DE10237681A1 - Plattenwärmetauscher für Schwerkraftumwälzung in Wärmespeichern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist ein kompakter, autosiphonisch arbeitender Kreuzgegenstromwärmetauscher mit hoher Wärmeübertragungsleistungsdichte zum Einbau in Wärmespeicher. DOLLAR A Ein in einem Wärmespeicher eingebauter Plattenwärmetauscher wird von flüssigem Wärmespeichermedium infolge dessen Dichteunterschieds innerhalb und ober- oder unterhalb des Wärmetauschers durchströmt. Die Ränder der Kanäle, durch welche das Wärmespeichermedium fließt, sind deshalb nach oben und unten offen. Durch Prägung und Abdichtung der Platten wird in den zu den Kanälen mit dem Wärmetauschermedium benachbarten Kanälen ein Kreuzgegenstrom des die dem Speicher Wärmeenergie zu- oder abführenden Mediums, erzwungen. Durch eine beidseitig unterschiedliche Tiefe der Plattenprägung werden die Abstände der Platten alternierend verschieden ausgeführt. Das Wärmespeichermedium mündet nach dem Wärmetausch über eine Sammelvorrichtung in ein vertikales Leitrohr, das bei einem Speicherwärme abführenden Wärmetauscher im Speicher nach unten und bei einem Speicherwärme zuführenden Wärmetauscher nach oben führt. DOLLAR A Einsatz in thermisch schichtenden Wärmespeichern mit flüssigem Speichermedium.

Description

• Die Erfindung betrifft Plattenwärmetauscher, welche in Wärmespeichern mit flüssigem Speichermedium eingebaut werden und dort zur Zu- oder Abführung von Wärmeenergie im Kreuzgegenstromwärmetauschverfahren arbeiten, wobei das flüssige Speichermedium von der Schwerkraft bewegt wird.
• Bekannt sind aus DE 42 21 668 C2 für Schichtenspeicher zur Warmwasserbereitung eingebaute Wärmetauscher zur Energiebe- und/oder -entladung, die aus um eine senkrechte Achse gewundenen und vom zu erwärmenden Brauchwasser bzw. von abzukühlender Solarflüssigkeit zu durchfließenden Rippenrohrwendeln bestehen, die zwischen zwei eng anliegenden Trennflächen eingebettet sind, so dass das Speichermedium durch die Zwischenräume zwischen der Rohrwendel und den Trennflächen im Kreuzgegenstrom durch den Wärmetauscher strömt, wobei der durch die Trennflächen gebildete Kanal in einen Abströmkanal mündet, der für eine von zu erwärmendem Brauchwasser durchflossene Rohrwendel nach unten und für eine von abzukühlender Solarflüssigkeit durchflossenen Rohrwendel nach oben führt. Diese Wärmetauscher weisen neben ihren Vorteilen auch einige Nachteile auf. Aufgrund ihrer sperrigen geometrischen Form sind sie in einem geschlossenen Speicherbehälter nicht mehr revisionsfähig. Ist ein solcher Wärmetauscher defekt oder nur verschmutzt, kann er oft nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand wieder instand gesetzt werden. Die vennrendeten Rippenrohre sind aus reinem oder oberflächlich behandeltem Kupfer und deshalb nicht universell einsetzbar. Die Trennflächen um die Rippenrohre sind großflächig und müssen aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen. Dazu werden verschiedene Kunststoffe eingesetzt, deren Einsatz auf Temperaturen bis 90 °C begrenzt ist. Die Wärmetauscher samt ihrer Trennflächen und dem Leitrohr sind vielteilige Konstruktionen mit einem relativ hohen Montageaufwand und dementsprechend vielen Fehlfunktionsmöglichkeiten..
• Bekannt sind aus der FR-A-2 323 119 auch Plattenwärmetauscher, die aus einem Stapel geichgroßer und gleichförmig profilierter Platten bestehen, in dem benachbarte Platten sich abwechselnd ihre Vorderseiten oder ihre Rückseiten zuwenden, und in dem die Platten an den Stellen, an denen sie sich berühren und gegeneinander abstützen, verschweißt oder verlötet sind. Solche Plattenwärmetauschern aus Edelstahl oder anderen Metallen ermöglichen aufgrund geringer Wärmeübergangswiderstände und kurzer Wärmeleitwege sehr hohe Wärmeübertragungsleistungsdichten. Dabei spielt der Wärmeleitwert des dünnen Plattenmaterials eine weitaus untergeordnetere Rolle als bei Wärmetauschern, bei denen für den Wärmestrom auch längere Leitwege durch das Metall notwendig sind, wie es bei Rippnenwärmetauschern der Fall ist. Merkmal und zugleich Ursache ihres hohen Wärmeübertra gungsvermögens ist bei herkömmlichen Plattenwärmetauschern ein relativ hoher Druckabfall zwischen dem Ein- und Austritt der wärmeübertragenden Flüssigkeiten. Deshalb war bisher Zusatzenergie erforderlich, meist in Form elektrischer Pumpenenergie, um die wärmetauschenden Flüssigkeiten zwischen den Platten durch den Plattenwärmetauscher zu pumpen. Da die Fließrichtung der Flüssigkeiten durch die Anordnung der Anschlüsse und durch die Prägung der Platten sehr individuell wählbar ist, können Plattenwärmetauscher als Gleich-, Kreuzstrom- oder Gegenstromwärmetauscher hergestellt werden.
• Aufgabenstellung der Erfindung war es, einen autosiphonisch arbeitenden Kreuzgegenstromwärmetauscher zu finden, der revisionsfähig ist, also mit vertretbaren Mitteln jederzeit in den Speicherbehälter ein- und ausbaubar, der aus Edelstahl herstellbar ist, um diesen für die Trinkwassergüte hochwertigen Werkstoff nutzen zu können, der eine sehr hohe Wärmeübertragungsleistungsdichte besitzt, also auf kleinstem Raum möglichst große Leistungen überträgt, und der weitgehend kompakt und automatisiert gefertigt und bis ca. 150 °C eingesetzt werden kann.
• Dazu wurde ein Plattenwärmetauscher durch Endung zusätzlicher Details nach 1 und 2 so modifiziert, dass er speicherseitig im Kreuzgegenstrom und autosiphonisch funktioniert, d. h. angetrieben ohne Zusatzenergie, sondern nur durch den Dichteunterschied der Speicherflüssigkeit, der entsteht, wenn die Speicherflüssigkeit im Wärmetauscher infolge Wärmetauschs wärmer oder kälter wird als in der Umgebung des Wärmetauschers. Dazu muß dieser Wärmetauscher im Speicherbehälterinnern angeordnet werden. Die Ränder der Kanäle, durch welches das Wärmespeichermedium fließt, sind deshalb nach oben und unten offen (1). Der Fließweg muß einerseits möglichst lang sein, andererseits darf der Fließdruckverlust bei der vorgesehenen Fließmenge nicht größer sein als der sich infolge des Dichteunterschiedes und der Fließhöhe einstellende Staudruck, der das Fließen des Wännespeichermediums bewirkt.
• Durch eine spezielle Prägung der Platten (6, 7) ergibt sich für die Zwischenräume, z. B. zwischen ungeradzahligen und geradzahligen Platten (z. B. 1 – 2, 3 – 4 usw.), ein Punktverbindungsraster (8). Da eine Abdichtung der Plattenränder nur an den Seiten erfolgt, während die Kanäle oben und unten zum Speicher offen bleiben, fließt das Speichermedium den kürzesten Weg senkrecht durch das Punktraster.
• Durch die Prägung der anderen Plattenseite ergeben sich dann für die Zwischenräume zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Platten (z. B. 2 – 3, 4 – 5 usw.) neben einem Punktverbindungsraster auch geschlossene Verbindungslinien (9) sowie eine vollständige Abdichtung der Plattenränder. Dadurch wird ein Hin- und Herfließen des die Wärmeenergie zuführenden oder abführenden Mediums durch das Punktraster entlang mäanderförmiger Sammelkanäle (3) quer und entgegen der Fließrichtung des Wärmespeichermediums, also ein Kreuzgegenstrom, erzwungen (2).
• Der Fließweg des die Wärmeenergie zuführenden oder abführenden Mediums ist damit viel größer als derjenige des Wärmespeichermediums. Bei konstantem Plattenabstand würden sich sehr unterschiedliche Druckverluste einstellen. Außerdem ist der Druckverlust des Wärmespeichermediums bei ausreichendem Wärmeübertragungsvermögen zu minimieren. Weiterhin sollen das Gesamtvolumen des Wärmetauschers und die Wärmetauscherinhalte beider Medien minimal sein. Deshalb werden durch eine beidseitig unterschiedliche Tiefe der Plattenprägung die Abstände der Platten, zwischen denen das Speichermedium fließt, und den Platten, zwischen denen das dem Speicher die Wärmeenergie zuführende oder abführende Medium fließt, nach mehreren Optimierungskriterien verschieden ausgeführt (5).
• Mit den bisher getroffenen Details arbeitet der Wärmetauscher bereits effektiv, allerdings ohne thermische Schichtung. Um einerseits durch den Betrieb des Wärmetauschers eine thermische Schichtung im Wärmespeicher zu erzeugen oder eine vorhandene Schichtung zu erhalten und andererseits den autosiphonischen Antrieb zu verstärken, mündet das Wärmespeichermedium nach dem Wärmetausch in eine Sammelvorrichtung (4), die in ein Leitrohr übergeht. Das Leitrohr zwingt das Speichermedium, nach einer Abkühlung vom Wännetauscher weg nach unten und nach einer Aufwärmung vom Wärmetauscher weg nach oben zu fließen.

