Wärmetauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher.
Zwischen benachbarten Platten (10) wird ein erster Strömungsweg (1) zwischen einem ersten Eintrittsende (1E) in den Wärmetauscher und zwei Austrittsenden (1A1,1A2) ausgebildet.
Ein zweiter Strömungsweg (2) führt von einem zweiten Eintrittsende (2E) am unteren Ende zu einem zweiten Austrittsende (2A) am oberen Ende des Wärmetauschers.
Der Teil des ersten Strömungsweges (1), der im Wärmeaustausch mit dem zweiten Strömungsweg (2) steht, stellt den ersten Abschnitt (1.1) des ersten Strömungsweges (1) dar.
Etwa in der Mitte des Wärmetauschers ist eine Trennwand (20) zu erkennen, durch die der erste Strömungsweg (1) des Wärmetauschers hindurchgeführt ist, wo sich ein zweiter Abschnitt (1.2) des ersten Strömungsweges (1) anschließt.
Der zweite Abschnitt (1.2) des ersten Strömungsweges (1) ist im Gegenstrom mit einem dritten Strömungsweg (3) ausgebildet, der von einem Eintrittsende (bei 3E) zu einem Austrittsende (3A) verläuft.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager genannt. Es handelt sich um eine Vorrichtung, mit der Wärme beziehungsweise thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen übertragen werden kann. Im Besonderen betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher mit direkter Wärmeübertragung von einem Fluid auf ein anderes Fluid. Ein solcher Wärmetauscher ist beispielsweise Bestandteil einer solartechnischen Anlage (an Solarkollektoren angeschlossen) oder einer Wärmepumpe, die der Warmwasseraufbereitung oder Erwärmung von Heizungswasser dienen.

[0002] Die Erfindung bezieht sich auf alle Arten von Wärmetauschern, unabhängig ob diese im Gegenstrom, Gleichstrom oder Kreuzstrom arbeiten.

[0003] Der Stand der Technik und die Erfindung werden nachstehend anhand eines Plattenwärmetauschers näher erläutert, ohne die Erfindung insoweit zu beschränken.

[0004] Plattenwärmetauscher für die genannten Anwendungszwecke sind seit langem bekannt. Ihr Wirkungsgrad hängt nach den Gesetzen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik vom Verhältnis der aufgenommenen thermischen Energie auf der kalten Seite zur abgegebenen Energie auf der warmen Seite ab.

[0005] In Zeiten hoher Energiepreise finden Wärmetauscher als Bestandteile solartechnischer Anlagen und Wärmepumpen zunehmend Verwendung. Dabei wird mindestens ein Wärmetauscher in den Fluidkreislauf der solartechnischen Anlage eingebunden und mindestens ein weiterer Wärmetauscher bildet einen Bestandteil der Wärmepumpen-Anlage.

[0006] Das über einen Wärmetauscher erwärmte Wasser wird beispielsweise in einen Pufferspeicher geführt, der "geschichtet" ausgebildet werden kann, also mit unterschiedlichen Temperaturzonen, wobei wärmeres Wasser oben und kälteres Wasser unten gespeichert wird. Schwierig ist teilweise die Zuführung des Wassers in die einzelnen Temperaturzonen des Pufferspeichers.

[0007] Aus diesem technischen Umfeld ergeben sich zunehmende Anforderungen an Optimierungen der zum Teil komplexen Anlage.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, der möglichst viele der nachstehenden Anforderungen erfüllen soll: Der Wärmetauscher soll einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben. Er soll sowohl im Sommerbetrieb, beispielsweise als Bestandteil der solartechnischen Anlage, funktionieren, aber auch im Winterbetrieb, wenn die Solarkollektoren wenig Warmwasser produzieren und üblicherweise auf eine Wärmepumpe umgeschaltet wird. Schließlich wäre es vorteilhaft, Wasser unterschiedlicher Temperatur aus dem Wärmetauscher abziehen zu können, um Wasser unterschiedlicher Temperatur in entsprechende Zonen eines Pufferspeichers direkt einleiten zu können.

[0009] Vor diesem Hintergrund basiert ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher auf folgenden Überlegungen:

[0010] Der vorstehend als Sommerbetrieb bezeichnete Einsatzfall ist grundsätzlich von dem als Winterbetrieb bezeichneten Einsatzfall zu unterscheiden. Im ersten Fall wird Wärme beispielsweise von einer Sole des Solarkollektors auf das Wasser übertragen, im zweiten Fall (Winterbetrieb) von einem Kühlmittel einer Wärmepumpe auf das Wasser. Erfindungsgemäß sollen diese unterschiedlichen Einsatzzwecke in einem Wärmetauscher gekoppelt werden.

