verschiedensten Stellen eines Gebäudes vorgesehen werden, so daß aufwendige Verteilersysteme und damit verbundene Wärmeverluste weitestgehend vermieden sind.

Die Erfindung wird an den beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch das Arbeitsprinzip eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers in Verbindung mit einem sehr einfachen elektrischen Heizer ;

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher ganz allgemein zur Übertragung von Wärme aus einer heißen auf eine kalte Flüssigkeit ;

Fig. 3 ist ein Seitenquerschnitt eines sehr einfachen und billigen Wärmeaustauschers für das Vorkühlen eines warmen Kühlmittels in eines Kühlanlage .;

Fig. 4 zeigt einen Seitenquerschnitt eines eletrischen Warmwasserbereiters mit einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher;

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Fig. 5 ist ein Seitenquerschnitt eines gasgefeuerten Warmwasserbereiters mit erfindungsgemäßem Wärmeaustauscher.

^Fi(3- ⁶ zeigt eisen Querschnitt der Innenwand des Wärmeaustauschers aus Fig. 5.

Eine sehr einfache Form des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein kleiner elektrisch beheizter Raumheizer aas einem geschlossenen Gefäß V in welchem sich Helium unter einem absoluten Druck von etwa 200 bis 700 kPa findet . Obwohl das Gefäß eine beliebige Form besitzen kann, so ist zylindrische Form im Hinblick auf die Herstellung und Gleichmäßigkeit der Wärmeübertragung in allen Radialrichtungen zu der Mittelachse wünschenswert. Das Gefäß V (Fig.!) besitzt somit eine zylindrische Außenwand mit Boden und Deckel. Ein oder mehrere elektrische^) Heizelemente) H sind in entsprechender Weise in dem Gefäß montiert. Die Heizelemente können einfach und billig sein, z.B. keramische Träger umwickelt mit einem Heizdraht, dessen Anschlüsse mit einer Stromquelle verbunden sind.

Ist das Heizelement E eingeschaltet,so erreicht es sehr hohe Temperaturen Ti. Die Wärme wird durch Helium in allen Richtungen radial nach außen geleitet, wie durch die Pfeile innerhalb des Gefäßes angedeutet. Wie oben bereits darauf hingewiesen besitzt Helium eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit gegenüber Luft und anderen Gasen. Demzufolge wird die Wärme des Heizelements sehr schnell auf die Wände des Gefäßes V übertragen. Bei einem Raumheizer wird Umgebungsluft mit einer Temperatur T2 unterhalb des Heizers durch konvexe Strömung aufgrund der heißen Gefäßwände nach oben gesaugt, wie durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet. Da der Luftstrom über die Außenwand des Gefäßes streicht, wird sie auf die Temperatur T3 erwärmt und steigt entsprechend den Pfeilen T3 auf. Die heißen Gefäßwände strahlen auch in den Raum.

Das Schema der Fig. 1 ist repräsentativ für das Grundprinzip, auf dem die erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher arbeiten. Helium in dem geschlossenen Gefäß 5 nimmt Wärme aus beliebiger

Quelle, innerhalb des Gefäßes auf. Im Falle der Fig. 1 ist die Wärmequelle ein elektrisches Heizelement H. Die innere Wärmequelle kann auch eine heiße Flüssigkeit oder ein heißes Gas sein, die durch eine oder mehrere Leitungen) innerhalb des Gefäßes geführt werden oder vollständig durch die innere Leitung des Gefäßes strömen. Die Wärme wird von der Quelle innerhaln des Gefäßes durch Helium auf die Gefäßaußenwände übertragen. Das Gefäß kann ganz oder teilweise vcn einem Behälter C umschlossen sein, der in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der von einem zylindrischen Gehäuse mit einer oder mehreren Einführungen)und Ableitungen)im Abstand von einander gebildet wird, die einen Strömungspfad P für Gas oder Flüssigkeit ergeben, viektefcs) von den heißen Wänden des Gefäßes erwärmt werden soll.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher nimmt Helium Wärme aus einer Wärmequelle, die sich auf der Temperatur Ti befindet auf und überträgt diese auf die Gefäßwände und durch diese durch auf ein fließfähiges Medium (Flüssigkeit oder Gas), das mit den Gefäßwänden in Berührung steht, um dessen Temperatur von T2 auf T3 zu erhöhen.

