WÄRMEÜBERTRAGER

Abstract

 Der hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager (9) zur Übertragung von Wärme eines kondensierenden Kältemittels auf Trinkwasser weist einen Behälter (5) mit einem Zulauf (3) und einem Ablauf (4) auf, und eine den Behälter (5) kontaktierend angeordnete und für ein kondensierendes Kältemittel geeignete Leitung (6), wobei der Behälter (5) eine zylindrische Form aufweist und der Zulauf (3) und der Ablauf (4) an jeweils einer Stirnseite der zylindrischen Form angeordnet sind und der Behälter (5) mindestens einen Zusatzheizer (7) aufweist, der an einer Stirnseite gemeinsam mit dem Zulauf (3) angeordnet ist. Die Leitung (6) kann dabei derart am Behälter (5) angeordnet, dass ein wesentlicher Anteil der Außenfläche des Behälters (5) bedeckt ist um einen großen Wärmestrom von der Leitung (6) auf die Behälterwandung zu gewährleisten. Die Leitung (6) kann insbesondere um den Behälter (5) gewickelt oder auch mäanderförmig angeordnet sein um diesen flächig kontaktierend zumindest teilweise zu umschließen. Insbesondere ist der hier vorgeschlagene Wärmeübertrager (9) einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers und eine Heizungsanlage.

[0002] Wärmepumpen werden zunehmend in Heizungsanlagen als Wärmeerzeuger eingesetzt. Für die Erwärmung von Trinkwasser muss ein Wärmeübertrager vorgehalten werden, der Wärme vom Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe auf das Wasser überträgt. In der Regel kommen hier Plattenwärmeübertrager zum Einsatz.

[0003] Um einen Kontakt zwischen Trinkwasser und Kältemittel auszuschließen, müssen geeignete Wärmeübertrager häufig doppelwandig ausgeführt sein. Nachteilig erfordert ein doppelwandig ausgeführter Plattenwärmeübertrager erheblichen Bauraum und ist zudem kostenintensiv in der Anschaffung. Zudem weisen Plattenwärmeübertrager häufig feine Kanäle für die Wasserführung auf, die sich nachteilig mit Verunreinigungen und insbesondere Kalk zusetzen können, was die Standzeit erheblich verkürzt.

[0004] Für den Fall, dass die Wärmepumpe keinen ausreichenden Wärmestrom für eine Warmwasseranforderung liefern kann, ist in der Regel ein Zusatzheizer im Plattenwärmeübertrager vorgesehen. Nach dem Stand der Technik wird der Zusatzheizer, beispielsweise in Form eines Heizstabes, in den Plattenwärmeübertrager integriert. Für die Integration ist ein zusätzlicher Speicherflansch und ein isolierter Speicherflanschdeckel notwendig, die zusätzliche Kosten verursachen.

[0005] In der US 5,228,505 A wird ein Wärmetauscher offenbart, der einen Behältnis aufweist, dass von einer spiralförmigen Leitung umgeben ist, wobei eine Wärmeübertragung auf das Behältnis ermöglicht ist. Wärmetauscher in Rohrschlangenbauweise werden seit vielen Jahren in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z.B. auch in Kühlsystemen und Wärmepumpen eingesetzt.

[0006] Zusammenfassend wird festgehalten, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertrager zur Erwärmung von Trinkwasser mittels einer Wärmepumpe nachteilig hohe Bauraumanforderungen und/oder Kosten mit sich bringen sowie eine ggf. kurze Standzeit oder unzureichende Energieeffizienz aufweisen.

[0007] Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lindern und insbesondere einen Wärmeübertrager zur Erwärmung von Trinkwasser mittels einer Wärmepumpe vorzuschlagen, der einfach aufgebaut ist, kostengünstig herstellbar ist und nur geringe Betriebsbereitschaftsverluste bzw. eine lange Standzeit aufweist.

