HEAT EXCHANGER FOR HEAT PUMPS

Abstract: 1. A heat exchanger for heat pumps or for the direct heating of process water, comprising at least one flat structural unit of hardening injection mouldable and/or castable mineral constituents reinforced with metallic or fibrous mats and with an integrated duct system for the passage of a heat-transfer medium, characterised by the following features : 1. the heat exchanger is of tunnel-like construction ; 2. the inside of the heat exchanger can be acted upon by ambient air in a controlled manner.

Description: Warmetauscher fur WarmtEumEen Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpen oder für die direkte Brauchwassererwärmung im Sommer, vorzugsweise aus abbindenden spritz- und/oder giessbaren mit Metall- oder Fasermatten armierten Mineralbestandteilen, in die ohr- schlangen eingebettet sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, der einen optimalen Wärmeabsorptionsgrad aufweist und einfach und kostensparend herstellbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher gewölbeartig oder knickdacharitg ausgebildet ist, wobei in den Wänden die Rohrschlangen angeordnet sind. Beispielsweise ergeben zwei symmetrische Halbteile zusammengestellt ein Gewölbe. In den Wänden dieser beiden symmetrischen Halbteile sind die fur den Wärmeaustausch erforderlichen Rohrschlangen einge gossen. Der so gebildete Gewölbetunnel, der durch Aneinanderreihung von mehreren solcher Halbteil- paare beliebig verlängerbar ist, kann auf seiner Aussenseite Wärme von der Umgebungsluft oder der Sonneneinstrahlung aufnehmen. Die Innenfläche des Gewölbetunnels kann über regelbare mechanische Mittel z.B. Ventilatoren und Schikanen mit einer beliebigen Luftmenge beaufschlagt werden. Somit ist es infolge unterschiedlicher Aussentemperaturen möglich, jeweils nur die Wärmemenge anzubieten, die der Kompressor der Wärmeprupe in der für ihn zulässigen Kennlinie optimal verkraften kann ohne Schaden zu nehmen. Vorzugsweise sind die einen Gewölbetunnel bildenden Teile in der senkrechten Gewölbeschliessebene mittels Rundrohr, winkeligem Rohr, Doppel-T Profil, Vollstab oder Nut- und Feder-Anordnung zusammenhaltbar und zentrierbar. Die Anzahl der Teile ist praktisch beliebig, die Teile können symmetrisch und nicht symmetrisch zueinander angeordnet sein. Beispielsweise bilden die beiden zu einem Gewölbe zusammengesetzten symmetrischen Halbteile in der Mitte eine senkrechte Gewölbeschliessebene. In der Mitte dieser Gewölbeschliessebene sind zentrierende Mittel angebracht, wie beispielsweise ein Rundrohr, ein winkeliges Rohr, ein Doppel-T-Profil, ein Vollstab oder eine Nut- und Feder-Anordnung. Diese stabilisierenden und gegebenenfalls zentrierenden Mittel haben einerseits die Aufgabe Wärmedehnungen unbeschadet zu verarbeiten, andererseits entsprechen sie statisch durch das Eigengewicnt der Teile, ferner durch die Lage der Schwerpunkte der einzelnen Teile, durch zusätzliche kraftschlüssige Verbindungen und durch den der Gewölbekonstruktion eigenen Merkmalen den üblichen Beelastungen, wie z.B. Winddruck, Schneelast usw. Vorzugsweise sind die Teile im Bereich ihrer Fussebenen an Leisten und/oder sind an Ankern befestigt. Diese Leisten oder Anker nehmen die durch das Auseinanderstreben der Teile entstehenden Kräfte auf und übertragen diese als Zugkräfte, so dass nach Belieben ein