In Fig. 2 ist ein Funktionsschema eines bevorzugten Wärmeaustauschers nach der Erfindung gezeigt und zwar zur Wärmeübertragung von einem Medium höherer Temperatur auf ein Medium tieferer Temperatur. Helium ist in einem Rohr beliebiger Gestalt vorzugsweise jedoch zylindrischer Form enthalten. Das Gefäß V (Fig. 2) weist eine zylindrische Außenwand EW, eine zylindrische Innenwand IW, einen ringförmigen Boden BW und eine ringförmige Abdeckung TW auf. Das Gefäß ist in eine Anzahl von ringförmigen Kammern durch Trennwände S unterteilt, die mit der Innen- bzw. Außenwand verbunden sind. Die Trennwände setzen den Wärmeübergang durch Konvektion über die Länge des Gefäßes herab und führen damit zu einer Erhöhung des Temperaturgradienten zwischen den beiden Endflächen. Demzufolge ist ein gasdichter Abschluß zwischen den Trennwänden und den Gefäßwänden nicht erforderlich

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Ein Heizmedium mit der Temperatur TT strömt durch den von der Innenwand IW gebildeten Kanal, wobei seine Wärme auf die Innenwand übertragen wird. Das Heizmedium verläßt also den Wärmeaustauscher mit einer Temperatur T2, die unter Ti liegt. Die von der Innenwand aufgenommene Wärme wird radial durch Leitung durch Helium bis an die Außenwand übertragen, sowie durch Konvektionsströme des Heliums und durch Wärmestrahlung. Das wärmeaufnehmende Medium tritt am kalten Ende mit einer Temperatur T3 in den Wärmeaustauscher ein, strömt entlang der Außenwand EW der Kammer und verläßt den Wärmeaustauscher bei höherer Temperatur T4. In den meisten Fällen ist das wärmeaufnehmende Medium von einem Behälter C begrenzt ·, der einen Teil oder das ganze Helium des Gefäßes aufzunehmen vermag und in der Fig. 2 als zylindrischer Mantel angedeutet ist.

Der wesentliche Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher ist die Möglichkeit der Übertragung von Wärme einer sehr heißen Quelle auf eine sehr große Fläche. Der Wärmeaustauscher verteilt die über eine relativ kleine Fläche einer sehr heißen Quelle erhaltene Wärme auf eine sehr große Fläche, die von den Außenwänden des Gefäßes gebildet wird. Aufgrund dieser Verteilung ist die Temperatur der Fläche wesentlich herabgesetzt gegenüber der Temperatur der Wärmequelle unter Berücksichtigung, daß von dieser Austauscherfläche Wärme übertragen wird. Die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers zur Verteilung der Wärme auf eine große Fläche ist besonders dann von Vorteil, wenn das Kühlmedium aus irgend einem Grund nicht einer hohen Temperatur ausgesetzt werden kann, beispielsweise durch chemischen Abbau oder unerwünschte Verdampfung. Der Wärmeaustauscher kann so konstruiert sein, daß das Kühlmedium nicht einer Temperatur über einem vorbestimmten Sicherheitswert ausgesetzt wird.

Ein Beispiel für die Nutzbarmachung dieser Eigenschaft ist der oben bereits kurz beschriebene Raumheizer. Ein Raumheizer

kann so ausgelegt sein, daß er aufgenommene Wärme auf eine ausreichend große Fläche verteilt, daß unter den gegebenen Wärmeübertragungs- und-leitwerten zwischen Außenwänden und Luft die Außenwände nicht eine in irgend einer Weise gefährliche Temperatur erreichen können. Tatsächlich wird die Außenfläche beträchtlich unter der Temperatur gehalten, die bei der Berührung des Raumerhitzers als unangenehm empfunden werden könnte.