[0008] Zudem soll ein Herstellungsverfahren für einen Wärmeübertrager angegeben werden, das eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Wärmeübertragers ermöglicht.

[0009] Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.

[0010] Der hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme eines kondensierenden Kältemittels auf Trinkwasser weist einen Behälter mit einem Zulauf und einem Ablauf auf und eine den Behälter kontaktierend angeordnete und für ein kondensierendes Kältemittel geeignete Leitung.

[0011] Zur Charakterisierung bzw. Verwendung des Wärmeübertrages kann auf die Erläuterungen im einleitenden Teil zurückgegriffen werden. Der Behälter kann im Wesentlichen zentral angeordnet und von der (mindestens einen) Leitung mit Kältemittel umgeben sein. Bevorzugt ist, dass nur ein einzelner Behälter von nur einer einzelnen Leitung umgeben ist. Der mindestens eine Zulauf und der mindestens eine Ablauf des Behälters (für Trinkwasser) sind bevorzugt gegenüberliegend angeordnet.

[0012] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Leitung derart am Behälter angeordnet, dass ein wesentlicher Anteil der Außenfläche des Behälters bedeckt ist um einen großen Wärmestrom von der Leitung auf die Behälterwandung zu gewährleisten. Die Leitung kann insbesondere um den Behälter gewickelt oder auch mäanderförmig angeordnet sein um diesen flächig kontaktierend zumindest teilweise zu umschließen.

[0013] Eine kontaktierende Anordnung von Leitung und Behälter soll insbesondere einen gute Wärmeübertragung zwischen Leitung und Behälter sicherstellen. Hierzu kann die Leitung bevorzugt mittels Lötens bzw. einer Lötverbindung stoffschlüssig am Behälter befestigt sein.

[0014] Um für eine kondensierendes Kältemittel geeignet zu sein, kann die Leitung druckresistent sein. Beispielsweise kann die Leitung aus Kupfer bestehen, da Kupfer hervorragende wärmeleitende Eigenschaften aufweist und zudem ausreichend druckresistent ist. Das Material der Leitung kann jegliches Material sein, das die benötigten Eigenschaften aufweist, insbesondere Metalle, Stahl, Aluminium und/ oder geeignete Kunststoffe.

[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Behälter aus Stahl hergestellt.

[0016] Der Behälter weist einen Zusatzheizer auf. Besonders bevorzugt ist der Zusatzheizer ein elektrischer Zusatzheizer. Der Zusatzheizer kann beispielsweise stabförmig ausgeführt sein und von außen in einer Öffnung des Behälters befestigt werden. Vorteilhaft ist der Zusatzheizer so einfach zu warten und gegebenenfalls austauschbar.

[0017] Dabei weist der Behälter eine im Wesentlichen zylindrische Form, insbesondere die Form eines geraden Kreiszylinders auf. Die Leitung kann bevorzugt an der Mantelfläche der zylindrischen Form angeordnet, insbesondre um diese gewickelt sein. In diesem Zusammenhang ist eine Wicklung um den Behälter vorteilhaft. Ein Behälter, aufweisend eine kreiszylindrische Form, ist einfach und kostengünstig herstellbar.

[0018] Zudem können ein Zulauf und ein Ablauf an jeweils einer Stirnseite der zylindrischen Form angeordnet sein. Es versteht sich, dass auch mehrere Zu- oder Abläufe vorhanden sein können. Die Anordnung von Zulauf und Ablauf an sich gegenüberliegenden Stirnseiten eines Behälters geht vorteilhaft mit einer definierten Durchströmung des Behälters und einer homogenen Wärmeübertragung einher.

[0019] Der Zusatzheizer ist an einer Stirnseite gemeinsam mit einem Zulauf angeordnet. In vorteilhafter Weise kann der Zusatzheizer bei dieser Anordnung die maximale Leistung abgeben, da das Wasser im Bereich des Zulaufes eine minimale Temperatur aufweist.

