DE4317441B4 - Wärmetauscher zur Übertragung der von einer Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Energie - Google Patents

Abstract

Wärmetauscher zur Übertragung der von einer Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Energie von einem Kältemittel an das zu erwärmende Wasser, mit einem sich vertikal erstreckenden Gehäuse (5), durch welches das Wasser in zumindest einem zum Gehäuseinneren hin abgeschlossenen Wärmetauscherrohr (11, 12) hindurchgeführt wird, sowie einem oben in das Gehäuseinnere mündenden Eintrittsstutzen (14) für das dampfförmige Kältemittel und einem unten an das Gehäuse angeschlossenen Austrittsstutzen (15) für das kondensierte Kältemittel, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuseinnere in zwei kühlmittelseitig hintereinander geschaltete Kammern (9, 10) unterteilt ist, von denen die obere Kammer (9) eine Rohrwendel (11) zur Brauchwassererwärmung und die untere Kammer (10) eine Rohrwendel (12) zur Heizungswassererwärmung enthält, und daß die beiden Kammern (9, 10) über mindestens eine Öffnung (16) miteinander verbunden sind, deren Querschnittsfläche (A) klein ist im Vergleich zur vom Kältemittel durchströmten Querschnittsfläche (8) der Kammern (9, 10).

Description

• Die Erfindung betrifft einen. Wärmetauscher zur Übertragung der von einer Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Energie von einem Kältemittel an das zu erwärmende Wasser, mit einem sich vertikal erstreckenden Gehäuse, durch welches das Wasser in zumindest einem zum Gehäuseinneren hin abgeschlossenen Wärmetauscherrohr hindurchgeführt wird, sowie einem oben in das Gehäuseinnere mündenden Eintrittstutzen für das dampfförmige Kältemittel und einem unten an das Gehäuse angeschlossenen Austrittsstutzen für das kondensierte Kältemittel.
• Ein Wärmetauscher mit diesen Merkmalen ist aus der DE 31 03 507 C2 bekannt. Er dient ausschließlich der Erwärmung des Heizungswassers einer mittels eines Wärmetauschers betriebenen Heizungsanlage.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Übertragung der von einer Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Energie von einem Kältemittel an das zu erwärmende Wasser zu schaffen, der ein gleichzeitiges Erwärmen von Heizungswasser und Brauchwasser ermöglicht, wobei die Erwärmung des Brauchwassers stets Vorrang gegenüber der Erwärmung des Heizungswassers genießen soll.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß das Gehäuseinnere in zwei kältemittelseitig hintereinander geschaltete Kammern unterteilt ist, von denen die obere Kammer eine Rohrwendel zur Brauchwassererwärmung und die untere Kammer eine Rohrwendel zur Heizungswassererwärmung enthält, und daß die beiden Kammern über mindestens eine Öffnung miteinander verbunden sind, deren Querschnittsfläche klein ist im Vergleich zur vom Kältemittel durchströmten Querschnittsfläche der Kammern.
• Mit einem solchen Wärmetauscher läßt sich durch Ausnutzung der Kondensationswärme des Kältemittels sowohl Brauchwasser als auch Heizungswasser erwärmen. Hierbei ist stets sichergestellt, daß der Erwärmung des Brauchwassers Vorrang vor der Erwärmung des Heizungswasserszukommt. Dies wird erreicht, indem das zugeführte, dampfförmige Kältemittel zunächst die Kammer erreicht, in der sich die Rohrwendel für die Brauchwassererwärmung befindet. Erst anschließend gelangt das Kältemittel in die darunter angeordnete zweite Kammer mit der Rohrwendel für die Heizungswassererwärmung. Um ein Hindurchschießen des Kältemittels durch beide Kammern zugleich zu vermeiden, was zu einer gleich starken Beaufschlagung beider Rohrwendeln führen würde, sind die beiden Kammern ausschließlich über mindestens eine Öffnung miteinander verbunden. Deren Querschnittsfläche ist klein im Vergleich zu der vom Kältemittel durchströmten Querschnittsfläche der Kammern. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Kältemittel zwangsweise zunächst ausschließlich die erste Kammer durchströmen kann, und dann erst nach weiterer Durchmischung in die zweite Kammer für die Heizungswassererwärmung gelangt.