breiterer oder ein schmalerer Gewölbetunnel entsteht. GemäB einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform erweitern sich die radialen Stossfugen der gewölbeartigen Halbteile zum Gewölbeinneren. Da es gelegentlich zur Eisbildung kommen wird, werden die Stösse der Halbteile so ausgebildet, dass sie sich zum Gewölbeinneren bzw. nach unten keilartig erweitern und so der Sprengwirkung des Eises entgegenwirken, indem der sich bildende Eiskeil zum Inneren abgeleitet wird. Gemäss einer besonders bevorzugten Ausfuhrunesform weisen die nach aussen gerichteten Flächen der Halbteile radiale Rippen oder Wellen und/oder die nach innen gerichteten Flächen der Halbteile axiale Rippen oder Wellen auf. Zur Verbesserung der Wärmeabsorption wird eine Ver grösserung der Oberfläche angestrebt. Die nach aussen gerichteten Flächen des Gewölbetunnels weisen deshalb gegebenenfalls radiale Rippen oder Wellen auf. Die innenliegenden Gewölbeflächen enthalten dagegen gegebenenfalls axiale Rippen oder Wellen zur Vergrösserung der Austauschoberflächen. Gemass einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Teile so geformt, dass sie im zusammen- gesetzten Zustand einen Gewölbetunnel mit winkeligem oder gekrürninten Querschnitt bilden, wobei bei winkeligem Querschnitt der Neigungswinkel von 80 ffi der gesamten Aussenfläche minimal 100 beträgt und bei gekrümmten Aussenflächen der Tangentenwinkel minimal 100 über mindestens 80 ffi der gesamten Krüiniiiungsmittel- linie beträgt. Das durch die Teile gebildete Gewölbe kann sowohl winkeligen, als auch kurvenförmigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Um die Wärmeabsorption günstig zu gestalten, wird die Neigung der bestrahlbaren Flächen so gewählt, dass bei ebenen Flächen ein Neigungswinkel von mindestens 100 eingehalten wird und bei gekrümmten Flächen die Tangenten zu diesen Aussenflächen bei mindestens 80 ffi dieser Aussenflächen gleichfalls mindestens 100 ergeben. Vorzugsweise sind die nach aussen gerichteten Flächen der Teile mit dunklen Farbstoffen enthaltenden Mitteln beschichtet. Ein weiteres Mittel,die Wärmeabsorption zu vergrössern besteht darin, an den Aussenflächen des Gewölbes dunkle Schichten aufzutragen. Vorzugsweise enthalten die spritz- und /oder giessbaren Mineralbestandteile Zuschlagstoffe zur Erhöhung der Wärmeleitzahl. Um die Wärmeleitfähigkeit und damit die WÅarmespeicher- fähigkeit zu erhöhen, werden in das abbindende Material Zuschlagstoffe, wie -z.B. Basalt, Granit usw. hinzu gesetzt, Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsforin sind die gewölbeartigen Teile als Buft- kanälen versehenen Doppelschalen ausgestaltet, in deren Aussenwände als auch in deren Innenwände Rohrschlangen angeordnet sind, wobei die Luftkanäle sowie die Innenfläche des Gewölbetunnels axiale Rippen und Wellen und die Aussenflächen radiale Rippen und Wellen aufweisen. In Fällen mit begrenzten Platzverhältnissen wird zur Vergrösserung der Austauschoberflache ein Doppelschalen system verwendet, das durch die Verdoppelung der Rohrschlangen und Integration von tuftkanälen zwischen den Rohrschlangen bei gleichzeitiger Verrippung der Luftführungssystem die Wärmeentzugsmöglichkeit erheblich verbessert. Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsforin arbeiten die ein Rältemittel enthaltenden Rohr vorzugsweise schlangen als Verdampfer, wobei das Kältemitte#in die Rohrenden nahe der GewQlbeschlieBebene eingespritzt vorzu wird und die Absaugung Nahe der Fussebene erfolgt. Im Fall der Verwendung des Wärmeaustauschers als Verdampfer wird das System der Mehrfacheinspritzung angewendet, wobei die Einspritzung des flüssigen Kältemittels in die Rohrenden der gleich langen Rohrschlangen im Bereich der GeWölbeschliessebene vorzugsweise erfolgt und die Verdampfung#von oben nach unten bis zum Rohrende im Bereich der Fussebene von statten geht. In diesem System sind die Querschnitte und Rohrlängen sowie auch die Längen der Einspritz- und Sauganschlussleitungen immer untereinander gleich; in Verbindung mit den zugehörigen Lötfittings und Düsen sind immer gleiche Druckverluste gewährleistet. Der Anschluss erfolgt über gleichlange Ableitungen zum Sammelpunkt der Kompressorsaugleitung. Gemäss einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform arbeiten die eine Sole enthaltenden Rohrschlangen als Solewärmetauscher, bei dem alle einen gleichen Rohrwiderstand aufweisenden Rohrschlangen parallel zueinander über zwei Sammelleitungen ang schlosaen sind vorzugsweise wobei die Sammelleitung für die kalte Solel#im Bereich der Fussebene und die Sammelleitung für die erwärmte voruRsweise Sole im Bereich der Gewölbeschliessebene angeordnet ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungs gemassen Wärmetauschers Figur 2 bis Figur 6 Querschnitte verschiedenartiger Gewölbe formen Figur 7 einen Wärmetauscher als Doppelschalensystem Figur 8 ein bevorzugtes Anschlusssystem der Rohr schlangen. In Figur 1 ist der erfindungsgemässe Wärmetauscher in perspektivischer Ansicht gezeigt. Er besteht aus den beiden Halbteilen 1 und 2. In den Wänden 3 und 4 der Halbteile 1 und 2 sind die Rohrschlangen 5 angeordnet. Die beiden symetrischen Halbteile 1 und 2 sind in der Weise zusammengesetzt, daR sich ein Ge wölbetunnel 6 ergibt. Die beiden Ralbteile 1 und 2 berühren sich in einer senkrechten Gewölbeschliessebene 7. Als zentrierendes Mittel ist in der Mitte der GewölbeschlieBebene 7 ein winkeliges Rohr lo eingesetzt. Dieses winkelige Rohr 1o dient dazu, die Gewolbehalbteile statisch festzulegen. Um ein Auseinanderstreben der beiden Halbteile 1 und 2 zu verhindern, sind an ihren Fussebenen 14 und 15 Leisten 16 und 17 angeordnet. Diese Meisten 16 und 17 oder ähnliche Verankerungen sind an dem Unterbau 8, beispielsweise ein Fundament oder eine Dachkonstruktion befestigt. Das aus den beiden Halbteilen 1 und 2 be stehende Gewölbe kann durch Aneinanderreihung mehrer zu einem Gewölbe zusammengesetzten Halbteile beliebig oft verlängert werden. In Figur 1 ist dies durch die beiden Balbteile 1' und 2' geschehen. Die so entstandenen radialen Stossfugen 18 und 19 sind zum Gewölbeinnern 20 keilartig erweitert, um der Sprengwirkung bei Eisbildung entgegenzuwirken. Die nach aussen gerichteten Flächen 21 und 22 weisen in Figur 1 nicht dargestellte radiale Rippen oder Wellen zur Vergrösserung der Oberfläche auf. Die nach innen gerichteten Flächen 23 und 24 des Gewölbes 6 sind dagegen mit ebenfalls in Figur 1 nicht dargestellten axialen Rippen oder Wellen versehen. Ferner sind im Gewölbetunnel 6 ebenfalls in Figur 1 nicht gezeigte Ventilatoren mit Schikanen für die intensive Luft- fuhrung und Schalldämpiung unteyebracht, Die Rohr vorzugsweise schlangen 5 und 5' werden#mittels