[0020] Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann der Wärmeübertrager eine äußere wärmeisolierende Umhüllung aufweisen. Die wärmeisolierende Umhüllung kann insbesondere den Wärmeübertrager vollflächig umschließen und Ausnehmungen für Zu- und Ableitungen aufweisen. 'Vorteilhaft kann die wärmeisolierende Umhüllung ungewollte Wärmeverluste verhindern.

[0021] Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines hier vorgeschlagenen Wärmeübertragers und umfasst die folgenden Schritte:

a) Befüllen einer Leitung mit Kältemittel, und

b) Befestigen der Leitung an einem Behälter.

[0022] Die Schritte a) und b) werden bei einem regulären Betriebsablauf zumindest einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.

[0023] Gemäß einem ersten Schritt a) erfolgt ein Befüllen einer Leitung mit einem Kältemittel. Es versteht sich, dass die Leitung nach dem Befüllen dicht verschlossen wird, um ein Austreten von Kältemittel zu verhindern. Das Kältemittel kann ein synthetisches Kältemittel sein, beispielsweise R410A, R290 oder R32.

[0024] Gemäß einem Schritt b) kann die in Schritt a) befüllte Leitung am Behälter befestigt werden. Die Befestigung kann dabei insbesondere derart erfolgen, dass eine gute Wärmeleitung zwischen Leitung und Behälter gewährleistet ist.

[0025] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann das Befestigen der Leitung an dem Behälter mittels Kleben, Klipsen und/oder Klemmen. Bevorzugt erfolgt die Befestigung durch Schweißen oder Löten, da so eine sehr gute Wärmeübertragung gewährleistet werden kann.

[0026] Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann in einem kumulativen Schritt die Leitung vor dem Befüllen gemäß Schritt a) in eine für die Befestigung an einem Behälter geeignete Form gebracht werden. Beispielsweise kann die Leitung bereits ein eine Spiralform zur Anordnung um einen zylinderförmigen Behälter umgeformt werden. In vorteilhafter Weise wird so die Befestigung am Behälter erleichtert.

[0027] Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf eine Heizungsanlage, aufweisend einen hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager. Die Heizungsanlage kann insbesondere eine Wärmepumpe als Wärmeerzeuger aufweisen, wobei eine Warmwasserbereitung durch einen im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe angeordneten hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager erfolgen kann.

[0028] Hier werden somit ein Wärmeübertrager, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Heizungsanlage angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ist der hier vorgeschlagene Wärmeübertrager einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. Hierzu trägt insbesondere das Verfahren zur Herstellung bei. Zudem weist der Wärmeübertrager eine hervorragende Standzeit auf, da insbesondere keine engen, sich zusetzende Kanäle vorhanden sind.

[0029] Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in der Figur erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigt:

Fig. 1:

einen Wärmeübertrager.

[0030] Fig. 1 zeigt einen hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager 9. Dieser kann einen Zulauf 3 und einen Ablauf 4 für eine Warmwasserbereitung aufweisen. Im Zulauf 3 der Warmwasserbereitung kann eine Pumpe 8 angeordnet sein.

[0031] Der Wärmeübertrager 9 kann einen Behälter 5 umfassen, der gemäß einer bevorzugten Weiterbildung die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen kann. An jeweils einer Stirnseite der zylindrischen Form des Behälters 5 können der Ablauf 4 und der Zulauf 3 angeordnet sein.

[0032] Der Behälter 5 kann von einer Leitung 6 umwickelt sein. Die Leitung 6 kann mit einem Kältekreislauf, beispielsweise einer hier nicht gezeigten Wärmepumpe, verbunden sein.

[0033] Die Leitung 6 kann dabei einen Eingang 1 aufweisen, der benachbart zu der Stirnseite angeordnet sein kann, in der der Ablauf 4 angeordnet sein kann. Die Leitung 6 kann zudem einen Ausgang 2 aufweisen, die benachbart zu der Stirnseite angeordnet sein kann, in der der Zulauf 3 angeordnet sein kann.