[0011] Erfindungsgemäß ist dies dann möglich, wenn der Strömungsweg für das zu erwärmende Wasser so geführt ist, dass er sowohl in einen Wärmeaustausch mit der Sole (für den Sommerbetrieb) als auch in einen Wärmeaustausch mit dem Kältemittel (für den Winterbetrieb) gebracht werden kann. Im Sommerbetrieb kann gegebenenfalls auf einen Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Wasser verzichtet werden; im Winterbetrieb entfällt gegebenenfalls ein Wärmeaustausch zwischen Sole und Wasser. In jedem Fall aber kann das zu erwärmende Wasser alle Zonen des Wärmetauschers durchlaufen. Es ist aber ebenso möglich, beispielsweise über einen Bypass einen Teil des Strömungsweges für das zu erwärmende Wasser je nach Anwendungsfall zu überbrücken.

[0012] Danach betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform einen Wärmetauscher mit folgenden Merkmalen:

• einem ersten Strömungsweg, entlang dem ein erstes zu erwärmendes Fluid zwischen einem ersten Eintrittsende in den Wärmetauscher und mindestens einem ersten Austrittsende aus dem Wärmetauscher führbar ist,
• einem zweiten Strömungsweg, benachbart zu einem in Strömungsrichtung ersten Abschnitt des ersten Strömungswegs, entlang dem ein Wärme abgebendes zweites Fluid zwischen einem zweiten Eintrittsende in den Wärmetauscher und einem zweiten Austrittsende aus dem Wärmetauscher führbar ist,
• einem dritten Strömungsweg, benachbart zu einem in Strömungsrichtung zweiten Abschnitt des ersten Strömungswegs, entlang dem ein Wärme abgebendes drittes Fluid zwischen einem dritten Eintrittsende zu einem dritten Ausgangsende durch den Wärmetauscher führbar ist, wobei
• der erste und zweite Abschnitt des ersten Strömungswegs sowie der zweite und dritte Strömungsweg überwiegend parallel zueinander ausgerichtet sind, und
• mindestens ein strömungstechnisch an den zweiten Abschnitt des ersten Strömungswegs anschließender weiterer Abschnitt des ersten Strömungswegs als diskreter Kanal mindestens teilweise quer durch den ersten und zweiten Strömungsweg zum ersten Austrittsende des ersten Strömungswegs führt.

[0013] Der erste Strömungsweg dient beispielsweise der Erwärmung von Wasser und beschreibt entsprechend einen Wasserkreislauf. Das Wasser wird über mindestens ein erstes Eintrittsende (Einlauf) mit niedriger Temperatur (beispielsweise 25° C) in den Wärmetauscher hineingeführt und über mindestens ein erstes Austrittsende (Auslauf) mit erhöhter Temperatur (beispielsweise 40° C oder 65° C) entnommen.

[0014] Der zweite Strömungsweg beschreibt beispielsweise den Teil eines Solekreislaufes einer solartechnischen Anlage.

[0015] Die beispielsweise in einem Solarkollektor erwärmte Sole tritt über ein zweites Eintrittsende (Einlauf) beispielsweise mit 100° C in den Wärmetauscher ein und verlässt den Wärmetauscher an einem zweiten Austrittsende (Auslauf) mit niedrigerer Temperatur, beispielsweise 35° C.

[0016] Aus vorstehender Beschreibung ergibt sich, wie bei einem Wärmetauscher üblich, dass erster und zweiter Strömungsweg so eingerichtet sind, dass es zu dem gewünschten Wärmeübergang von der Sole auf das Wasser kommt.

[0017] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher geht darüber hinaus, da er einen dritten Strömungsweg umfasst, der der Zuführung eines dritten Fluids, beispielsweise eines Kältemittels einer Wärmepumpe, dient und wiederum über einen Einlauf in den Wärmetauscher hinein und über einen Auslauf aus diesem herausgeführt wird. Entlang des dritten Strömungsweges für das dritte Fluid kann dieses dritte Fluid in einen Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid treten, weil der Strömungsweg für das erste Fluid über den Bereich verlängert ist, entlang dem das erste Fluid im Wärmeaustausch mit dem zweiten Fluid (beispielsweise der Sole) steht.

