-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Wär-
-
me, insbesondere zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie,
mit in einem Wärmetauscher im Gegenstromprinzip getrennt aneinander vorbeigeführten
Medien unterschiedlicher Temperatur, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens.
-
In Wärmetauschern werden zwei Medienströme unterschiedlicher Temperatur
gegenläufig aneinander vorbeigeführt, um auf diese Weise einen Wärmeausgleich bzw.
-austausch zu erreichen, indem nämlich das Medium höherer Temperatur durch Transmission
und/oder auch Konvektion über die die Medien trennende Zwischenwand Wärme bzw. Wärmeenergie
an das Medium niederer Temperatur abgibt. Im Idealfall haben nach physikalischen
Gesetzmäßigkeiten die beiden Medienströme dann eine gleiche Temperatur, wenn keine
Wärmeenergie mehr von dem einen Medium auf das andere Medium übergeht. Die unter
Berücksichtigung der thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten und der feststehenden Parameter
wie Druck, Volumen oder Temperatur, beispielsweise bei Heizungsanlagen oder Anlagen
zur Brauchwassererwärmung erzielten Wirkungsgrade liegen mit den bekannten Einrichtungen
bei ca. 60 bis 70 %; die Verluste sind folglich ganz erheblich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das thermodynamische Ausnutzen
von Wärmeerzeugung, Wärmefortpflanzung und Wärmeumschichtung - insbesondere beim
Umwandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie für die Brauchwassererwärmung bzw.
zu Heizzwecken - so zu beeinflussen, daß sich ein
gegenüber dem
Stand der Technik wesentlich höherer Wirkungsgrad erreichen läßt, wobei das gezielte
Ausschöpfen aller erzeugten Wärmemoleküle entsprechend deren Erregerzustand sowie
eine möglichst ungehinderte Wärmefortpflanzung angestrebt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, bei
dem von zumindest zwei eigenständigen Medienströmen der mit höherer Temperatur als
in sich geschlossener Kreislauf geführt und mit einem nach außen offenen Medienstrom
niederer Temperatur derart verschachtelt wird, daß der Medienstrom niederer Temperatur
mehrfach von zwei Seiten von dem höherer Temperatur eingeschlossen wird.
-
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sieht einen Wärmetauscher
mit einem einseitig offenen äußeren Behälter und zumindest zwei darin jeweils mit
Abstand zum Behälterboden ineinandergeschachtelt eingesetzten formähnlichen Behältern
vor, von denen der innere Behälter beheizt ist, wobei bevorzugt insgesamt fünf Behälter
stufenartig ineinandergeschachtelt werden. Der damit erreichte Multibehälterkessel
in Zweikreis-Ausführung, nämlich dem in sich geschlossenen Primärkreis sowie dem
nach außen offenen Sekundärkreis mit einer wärmespeichernden Wasservorlage, bewirkt
durch die kaskadenartige Anordnung der einzelnen Behälter in beiden Volumenkammern
und das damit an allen Seiten ermöglichte Gegenstromprinzip thermische Abstufungen
für eine quasi thermische Kopplung beider Kreisläufe miteinander.
-
Durch den allseitig von zwei Seiten eines heißeren Medienstromes
eingeschlossenen
Medienstrom niederer Temperatur läßt sich unter beidseitiger Ausnutzung der Transmissionswärme
die verlustfreie Energieverarbeitung bzw. der Energieübergang weiter günstig beeinflussen.
Dazu tragen auch die innerhalb eines jeden Kreislaufes von innen nach außen zunehmend
größeren Ringraumvolumen der ineinandergeschachtelten Behälter bei, die nach außen
ein Entspannen des eingeschlossenen Medienstromes erlauben, was gleichbedeutend
mit einem Wärmezuwachs ist. Je nach Belastung läßt sich in Abhängigkeit von Druck-
und Temperaturänderungen die Betriebsweise bzw. der Wirkungsgrad verbessern; wie
auch beispielsweise ein mit erhöhter Temperatur zurückgeführter Medienstrom die
zum Aufheizen einzubringende Energie vermindert, da die Temperaturunterschiede dann
geringer sind.