[0034] Die Wicklung der Leitung 6 bedeckt bevorzugt einen Großteil der Mantelfläche des Behälters 5 mit kreiszylindrischer Form. In vorteilhafter Weise kann so ein möglichst hoher Wärmestrom von der Leitung 6 auf den Behälter 5 übertragen werden.

[0035] Am Behälter 5 ist gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung ein Zusatzheizer 7 angeordnet. Der Zusatzheizer 7 kann ein elektrischer Zusatzheizer sein, beispielsweise ausgeführt als elektrischer Heizstab, der in den Behälter 5 hineinragt und in der Wandung des Behälters 5 dichtend befestigt ist.

[0036] Der Wärmeübertrager 9 kann eine hier nicht gezeigte wärmisolierende Umhüllung aufweisen, die vorteilhaft eine ungewollte Wärmabgabe an die Umgebung mindert.

[0037] Gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers 9 kann in einem zuerst auszuführenden Schritt die Leitung 6 in eine der Wicklung um den Behälter 5 entsprechende Form gebracht werden.

[0038] In einem Schritt a) kann die Leitung nun mit Kältemittel befüllt werden. Im Anschluss wird die befüllte Leitung 6 verschlossen, so dass das Kältemittel nicht austreten kann.

[0039] Gemäß einem Schritt b) kann nun die Leitung 6 in der Form der Wicklung um den Behälter 5 angeordnet und an diesem befestigt werden. Das Befestigen kann dabei bevorzugt mittels Lötens erfolgen, da dies eine sehr gute Wärmeleitung von Leitung 6 auf die Wandung des Behälters 5 ermöglicht.

[0040] Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 9. Zudem wird durch die vorbefüllte Leitung 6 auch eine Installation des Wärmeübertragers 9 in einer Heizungsanlage erleichtert.

Bezugszeichenliste

[0041] 

1

Eingang Kältemittelkreislauf

2

Ausgang Kältemittelkreislauf

3

Zulauf Warmwasser

4

Ablauf Warmwasser

5

Behälter

6

Leitung

7

Zusatzheizer

8

Pumpe

9

Wärmeübertrager

Ansprüche

1. Wärmeübertrager (9) zur Übertragung von Wärme eines kondensierenden Kältemittels auf Trinkwasser, aufweisend einen Behälter (5) mit einem Zulauf (3) und einem Ablauf (4) und mindestens eine den Behälter (5) kontaktierend angeordnete und für ein kondensierendes Kältemittel geeignete Leitung (6), wobei der Behälter (5) eine zylindrische Form aufweist und der Zulauf (3) und der Ablauf (4) an jeweils einer Stirnseite der zylindrischen Form angeordnet sind und der Behälter (5) mindestens einen Zusatzheizer (7) aufweist, der an einer Stirnseite gemeinsam mit dem Zulauf (3) angeordnet ist.

2. Wärmeübertrager (9) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Zusatzheizer (7) ein elektrischer Zusatzheizer (7) ist.

3. Wärmeübertrager (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Behälter (5) eine zylindrische Form aufweist und die Leitung (6) zumindest an deren Mantelfläche angeordnet ist.

4. Wärmeübertrager (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wärmeübertrager (9) eine wärmeisolierende Umhüllung aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte:

a) Befüllen mindestens einer Leitung (6) mit Kältemittel,

b) Befestigen der mindestens einen Leitung (6) an einem Behälter (5).

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in Schritt b) das Befestigen der mindestens einen Leitung (6) an dem Behälter (5) mittels Kleben, Klipsen, Klemmen, Schweißen oder Löten erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei in einem Schritt c) die mindestens eine Leitung (6) in eine für die Befestigung an einem Behälter (5) geeignete Form gebracht wird.

8. Heizungsanlage, aufweisend einen Wärmeübertrager (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

Zeichnung