[0018] Dabei ist eine "Trennung" insoweit vorgesehen, als der zweite Strömungsweg für das zweite Fluid und der dritte Strömungsweg für das dritte Fluid voneinander getrennt sind, also nicht in wärmetechnische Wechselwirkung treten, sondern jeweils nur ein Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid (beispielsweise Wasser) erfolgt.

[0019] Aus dieser Anordnung ergibt sich, dass das zu erwärmende Fluid in der Regel einen größeren Strömungsweg als das erste oder dritte Fluid aufweist.

[0020] Der erste Strömungsweg für das erste Fluid wird erfindungsgemäß fortgesetzt durch einen diskreten Kanal, der sich insbesondere durch den ersten und zweiten Strömungsweg zum ersten Austrittsende des ersten Strömungsweges erstreckt, beispielsweise senkrecht zur HauptStrömungsrichtung im Wärmetauscher.

[0021] Dies bedeutet, dass der Kanal zumindest abschnittweise, je nach Fahrweise des Wärmetauschers, von dem zweiten Fluid oder dem dritten Fluid umströmt wird. Hierbei kommt es allerdings nur zu einem geringen Wärmeaustausch aufgrund geringer Wärmeaustauschfläche bei hoher Strömungsgeschwindigkeit.

[0022] Der jeweils zweite und dritte Strömungsweg können durch eine Wand voneinander getrennt sein, die jedoch eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des ersten Strömungsweges aufweisen kann, um den ersten Strömungsweg sowohl in Kontakt mit dem zweiten Fluid als auch in Kontakt mit dem dritten Fluid bringen zu können.

[0023] Der Kanal für die Rückführung des ersten Fluids kann durch fluiddichte Verbindungen benachbarter Wandabschnitte des dritten Strömungsweges und des zweiten Abschnittes des ersten Strömungsweges gebildet werden sowie durch fluiddichte Verbindungen benachbarter Wandabschnitte des zweiten Strömungswegs und des ersten Abschnitts des ersten Strömungswegs. Dies wird in der nachfolgenden Figurenbeschreibung dargestellt.

[0024] Wenn zwei weitere Abschnitte des ersten Strömungsweges mit Abstand zueinander an den zweiten Abschnitt des ersten Strömungsweges anschließen, ermöglicht dies, das Fluid mit unterschiedlicher Temperatur aus dem Wärmetauscher abzuziehen, wozu eine weitere Ausführungsform vorschlägt, die Abzweige in Strömungsrichtung des ersten Fluids hintereinander (mit Abstand) anzuordnen, wobei die Temperaturdifferenz umso größer wird, je größer der Abstand der Abzweige zueinander ist.

[0025] Mit dieser Maßnahme wird es ermöglicht, Wasser unterschiedlicher Temperatur in unterschiedliche Zonen eines angeschlossenen Pufferspeichers direkt einzuspeisen.

[0026] Der beschriebene Wärmetauscher lässt sich vorteilhaft als Platten-Wärmetauscher ausbilden. Er besteht beispielsweise aus wellenförmig profilierten Platten, die so zusammengesetzt sind, dass jeweils in den aufeinander folgenden Zwischenräumen einmal das aufzuwärmende und einmal das Wärme abgebende Fluid fließt. Das Plattenpaket des Wärmetauschers ist nach außen und zwischen den Fluiden abgedichtet und wird beispielsweise mittels Schrauben zu einer kompakten Einheit zusammengehalten. Die einzelnen Platten des Plattenwärmetauschers können miteinander auch verlötet werden.

[0027] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.

[0028] Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diese enthalten auch Merkmale, die unabhängig von der konkret dargestellten Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher einzeln oder in Kombination verwendbar sind.

[0029] Dabei zeigen:

Figur 1:

einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher im Sommerbetrieb

Figur 2:

den Wärmetauscher gemäß Figur 1 im Winterbetrieb

Figur 3:

einen Schnitt durch den Wärmetauscher im Bereich des Rückführkanals für ein erstes Fluid.

