Wärmetauscher

Abstract

 Um die rasche Erwärmung von Brauchflüssigkeit unabhängig von einem großen Behälterinhalt zu gestatten, sind von einem Heizmedium durchströmte Wärmeübertragungsorgane (5) vorgesehen, in welche das Heizmedium in einem oberen Bereich (10) des Behälters (1) eintritt, um dort zuerst die größte Wärmemenge abzugeben. Danach wird das Heizmedium zu den darunterliegenden Bereichen (11, 12) geführt, in welchen zunächst eine weniger starke Erwärmung auftritt. Das Wärmekissen im oberen Behälterbereich (10) bleibt durch die natürliche Schichtung erhalten und steht zum raschen Verbrauch bereit. Hat das Heizmedium die Wärmeübertragungsorgane (5) durchströmt, so wird es in einer wärmeisolierten Rückführleitung (6) durch den erwärmten Bereich wieder nach außen geführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Aufheizen einer Flüssigkeit in einem Behälter mit von einem Heizmedium durchströmbaren, von der Flüssigkeit umgebenen Wärmeübertragungsorganen. Solche Wärmetauscher sind insbesondere zum Aufheizen von Brauchwasser geeignet. Die Wärmeübertragungsorgane sind dabei etwa in Form von Rohrschlangen ausgebildet, die in einem wärmeisolierten, das Brauchwasser enthaltenden Behälter angeordnet sind, wofür z.B. auf die in der DE-OS 30 05 858 dargestellten Ausführung verwiesen wird. Als Heizmedium dient entweder der Wärmeträger einer Zentralheizungsanlage, wie Dampf oder Wasser, oder aber das Arbeitsmittel einer Wärmepumpenanlage, wie etwa Freon.

[0002] Der Nachteil bekannter Wärmetauscher dieser Art liegt darin, dass die Zeit bis zur Aufheizung des Behälterinhaltes auf die gewünschte Temperatur relativ lang ist, womit sich der Verbraucher bis dahin mit geringeren Temperaturen begnügen muss. Um diesen Nachteil zu beheben, richteten sich die Bestrebungen zunächst dahin, eine möglichst wirksame, d.h. rasche Erwärmung des Behälterinhaltes zu erzielen, was etwa bei der erwähnten Lösung durch eine induzierte Flüssigkeitszirkulation im Behälter erzielt wurde.

[0003] Die Aufheizzeit ist damit aber immer noch durch den unter Umständen grossen Behälterinhalt bestimmt, auch wenn der kurzfristige Bedarf z.B. an Brauchwasser nur relativ gering ist.

[0004] Es stellt sich damit die Aufgabe, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Aufheizzeit mindestens für den kurzfristigen Bedarf an Brauchflüssigkeit weiter reduziert werden kann, und zwar im wesentlichen unabhängig vom Behälterinhalt.

[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Heizmedium in einem oberen Bereich des Behälters in die Wärmeübertragungsorgane eintritt und darin zu einem darunterliegenden Bereich des Behälters geführt wird, derart dass zunächst die Flüssigkeit im oberen Behälterbereich aufheizbar ist.

[0006] Unter Ausnutzung der bleibenden natürlichen Wärmeschichtung der Flüssigkeit, insbesondere des Wassers, entsteht damit im oberen Behälterbereich rasch ein Kissen erwärmter Flüssigkeit, das zum Verbrauch bereit steht.

[0007] Dabei ist es vorteilhaft, dass die Wärmeübertragungsorgane im oberen Behälterbereich auf das Volumen bezogen grössere Wärmeübertragungsflächen bilden, als in einem darunterliegenden Behälterbereich, womit in der Anfangsphase im oberen Bereich eine deutlich grössere Wärmeabgabe stattfindet als darunter und damit dort die Aufheizzeit verkürzt wird.

[0008] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wärmeübertragungsorgane sowie Ein- bzw. Wegführleitungen für das Heizmedium als Einheit ausgebildet und als solche an einer Behälteröffnung austauschbar befestigt, wobei die Wärmeübertragungsorgane durch eine wendelförmige Rohrleitung gebildet sind und die Wegführleitung als innerhalb der Wendel zur Behälteröffnung zurückführende, wärmeisolierte Leitung ausgebildet ist.

[0009] Der mit der Erfindung erreichte Vorteil liegt darin, dass die Erwärmung der Behälterflüssigkeit in Abschnitten erfolgen kann, wobei das jeweilige Mass und die Zeit der Erwärmung durch entsprechende Ausgestaltung der Wärmeübertragungsorgane bestimmbar ist.