Bei den meisten flüssigen Medien wird zweckmäßiger Weise ein Filmsieden an der Außenfläche des Gefäßes vemieden. Ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher kann so ausgelegt werden, daß Wärme unterhalb des Siedepunkts oder im Bereich des beginnenden Siedens an der Oberfläche übertragen wird.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ergeben sich aus der Fig. 3. Ein Stück eines Rohrs 50 stellt die Innenwand eines rohrförmigen geschlossenen Gefäßes 52 dar und dient als Strömungsweg für das flüssige Heizmedium. So ist es beispielsweise in Kühlaggregaten wünschenswert, das erwärmte, unter Druck stehende Kühlmittel, wie Freon, vorzukühlen. Um nun den Wärmeinhalt des Kühlmittels nutzbar zu machen, kann an der Kaltseite des Wärmeaustauschers das in dem Gebäude benötigte Trinkwasser vorgesehen werden. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher wird als Warmwasserbereiter angewandt, um einen Teil oder das gesamte in dem Gebäude benötigte Warmwasser bereit zu stellen. Baupolizeiliche Vorschriften erfordern doppelte Sperren zwischen Kühlmittel und Trinkwasser, so daß bei Bruch der Kühlmittelleitung des Wärmeaustauschers und Austreten von Kühlmittel eine zweite Sperre das Eintreten von Kühlmittel in den Warmwasserkreislauf verhindert. Diese Forderungen werden von dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher erfüllt.

Das Rohrsystem 52 ergibt die erforderliche doppelte Sperre zwischen Kühlmittel und Wasser in Form der Außenwand 53 und

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der Leitung 50. Das Wärmeaustauschergefäß 52 enthält Helium unter Druck und ist an jedem Ende mit ringförmigen Abschlußplatten 54.angeschweißt an den Innen- und Außenwänden.verschlossen. Das Gefäß 52 wird von einem Behälter umgeben, der aus einer Zylinderwand 56 und ringförmigen Endplatten 58, angeschweißt an die Wände 50 und 53 gebildet wird. Das zu erwärmende Wasser wird in den Ringraum zwischen dem Behälter und dem Gefäß über 59 zugeführt, durchströmt den Ringraum entsprechend den Pfeilen und tritt durch die Ableitung 60 aus. Wärme wird von dem durch Leitung 50 strömende Kühlmittel auf Helium übertragen und von Helium auf die Außenwand 53 und schließlich von dieser auf Wasser.

In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher in Verbindung mit einem eletrischen Heizaggregat zur Erwärmung einer Flüssigkeit gezeigt. Er umfaßt einen Außenbehälter mit zylindrischer Seitenwand 12, Decke 14 und Boden 16. Ein geschlossenes Gefäß 18 aus zylindrischer Seitenwand 20, Decke 22 und Boden 16, der gleichzeitig der Boden des Behälters ist, kann die gewünschte Anzahl an eletrischen Widerstands-Heizelementen 24 aufnehmen. Jedes Heizelement besteht aus einem Keramikträger und einer Wicklung aus üblichem Widerstandsdraht, wie Nichrom, das ist eine Legierung aus 65 % Nickel, 15 % Chrom und 20 % Eisen. Die Heizelemente sind vorzugsweise in Serie geschaltet durch ein (nicht gezeigtes) System an Stromschienen und elektrischen Anschlüssen 26 zu dem ersten Element und von dem letzten Element der Serie. In Serie geschaltete Elemente lassen stärkere Widerstandsdrähte zu, wodurch die Betriebszeit verlängert wird, jedoch sind parallel geschaltete Elemante und zwei oder mehrere Gruppen von in Serie

geschalteten Elementen, wobei die Gruppen parallel geschaltet sind, natürlich auch möglich. Parallel geschaltete Heizelemente ergeben die Möglichkeit variierbarer Wärmeabgabe durch Veränderung der Anzahl der Elemente, die zu einer bestimmten Zeit entsprechend einer geeigneten Regelung be-

tätigt werden.

Bevorzugt ist Behälter 10 und Gefäß 18 in Schweißkonstruktion im Hinblick auf Lecksicherheit erstellt, wie dies auch bei der in der Figur gezeigten Ausführungsform der Fall ist. Trotzdem ist jedoch auch möglich^ eine entfernbare Heizeinheit, d.h. Gefäß 18 und elektrische Heizelemente 24^vorzusehen. Dafür gibt es die verschiedensten dem Fachmann geläufigen Möglichkeiten. Bei einigen Anwendungsgebieten, wo mit Ansatzbildung innerhalb des Behälters aufgrund der Eigenschaften des Mediums zu rechnen ist, kann eine austauschbare Heizeinheit wünschenswert sein, um den Behälter von Zeit zu Zeit reinigen zu können. Bei Flüssigkeiten als Medium wird man zweckmäßiger Weise am Boden des Behälters einen(nicht gezeigten) mit Ventil versehenen Auslaß vorsehen.