• Wird andererseits kein Brauchwasser benötigt, so strömt der Kältemitteldampf nahezu ohne Wärmeverluste durch die erste Kammer, und gelangt über die Öffnung zwischen den beiden Kammern in die zweite Kammer für die Heizungswassererwärmung. Der Vor rang für die Brauchwassererwärmung wird in diesem Fall nicht ausgenutzt. Sobald jedoch der Brauchwasserkreislauf wieder geöffnet ist, erfolgt die Kondensation des Kältemitteldampfes wieder mit Vorrang an der Rohrwendel in der oberen, ersten Kammer.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung befindet sich die Öffnung in einer Trennwand des Gehäuses, welche das Gehäuseinnere in die beiden Kammern unterteilt.
• Das Gehäuse ist vorzugsweise zylindrisch geformt, und die Trennwand wird durch eine darin angeordnete Kreisscheibe gebildet. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau des Wärmetauschers möglich.
• Eine besonders gute Durchmischung des Kältemitteldampfes, und damit eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung der Rohrwendeln wird dann erreicht, wenn die die Kammern verbindende Öffnung, auf die Mittelachse des Gehäuses bezogen, dem Eintrittsstutzen und vorzugsweise auch dem Austrittsstutzen gegenüberliegt. Die Hauptströmung des Kältemittels verläuft hierbei quer durch die Kammern, so daß eine gleichmäßige Umströmung der einzelnen Wendeln stattfindet.
• Mit der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß der Zulauf zu der Rohrwendel für die Heizungswassererwärmung durch die obere Kammer sowie die Trennwand hindurchgeführt ist. Hierdurch werden Anschlüsse im Bereich der Trennwand vermieden. Der Anschlußstutzen der Rohrwendel für die Heizungswassererwärmung kann vielmehr an der Oberseite des Gehäuses angebracht werden, wobei sich das betreffende Rohr dann zunächst axial durch die obere Kammer hindurch erstrecken kann. In diesem Fall kann zwischen dem axial durch die obere Kammer hindurchgeführten Rohr und der Trennwand eine Abdichtung vorgesehen sein, um ein Hindurchströmen von Kältemittel durch diese Öffnung zu vermeiden und sicherzustellen, daß das Kältemittel ausschließlich über die da für vorgesehene Öffnung von der ersten Kammer in die zweite Kammer strömt.
• Sofern die amtlichen Vorschriften verlangen, daß im Bereich der Wärmetauscherflächen zwischen Kältemittel und Brauchwasser Lötstellen nicht vorhanden sein dürfen, ist es gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers von Vorteil, daß Zulauf sowie Ablauf der Rohrwendel für die Brauchwassererwärmung an der Oberseite des Gehäuses angeschlossen sind. Auf diese Weise läßt sich eine einstückige Rohrwendel ohne irgendwelche Lötstellen von oben in die obere Kammer einhängen.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung. Diese zeigt in schematischer Darstellung eine Wärmepumpe mit einem geschnitten dargestellten Wärmetauscher zur Übertragung der von der Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Energie von dem Kältemittel an das zu erwärmende Wasser.
• Die in der Zeichnung dargestellte Wärmepumpe besteht in erster Linie aus einem Verdampfer 1, in dem das im Kreislauf geführte Kältemittel infolge eines zugeführten erhöhten Temperaturniveaus verdampft, einem nachgeschalteten Kompressor 2, einem Kondensator 3 sowie einer vor Rückführung in den Verdampfer 1 geschalteten Drossel 4.
• Der Kondensator 3, in dem das dampfförmig eintretende Kältemittel seine thermische Energie abgibt, ist als zweistufiger Wärmetauscher ausgebildet. Dieser besteht aus einem Gehäuse 5 in Form eines vertikalen Zylinders, welches nach oben und unten hin durch einen Deckel 6 bzw. einen Boden 7 abgeschlossen ist.
• Durch eine in das Gehäuse 5 eingesetzte Trennwand 8 ist das zylindrische Gehäuseinnere in eine obere Kammer 9 sowie eine untere Kammer i0 unterteilt. Jede dieser Kammern 9, 10 nimmt jeweils eine Rohrwendel 11, 12 auf, in denen ein mittelbarer Wärmeaustausch zwischen dem das Gehäuseinnere durchströmenden Kältemittel und dem die Rohrwendeln 11, 12 durchströmenden, wärmeaufnehmenden Medium stattfindet. Dieses Medium ist im Fall der Rohrwendel 12 der unteren Kammer 10 das Heizungswasser einer Heizungsanlage, und im Fall der Rohrwendel 11 in der oberen Kammer 9 das für die Warmwasserversorgung eines Wohn- oder Geschäftshauses erforderliche Brauchwasser. Die Rohrwendel 11 für die Brauchwassererwärmung ist mit beiden Anschlüssen durch den Deckel 6 hindurchgeführt, läßt sich also mit