DE102023000207A1 - Device for heating a medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Mediums. Ein Primärkreis (1) erwärmt ein Zwischenmedium. Ein Sekundärkreis (2) führt das Medium. Eine Koppelvorrichtung (3) überträgt thermische Energie von dem Zwischenmedium auf das Medium. Wird das Zwischenmedium nicht aktiv gefördert, wird die Wärme an ein anderes Medium (z. B. Luft) abgegeben, das ebenfalls an den Wärmetauscher des Primärkreises gekoppelt ist (Dann läuft dort im Falle der Luft z.B. ein Gebläse). The invention relates to a device for heating a medium. A primary circuit (1) heats an intermediate medium. A secondary circuit (2) carries the medium. A coupling device (3) transfers thermal energy from the intermediate medium to the medium. If the intermediate medium is not actively conveyed, the heat is given off to another medium (e.g. air) that is also coupled to the heat exchanger of the primary circuit (in the case of air, a fan is then running there, for example).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen mindestens eines Mediums. Das Medium ist beispielsweise eine Flüssigkeit wie Wasser.The present invention relates to a device for heating at least one medium. The medium is, for example, a liquid such as water.
Im Stand der Technik ist es bekannt, thermische Energie aus der Anwendung von elektrischem Strom oder aus der Verbrennung von beispielsweise Propan, Butan oder in den gasförmigen Zustand überführten Dieselkraftstoff zu gewinnen und über einen Wärmetauscher auf eine Flüssigkeit, z. B. Brauchwasser zu übertragen. Es ist auch bekannt, dass solche Vorrichtungen ergänzend als Luftheizungen dienen und z. B. Raumluft erwärmen.In the prior art, it is known to obtain thermal energy from the application of electrical current or from the combustion of, for example, propane, butane or diesel fuel converted into a gaseous state and to transfer it to a liquid, e.g. service water, via a heat exchanger. It is also known that such devices additionally serve as air heaters and, for example, heat room air.
Soll eine solche Vorrichtung z. B. in einem Wohnwagen oder einem Wohnmobil verwendet werden, so ist es üblicherweise erforderlich, das Medium durch einen möglichst kleinen und kompakten Kreislauf zu führen und zu erwärmen. Dies soll den Bauraum und das Gewicht reduzieren. Daher wird das Medium somit üblicherweise durch eher kleine Rohrleitungen usw. geführt. Treten nun besondere Umgebungssituationen, wie z. B. Frost oder sehr hohe Hitze durch direkte Sonneneinstrahlung auf, so kann das auf die extremen Außentemperaturen reagierende Medium Schwierigkeiten bereiten. Zu denken ist beispielsweise an das gesteigerte Volumen von Eis gegenüber flüssigem Wasser oder das deutlich größere Volumen von Dampf gegenüber Flüssigkeit. Handelt es sich bei dem Medium z. B. um Brauchwasser, so besteht insbesondere das Risiko der Verkalkung von mediumsführenden Teilen der Vorrichtung. Solche Kalkablagerungen sollten möglichst vermieden werden, da sonst Leitungen verstopft oder Einheiten wie Pumpen oder Ventile in ihrer Funktion beeinträchtigt werden können.If such a device is to be used in a caravan or mobile home, for example, it is usually necessary to guide and heat the medium through a circuit that is as small and compact as possible. This is intended to reduce the installation space and weight. The medium is therefore usually guided through relatively small pipes, etc. If special environmental conditions arise, such as frost or very high heat from direct sunlight, the medium reacting to the extreme outside temperatures can cause problems. For example, consider the increased volume of ice compared to liquid water or the significantly larger volume of steam compared to liquid. If the medium is, for example, service water, there is a particular risk of calcification of parts of the device that carry the medium. Such limescale deposits should be avoided as far as possible, as otherwise pipes can become blocked or units such as pumps or valves can be impaired in their function.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Mediums vorzuschlagen, die sich vom Stand der Technik dahingehend unterscheidet, dass der Problematik von einwirkenden extremen Temperatursituationen begegnet wird.The object underlying the invention is to propose a device for heating a medium which differs from the prior art in that the problem of extreme temperature situations is addressed.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Erwärmen mindestens eines Mediums, mit einem Primärkreis, einem Sekundärkreis und einer Koppelvorrichtung, wobei der Primärkreis derartig ausgestaltet ist, dass der Primärkreis ein Zwischenmedium erwärmt, wobei der Sekundärkreis derartig ausgestaltet ist, dass der Sekundärkreis das Medium führt, und wobei die Koppelvorrichtung thermische Energie von dem Zwischenmedium im Primärkreis auf das Medium in dem Sekundärkreis überträgt.The invention solves the problem by a device for heating at least one medium, having a primary circuit, a secondary circuit and a coupling device, wherein the primary circuit is designed such that the primary circuit heats an intermediate medium, wherein the secondary circuit is designed such that the secondary circuit carries the medium, and wherein the coupling device transfers thermal energy from the intermediate medium in the primary circuit to the medium in the secondary circuit.