DE2532978A1

DE2532978A1 - Waermeuebertragungsanlage

Info

Publication number: DE2532978A1
Application number: DE19752532978
Authority: DE
Inventors: Hans Hucke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-07-23
Filing date: 1975-07-23
Publication date: 1977-03-31
Also published as: DE2532978B2; US4129178A; JPS611656B2; DE2532978C3; JPS5214951A; GB1552941A; FR2319097B1; FR2319097A1

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-P MÖNCHEN 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN S-ensdorfitraßeio

Dr. rer. not. W. KÖRBER WWr»««

Dipl.-!ng. J. SCHMIDT-EVERS 2532978

PATENTANWÄLTE 3

23. Juli 1975

Gu/Ne

Hans Hucke
Essigweg 6
CH-4-133 Prattein/Schweiz

Patentanmeldung Wärmeübertragungsanlage

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsanlage mit einem Erhitzersystem, einer Pumpe, insbesondere Umwälzpumpe, zur Zwangsförderung eines Wärmeträgermediums, z. B. Wärmeträger-Öl, oder einer anderen pumpbaren Substanz, unter definierten Strömungsverhältnissen, einem Ausdehnungsgefäss und einem Sammelgefäss für das Wärmeträgermedium oder die andere pumpbare Substanz.

Bei Wärmeübertragungsanlagen dieser Art, bei denen die Wärmeträgermedien sowie beliebige andere pumpbare Substanzen temperiert und unter definierten Strömungsverhältnissen in Umlauf gehalten oder sonstwie weiterbefördert werden, ist es z. B. für Heizanlagen erforderlich, dass mittels des Wärmeträgermediums ein Wärmeverbraucher auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird und aus Sicherheitsgründen eine Filmtemperatur-Erhöhung an der Sohrwandung in gering begrenztem und beherrschbarem Ausmass gehalten wird, um eine thermische Zersetzung des Wärmeträgers zu vermeiden. Dies wird hierbei durch einen Zwangsumlauf des Wärmeträgers unter definierten Strömungsverhältnissen ermöglicht.

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; Es sind Wärmeübertragungsanlagen bekannt, bei denen die Wärmeübertragung

a) durch freie Konvektion (Naturumlauf, Thermosyphon),

b) durch Natur-Eonvektion und

c) durch erzwungene Konvektion
erfolgt.

Während bei Heizanlagen nach a) und b) als Wärmeträgermedium
praktisch nur Wasser Anwendung findet, sind bei Heizanlagen
nach c) die verschiedensten Wärmeträgermedien verwendbar. Ins-
'< besondere sind solche Anlagen für die Verwendung von Wärme- ' , träger-Öl als Wärmeträger-Medium geeignet, weil bei ihnen die . :. Gefahr der thermischen Zersetzung des Öles weitgehend verringert werden kann.

Bei diesen Anlagen sind zwei Arten bekannt.

Die eine Art stellt eine "Tauchsieder-Heizung" dar, bei der in
einem Sammelbehälter mittels elektrischer Heizelemente das
Wärmeträger-Medium erhitzt und mittels einer Umwälzpumpe in
Umlauf gehalten wird. Hierbei besteht der Nachteil, dass sich
mangels einer definierten bzw. geregelten Strömung im Erhitzer- : system eine unkontrollierte thermische Belastung des Wärmeträgermediums ergeben kann, was bei Verwendung von Wärmeträger-; öl als Wärmeträgermedium doch zu thermischen Zersetzungen und : ; damit zu brandtechnischen und sicherheitstechnischen Problemen j ■ führen kann. (Diese Art von Wärmeübertragungsanlagen ist bei

Verwendung von Wärmeträgeröl z. B. in Deutschland nicht mehr i • zur Neuaufstellung zugelassen.) Andererseits ist aber bei solchen ; Tauchsiederheizungen die Abdichtung in Bezug auf Wärmeträger- ■

j leckagen einfacher und leichter durchzuführen. ;

ι i

j !