Dem Behälter 10 wird zu erwärmendes Medium über eine Zuleitung 26 oben in unmittelbarer Nähe der Außenwand 12 zugeführt. ·§'

Ein (nicht gezeigtes) Verteilersystem kann sich zwischen Einlaß und Ringraum zwischen Seitenwand 12 des Behälters und Seitenwand 20 des Gefäßes befinden oder es werden mehrere Zuführungen zur Verteilung des herangebrachten Mediums gleichmäßig über den oberen Teil des Behälters vorgesehen. Der Ringraum zwischen den Wänden 12 und 20 ist in eine Eintrittskammer 30 und in eine Austrittskammer 32 durch eine zylindrische Leitwand 28 unterteilt, die sich fast über den gesamten Abstand zwischen Decke 1 4, an die sie angeschweißt ist, und Bafei 16 erstreckt. Das Medium tritt bei 26 ein und wird aufgrund der Trennwand 28 nach unten durch die Eintrittskammer gegen den Boden des Behälters geführt und fließt dann aufwärts durch die Austrittskammer, bis nach oben. Das nun erwärmte Medium strömt radial nach innen gegen die Behälterachse und tritt in einen Kanal, der sich vertikal durch das Gefäß 18 erstreckt und am Boden 16 des Behälters in den Auslaß 36 reicht.

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Das Gefäß 18 enthält Helium unter entsprechendem Druck,vorzugsweise etwa 200 bis 700 kPa. Vor Einbringen des Heliums kann das Gefäß T8 evakuiert werden, jedoch ist dies nicht zwingend erforderlich. Die Heliumatmosphäre im Gefäß gewährleistet einen schnellen Wärmeübergang von den elektrischen Widerstandsheizelementen 24 im Gefäß auf die Gefäßwände und das Rohr 34.

Da das Medium über 26 eintritt und über die Eintrittskammer zwischen der Leitwand 28 und der Wand 20 des Behälters nach unten strömt, wird dieses allmählich erwärmt entsprechend dem Strömen aufwärts durch die Austrittskammer 32 in direkter Berührung mit der äußeren Heizwand 2 0 des Gefäßes und Übertragung eines Teils der Wärme aus der Gefäßwand auf die Leitwand ■, die ihrerseits diese Wärme an die Strömung in der Eintrittskammer abgibt. Das über die heiße Außenwand 20 des Gefäßes strömende Medium wird schnell erhitzt in dem relativ schmalen Kanal zwischen Wand 2 0 und Leitwand 28. Die Wand 2 ergibt eine sehr große Fläche, auf welche aus einer entsprechenden Anzahl von Heizelementen 24 innerhalb des Gefäßes sehr schnell über die Heliumatmosphäre Wärme übertragen wird. Daher eignet sich der Heizer hervorragend für sehr plötzliches Erwärmen eines Mediums. Wärmeverluste aus dem Heizer werden minimal gehalten, da das ankommende Medium sozusagen als isolierende Sperre wirkt. Im Hinblick darauf, daß der Wärmeübergang eine Funktion der Temperaturdifferenz der entgegengesetzten Seiten einer Sperre ist, so ist der Wärmeverlust durch die Außenwand 12 gering, da das ankommende Medium nur wenig erwärmt wird im Vergleich zu der sehr viel höheren Temperatur des durch die Austrittskammer strömenden Mediums. Diese natürliche Barriere durch das ankommende Medium in der Eintrittskammer 3 0 trägt zu hoher Wirtschaftlichkeit des Wärmeaustauschers bei.

Die Austrittskammer 30 sollte bevorzugt sehr schmal sein, um

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eine turbulente Strömung des Mediums zu begünstigen. Turbulenz und Fläche können vergrößert werden, indem die Außenwand des Gefäßes gewellt ist oder indem Rippen oder dergleichen vorgesehen werden, um die Turbulenz zu begünstigen.