Claims (4)

1. Plattenwärmetauscher zum Einbau in Wärmespeicher mit flüssigem Speichermedium, dessen Ränder der Kanäle, durch welches das Wärmespeichermedium fließt, oben und unten offen sind, während die Ränder der Kanäle, durch welches das dem Speicher die Wärmeenergie zu- oder abführenden Medium fließt, allseits geschlossen sind,
2. Plattenwärmetauscher nach 1, gekennzeichnet dadurch, dass durch die Prägung und Abdichtung der Platten in den Kanälen für das dem Speicher die Wärmeenergie zu- oder abführende Medium ein Hin- und Herfließen quer und entgegen der Fließrichtung des die jeweiligen Nachbarkanäle senkrecht durchströmenden Wärmespeichermediums erzwungen wird,
3. Plattenwärmetauscher nach 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Abstände zwischen benachbarten Platten durch eine beidseitig unterschiedliche Tiefe der Plattenprägung alternierend voneinander verschieden sind, so dass die Kanäle, zwischen denen das Speichermedium fließt, breiter sind als die Kanäle, zwischen denen das die Wärmeenergie zuführende oder abführende Medium fließt,
4. Plattenwärmetauscher nach 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Seite, aus der das Wärmespeichermedium nach dem Wärmetausch austritt, dicht in eine Sammelvorrichtung und von dort in ein Leitrohr mündet, welches das Speichermedium zwingt, nach einer Abkühlung im Wärmetauscher von diesem weg nach unten und nach einer Aufwärmung im Wärmetauscher von diesem weg nach oben zu fließen.