[0030] In den Figuren ist jeweils ein Plattenwärmetauscher dargestellt. Dabei sind die Platten (geschlossenen Wandabschnitte) als durchgezogene Linien dargestellt und einheitlich mit 10 bezeichnet. Zwischen benachbarten Platten wird ein erster Strömungsweg 1 zwischen einem ersten Eintrittsende 1E in den Wärmetauscher und zwei Austrittsenden 1A1, 1A2 ausgebildet. Der erste Strömungsweg 1 ist durch eine Kreuzschraffur symbolisiert und die Strömungsrichtung durch die Pfeile 1S gekennzeichnet. In Figur 1 sind nur vier Strömungsbereiche für den ersten Strömungsweg dargestellt; in der Praxis werden dies sehr viel mehr sein.

[0031] In der rechten Hälfte von Figur 1 ist ein zweiter Strömungsweg 2 zu erkennen, der schraffiert dargestellt ist und von einem zweiten Eintrittsende 2E am unteren Ende zu einem zweiten Austrittsende 2A am oberen Ende des Wärmetauschers führt. Die Strömungsrichtung für ein zweites Fluid, welches durch den zweiten Strömungsweg 2 geführt wird, ist mit den Pfeilen 2S gekennzeichnet.

[0032] Es ist zu erkennen, dass erster und zweiter Strömungsweg im Gegenstrom angeordnet sind.

[0033] Der Teil des ersten Strömungsweges 1, der im Wärmeaustausch mit dem zweiten Strömungsweg 2 steht, ist in Figur 1 mit 1.1 bezeichnet und stellt den ersten Abschnitt 1.1 des ersten Strömungsweges 1 dar.

[0034] Etwa in der Mitte des Wärmetauschers ist eine Trennwand 20 zu erkennen, durch die der erste Strömungsweg 1 in den in Figur 1 linken Abschnitt des Wärmetauschers hindurchgeführt ist, wo sich ein zweiter Abschnitt 1.2 des ersten Strömungsweges 1 anschließt, wobei die Strömungsrichtung hier von unten nach oben ist, was wiederum durch Pfeile 1S angedeutet wird.

[0035] Der zweite Abschnitt 1.2 des ersten Strömungsweges 1 ist im Gegenstrom mit einem dritten Strömungsweg 3 ausgebildet, dessen Einzelheiten sich aus Figur 2 ergeben. Der dritte Strömungsweg 3 verläuft von einem Eintrittsende oben (bei 3E) zu einem Austrittsende 3A (unten).

[0036] Aus der Zusammenschau der Figuren 1, 2 ergibt sich, dass der zweite Strömungsweg 2 völlig getrennt vom dritten Strömungsweg 3 ist, während der erste Strömungsweg 1 aufgrund der Durchbrechung in der Trennwand 20 mit seinem ersten Abschnitt 1.1 in Wechselwirkung mit dem zweiten Strömungskanal 2 und mit seinem Abschnitt 1.2 in Wechselwirkung mit dem dritten Strömungskanal 3 steht.

[0037] Gemäß den Figuren 1, 2 verlaufen vom zweiten Abschnitt 1.2 des ersten Strömungsweges 1 zwei Kanäle 1.3, 1.4, die sich quer durch den Wärmetauscher und durch die Strömungswege 3, 2 und 1 zu den Austrittsenden 1A1, 1 A2 erstrecken.

[0038] Wie sich aus Figur 3 ergibt, werden die Kanäle 1.3, 1.4 umfangsseitig, wie bei einer Rohrleitung, durch eine geschlossene Wand begrenzt. Diese Wand wird hier durch fluiddichte Verbindungen zwischen den Platten 10 gebildet, die den ersten, zweiten und dritten Strömungsweg definieren.

[0039] Die wabenförmige Geometrie gemäß Figur 3 ergibt sich aus der (hier nicht dargestellten, weil bekannten) gewellten Profilierung der Platten 10 innerhalb des Plattenwärmetauschers.

[0040] Die Funktionsweise des dargestellten Wärmetauschers ist beispielsweise wie folgt:

[0041] Im Sommerbetrieb (Figur 1) wird kaltes Wasser mit 25° C bei 1E in den Wärmetauscher geführt und tritt dort im Gegenstrom in Kontakt mit einer warmen Sole, die bei 2E mit beispielsweise 100° C zugeführt wird. Das auf 50°C erwärmte Wasser wird über den ersten Strömungsweg 1 entlang der Abschnitte 1.1, 1.2 und 1.3 sowie 1.4 geführt und bei 1A1 und 1A2 entnommen und beispielsweise in einen (nicht dargestellten) Pufferspeicher geleitet.