Nach Erreichen des oberen Teils der Austrittskammer 32 strömt das Medium quer unter der Decke des Gefäßes nach innen, wobei es weiter Wärme aufnimmt und gelangt schließlich in den Kanal 34, in dem es weitere Wärme durch die Rohrwand erhält, auf die Wärme schnell und wirksam durch die Heliumatmosphäre innerhalb des Gefäßes übertragen wird.

Die Heizelemente 24 lassen sich durch beliebige Thermostatsysteme regeln, vorzugsweise solche, das die Temperatur des ankommenden Mediums in der Nähe des Eintritts, z.B. mit Hilfe eines Thermopaars 38, urd die Temperatur des Mediums nach dem Erwärmen, z.B. mit Hilfe des Thermopaars 40» mißt tndnun die Elemente in Übereinstimmung mit integrierten Werten, die sowohl die Eintrittstemperatur als auch die Austrittstemperatur berücksichtigen, an- oder abgeschaltet werden. Die verschiendsten Systeme dieser Art sind bekannt und sind in Fig. 1 nur durch den als Regler bezeichneten Block 42 angedeutet. Die Fähigkeit der Heliumatmosphäre im Gefäß zur schnellen Wärmeübertragung auf die Wände, an denen das Medium strömt und durch die dieses erwärmt wird, verbessert die Ansprechgeschwindigkeit des Reglers.

Die gezeigte Ausgestaltungsform ist eine schnell wirkende Einheit, da keine Wärmeträgheit oder Lagerkapazität ergebende Masse vorhanden ist. Diese Regelung ist derart möglich, daß die Temperatur des Mediums im Bereich des Thermoelements 40 bereits etwas und doch noch nicht bis auf die Austrittstemperatur erwärmt ist. Wird Medium aus dem Auslaß 36 ausgetragen und zeigt das Thermoelement 38 einen Temperaturabfall an, werden vom Regler 42 Heizelemente 24 eingeschaltet.

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Innerhalb von wenigen Sekunden beginnt die Heliumatmosphäre innerhalb des Gefäßes mit der Wärmeübertragung von den Heizelementen auf die Wand 20 und öen Kanal 34 und das Medium vom Austritt wird schnell heißer bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Das Heizelement (der Wärmeaustauscher) wird in erster Linie durch das Thermoelement 40 geregelt, über welches die Ein- und Ausschaltung der Heizelemente und eine praktische Konstanthaltung der Temperatur des aus dem Auslaß 36 kommenden Mediums erreicht wird. Wird nicht mehr Medium aus dem Heizer ausgetragen, so zeigt sich am Thermoelement 38 ein Temperaturanstieg gleichbedeutend mit der Tatsache, daß kaltes Medium nicht mehr über die Zuleitung eintritt. Diese Angabe wird im Regler 42 verwertet und die Heizelemente abgeschaltet.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers eignet sich für die Beheizung von Flüssigkeiten bekannter Art, einschließlich der dazu üblichen Temperaturregelung, eventueller Rückleitung des Mediums aus dem Behälter durch den Heizer und dergleichen. Er eignet sich auch für das Aufheizen von Gasen, da er Rohre und Leitungen durch den Raum des Gefäßes aufweist. Die Seitenwand des Gefäßes kann in Längsrichtung gewellt sein zur Erhöhung der Festigkeit und der Oberfläche bei insgesamt gegebener Größe und Gewicht.

Fig. 5 und 6 zeigt ein Heizaggregat mit einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher. Dieses weist eine gepulste Verbrennungskammer 101 bekannter Art auf. Luft wird über die Zuleitung 111 in die Kammer 101 und Erdgas über die Zuleitung 117 eingeführt. Mit Hilfe eines Zünders wird das Gemisch Brennstoff/ Gas in der Kammer gezündet. Die dabei auftretenden Explosionskräfte treiben die heißen Verbrennungsprodukte aus der Kammer durch den Durchgang 102, gebildet von der Innenwand 120 des geschlossenen Gefäßes 122. Das Gefäß hat eine zylindrische

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Außenwand 118 und ist durch Platten 110 in mehrere Ringräume unterteilt. Das Gefäß kann zusammen gebaut werden durch Verschweißen der Platten 110 mit der Innenwand 120 und dann Überstülpen der Wand 118 über die zusammengeschweißte Anordnung. Gegebenenfalls kann zwischen Außenumfang der Platten 110 und Außenwand 118 eine Dichtung vorgesehen werden, obwohl cBös möglicherweise unnötig ist, da der Zweck der Platten nur die Verhinderung einer konvektiven Strömung des Heliums innerhalb des Gefäßes 122 ist und dabei der Temperaturgradient über die Länge des Wärmeaustauschers erhöht wird.