-
Zylindrische Behälter aus einem dünnwandigen, wärmeleitfähigen Material
haben sich als besonders geeignet herausgestellt. Als Werkstoff eignet sich insbesondere
ein tiefgezogenes Aluminiumblech mit einer Wanddicke von ca. 1 bis 1,5 mm. Für mit
Wasser betriebene Wärmetauscher eignet sich beispielsweise Kupfermaterial wegen
der damit verbundenen Elektrolyse-Gefahr nur eingeschränkt.
-
Den Wärmeübergang unterstützen, ähnlich wie bei einer Thermosflasche,
in die Behälter eingebrachte wärmereflektierende Behältereinsätze; alternativ lassen
sich die Behälterinnenwände mit einem feinkörnigen Aluminium-Granulat auslegen.
Hierzu lassen sich auch andere Materialien mit ähnlich guter Wärmeleitfähigkeit
verwenden.
-
Die Behälter sind an einem Ende offen und besitzen dort einen außen
umlaufenden Kragen, so daß sich darauf eine Grundplatte mit Einspeise- und Entnahmebohrungen
zu den einzelnen Behältern sowie einer zentrischen Bohrung zum innersten Behälter
aufsetzen und unter Einschluß einer angepassten Dichtung über die Kragen mit den
einzelnen Behältern verschrauben läßt.
-
In die als Gewindebohrung ausgeführte zentrische Bohrung der Grundplatte
läßt sich ein elektrischer Heizstab/Tauchheizkörper einschrauben, der in den innersten
Behälter des geschlossenen Primärkreises hineinragt und das Wasser auf Temperaturen
bis ca. 1100 C aufheizt. Bei vorgegebener Speicherkapazität und -volumen sind die
Größen für die Wärmeerzeugung sowie die Wärmeabgabe bestimmt durch die Leistungsabgabe
des Heizstabes und den Wasserdurchsatz aus dem Heizungskreislauf. Das bedeutet in
der Aufheizphase ein lineares Aufheizen des gesamten Kesselvolumens, bis die gewünschte
Rücklauftemperatur erreicht worden ist. Danach erfolgt lediglich noch ein Einspeisen
der Verlustwärme mit geringer Leistungsaufnahme. Gleichzeitig lassen sich die Temperaturverhältnisse
von Vorlauf/Rücklauf über den Heizstab beliebig regeln und den vorgegebenen Bedingungen
anpassen.
-
Bei einer unter Zwischenschaltung einer angepaßten Dichtung mit der
Grundplatte abschließend verschraubten Kopfplatte, die Durchgangsbohrungen lediglich
für den Vor- und Rücklauf der beiden Medienströme sowie für den Heizstab besitzt
und
den Einspeise- und Entnahmebohrungen der Grundplatte gegenüberliegende
Sackbohrungen aufweist, die über Kanäle den einzelnen Behältern gezielt in der gewünschten
Durchströmrichtung zugeordnet sind, ergibt sich eine Systemverschaltung, die den
Wärmetauscher bzw. Elektrokessel bis auf die Anschlüsse für Vor- und Rücklauf der
beiden Kreisläufe sowie für den Heizstab nach außen völlig abschließt, wodurch insbesondere
zahlreiche Rohrleitungen zum Verbinden der einzelnen Behälter für ein hindurchzuführendes
Medium entfallen.
-
Wie für die Behälter, empfiehlt sich auch für die Grund-und Kopfplatte
als Werkstoff ein wärmeleitfähiges Material, vorzugsweise ebenfalls tiefgezogenes
Aluminium. Die Platten lassen sich eckig oder rund ausführen.