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt es zwei Kreise, in denen ein Zwischenmedium bzw. das eigentliche zu erwärmende Medium geführt werden. In dem Primärkreis wird das Zwischenmedium erwärmt. Dieser Primärkreis ist in einer Ausgestaltung als geschlossener Kreislauf für das in ihm geführte Zwischenmedium ausgeführt. Die dabei aufgenommene thermische Energie wird von der Koppelvorrichtung, die auch als zweiter Wärmetauscher betrachtet werden kann, auf den Sekundärkreis und damit auf das Medium übertragen. Der Sekundärkreis ist dabei vorzugsweise als offener Kreislauf ausgeführt, indem das Medium z. B. als Brauchwasser entnommen wird. Um das Medium z. B. einfach einem Behälter in dem zweiten Sekundärkreis entnehmen zu können, wird beispielsweise das zu erwärmende Medium in einem unteren Bereich eingebracht und wird das erwärmte Medium an einem oberen Bereich dem Behälter entnommen. Durch die Aufspaltung in zwei Kreise kann ein solches Zwischenmedium ausgewählt werden, das für die extremen Umgebungsbedingungen besser geeignet ist als das Medium. Handelt es sich bei dem Medium beispielsweise um (Brauch-)Wasser, so kann das Zwischenmedium so gewählt werden, dass es erst bei deutlich tieferen Temperaturen gefriert.In the device according to the invention, there are two circuits in which an intermediate medium or the actual medium to be heated is guided. The intermediate medium is heated in the primary circuit. In one embodiment, this primary circuit is designed as a closed circuit for the intermediate medium guided in it. The thermal energy absorbed is transferred by the coupling device, which can also be considered a second heat exchanger, to the secondary circuit and thus to the medium. The secondary circuit is preferably designed as an open circuit in which the medium is taken, for example, as service water. In order to be able to easily remove the medium from a container in the second secondary circuit, for example, the medium to be heated is introduced in a lower area and the heated medium is taken from the container in an upper area. By splitting into two circuits, an intermediate medium can be selected that is better suited to the extreme ambient conditions than the medium. If the medium is (service) water, for example, the intermediate medium can be selected so that it only freezes at significantly lower temperatures.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das Zwischenmedium Ethanol ist oder teilweise aus Ethanol besteht. Ethanol hat bei Umgebungsdruck einen Gefrierpunkt von -114 °C, sodass unter normalen Anwendungsbedingungen keine Gefahren durch Frost bestehen können.One embodiment is that the intermediate medium is ethanol or consists partly of ethanol. Ethanol has a freezing point of -114 °C at ambient pressure, so there can be no danger from frost under normal application conditions.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Koppelvorrichtung als Kondensationsvorrichtung ausgestaltet ist, in welcher das Zwischenmedium kondensiert. Das Zwischenmedium verflüssigt sich somit in der Koppelvorrichtung und gibt dadurch thermische Energie ab. Ethanol als beispielhaftes Zwischenmedium hat bei Umgebungsdruck eine Kondensationstemperatur von 78 °C. Damit ließe sich also beispielsweise Brauchwasser als Medium auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmen. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher so ausgestaltet und wird der Primärkreis so betrieben, dass das Zwischenmedium in dem Wärmetauscher zumindest teilweise verdampft.One embodiment provides that the coupling device is designed as a condensation device in which the intermediate medium condenses. The intermediate medium thus liquefies in the coupling device and thereby releases thermal energy. Ethanol as an example of an intermediate medium has a condensation temperature of 78 °C at ambient pressure. This means that, for example, service water as a medium could be heated to a sufficiently high temperature. Preferably, the heat exchanger is designed and the primary circuit is operated in such a way that the intermediate medium in the heat exchanger at least partially evaporates.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der Sekundärkreis zumindest einen Mediumsspeicher aufweist, und dass die Koppelvorrichtung zumindest teilweise in dem Mediumsspeicher angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung verfügt der Sekundärkreis über eine Art von Behälter, in welcher sich das Medium befindet. Die Koppelvorrichtung ragt in den Behälter hinein. Vorzugsweise nimmt die Koppelvorrichtung thermische Energie von dem Zwischenmedium auf und gibt sie an das Medium ab. In einer Ausgestaltung ist die Koppelvorrichtung so mit dem Primärkreis verbunden, dass das Zwischenmedium die Koppelvorrichtung durchströmt.One embodiment consists in that the secondary circuit has at least one medium storage device and that the coupling device is at least partially arranged in the medium storage device. In this embodiment, the secondary circuit has a type of container in which the medium is located. The coupling device protrudes into the container. Preferably, the coupling device absorbs thermal energy from the intermediate medium and releases it to the medium. In one embodiment The coupling device is connected to the primary circuit in such a way that the intermediate medium flows through the coupling device.