dem Deckel 6 in das Gehäuse 5 von oben einsetzen. Bei der Rohrwendel 11 handelt es sich um eine lötfreie Konstruktion, so daß durch die am Wärmeaustausch beteiligten Flächen hindurch kein Kältemittel in den Brauchwasserkreislauf gelangen kann. Die untere Rohrwendel 12 für die Heizungswassererwärmung befindet sich in der unteren Kammer 10 des Gehäuses 5, wobei das zu erwärmende Heizungswasser oben in die Rohrwendel 12 hineingelangt, und im Bereich des Bodens 7 ausströmt. Die Rohrwendel 12 für die Heizungswassererwärmung ist mit einem nach oben hin verlängerten Zulauf 13 versehen, der axial vollständig durch die obere Kammer 9 hindurchführt, und im Bereich der Trennwand 8 dieser gegenüber abgedichtet ist. Im übrigen verlaufen die Wendeln der unteren Rohrwendel 12 ebenso wie die Wendeln der oberen Rohrwendel 11 koaxial innerhalb der jeweiligen Kammer 10 bzw. 9, wobei infolge der obengenannten Hindurchführung des Zulaufes 13 durch die obere Kammer 9 dieser Zulauf 13 sich axial innerhalb der oberen Rohrwendel 11 für die Brauchwassererwärmung befindet.
• Das Kältemittel gelangt über einen in dem Deckel 6 angeordneten Eintrittsstutzen 14 in das Gehäuseinnere, und verläßt dieses über einen in dem Boden 7 angeordneten Austrittsstutzen 15. Von besonderer Bedeutung für die Führung des Kältemittels ist, daß sich in der Trennwand 8 eine Öffnung 16 befindet, deren Querschnittsfläche A klein ist im Vergleich zu der vom Kältemittel durchströmten Querschnittfläche B der beiden Kammern 9,10. Das Verhältnis der Flächen A zu B beträgt in etwa 1:50 bis 1:100. Die Lage der Öffnung 16 im Vergleich zur Lage des Eintrittsstutzens 14 sowie des Austrittsstutzens 15 ist derart, daß die Öffnung 16, auf die Mittelachse des Gehäuses 5 bezogen, dem Eintrittsstutzen 14 sowie dem Austrittsstutzen 15 gegenüberliegt. Hierdurch wird erreicht, daß das durch das Gehäuseinnere strömende Kältemittel eine in etwa diagonal angeordnete Hauptströmungsrichtung 17 einnimmt, wie dies in der Zeichnung mittels punktierter Linien dargestellt ist.
• Die Wirkungsweise des Wärmetauschers ist wie folgt:
  Das dampfförmige Kältemittel gelangt über den Eintrittsstutzen 14 in die obere Kammer 9, wo es gegebenenfalls an der Rohrwendel 11 teilweise kondensiert. Das dabei anfallende Kondensat tropft auf die Trennwand 8, und gelangt gemeinsam mit dem noch nicht kondensierten Kältemittel über die Öffnung 16 in die untere Kammer 10. Dort findet die Restkondensation an der Rohrwendel 12 statt, worauf dann das Kältemittel über den Austrittsstutzen 15 zum Verdampfer 1 zurückgeführt wird.
• Falls beide Kreisläufe für Heizungswasserbereitung und Brauchwasserbereitung in Betrieb sind, findet in vorbeschriebener Weise eine Kondensation des über dem Eintrittsstutzen 14 in die obere Kammer 9 eintretenden Kältemitteldampfes an der Rohrwendel 11 statt. Hierbei erwärmt sich das in der Rohrwendel 11 geführte Brauchwasser und steht an der jeweiligen Entnahmestelle 18, z.B. einem Wasserhahn, zur Verfügung. Das noch nicht kondensierte Kältemittel gelangt gemeinsam mit dem an der Rohrwendel 11 kondensierten und auf die Trennwand 8 abgetropften Kältemittel in die untere Kammer 10 und gibt dort seine restliche Wärme unter weiterer Kondensation an die Rohrwendel 12 für die Heizungswassererwärmung ab. Da das Kältemittel zwangsweise zunächst an der oberen Rohrwendel 11 kondensiert, genießt die Brauchwasserbereitung Vorrang vor der Heizungswasserbereitung. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß Brauchwasser immer in ausreichender Menge zur Verfügung steht.
• Falls der Brauchwasserkreislauf geschlossen ist, findet keine oder nur eine sehr geringe Kondensation an der oberen Rohrwendel 11 statt. Das dampfförmige Kältemittel durchströmt die obere Kammer 9 ohne nennenswerte Wärmeabgabe und gelangt über die Öffnung 16 in die untere Kammer 10, wo dann die anfallende Kondensationswärme ausschließlich an die untere Rohrwendel 12 für die Heizungswassererwärmung abgegeben wird. Infolge der querverlaufenden Durchströmung des Gehäuseinneren entlang der beiden Hauptströmungsrichtungen 17 ist jederzeit eine besonders gute Durchmischung des Kältemittels, und damit eine gleichmäßige Wärmeübertragung an den Rohrwendeln 11, 12 sichergestellt.