-
Je nach Anwendungsfall bzw. Leistungsbedarf, lassen sich zwei oder
mehrere Wärmetauscher baukastenartig in Reihe neben- und /oder übereinanderschalten.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 Eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
mit einem Flußschema der Medien, schematisch im Schnitt dargestellt; Fig. 2 eine
Vorderansicht der Behälter-Grundplatte;
Fig. 3 einen Schnitt durch
eine Grundplatte gemäß Fig. 2 entlang der Linie II-II; Fig. 4 eine Ansicht einer
Kopfplatte zur Systemverschaltung; und Fig. 5 einen Schnitt durch eine Kopfplatte
gemäß Fig. 4 entlang der Linie IV-IV.
-
Der mit 1 bezeichnete Wärmetauscher besteht aus fünf ineinandergeschachtelten
Behältern 2 bis 6 mit vom äußeren Behälter 2 bis zum innersten Behälter 6 zunehmend
kleineren Abmessungen und damit unterschiedlichen Volumen. Die zylindrischen Behälter
2 bis 6 weisen nicht nur unterschiedliche Durchmesser auf, sie sind auch unterschiedlich
lang, so daß der Boden eines inneren Behälters zum Boden des jeweils äußeren Behälters
immer einen bestimmten Abstand einhält.
-
Daraus ergibt sich eine kaskadenartige Abstufung der ineinandergesetzten
Behälter. Die Behälter sind an ihren dem Boden abgewandten Enden offen und mit einem
nach außen abgewinkelten, umlaufenden Kragen 7 versehen.
-
Die Kragen 7 legen sich gegen die in Fig. 2 dargestellte Grundplatte
8 an und werden mit der Platte 8 unter Zwischenlage einer angepaßten Dichtung 9
verschraubt, wozu diese eine Vielzahl auf einem Kreis verteilt angeordnete Gewindebohrungen
12 enthält. In gegenüberliegende Bohrungen der Kragen 7 eingesetzte Schrauben sichern
die dichtend feste Lage des Behälter an der Grundplatte 8. In der Mitte der Grundplatte
8 befindet sich eine Gewindebohrung 13 für
einen darin einzuschraubenden
Heizstab bzw. Tauchheizkörper 14, der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Daneben
sind den einzelnen Behältern 2 bis 6 zugeordnete Einspeise und Enntnahmebohrungen
15 vorhanden, über die das in den Behältern umlaufende Wasser des Zweikreissystems
gezielt ein-und austreten kann.
-
Damit sich die Entnahme- und Einspeisebohrungen miteinander verbindende
Schlauchleitungen vermeiden lassen, wird eine Kopfplatte 17 mit zu den Bohrungen
der Grundplatte 8 übereinstimmenden Bohrungen unter Zwischenschaltung einer Dichtung
18 auf die Grundplatte 8 aufgesetzt und mit dieser verschraubt, wozu in Durchgangsbohrungen
19 der Kopfplatte 17 eingeführte Schrauben in Gewindebohrungen 21 der Grundplatte
8 eingreifen. Bei einem Wärmetauscher 1 mit abschließender Kopfplatte 17 werden
die Bohrungen 12 der Grundplatte 8 zum Befestigen der Behälter 2 bis 6 vorzugsweise
als Durchgangsbohrungen 12a (vgl. Fig. 3) ausgeführt, so daß Schrauben bzw. Stifte
bis in gegenüberliegende Bohrungen 22 der Kopfplatte 17 reichen, worüber in diesem
Fall das Verschrauben durchgeführt wird.
-
Neben der zentrischen Bohrung 13 für den Heizstab 14 besitzt die Kopfplatte
17 noch eine Vorlauf- bzw. Rücklauf-Durchgangsbohrung 23, 24 des Primärkreislaufes
mit dem heisseren Wasser sowie Vorlauf- bzw. Rücklauf-Durchgangsbohrungen 25, 26
für den Sekundärkreis zum Austritt des Wassers zum Verbraucher bzw. zur erneuten
Einspeisung in den Wärmetauscher. Ansonsten stehen die Entnahme- bzw. Einspeisebohrungen
15a
der Kopfplatte 17 über nutenartig eingefräste Kanäle derart miteinander in Verbindung,
daß der in sich geschlossene Primärkreis, wozu die Durchgangsbohrung 23 für den
Vorlauf mittels eines nicht dargestellten Anschlusses direkt mit der Durchgangsbohrung
24 für den Rücklauf angeschlossen wird, über einen ersten Kanal 27 das Einströmen
des Wassers in den äußeren Behälter 2 ermöglicht.