In einer Ausgestaltung ereignet sich der Wärmeübertrag auf das Medium über natürliche Konvektion.In one embodiment, the heat transfer to the medium occurs via natural convection.
Der Behälter verfügt in einer Ausgestaltung über eine möglichst einfache Geometrie mit großen Querschnitten für das strömende Medium. Vorzugsweise kann der Behälter zum Schutz vor Frost leicht per Schwerkraft entleert werden. Indem sich das Medium nur in dem Behälter befindet, so kann sich der Frost auch nur auf diesen und insbesondere nicht auf die deutlich komplexeren Bauteile des Primärkreises, wie z.B. den Wärmetauscher, auswirken.In one design, the tank has the simplest possible geometry with large cross-sections for the flowing medium. Preferably, the tank can be easily emptied by gravity to protect against frost. Since the medium is only in the tank, the frost can only affect this and in particular not the much more complex components of the primary circuit, such as the heat exchanger.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in dem Mediumsspeicher mindestens eine Leitvorrichtung angeordnet ist, und dass die Leitvorrichtung derartig ausgestaltet und angeordnet ist, sodass die Leitvorrichtung ein Strömungsverhalten des Mediums in dem Mediumsspeicher beeinflusst. Die Leitvorrichtung hat die Aufgabe, dass ein möglichst hoher Wärmeübergang auf das Medium stattfindet. Weiterhin soll eine möglichst optimale Schichtung des erwärmten Mediums in dem Mediumsspeicher erzeugt werden. Daher beeinflusst die Leitvorrichtung das Strömungsverhalten des Mediums. So wird beispielsweise die Geschwindigkeit, mit welcher das erwärmte Medium im Mediumsspeicher zirkuliert, so weit reduziert, dass im Wechselwirkungsbereich der Koppelvorrichtung eine größere Zeit für den Wärmeübergang besteht. Die Einwirkung auf das Strömungsverhalten kann auch verhindern, dass sich unterschiedliche Temperaturschichten mischen.One embodiment provides that at least one guide device is arranged in the medium reservoir, and that the guide device is designed and arranged in such a way that the guide device influences the flow behavior of the medium in the medium reservoir. The guide device has the task of ensuring that the heat transfer to the medium is as high as possible. Furthermore, the stratification of the heated medium in the medium reservoir is to be as optimal as possible. The guide device therefore influences the flow behavior of the medium. For example, the speed at which the heated medium circulates in the medium reservoir is reduced to such an extent that there is more time for heat transfer in the interaction area of the coupling device. Influencing the flow behavior can also prevent different temperature layers from mixing.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Leitvorrichtung derartig ausgestaltet und angeordnet ist, sodass die Leitvorrichtung einen Strömungsquerschnitt innerhalb des Mediumsspeicher für das erwärmte Medium reduziert. Wird der Querschnitt für das erwärmte Medium reduziert, so kann weniger Medium aus dem Wechselwirkungsbereich der Koppelvorrichtung mit folglich geringerer Geschwindigkeit in den restlichen Mediumsspeicher strömen, und sorgt dort so für weniger Verwirbelung mit kälterem Medium. Im Bereich der Koppelvorrichtung (also des Wärmeübergangs) jedoch ist eine Verwirbelung des Mediums vorteilhaft, um dort einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten zu erzeugen. Dies erlaubt es, die nötigen Flächen für den Übertragung der thermischen Energie zu verkleinern. Umgekehrt sollten die Ein- und Auslässe für das Medium zu einer möglichst kleinen Strömungsgeschwindigkeit führen, sodass an diesen Stellen möglichst keine Verwirbelung stattfindet. Dies zu dem Zweck, dass das Medium möglichst gut geschichtet wird, dass also eine möglichst dünne Sprung-/Grenzschicht zwischen erwärmtem und kaltem Medium vorliegt.One embodiment includes that the guide device is designed and arranged in such a way that the guide device reduces a flow cross-section within the medium storage for the heated medium. If the cross-section for the heated medium is reduced, less medium can flow from the interaction area of the coupling device into the rest of the medium storage at a lower speed, thus ensuring less turbulence with colder medium there. In the area of the coupling device (i.e. the heat transfer), however, turbulence of the medium is advantageous in order to generate a high heat transfer coefficient there. This allows the necessary areas for the transfer of thermal energy to be reduced. Conversely, the inlets and outlets for the medium should lead to the lowest possible flow velocity so that as little turbulence as possible occurs at these points. This is for the purpose of layering the medium as well as possible, i.e. so that the thinnest possible jump/boundary layer is present between the heated and cold medium.