der Anschlüsse 25 versorgt. In Figur 2 bis Figur 6 sind verschiedene Ausführungsformen von Gewölben gezeigt. In den Ausführungsbeispielen sind die Gewölbe aus 2 symetrischen Halbteilen 1 und 2 zusammengesetzt. Die Zentrierung in der Gewölbeschliessebene 7 kann in verschiedener Weise geschehen, nämlich mittels eines Vollstabes 12, eines Doppel-T-Profils 11, einer Nut 49 - und Feder- 50 Anordnung 13, eines Rundrohres 9 oder eines rechteckigen Stabes 48. Verschiedenartig können auch die Querschnitte der Gewölbe sein. In Figur 2 und Figur 3 sind Gewölbe mit winkeligen Querschnitten 27 und 26 dargestellt. In den Figuren 4 bis 6 besitzen die Gewölbe einen gekrummten Querschnitt 28. Die Neigung der bestrahlbaren Flächen 30 ist so gewahlt, dass ein Neigungswinkel 29 von mindestens 100 eingehalten wird, und zwar über mindestens 80 ffi der gesamten Aussen fläche des Gewölbes. Bei gekrümmten Aussenflächen 31 ist die Krümmung so ausgestaltet, dass der Tangentenwinkel 32 über die gesamte Krümmungsmittellinie 33 bei mindestens 80 % ebenfalls mindestens 100 beträgt. In Figur 7 ist ein Wärmetauscher als Doppelschalensystem dargestellt. Die beiden symmetrischen Halbteile 1 und 2 bestehen hier aus zwei Doppelschalen 35 und 36. Die Aussenwände 37 und 38 der Doppelschalen 35 und 36 enthalten Rohrschlangen 41. Die Innenwände 39 und 4o der Doppelschalen 35 und 36 enthalten ebenfalls Rohrschlangen 42. Die Aussenwände 37 und 38 sowie die Innenwände 39 und 4o sinddurch Luftkanäle 34 getrennt. Die innenfläche 43 und die Luftkanäle 34 enthalten in Figur 7 nicht dargestellte axiale Rippen oder Wellen. Die Aussenflächen 44 sind dagegen mit radialen Rippen oder Wellen ausgestaltet. Mittels dieses Doppelschalensystems wird eine Verdoppelung der Austauschoberfläche erreicht, was zu erheblichen Platzersparnissen führt. Ausserdem werden die knschlussrohrenden 45 der gleich langen Rohrschlangen 41 und 42 vorzugsweise so nebeneinander herausgeführt, dass Anschlussarbeiten leicht ausgeführt werden können. Mechanische Mittel z.B. Ventilatoren bewirken dabei die Hindurchleitung der Luft z.B. durch Gebläsewirkung. In Figur 8 ist ein bevorzugtes Anschlusssystem für Brauchwasser und Soleerwärmung der Rohrschlangen 5 gezeigt. Die Sammelleitung 46 führt die Sole über die parallel zueinander angeschlossenen Rohrschlangen 5 in eine andere Sammelleitung 47. Hierbei besitzen die Leitungen alle den gleichen Rohrwiderstand. Bei Verwendung des Wärmetauschers als Solewärmetauscher erfolgt der Anschluss der Sammelleitung 46 für die kalte Sole vorzugsweise im Bereich der Fussebenen 14 und 15, während die erwärmte Sole vorzugsweise im Bereich der Gewölbeschliessebene 7 mittels der Sammelleitung 47 angeschlossen wird. Bezugszeichenliste 1, 1' Halbteil 2, 2' Halsteil 3 Wand 4 Wand 5, 5' Rohrschlange 6 Gewölbetunnel 7 Schliessebene im Gewölbe- bzw. Knickdach 8 Unterbau 9 Rundrohr 1o winkeliges Rohr 11 Doppel-T-Profil 12 Vollstab 13 Nut- und Feder-Anordnung 14 Fussebene 15 Hubebene 16 Leisten 17 Leisten 18 radiale Stossfuge 19 radiale Stossfuge 20 Gewöbeinnere 21 Fläche 22 Fläche 23 Fläche 24 Fläche 25 Anschlüsse 26 Querscbnitz 27 Querschnitt 28 Querschnitt 29 Winkel 30 Fläche 31 Fläche 32 Tangentenwinkel 33 Krümmungsmittellinie 34 Luftkanäle 35 Doppel schale 36 Doppel schale 37 Aussenwand 38 Aussenwand 39 Innenwand 4o Innenwand 41 Rohrschlange 42 Rohrschlange 43 Innenfläche 44 Aussenfläche 45 Rohrenden 46 Sammelleitung 47 Sammelleitung 48 Rechteckförmiger Stab 49 Nut 5o Feder