-
Das Wasser tritt danach an der gegenüberliegenden Seite aus den dortigen
Entnahmebohrungen aus und gelangt geleitet von einem Kanal 28 direkt in den zentralen
innersten Behälter 6. Nach dem Aufheizen auf die Betriebstemperatur tritt das Wasser
in einen gegenüberliegenden Kanal 29 der Kopfplatte 17 ein, der das aufgeheizte
Wasser unter Überbrückung des dem innersten Behälter 6 benachbarten Behälters 5
in den mittleren Behälter 4 leitet, wo es nach dem Umströmen des Behälters an der
gegenüberliegenden Seite über die dortigen Bohrungen in einen zur Rücklauf-Durchgangsbohrung
24 führenden Kanal 31 gelangt. Von hier setzt der Strömungskreislauf erneut ein,
da das Wasser von der Bohrung 24 direkt zur Vorlauf- Durchgangsbohrung 23, von dort
wie vorbeschrieben in den äußeren Behälter 2 und danach über den innersten Behälter
6 wieder zum mittleren Behälter 4 und dessen Kanal 31 zur Rücklaufbohrung 24 gelangt.
-
Über ähnlich separierende Kanäle durchströmt der nach außen offene,
d.h. zum Verbraucher führende und von diesem zurückgeführte Sekundärkreis die zugeordneten
Behälter 3 und 5.
-
Das über die Rücklaufbohrung 25 zurückströmende Wasser tritt in einen
zum Behälter 3 führenden Kanal 30 ein und
gelangt über die diesem
Kanal zugeordneten Einspeisebohrungen 15a in den gewünschten Strömungskreislauf,
der das Wasser an den gegenüberliegenden Entnahmebohrungen des Behälters 3 in einen
zum Behälter 5 führenden Kanal 32 einströmen läßt, so daß es nach einer optimalen
Aufheizphase über die in der Kopfplatte 17 gegenüberliegenden Entnahmebohrungen
in einen zur Rücklaufbohrung 26 des Sekundärsystems führenden Kanal 33 und damit
zum Verbraucher gelangen kann.
-
Die beiden Kreisläufe sind untereinander druckstabil, wobei ggfs.
ein Druckausgleich und auch eine Flüssigkeitsnachspeisung des geschlossenen Primärkreises
über die Dichtflächen vorliegt. Das gilt aber beispielsweise nicht mehr beim Erwärmen
von Trinkwasser, da in diesem Fall das System völlig dicht sein muß; etwaige Flüssigkeitsverluste
des Primärsystems lassen sich in diesem Fall durch eine Einspeisung über die den
Rücklauf mit dem Vorlauf verbindende Leitung durchführen.
-
Das zuvor beschriebene Flußschema wird anhand der Fig. 1 mit den dort
eingezeichneten Pfeilen verdeutlicht. Die Pfeile 34 verdeutlichen den Primärkreis
und die Pfeile 35 den Sekundärkreis. Dem Flußschema läßt sich auch eine in die Verbindungsleitung
von Vor- und Rücklauf 23 bzw. 24 des Primärsystems geschaltete Pumpe 36 sowie eine
im Rücklauf des Sekundärsystems das Wasser zum Verbraucher fördernde Pumpe 37 entnehmen.
-
Beim Einsatz zum Zwecke der Brauchwasseraufbereitung läßt
sich
der Wärmetauscher 1 über den Heizungskreislauf mit Vorrangschaltung und mischergesteuert
direkt über den Primär- bzw. Sekundärkreis an einen mit Warmwasser beheizten Brauchwasserbereiter
anschließen.