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Primärkreis eine Wärmequelle, einen Wärmetauscher, einen Zwischenmediumsbehälter und eine Pumpe aufweist, dass die Wärmequelle thermische Energie erzeugt, dass der Wärmetauscher die thermische Energie auf das Zwischenmedium überträgt, und dass die Pumpe das - vorzugsweise flüssige - Zwischenmedium aus dem Zwischenmediumsbehälter durch den Wärmetauscher bewegt. In dieser Ausgestaltung erzeugt im Primärkreis eine Wärmequelle die thermische Energie z. B. durch das Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemischs oder durch die Anwendung des elektrischen Stroms. Ein Wärmetauscher überträgt die thermische Energie auf das Zwischenmedium. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass das Zwischenmedium (teilweise oder vollständig) einen Phasenwechsel vollführt und so latente Wärme aufnimmt. In einer Ausgestaltung ist dem Wärmetauscher strömungsabwärts die Koppelvorrichtung nachgeordnet. Eine Pumpe befördert das Zwischenmedium aus einem Zwischenmediumsbehälter zu dem Wärmetauscher. Vorzugsweise gelangt das Zwischenmedium nach dem Kontakt mit der Koppelvorrichtung wieder zurück in den Zwischenmediumsbehälter. Dies führt zu einem geschlossenen Kreislauf.One embodiment provides that the primary circuit has a heat source, a heat exchanger, an intermediate medium container and a pump, that the heat source generates thermal energy, that the heat exchanger transfers the thermal energy to the intermediate medium, and that the pump moves the - preferably liquid - intermediate medium from the intermediate medium container through the heat exchanger. In this embodiment, a heat source in the primary circuit generates the thermal energy, e.g. by burning a fuel-air mixture or by applying electrical current. A heat exchanger transfers the thermal energy to the intermediate medium. This happens, for example, when the intermediate medium (partially or completely) undergoes a phase change and thus absorbs latent heat. In one embodiment, the coupling device is arranged downstream of the heat exchanger. A pump transports the intermediate medium from an intermediate medium container to the heat exchanger. Preferably, the intermediate medium returns to the intermediate medium container after contact with the coupling device. This leads to a closed circuit.
In einer Ausgestaltung ist die Koppelvorrichtung als Rohrschlange ausgeführt, durch die das Zwischenmedium geführt wird und die gut thermische Energie nach außen abgibt.In one embodiment, the coupling device is designed as a pipe coil through which the intermediate medium is guided and which easily releases thermal energy to the outside.
Alternativ wird die Koppelvorrichtung gebildet durch eine z. B. mäandrierende Leitungsstruktur, die einen Teil der Wandung - vorzugsweise hauptsächlich des Bodens - des Behälters bildet.Alternatively, the coupling device is formed by, for example, a meandering pipe structure which forms part of the wall - preferably mainly the bottom - of the container.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der Primärkreis ferner ein Gebläse aufweist, dass der Wärmetauscher derartig ausgestaltet ist, dass der Wärmetauscher die thermische Energie auf das Medium und auf Luft überträgt, und dass das Gebläse derartig ausgestaltet ist, dass das Gebläse die Luft in Wechselwirkung mit dem Wärmetauscher bringt. In dieser Ausgestaltung kann über die Vorrichtung entweder das Medium - z. B. Wasser - oder Luft erwärmt werden. Es handelt sich in dieser Ausgestaltung somit um eine Vorrichtung zum Erwärmen eines vorzugsweise flüssigen Mediums und von Luft. Das Medium wird dabei mittelbar erwärmt, indem zunächst das Zwischenmedium und dann erst das Medium erwärmt wird. Die Luft wird unmittelbar erwärmt, indem es in Kontakt mit dem Wärmetauscher selbst gebracht wird. Es sind somit zwei Wärmesenken vorhanden, zwischen denen effektiv umgeschaltet wird, so dass hohe Leistungen von beiden Wärmesenken abgenommen werden können. in einer Ausgestaltung wird entweder die Pumpe oder das Gebläse betrieben.A further embodiment consists in that the primary circuit also has a fan, that the heat exchanger is designed in such a way that the heat exchanger transfers the thermal energy to the medium and to air, and that the fan is designed in such a way that the fan causes the air to interact with the heat exchanger. In this embodiment, either the medium - e.g. water - or air can be heated via the device. In this embodiment, it is therefore a device for heating a preferably liquid medium and air. The medium is heated indirectly by first heating the intermediate medium and then the medium. The air is heated directly by bringing it into contact with the heat exchanger itself. There are therefore two heat sinks between which switching takes place effectively, so that high power is taken from both heat sinks. In one embodiment, either the pump or the blower is operated.