[0010] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführung eines Wärmeaustauschers im Schnitt, und

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung eines zweiten Wärmetauschers mit schematisch gezeigter Wärmepumpe.

[0011] In Fig. 1 ist ein doppelwandiger Behälter 1 gezeigt, der stehend eingebaut ist und in welchem in einer oben gelegenen Oeffnung 2 der Einlass 3 und der Auslass 4 eines durch den Behälter führenden Kreislaufs für ein Heizmedium angeordnet ist. Dieser Kreislauf setzt sich. aus Wärmeübertragungsorganen 5, die vom Heizmedium durchflossen sind, sowie aus einer Wegführleitung 6 zusammen, welche gegen die sie umgebende. Flüssigkeit wärmeisoliert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wärmeübertragungsorgane 5 als Rohrwendel mit sich ändernder Steigung ausgebildet. In einem oberen Bereich 10 weist sie eine geringe Steigung, d.h. eine grosse Windungszahl auf. Damit wird die wirksame Fläche für den Wärmeübergang in diesem Bereich relativ gross. Zugleich tritt das Heizmedium zunächst in diesen Bereich ein und hat damit dort seine höchste Temperatur. Die Flüssigkeit im oberen Bereich 10 wird deshalb zuerst und relativ rasch wirksam aufgeheizt. Die natürliche Wärmeschichtung der Flüssigkeit gewährleistet, dass dieser erwärmte Bereich erhalten bleibt und zum Verbrauch bereit steht, in einem zweiten, darunterliegenden Bereich 11 weist die wendelförmige Rohrleitung weniger Windungen auf und hat eine grössere Steigung. In einem weiteren, untersten Bereich 12 schliesslich ist wieder eine grössere Anzahl Windungen bzw. eine geringe Steigung der Rohrwendel vorgesehen, so dass die übrig gebliebene Wärme im kältesten Bereich optimal abgegeben wird, was der Wirksamkeit des Wärmeüberganges zu Gute kommt. An ihrem unteren Ende geht die Rohrwendel 5 in die Wegführleitung 6 über. Darin wird das abgekühlte Heizmedium isoliert durch die wärmeren Flüssigkeitsschichten hindurch aus dem Behälter 1 geleitet. Dazu ist die Wegführleitung aus zwei Koaxialrohren 13,14 aufgebaut, wovon das Innenrohr als Transportrohr dient. Der Zwischenraum zwischen den Rohren ist eine Isolationsmasse, z.B. Polyurethan. An der Stelle, wo das Innenrohr in die Wegführleitung 6 eintritt, ist das Innen- mit dem Aussenrohr verbunden, was die Wirksamkeit der Isolation erhöht und diese schützt. Die Entnahmestelle 15 für die Brauchflüssigkeit befindet sich im oberen Behälterbereich bei der rasch erwärmten Flüssigkeitsschicht, während der Zulauf 16 für die noch kalte Flüssigkeit im unteren Behälterbereich liegt.

[0012] Die geometrische Form der Wärmeübertragungsorgane 5 braucht nicht, wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel, wendelartig zu sein. Die Form ist lediglich dadurch vorgegeben, dass in jedem der Behälterbereiche eine ausreichend grosse Uebertragungsfläche zur Verfügung steht, so dass ein optimaler Wärmeaustausch stattfinden kann. Da die Wärmeübertragungsorgane mit der Wegführleitung, eventuell mit einer entsprechenden Schutzabdeckung versehen, aus einfachen, geraden Rohrelementen gestaltet werden können, ist sowohl die Herstellung als auch die Montage einfach. Dies ist insbesondere der Fall, wenn diese Elemente als Einheit einstückig ausgebildet sind, so dass im Behälter keine Verbindungen auftreten. Die genannte Einheit ist an einem Deckel 17 angebracht und kann mit diesem am Behälter 1 befestigt werden.

[0013] In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das zur Aufheizung von Wasser mit Hilfe einer Wärmepumpenanlage 20 ausgebildet ist. Der Kompressor 21 der Wärmepumpenanlage wird dabei durch das Heizmedium gekühlt, wenn es die Wärmeübertragungsorgane durchströmt hat und sich auf relativ niedriger Temperatur befindet. Das von der Kompressorabwärme leicht erwärmte Heizmedium wird dann in einem zweiten Kreislauf 22 zu weiteren, ebenfalls wendelförmigen Wärmeübertragungsorganen 23 geführt, die im unteren Teil des Behälters angeordnet sind. Da die Flüssigkeit im unteren Teil des Behälters die geringste Temperatur hat, kann auch bei relativ niedriger Temperatur des Heizmediums in dieser Phase noch ein Wärmeübergang stattfinden. Die Zu- und Wegfuhr des Heizmediums zu den weiteren Wärmeübertragungsorganen geschieht vorzugsweise in einer axial angeordneten Einheit 25, welche auch die Wegführleitung der ersten Wärmeübertragungsorgane 5 umfasst. Da die Leitungen unterschiedliche Temperatur haben, müssen sie gegeneinander und gegen die Umgebung wärmeisoliert sein.