Die zweite Art von Wärmeübertragungsanlagen weist einen Zwangs- ;

umlauf erhitzer auf. Das Wärmeträger-Medium wird hierbei unter ;

. definierten bzw. geregelten Strömungsverhältnissen in Zwangs- j

ι umlauf gehalten. Bei gleichzeitiger Erhitzung des Wärmeträgers ί

j ist eine bestimmte Wärmestromdichte gewährleistet, so dass

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Schwierigkeiten hinsichtlich der thermischen Gefährdung des V/ämeträgermediums, z. B. Wärmeträgerölj im Gegensatz zur Tauchsieder-Heizung, im wesentlichen nicht bestehen. Dafür sind aber bei Heizanlagen bzw. Einrichtungen mit Zwangsumlauf, soweit diese bisher bekannt sind, eine Vielzahl von Verbindungsflanschen mit Dichtungsstellen notwendig, die zahlreiche Leckagemöglichkeiten bilden. Schon deshalb und auch aus sonstigen Gründen erfordern solche Anlagen einen höheren technischen und wirtschaftlichen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsanlage der eingangs angegebenen Art derart auszubilden, , dass sie erheblich weniger Verbindungsflansche und Dichtungen erfordert und in einfacher Weise so herstellbar ist, dass die Bildung von Leckstellen weitgehend vermieden ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht geiaäss der Erfindung darin, dass das Erhitzersystem mit der Pumpe zusammen in einem gemeinsamen Gefäss angeordnet ist, das zugleich das Sammelgefäss für das Wärmeträgermediuni bzw. die andere pumpbare Substanz und das Ausdehnungsgefäss der Anlage bildet.

Bei einer gemäss der Erfindung ausgebildeten Wärmeübertragungsanlage besteht zunächst der Vorteil, dass im Vergleich zu bekannten Anlagen dieser Art getrennte oder besondere Druckgefässe, wie Expansionsgefäss und Sammelgefäss für das Wärmeträgermedium sowie die zugehörigen Anschlüsse mit ihren Ver- ! bindungsflansehen und Abdichtungen vermieden sind, da beide ί Gefässe unter Einhaltung der sicherheitstechnischen Erfordernisse zu einem einzigen Gefäss zusammengefasst sind, das ' ähnlich wie bei einer"Tauchsieder-Heizung" einen grossen Teil ■ des Wärmeträgermediums oder der anderen pumpbaren Substanz aufnimmt. Auch ist ein besonderer Druckbehälter für das Er- . hitzersystem nicht mehr notwendig, und das gemeinsame Gefäss ■ kann in vorteilhafter Weise zugleich als Entgasungsgefäss verwendet werden. 1

Eine besonders zweckmässige Ausführungsform der Erfindung er-

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tr-

gibt sich., wenn bei Ausbildung als kombinierte Heiz-Kühleinriciitung mit zusätzlichem Kühlersystem in dem gemeinsamen Gefäss auch das Kühl er sy st em angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine einfach ausgebildete, an sich, bekannte kombinierte Heiz-Kühl-Anlage mit Zwangsumlauf des Wärmeträgermediums unter definierten Stromungsverhältnissen geschaffen, die jedoch im Vergleich zu den bekannten Anlagen dieser Art ebenfalls die vorgenannten Vorteile hat. Darüber hinaus ist ein besonderer Kühlerbehälter nicht mehr notwendig. Vielmehr kann bei der An- ^: lage nach der Erfindung, wenn bei dieser das Erhitzersystem zur Durchführung des Wärmeträgermediums eine Rohrschlange, ins-: besondere eine solche mit mehreren auf eine erhebliche Länge \ parallel zueinander verlaufenden Rohrabschnitten aufweist, das Kühlersystem zur Durchführung eines Kühlmittels mit diese ■ Rohrabschnitte umgebenden, rohrförmigen Kühlmänteln versehen sein. Der für die Abführung exothermer Wärme bisher übliche : Kühler ist dabei durch einen geringen Aufwand erfordernde Rohre; ersetzt. ;

Weiterhin können bei der Anlage nach der Erfindung die in dem , gemeinsamen Gefäss angeordneten Bestandteile, d. h. das Er- '■ hitzersystem und die Umwälzpumpe sowie gegebenenfalls das j Kühlersystem, als vorher zusammengebaute Einheit mit nur einer zwischen der Pumpe bzw. Umwälzpumpe und dem Erhitzersystem angeordneten, durch Verbindungsflansche gebildeten V er- j bindungssteile in das gemeinsame Gefäss eingesetzt sein. Bei \

dieser Ausführungsform der Erfindung besteht der weitere Vorteil, dass wesentliche Bestandteile der erfindungsgemässen Wärmeübertragungsanlage in transportabler Ausführung in zu temperierende Medien eingetaucht werden können, um z. B. nur eine Heizanlage oder auch eine Heiz-Kühlanlage mit Zwangsumlauf und definierten bzw. geregelten Stromungsverhältnissen zu bilden. Insbesondere kann eine solche transportable Einheit in das zur Aufnahme des Wärme trägermediums dienende Sammel gefäss einer bestehenden, veralteten "Tauchsieder"—Anlage eingesetzt werden, und diese Anlage hierdurch unter Weiterverwendung d-es Gefässes als gemeinsames Gefäss auf den neuesten Stand der