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass ferner eine Steuervorrichtung vorhanden ist, und dass die Steuervorrichtung so ausgestaltet ist, dass der Steuervorrichtung vorgebbar ist, ob das Medium oder Luft zu erwärmen ist, und dass die Steuervorrichtung die Pumpe so betreibt, sodass in dem Fall, dass nur das Medium und keine Luft zu erwärmen ist, das Zwischenmedium den Wärmetauscher bei der abgegebenen Heizleistung der Wärmequelle als ein Zwei-Phasen-Gemisch verlässt. In dieser Ausgestaltung ist eine Steuervorrichtung vorhanden, die ausgehend von Daten über die Wärmequelle die Pumpe steuert. Die Steuervorrichtung kann dabei auch darin bestehen, dass Betriebswerte festgesetzt und dann nicht mehr geändert werden. Die Steuervorrichtung ist damit quasi nur eine Einheit, die die Pumpe startet bzw. stoppt und keine Regelung vornimmt. Die Pumpenleistung ist dabei derart vorgegeben, dass das Zwischenmedium nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher und dabei nach Aufnahme der von der Wärmequelle erzeugten thermischen Energie als Zwei-Phasen-Gemisch und daher bei Siedetemperatur verlässt. Damit ergibt sich der Vorteil, dass bei reduzierter Wärmeleistung die Pumpleistung beibehalten werden kann und nicht geregelt werden muss. Es reicht also ggf., wenn die Steuervorrichtung auf ein Starten bzw. Stoppen der Pumpe beschränkt ist. Dies bezieht sich auf den Fall, dass der Steuervorrichtung vorgegeben worden ist, dass nur das Medium - mittelbar über das Zwischenmedium - und nicht etwa die Luft zu erwärmen ist. Somit kann also auch einfach zwischen der Luft und dem Medium (bzw. dem Zwischenmedium) als Wärmesenke umgeschaltet werden. Soll die Luft erwärmt werden, so nimmt die Steuervorrichtung das Gebläse in Betrieb, welches die Luft am Wärmetauscher vorbeiführt.One embodiment consists in that a control device is also present, and that the control device is designed in such a way that the control device can specify whether the medium or air is to be heated, and that the control device operates the pump in such a way that, in the case that only the medium and no air is to be heated, the intermediate medium leaves the heat exchanger as a two-phase mixture at the heat output of the heat source. In this embodiment, a control device is present that controls the pump based on data about the heat source. The control device can also consist of setting operating values and then not changing them. The control device is thus basically just a unit that starts and stops the pump and does not carry out any regulation. The pump output is specified in such a way that the intermediate medium leaves the heat exchanger as a two-phase mixture and therefore at boiling temperature after passing through the heat exchanger and after absorbing the thermal energy generated by the heat source. This has the advantage that with reduced heat output, the pump output can be maintained and does not have to be regulated. It may therefore be sufficient if the control device is limited to starting or stopping the pump. This applies to the case where the control device has been specified that only the medium - indirectly via the intermediate medium - and not the air is to be heated. This means that it is easy to switch between the air and the medium (or the intermediate medium) as a heat sink. If the air is to be heated, the control device starts up the fan, which guides the air past the heat exchanger.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Primärkreis ferner mindestens eine Barriere aufweist, dass die Barriere in einer Strömungsrichtung zwischen der Pumpe und dem Wärmetauscher angeordnet ist, und dass die Barriere derartig angeordnet und ausgestaltet ist, dass sie verhindert, dass das Zwischenmedium allein aufgrund der Schwerkraft aus dem Zwischenmediumsbehälter in den Wärmetauscher gelangt. Die Barriere verhindert das Flie-ßen des Zwischenmediums hinein in den Wärmetauscher ohne die Pumpleistung der Pumpe. Dies bezieht sich beispielsweise darauf, dass ein Auslass des Zwischenmediumsbehälters so tief liegt, dass die Schwerkraft das Zwischenmedium durch die Pumpe in den Wärmetauscher drückt. Die Barriere blockiert somit auch ein Fließen des Zwischenmediums zu dem nachgelagerten Wärmetauscher. Daher wird verhindert, dass bei ausgeschalteter Pumpe weiterhin Zwischenmedium erwärmt wird. Dies ist beispielsweise relevant, wenn die thermische Energie nicht auf das Medium, sondern z. B. auf Luft übertragen werden soll.One embodiment provides that the primary circuit further comprises at least one barrier, that the barrier is arranged in a flow direction between the pump and the heat exchanger, and that the barrier is arranged and designed in such a way that it prevents the intermediate medium from entering the heat exchanger from the intermediate medium container due to gravity alone. The barrier prevents the intermediate medium from flowing into the heat exchanger without the pumping power of the pump. This refers, for example, to an outlet of the intermediate medium container being so low that gravity pushes the intermediate medium through the pump into the heat exchanger. The barrier thus also blocks the flow of the intermediate medium to the downstream heat exchanger. This therefore prevents the intermediate medium from continuing to be heated when the pump is switched off. This is relevant, for example, if the thermal energy is not to be transferred to the medium, but rather to air, for example.