Die heißen Verbrennungsprodukte fließen aus der Brennkammer 101 durch den Kanal 102 in hochturbulenter Strömung aufgrund der Explosivkraft, die sie vortreibt.. Um den Wärmeübergang von den heißen Verbrennungsprodukten auf die Innenwand 120 zu verbessern, ist die innere Fläche der Wand 120, wie in Fig. ( gezeigt, gerillt;darüber hinaus hat die Wand 120 eine ziemlich große Querschnittsdicke, so daß sie sozusagen als Wärmefalle für die aus den heißen Gasen übertragene Wärme wirken, und die Wärme während den Intervallen der gepulsten Verbrennung gespeichert wird. Die heißen Verbrennungsgase werden beim Durchströmen des Kanals 102 schnell abgekühlt und erreichen am Boden eine relativ tiefe Temperatur. Das Kondensat aus der Verbrennung sammelt sich am Boden des Erhitzers und wird von diesem über eine Ableitung 107 eine (nicht gezeigte) Falle und eine Ableitung ausgetragen. Die Abgase verlassen die Anlage über den Austritt 105.

Das Gefäß 122 ist seitlich und oben von einem Behälter mit Zylinderwand 113 und ringförmiger Decke 113a umgeben und zwar derart, daß zwischen der Außenfläche des Gefäßes 122 und dem Behälter ein schmaler Durchgang 114 verbleibt. Das zu erwärmende Medium wird über 104 in den Durchgang 114 geführt und gelangt dann aufwärts, wobei von der großen Fläche der heißen Außenwand 118 Wärme aufgenommen wird, die ihrer-

seits Wärme durch Übertragung über Helium von der Innenwand 120 erhält. Das heiße Medium tritt dann aus dem Heizer bei 103 aus.

Ein zweiter geschlossener, rohrförmiger Behälter 115 umschließt teilweise den inneren Behälter 113, fließfähiges Medium wird über 111 in einen Ringraum zwischen Behälter und Außenfläche des Behälters 113 eingeführt und nimmt Wärme aus dem Medium im Durchgang 114 durch die Wand 113 auf. Das Medium innerhalb des äußeren Behälters wird also erwärmt bei Durchgang durch den Ringraum und verläßt diesen bei 112.

In den Fig. 5 und 6 ist eine sehr vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Wäremaustauschers in Verbindung mit einem Ofen und einem Warmwasserbereiter gezeigt. Warmwasser wird in der Innenkammer erzeugt und kann über 1 03 auf die Heizkörper verteilt werden innerhalb des Raums, der als Ofen dient. Dieses Warmwasser hat relativ hohe Temperatur. Es tritt bei 112 aus mit einer etwas tieferen Temperatur insbesondere dann, wenn sowohl Warmwasser zur Beheizung als auch Heißwasser für andere Zwecke innerhalb des Gebäudes be nötigt wird. Das System kann gleichzeitig oder getrennt betrieben und über entsprechende Thermoelemente der Brenner geregelt werden. Besteht kein Wärmebedarf, zirkuliert das Wasser im inneren Behälter nicht und dient lediglich als Wärmeübertragungsmedium zwischen Gefäß und Außenbehälter, so daß nur ein sehr geringer Wärmebedarf besteht.

Der in Fig. 5 und 6 gezeigte Wärmeaustauscher kann dadurch modifiziert werden, daß am Boden ein gepulster Brenner vorgesehen wird. Anstelle eines gepulsten Brenners können jedoch auch andere Brenner dienen. Besondere Vorteile dieser Anlage ist Einfachheit und geringe Kosten unter Berücksichtigung der hohen Wirksamkeit, insbesondere mit gepulster Verbrennung, die ermöglicht praktisch den gesamten Wärmeinhalt des Brennstoffs zu übertragen, so daß nur sehr wenig Wärme mit den Abgasen verloren geht.