[0014] Eine derartige Ausführung unter Verwendung einer Wärmepumpe mit dem Kühlmittel Freon führt ebenfalls zu einem Kissen von zuerst und am stärksten erwärmter Flüssigkeit im oberen Bereich 10 des Behälters, wo der Wärmetausch anfängt und wo sich der erste Teil der Wärmeübertragungsorgane mit geringer Steigung und einer relativ grossen Anzahl Windungen befindet. Damit kann die Ueberhitzungsphase des Freonkreislaufes optimal genutzt werden, so dass sich im Bereich 10 höhere Temperaturen erzielen lassen, als in traditionellen Ausführungen.

[0015] Die beschriebenen Wärmeübertragungsorgane sind bei beiden Ausführungen vertikal von oben in den Behälter 1, z.B. einen Boiler, eingebaut. Je nach Fassungsvermögen des Boilers kann mehr als eine solche Anordnung eingebaut sein.

[0016] Die beschriebene Erfindung gestattet neben einer guten Wärmeübertragung insbesondere die rasche Aufbereitung von ausreichend erhitzter Flüssigkeit, insbesondere von Wasser, zum Gebrauch, indem die natürliche Wärmeschichtung ausgenutzt wird. Die gewählte Konstruktion erlaubt eine einfache Wartung, da die Wärmeübertragungsorgane als Einheit ein- und ausbaubar sind.

Ansprüche

1. Wärmetauscher zum Aufheizen einer Flüssigkeit in einem Behälter (1) mit von einem Heizmedium durchströmbaren, von der Flüssigkeit umgebenen Wärmeübertragungsorganen (5;23), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium in einem oberen Bereich (10) des Behälters in die Wärmeübertragungsorgane (5) eintritt und darin zu einem darunterliegenden Bereich des Behälters geführt wird, derart, dass zunächst die Flüssigkeit im oberen Behälterbereich (10) aufheizbar ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsorgane (5) im oberen Behälterbereich (10) auf das Volumen bezogen grössere Wärmeübertragungsflächen bilden, als in einem darunterliegenden Behälterbereich.

3. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmeübertragungsorgane (5;23) sowie Zu- bzw. Wegführleitungen (6;25) für das Heizmedium als Einheit ausgebildet und als solche an einer Behälteröffnung (2) austauschbar befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsorgane (5;23) durch eine wendelförmige Rohrleitung gebildet sind und die Wegführleitung als innerhalb der Wendel zur Behälteröffnung zurückführende, wärmeisolierte Leitung (14) ausgebildet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälteröffnung (2) an der Oberseite des Behälters (1) angeordnet ist, wobei die wendelförmige Rohrleitung in diesem Bereich beginnt, sich gegen den Behälterboden erstreckt und an ihrem unteren Ende in die isolierte Wegführleitung (14) übergeht.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Rohrleitungswendel im oberen Behälterbereich (10) kleiner ist als in einem darunterliegenden Bereich.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein im unteren Behälterbereich (12) gelegener Teil der Wärmeübertragungsorgane eine Steigung der Rohrleitungswendel aufweist, die kleiner ist als im darüberliegenden Bereich (11).

7. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizmedium in einer Wärmepumpenanlage (20) mit Kompressorkühlung (21) aufheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium nach dem Durchlauf der Wärmeübertragungsorgane (5) der Kompressorkühlung (21) zuführbar ist und dass an die Kompressorkühlung angeschlossene weitere Wärmeübertragungsorgane (23) im unteren Behälterbereich vorgesehen sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Wegleitung des Heizmediums zu den weiteren Wärmeübertragungsorganen in wärmeisolierten Rohrleitungen (25) durch den oberen Behälterbereich hindurch erfolgt.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zu- bzw. Wegleitungen des Heizmediums zu bzw. von den Wärmeübertragungsorganen innerhalb des Behälters zu einer Einheit zusammengefasst sind.

10. Verwendung des Wärmetauschers nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Boiler zur Erwärmung von Brauchwasser.

Zeichnung