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Sicherheitstechnik zu bringen. Hierbei ist jedoch einerseits der wesentliche Nachteil einer "Tauchsiederheizung¹¹, nämlich die infolge Undefinierter Strönungsverhältnisse bestehende Gefahr der thermischen Zersetzung eines aus Öl bestehenden Wärmeträgermediums vermieden und bei dieser Ausführungsform ebenso wie bei allen anderen Ausführungsformen der Erfindung eine wesentliche Vereinfachung im Aufbau der Anlage erreicht, bei der u.a. auch bei der Ausbildung der Anlage als kombinierte Heiz-Kühl-Anlage die Flanschverbindungen auf zwei Flanschen reduziert sind.

Durch Anordnung weiterer Temperiermäntel im Erhitzerbereich ; kann die Anlage nach der Erfindung als Wärmetauscher mit > Zwangsförderung unter definierten Strömungsverhältnissen variierbar, sowohl nur im Heiz- als auch nur im Kühlbereich, aber auch in beiden Bereichen kombiniert, verwendet werden. Bei Anordnung von die Rohrabschnitte des Erhitzersystems umgebenden rohrförmigen Kühlmänteln besteht ferner ein weitere Vorteil in der gegebenen Möglichkeit der Temperierung nicht nur über die elektrischen Heizelemente, die in vorzugsweise stabförmiger, Ausführung in die geraden Rohrabschnitte des Erhitzersystems [ eingesetzt sein können, sondern durch die Einleitung von z. B. Dampf in die Kühlmantel. Hierdurch kann das in dem gemeinsamen Gefäss befindliche Medium vortemperiert, und beim Durchströmen der Rohrabschnitte des Erhitsersystemes in einer zweiten Stufe ! mittels der elektrischen Heizelemente höher temperiert werden. ^! In gleicher Weise besteht der Vorteil in der Möglichkeit der ;

Tiefkühlung durch Einsatz von Kühlmittel, das über die Kühl- !

taschen eingeleitet wird. |

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand \ der Zeichnung beschrieben, in der als einzige Figur ein senk- j rechter Schnitt durch die Anlage in schematischer Darstellung |

gezeigt ist. ^:

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeüber- ; tragungsanlage nach der Erfindung in einem anschlussfertigen,

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schrankartigen Gehäuse 8 angeordnet, das ringsum geschlossen und mit einer Isolierung 5 versehen ist. Die Anlage selbst ist, wie an sich bekannt, als kombinierte Heiz-Kühl-Einrichtung mit Zwangsumlauf des Wärmeträgermediums, vorzugsweise Wärmeträger-^· öl, unter definierten Strömungsverhältnissen ausgebildet. Sie weist hierzu eine Umwälzpumpe 1 sowie ein Erhitzersystem und ein Kühlersystem auf.

Im Gegensatz zu bekannten Anlagen bzw. Einrichtungen dieser ^: Art sind diese Systeme mit der Umwälzpumpe gemäss der Erfindung in einem gemeinsamen Gefäss 4- angeordnet, das zugleich das : Ausdehnungsgefäss und den Sammelbehälter bzw. das Sammelgefäss für das Wärmeträgermedium W bildet und mit einem Einlasstutzen ' 9 für dieses Medium versehen ist. Das Erhitzersystem 3? 6 weist eine mit der Umwälzpumpe 1 verbundene Rohrschlange 6 auf, die mit mehreren, jeweils parallel zueinander verlaufenden geraden ; Rohrabschnitten 6¹ versehen ist, deren jeweilige Länge etwa der Höhe des gemeinsamen Gefässes 4- entspricht. Die Rohrschlange 6 taucht ebenso wie die Umwälzpumpe 1 mit dem unteren Teil, wie bei einer "Tauchsiederheizung" in das Wärmeträgermedium W ein und ist durch nur eine Flanschverbindung 7 mit der Umwälz- : pumpe 1 verbunden. In die geraden Rohrabschnitte 6' sind bei ; der dargestellten Ausführungsform elektrische Heizelemente 3 in Stabform unter Belassung eines freien Durchströmquerschnittes von oben her eingesetzt. Das der Umwälzpumpe 1 abgewendete; Ende der Rohrschlange 6 ist mit einem Auslasstutzen 10 versehen, der ebenso wie der Einlasstutzen 9 des gemeinsamen Ge- \ fässes 4 mit dem nicht dargestellten Wärmeverbraucher verbunden ist.