Die Barriere ist in einer Ausgestaltung durch eine Art von zwei miteinander kommunizierenden Röhren gegeben. In einer Ausgestaltung ist die Barriere zumindest teilweise als Rohrabschnitt, z. B. in Form eines Bogens, ausgestaltet, der einen obersten Bereich aufweist, welcher oberhalb eines maximalen Flüssigkeitsstand des Zwischenmediums im Zwischenmediumsbehälter liegt.In one embodiment, the barrier is provided by a type of two tubes communicating with each other. In one embodiment, the barrier is at least partially designed as a pipe section, e.g. in the form of a bend, which has an uppermost region which lies above a maximum liquid level of the intermediate medium in the intermediate medium container.
In einer Ausgestaltung ist eine zweite Barriere vorhanden. Die zweite Barriere ist insbesondere dann vorhanden, wenn der Rücklauf von der Koppelvorrichtung zum Zwischenmediumsbehälter unterhalb des Flüssigkeitsstands des Zwischenmediums im Zwischenmediumsbehälter angebracht ist: Die zweite Barriere verhindert, dass das Zwischenmedium rückwärts durch die Koppelvorrichtung in den Wärmetauscher gelangt. Vorzugsweise ist die zweite Barriere zwischen dem Wärmetauscher und der Koppelvorrichtung angeordnet.In one embodiment, a second barrier is present. The second barrier is present in particular when the return from the coupling device to the intermediate medium container is installed below the liquid level of the intermediate medium in the intermediate medium container: The second barrier prevents the intermediate medium from passing backwards through the coupling device into the heat exchanger. The second barrier is preferably arranged between the heat exchanger and the coupling device.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Pumpe nur eine Förderrichtung aufweist. Es handelt sich bei der Pumpe beispielsweise um eine Kreisel- oder Membranpumpe. Die Ausgestaltung baut darauf, dass es nicht erforderlich ist, die Fördervorrichtung der Pumpe umzukehren, um z. B. von einem Mediumsheizbetrieb auf einen Luftheizbetrieb umzuschalten (und umgekehrt): Beim Luftheizbetrieb verdampft das restliche im Wärmetauscher befindliche Zwischenmedium. Fördert die Pumpe kein weiteres Zwischenmedium, so wird auch der Dampf nicht aus dem Wärmetauscher gefördert, sondern verbleibt dort, und wird somit auch keine weitere Wärme auf das Zwischenmedium sowie das Medium übertragen.One design is that the pump only has one conveying direction. The pump is, for example, a centrifugal or diaphragm pump. The design is based on the fact that it is not necessary to reverse the conveying device of the pump, for example to switch from medium heating mode to air heating mode (and vice versa): In air heating mode, the remaining intermediate medium in the heat exchanger evaporates. If the pump does not convey any further intermediate medium, the steam is not conveyed out of the heat exchanger either, but remains there, and thus no further heat is transferred to the intermediate medium or the medium.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ferner ein Überdruckventil vorhanden ist, und dass das Überdruckventil mit dem Zwischenmediumsbehälter verbunden ist. Vorzugsweise ist der Zwischenmediumsbehälter nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, sondern hat ein Gaspolster oberhalb des Zwischenmediums. Dieses reduziert den Druckanstieg im Primärkreis, wenn im Wärmetauscher das Zwischenmedium verdampft. Nur im Fehlerfall würde das Überdruckventil als Sicherheitsventil öffnen.One embodiment provides that a pressure relief valve is also present and that the pressure relief valve is connected to the intermediate medium container. Preferably, the intermediate medium container is not completely filled with liquid, but has a gas cushion above the intermediate medium. This reduces the pressure increase in the primary circuit when the intermediate medium evaporates in the heat exchanger. The pressure relief valve would only open as a safety valve in the event of a fault.