1

Verdampfer

2

Kompressor

3

Kondensator

4

Drossel

5

Gehäuse

6

Deckel

7

Boden

8

Trennwand

9

obere Kammer

10

untere Kammer

11

Rohrwendel für die Brauchwassererwärmung

12

Rohrwendel für die Heizungswassererwärmung

13

Zulauf

14

Eintrittsstutzen

15

Austrittsstutzen

16

Öffnung

17

Hauptströmungsrichtung

18

Entnahmestelle

Claims (6)

1. Wärmetauscher zur Übertragung der von einer Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Energie von einem Kältemittel an das zu erwärmende Wasser, mit einem sich vertikal erstreckenden Gehäuse (5), durch welches das Wasser in zumindest einem zum Gehäuseinneren hin abgeschlossenen Wärmetauscherrohr (11, 12) hindurchgeführt wird, sowie einem oben in das Gehäuseinnere mündenden Eintrittsstutzen (14) für das dampfförmige Kältemittel und einem unten an das Gehäuse angeschlossenen Austrittsstutzen (15) für das kondensierte Kältemittel, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuseinnere in zwei kühlmittelseitig hintereinander geschaltete Kammern (9, 10) unterteilt ist, von denen die obere Kammer (9) eine Rohrwendel (11) zur Brauchwassererwärmung und die untere Kammer (10) eine Rohrwendel (12) zur Heizungswassererwärmung enthält, und daß die beiden Kammern (9, 10) über mindestens eine Öffnung (16) miteinander verbunden sind, deren Querschnittsfläche (A) klein ist im Vergleich zur vom Kältemittel durchströmten Querschnittsfläche (8) der Kammern (9, 10).
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnung (16) in einer Trennwand (8) des Gehäuses (5) befindet, welche das Gehäuseinnere in die beiden Kammern (9, 10) unterteilt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) zylindrisch geformt ist, und die Trennwand (8) durch eine darin angeordnete Kreisscheibe gebildet wird.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kammern (9, 10) verbindende Öffnung (16), auf die Mittelachse des Gehäuses (5) bezogen, dem Eintrittsstutzen (14) und vorzugsweise auch dem Austrittsstutzen (15) gegenüberliegt.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (13) zu der Rohrwendel (12) für die Heizungswassererwärmung durch die obere Kammer (9) sowie die Trennwand (8) hindurchgeführt ist.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Zulauf sowie Ablauf der Rohrwendel (11) für die Brauchwassererwärmung an der Oberseite des Gehäuses (5) angeschlossen sind.