Zur Bildung des Kühlersystems 2, 11, 12 sind die geraden Rohr- ; abschnitte 6" des Erhitzersystems 3» 6, 9, 10 jeweils in _; einigem radialem Abstand von rohrförmigen Kühlmänteln 2¹ umgeben, die an ihren oberen und unteren Enden jeweils durch quer . verlaufende Rohrstücke 2" miteinander verbunden sind. Ausserdem; sind für das Kühlersystem ein Kühlmitteleinlass 11 und ein , j Kühlmittelauslass 12 angeordnet.

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Die dargestellte Anlage kann sowohl als Heizungsanlage allein, als auch nur als Kühlanlage, ferner als kombinierte Heizungsund.Kühlanlage und noch in anderer Weise verwendet bzw. betrieben v/erden.

Beim Betrieb als Heizungsanlage wird das die Rohrschlange des Erhitzersystemes 3₅ 6, 9? 10 zwangsläufig und unter bestimmten, geregelten Strömungsverhältnissen in Richtung der Pfeile 9¹ι 10' durchströmende Wärmeträgermedium W, das von der Umwälzpumpe 1 aus dem gemeinsamen Gefäss 4 aufgenommen und der Rohrschlange 6 zugeführt wird, auf Solltemperatur aufgeheizt und über den Auslasstutzen 10 dem Wärmeverbraucher zugeführt, über den es im Kreislauf wieder in das gemeinsame Gefäss 4 und zur Umwälzpumpe 1 und dem Erhitzersystem gelangt usw.

Wenn die Anlage nur zur Kühlung verwendet werden soll, so wird über den Kühlmitteleinlass 11 Kühlmittel zugeführt und in Richtung der Pfeile 11', 12' durch die Kühlmäntel 2' hindurchgeführt, bis die Solltemperatur erreicht ist.

Beim Betrieb der Anlage als kombinierte Heiζ-Kühl-Anlage wird das Wärmeträgermedium in Richtung der Pfeile 9'» 10' im Kreislauf über das Erhitzersystem 3i 6i 9·» 10 geführt und gleichzeitig ein Kühlmittel in Richtung der Pfeile 11', 12', d. h. im Gegenstrom zu dem Wärmeträgermedium durch die Kühl- · mantel 2' geführt. Die Sollwert-Temperatur wird dabei über einen Regler für die Heizelemente 3 im Gleichgewicht gehalten, und es wird unter Verwendung des Kühlmittels exotherme Wärme über die Kühlmäntel 2¹ abgeführt.

Bei Verwendung der Anlage als Heizanlage mit zwei Stufen wird

zur Erhitzung in der ersten Stufe ein Heizmediuin, z. B. Heiss- :

wasser oder Dampf durch die die Rohrschlange 6 des Erhitzer- ;

systemes umgebenden Kühlmäntel 2¹ hindurchgeführt, so dass das ■

Warmeträgermadium, z. B. Warmeträgeröl, vorerhitzt und dann j

beim Durchströmen der Rohrschlange des Erhitzersystemes durch j die Heizelemente 3 so.t elektrischer Energie weiter aufgeheizt

wird. :

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Die Anlage nach der Erfindung kann weiter auch als kontinuier- , licher Wärmeaustauscher verwendet und betrieben v/erden. Hierzu wird dem im Sammelgefäss 4- befindlichen und diesen kontinuierlich zugeführten pumpbaren Medium W, das kontinuierlich weitergepumpt wird, entweder durch Einleitung von Kühlmittel in die Kühlmäntel 2' Wärme entzogen oder Wärme zugeführt, indem durch die Kühlmäntel Heisswasser oder Dampf hindurchgeleitet oder die Kühlmäntel durch die elektrischen Heizelemente 3 erhitzt werden. Auf diese Weise kann die Anlage nach der Erfindung auch, als Temperier-Aggregat für flüssige Stoffe aller Art verwendet _: werden, die jeweils in dem gemeinsamen G-efäss 4- erhitzt und/oder gekühlt werden können. Nach Beendigung eines Temperiervorganges_; kann -der flüssige Stoff abgepumpt oder zur Durchführung einer ^; diskontinuierlichen Temperierung weitergepumpt werden. '