Der Rücklauf des Zwischenmediums von der Koppelvorrichtung zum Zwischenmediumsbehälter erfolgt in einer Ausgestaltung unterhalb des Flüssigkeitsstands des Zwischenmediums im Zwischenmediumsbehälter. Dies bewirkt, dass kurzzeitig eventuell nicht vollständig kondensiertes Zwischenmedium durch den guten Kontakt bei direkter Einleitung und durch die größere Masse des flüssigen Zwischenmediums dort kondensiert. Damit können Druckspitzen reduziert werden. Außerdem führt eine direkte Einleitung zu einer guten Durchmischung des Zwischenmediums, sodass dieses eine möglichst homogene Temperatur aufweist. Im Betrieb sind Siedetemperatur und der sich einstellende Druck miteinander verbunden. Gelingt somit keine vollständige Kondensation im Primärkreis, so steigen der Druck und die Siedetemperatur. Dies hat wiederum einen höheren Wärmeübergang im Koppelelement zur Folge, da eine höhere Temperaturdifferenz vorliegt. Bei dieser Ausgestaltung darf der Druck im Primärkreis also in Grenzen ansteigen, was einen größeren Wärmeübergang zum Medium bewirkt. Nur wenn die Wärme nicht ausreichend ins Medium - z. B. Wasser - abgeführt werden kann, würde das Sicherheitsventil in Aktion treten.The return of the intermediate medium from the coupling device to the intermediate medium tank takes place in one embodiment below the liquid level of the intermediate medium in the intermediate medium tank. This means that intermediate medium that may not be completely condensed for a short time is briefly condensed due to the good contact with direct introduction and the larger mass of the liquid. The intermediate medium condenses there. This can reduce pressure peaks. In addition, direct introduction leads to good mixing of the intermediate medium so that it has as homogeneous a temperature as possible. During operation, the boiling temperature and the resulting pressure are linked. If complete condensation in the primary circuit is not achieved, the pressure and boiling temperature increase. This in turn results in higher heat transfer in the coupling element because there is a higher temperature difference. With this design, the pressure in the primary circuit can therefore rise within limits, which results in greater heat transfer to the medium. The safety valve would only come into action if the heat cannot be sufficiently dissipated into the medium - e.g. water.
Eine alternative Ausgestaltung setzt auf folgende Überlegung: Da der Siededruck mit der Siedetemperatur korreliert, und die Temperatur im Primärkreis einigermaßen homogen ist, kann an einer beliebigen Stelle im Rohrleitungssystem oder dem Zwischenmediumbehälter die Temperatur gemessen werden, um einen Druckanstieg zu detektieren. So wird in dieser Ausgestaltung im Bedarfsfall die Wärmequelle und/oder die Pumpe abgeschaltet.An alternative design is based on the following consideration: Since the boiling pressure correlates with the boiling temperature and the temperature in the primary circuit is fairly homogeneous, the temperature can be measured at any point in the piping system or the intermediate medium tank in order to detect a pressure increase. In this design, the heat source and/or the pump are switched off if necessary.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und -
2 : drei Darstellungen eines Beispiels für einen Mediumsspeicher mit Koppelvorrichtung (a) räumliche Darstellung, b) Explosionsdarstellung und c) angeschnittene räumliche Darstellung).
-
1 : a schematic representation of the device according to the invention and -
2 : three representations of an example of a medium storage device with coupling device (a) spatial representation, b) exploded view and c) cut-away spatial representation).
Die
In dem Primärkreis 1 wird ein Zwischenmedium erwärmt, bei dem es sich beispielsweise um Ethanol handelt. Die Pumpe 13 fördert dabei das Zwischenmedium aus dem Zwischenmediumsspeicher 12 durch den nachgelagerten Wärmetaucher 11. Der Wärmetauscher 11 überträgt dabei die von der Wärmequelle 10 erzeugte thermische Energie auf das Zwischenmedium. Das Zwischenmedium passiert dann die Koppelvorrichtung 3, um dort zu kondensieren und die thermische Energie auf das Medium in dem Mediumsspeicher 20 zu übertragen. Das wieder verflüssigte Zwischenmedium strömt dann zurück zum Zwischenmediumsspeicher 12.In the
Von dem Sekundärkreis 2, in dem das Medium - im gezeigten Fall Brauchwasser - geführt wird, sind hier nur die untere Zuleitung und die obere Ableitung dargestellt. In dem Mediumsspeicher 20 befindet sich eine angedeutete Leitvorrichtung 21. Die Koppelvorrichtung 3, die in der dargestellten Ausführung der Kondensation des Zwischenmediums dient, befindet sich in dem Mediumsspeicher 20 und kann somit unmittelbar die thermische Energie an das Medium übertragen. Die Leitvorrichtung 21 sammelt das von der Koppelvorrichtung 3 unten erwärmte und aufgrund der geringeren Dichte nach oben strömende Medium. Dabei wird die Geschwindigkeit des Mediums - in dem Beispiel durch eine Querschnittsverengung - so reduziert, dass das Medium einerseits - durch das hinlänglich lange Verweilen