[0042] Im Winterbetrieb, wenn der Solarkollektor keine ausreichende Erwärmung der Sole ermöglicht, kann die Erwärmung des Wassers über ein Kältemittel einer an den Wärmetauscher angeschlossenen Wärmepumpe erfolgen, wobei das Kältemittel bei 3E in den Wärmetauscher hineingeführt und bei 3A aus dem Wärmetauscher herausgeführt wird. Zwischen Eingang 3E und Ausgang 3A kommt es zum Wärmeaustausch mit dem Wasser entlang des zweiten Abschnitts 1.2 des ersten Strömungsweges.

[0043] Aufgrund der in Strömungsrichtung beabstandeten Anordnung der Kanäle 1.3 und 1.4 kann über die Wasserausgänge 1A1 und 1A2 Wasser unterschiedlicher Temperatur abgezogen werden, wobei das bei 1A1 abgezogene Wasser eine geringere Temperatur hat als das bei 1A2.

Ansprüche

1. Wärmetauscher mit folgenden Merkmalen:

a) einem ersten Strömungsweg (1), entlang dem ein erstes zu erwärmendes Fluid zwischen einem ersten Eintrittsende (1E) in den Wärmetauscher und mindestens einem ersten Austrittsende (1A) aus dem Wärmetauscher führbar ist,

b) einem zweiten Strömungsweg (2), benachbart zu einem in Strömungsrichtung (1S) ersten Abschnitt (1.1) des ersten Strömungswegs (1), entlang dem ein Wärme abgebendes zweites Fluid zwischen einem zweiten Eintrittsende (2E) in den Wärmetauscher und einem zweiten Austrittsende (2A) aus dem Wärmetauscher führbar ist,

c) einem dritten Strömungsweg (3), benachbart zu einem in Strömungsrichtung (1S) zweiten Abschnitt (1.2) des ersten Strömungswegs (1), entlang dem ein Wärme abgebendes drittes Fluid zwischen einem dritten Eintrittsende (3E) zu einem dritten Ausgangsende (3A) durch den Wärmetauscher führbar ist, wobei

d) der erste und zweite Abschnitt (1.1, 1.2) des ersten Strömungswegs (1) sowie der zweite und dritte Strömungsweg (2, 3) überwiegend parallel zueinander ausgerichtet sind und

e) mindestens ein strömungstechnisch an den zweiten Abschnitt (1.2) des ersten Strömungswegs (1) anschließender weiterer Abschnitt (1.3, 1.4) des ersten Strömungswegs (1) als diskreter Kanal quer durch mindestens Teile des ersten und zweiten Strömungswegs (1) zum ersten Austrittsende (1A1, 1A2) des ersten. Strömungswegs (1) führt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen erster Strömungsweg (1) Teil eines Wasserkreislaufs ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen zweiter Strömungsweg (2) Teil eines Solekreislaufs einer solartechnischen Anlage ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen dritter Strömungsweg (3) Teil eines Kondensators einer Wärmepumpe ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen zweiter und dritter Strömungsweg (2, 3) durch eine Wand (20) voneinander getrennt sind, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (1.1, 1.2) des ersten Strömungswegs (1S) aufweist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen weiterer Abschnitt (1.3, 1.4) des ersten Strömungswegs (1) umfangsseitig durch fluiddichte, Verbindungen benachbarter Wandabschnitte des ersten Strömungswegs (1) und des zweiten Abschnitts (1.2) des ersten Strömungswegs (1) sowie durch fluiddichte Verbindungen benachbarter Wandabschnitte des zweiten Strömungswegs (2) und des ersten Abschnitts (1.1) des ersten Strömungswegs (1) begrenzt wird.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei weitere Abschnitte (1.3, 1.4) des ersten Strömungswegs (1) mit Abstand zueinander an den zweiten Abschnitt (1.2) des ersten Strömungswegs (1) anschließen.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dessen weitere Abschnitte (1.3, 1.4) des ersten Strömungswegs (1) in Strömungsrichtung (1S) des ersten Fluids mit Abstand hintereinander vom zweiten Abschnitt (1.2) des ersten Strömungswegs (1) aus verlaufen.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen weitere(r) Abschnitt(e) (1.3, 1.4) des ersten Strömungswegs (1) an einen Pufferspeicher anschließbar ist (sind).

10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dessen erster, zweiter und dritter Strömungsweg (1, 2, 3) in einem Platten-Wärmetauscher ausgebildet sind.

Zeichnung