Weiterhin ist es möglich, die dargestellte Anlage nach der Erfindung auch als Eintauch-Temperier- und Pumpenaggregat für , Rühr- oder Hischb ehält er zu verwenden, wenn das gemeinsame G-efäss durch einen solchen Behälter gebildet wird. Auch kann z. B. einer in dem gemeinsamen Gefäss befindlichen zu schmel- \ zenden Masse, wie vorstehend beschrieben, Wärme zugeführt und die geschmolzene Masse in verflüssigtem Zustand unter defi- ; nierten Strömungsverhältnissen weiter befördert werden. Hierzu ^;. braucht nur die Umwälzpumpe 1 und die Rohrschlange des Erhitzersystemes als z. B. in eine körnige oder pulverförmige ; Masse eintauchbares Eintauchaggregat ausgebildet zu sein. I

' Ferner besteht die Möglichkeit, die dargestellte Anlage mit |

oder ohne Kühlersystem als Pump-Temperierzwischenstation für j

zu temperierende Medien zu verwenden. Das über die" Ein- und I

Auslasstutzen 9» 10 durch das gemeinsame Gefäss 4- geleitete i

Medium wird dabei in der angegebenen V/eise temperiert und mit '

vorgegebener Temperatur weitergepumpt. j

Auch kann ein in dem gemeinsamen Gefäss 4- befindliches Medium ;

durch Erhitzen mittels des Erhitzersystemes 3? 6, 9> 10 iⁿ die !

dampfförmige Phase übergeleitet und die Anlage nach der Erfin- ^!

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dung in dieser Weise als Dampferzeuger dienen. In ähnlicher v/eise kann die Anlage als Warmwasser- und Heisswassererzeuger und schliesslich auch als Speicherv/ärine-Erzeuger Verwendung .finden, wenn die erzeugte Wärme an einen Wärmespeicher abgeführt wird.

Ansprüche:

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Leerseite

Claims

Ansprüche

( 1J Wärmeübertragungsanlage mit einem Erhitzersystem, einer Pumpe, insbesondere Umwälzpumpe, zur Zwangsförderung eines Wärmeträgermediums, z. B. Wärmeträger-Öl, oder einer anderen pumpbaren Substanz, unter definierten Strömungsverhältnissen, einem Ausdehnungsgefäss und einem Sammelgefäss für das Wärmeträgermedium oder die andere pumpbare Substanz, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzersystem (3, 6, 9i 10) mit der Pumpe (1) zusammen in einem gemeinsamen Gefäss (4-) angeordnet ist, das zugleich das Sammelgefass für das Wärmeträgermedium bzw. die andere pumpbare Substanz (W) und das Ausdehnungsgefäss der Anlage bildet.
2. Anlage nach Anspruch 1 als kombinierte Heiz-Kühlanlage mit einem zusätzlichen Kühlersystem, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gemeinsamen Gefäss (4) auch das Kühlersystem (2, 11, 12) angeordnet ist.
3· Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Gefäss (4·) zugleich ein Entgasungsgefäss für die Anlage bildet.
4-, Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Erhitzersystem zur Durchführung des Wärmeträgermediums bzw. der anderen pumpbaren Substanz mehrere Jeweils an eine erhebliche Länge zueinander parallel verlaufende gerade Hohrabschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzersystem (3, 6, 9, 10) mit elektrischen Heizelementen (3) in Form von Stabe-J^orsehen ist, die jeweils in aen parallel zueinander verlaufenden, geraden .Rohrabschnitten (6) unter Belassung eines freien Durchströmquerschnittes eingesetzt sind.
5· Anlage nach Anspruch 2 und 4-, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlersystem (2, 11, 12) zur Durchführung des Kühlmittels mit die parallel zueinander verlaufenden geraden

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Rohrabschnitte (6¹) umgebenden, rohrförmigen Kühlmänteln (2¹) versehen ist.
6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihre in dem gemeinsamen Gefäss (4-) angeordneten Bestandteile (1; 3, 6, 9, 10;.2, 11, 12) als zusammengebaute Einheit mit nur einer zwischen der Pumpe (1) und dem Erhitzersystem (3, 6, 9, ΊΟ) angeordneten, durch Verbindungsflansche gebildeten Verbindungsstelle (7) in das gemeinsame Gefäss eingesetzt sind.

Der Patentanwalt /V

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