im unteren Bereich - auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird und andererseits am oberen Ende des Speichers 20 so eingeleitet wird, dass das erwärmte Medium mit möglichst geringer Verwirbelung einschichtet. Die Koppelvorrichtung 3 ist daher auch unten im Speicher 20 angeordnet, damit der gesamte Inhalt erwärmt werden kann, und möglichst auch nur das aufgrund der höchsten Dichte kälteste Wasser erwärmt wird. Ziel ist also eine möglichst gute Schichtung, bei der es nur eine möglichst dünne Sprung-/Grenzschicht zwischen dem kalten und heißen Wasser gibt und die in dem gezeigten Beispiel die natürliche Konvektion nutzt. Die Leitvorrichtung 21 ist in dem Beispiel als gebogenes Blech ausgeführt und weist die deutlich zu erkennende Engstelle auf.Of the
In dem Primärkreis 1 ist weiterhin eine Barriere 14 in Form von zwei kommunizierenden Röhren vorhanden, durch die verhindert wird, dass das Zwischenmedium auch bei ausgeschalteter Pumpe 13 in den Wärmetauscher 11 gelangt und somit erwärmt wird. Das Fließen auch ohne Pumpleistung wäre andernfalls durch den hydrostatischen Druck innerhalb des Zwischenmediumsbehälters 12 möglich, der von oben befüllt und von unten entleert wird. In einer ergänzenden - hier nicht dargestellten - Variante befindet sich eine weitere Barriere 14 in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher 11, um einen Rückfluss von der Koppelvorrichtung 3 in den Wärmetauscher 11 zu verhindern. Der Zwischenmediumsbehälters 12 ist zusätzlich noch mit einem Überdruckventil 15 als Sicherheitsventil versehen, welches nur im Fehlerfall aktiv wird.In the
Die Vorrichtung verfügt über eine Steuervorrichtung 4, die die Pumpe 13 mit einer konstanten oder alternativ von der Wärmeleistung der Wärmequelle 10 abhängigen Pumpleistung betreibt. Soll in einem Betriebsfall kein Medium erwärmt werden, so wird die Pumpe 13 ausgeschaltet. Die thermische Energie der Wärmequelle 10 wird dann durch das Erwärmen von Luft abgeführt. Hierfür wirkt die Steuervorrichtung 4 auf das Gebläse 16 ein, welches Luft in Wechselwirkung mit dem Wärmetauscher 11 bringt. Hierfür verfügt der Wärmetauscher 11 beispielsweise über eine Rippenstruktur auf seiner Außenseite und das Gebläse führt die Luft über diese Außenseite hinweg. Es passiert dann Folgendes: das restliche Zwischenmedium - z. B. Ethanol - im Wärmetauscher 11 verdampft, verbleibt aber (im überhitzten Zustand, also mit einer Temperatur oberhalb Siedetemperatur) im Wesentlichen an seiner Position, da die Pumpe 13 nicht läuft. In Abhängigkeit von einer Luftblase im Zwischenmediumsbehälter 12 ergibt sich ein geringer Druckanstieg im Primärkreis 1. Das dampfförmige Zwischenmedium kann sich innerhalb der Rohrleitung konvektiv bewegen und z. B. an der Phasengrenzschicht zum flüssigen Zwischenmedium teilweise kondensieren. Diese Wärmeaustauschflächen sind aber sehr klein, so dass nur ein sehr kleiner Wärmetransport zum flüssigen Zwischenmedium zu erwarten ist. Die Wärmeverluste des Gesamtsystems nach außen sollten diesen Wärmeeintrag überkompensieren. Es ist also insgesamt sehr gut und sicher möglich, zwischen der Erwärmung des Mediums und der Erwärmung von Luft hin und her zu wechseln.The device has a
Die
Die
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- PrimärkreisPrimary circuit
- 22
- SekundärkreisSecondary circuit
- 33
- KoppelvorrichtungCoupling device
- 44
- SteuervorrichtungControl device
- 1010
- WärmequelleHeat source
- 1111
- WärmetauscherHeat exchanger
- 1212
- ZwischenmediumsbehälterIntermediate medium tank
- 1313
- Pumpepump
- 1414
- Barrierebarrier
- 1515
- ÜberdruckventilPressure relief valve
- 1616
- Gebläsefan
- 2020
- MediumsspeicherMedia storage
- 2121
- LeitvorrichtungGuidance device
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023000207.0A DE102023000207A1 (en) | 2023-01-24 | 2023-01-24 | Device for heating a medium |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102023000207.0A DE102023000207A1 (en) | 2023-01-24 | 2023-01-24 | Device for heating a medium |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102023000207A1 true DE102023000207A1 (en) | 2024-07-25 |
Family
ID=91759943
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102023000207.0A Pending DE102023000207A1 (en) | 2023-01-24 | 2023-01-24 | Device for heating a medium |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102023000207A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4034918A1 (en) * | 1989-11-07 | 1991-05-08 | Vaillant Joh Gmbh & Co | METHOD FOR ALLOWING THE IMMEDIATE TAP OF WARM WATER |
| DE102006056979A1 (en) * | 2006-11-30 | 2008-06-05 | Peter Gebhardt | Heat production device, has compressor lying over upper lying heat side of boiler, where flow rate of compressor is influenced by control device, which is influenced by temperature of heat transport medium |
-
2023
- 2023-01-24 DE DE102023000207.0A patent/DE102023000207A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|
| R082 | Change of representative |
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|
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