Claims

PATENTANsVALTE dr.-ing. pranz vuesthoff WUESTHOFF-v.PECHMANN-BEHRENS-G&ETZ d«.ph,l.freda™sthof D1PL.-ING. GERHARD PULS (19JI-I971) EUROPEANPATENTATTORNEYS d.pl.-chem.dr.e.fre.herr von pechmann DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL.-VIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 Scanlan + Liljegren telefon: (089)66*0,1 UZ: lA-58 824 TELEGRAMM: PROTECTPATENT telex: 5 2407c TF.LI.rAX: VIA (089) IJX 6063 (ill) Patentansprüche

1.1 Wärmeaustauscher enthaltend ein geschlossenes Gefäß aus wärmeleitenden Wänden zur Aufnahme von Helium, welches zur Wärmeübertragung von einer Wärme- oder Kältequelle auf die Gefäßwände dient und vcbej, die Gefäßwände als Wärmeübertragungsmedium zwischen Helium und dem zu erwärmenden bzw. zu kühlenden fließfähigen Medium dienen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, worin das Gefäß rohrförmig ist und innere und äußere wärmeleitende Wände besitzt, von denen eine das Wärmeübertragungsmedium zwischen dan zu erwärmenden bzw. zu kühlenden Medium und Helium und die andere das Wärmeübertragung zwischen Helium und einer Wärme- bzw. Kältequelle darstellt.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, worin die Innenwand ein Kanal ist zur Aufnahme eines strömenden als Wärme- bzw. Kältequelle wirkenden Mediums.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, daß er zusätzlich einen das Gefäß zumindest teilweise umschließenden Behälter aufweist und eine Zu- und Ableitung in den Raum zwischen Gefäß und Behälter für das zu erwärmende bzw. zu kühlende Medium vorgesehen sind.

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5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, daß das Gefäß rohrförmig ist, eine Innen- und eine Außenwand besitzt, die Innenwand als Kanal für das abzukühlende heiße Medium diönt, und ein geschlossener Behälter der Außenwand des Gefäßes so zugeordnet ist, daß dieses zumindest zum Teil umgeben ist, wobei der Raum zwischen Außenfläche des Gefäßes und Behälterwand Zu- und Ableitung für ein als Kälteque!Ie zur Kühlung des heißen Mediums dienenden Mediums aufweist.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 , worin das Gefäß rohrförmig ist und a) eine Innenwand aufweist, die einen Kanal für den Durchgang einer gasförmigen Wärmequelle bildet, und b) eine Außenwand aufweist und ein Behälter vorgesehen ist, dessen Wand mit der Außenwand des Gefäßes einen Durchgang begrenzt, der mit einer Zu- und einer Ableitung für die zu erwärmende Flüssigkeit versehen ist.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, worin die Zu- und Ableitung derart angeordnet sind, daß eine Flüssigkeitsströmung durch den Durchgang in Richtung gegen die Strömung des heißen Gases durch den Kanal ermöglicht wird.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, worin im Kanal sich nach innen und in Längsrichtung erstreckende Rippen zur Verbesserung des Wärmeflußes vom Gas auf die Innenwand vorgesehen ist.

9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, worin das Gefäß Trennwände aufweist, die eine Anzahl von nebeneinander angeordneten Kammern begrenzten, um einen großen Temperaturgradienten über den Strömungsweg durch den Kanal zu gewährleisten.

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Mit Eingabe vom 16.JuIi 1984 eingereichter neuer Hauptanspruch; die Unteransprüche 2 bis 9 blieben unverändert.

1. Wärmeaustauscher enthaltend ein geschlossenes Gefäß aus wärmeleitenden Wänden zur Aufnahme von Helium unter einem absoluten Druck von etwa 200 bis 700 kPa, welches zur Wärmeübertragung von einer Wärme- oder Kältequelle auf die Gefäßwände dient und wobei die Gefäßwände als Wärmeübertragungsmedium zwischen Helium und dem zu erwärmenden bzw. zu kühlenden fließfähigen Medium dienen.