Claims: A n s r ü c h e 1. Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpen oder für die direkte BrauchwassererwärmunS im Sommer, vorzugsweise aus abbindenden spritz- und/oder giessbaren, mit Metall- oder Fasermatten armierten Mineralbestandteilen, in die Rohrschlangen einge bettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass er gewölbeartig oder knickdachartig ausgebildet ist, wobei in den Wänden die Rohrschlangen (5) angeordnet sind. 2. ärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens zwei Teilen (1, 2) gewölbe artig zusammengesetzt ist, wobei in den Wänden (3, 4) der Teile (1, 2) die Rohrschlangen (5) ein gegossen sind. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er aus zwei Balbteilen (1, 2) gewölbeartig zusammengesetzt ist, wobei in den Wänden (3, 4) der Ealbteile (1, 2) die Rohrschlangen (5) einge gossen sind. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbeartigen Teile (1, 2) als mit Luftkanälen (34) versehene Doppelschalen (35, 36) ausgestaltet sind, in deren Aussenwänden (37, 38) als auch deren Innenwande (39, 40) Rohrschlangen (41, 42) angeordnet sind, wobei die Luftkanäle (34) sowie die Innenfläche (43) des Gewölbetunnels (6) axiale Rippen und Wellen und die Aul3enfläche (44) radiale Rippen und Wellen aufweisen. 5. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Gewölbetunnel (6) bildenden Teile (1, 2) in der senkrechten Gewölbeschliessebene (7) mittels Rundrohr (9), winkeligem Rohr (in), Doppel-T-Profil (11), Vollstab (12) oder Nut und Feder-Anordnung (13) zusammenhaltbar und gegebenenfalls zentrierbar sind. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (1, 2) im Bereich ihrer Fussebenen (14, 15) an Leisten (16, 17) anliegen und/oder an Anker befestigt sind. 7. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Stossfugen (18, 19) der gewölbe artigen Teile (1, 2) sich zum Gewölbeinneren (20) erweitern. 8. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daB die nach aussen gerichteten Flächen (21, 22) der Teile (1, 2) radiale Rippen oder Wellen und/ oder die nach innen gerichteten Flächen (23, 24) der Teile (1, 2) axiale Rippen oder Wellen auf weisen. 9. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (1, 2) so geformt sind, dass sie im zusammengesetzten Zustand einen Gewölbetunnel (6) mit winkeligem (26, 27) oder gekrümmtem (28) Querschnitt bilden, wobei bei winkeligem Quer schnitt (26, 27) der Neigungswinkel (29) von 80 % der gesamten Aussenfläche (fo) mindestens 100 beträgt und bei gekrümmter Aussenfläche (31) der Tangenten winkel (32) mindestens 100 über mindestens 80 % der gesamten Erummungsmittellinie (33) beträgt. 'lo. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die nach aussen gerichteten Flächen (21, 22) der Teile (1, 2) mit einem dunklen Farbstoff enthaltenden Mittel beschichtet sind. 11. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bislo, dadurch gekennzeichnet, dass die spritz- und/oder giessbaren Mineralbestand teile Zuschlagstoffe zur Erhöhung der Wärme leitzahl enthalten. 12. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Kältemittel enthaltenden Rohrschlangen (5, 41, 42) als Verdampfer arbeiten, wobei das Kältemittel vorzugsweise in die Rohrenden (45) nahe der Gewölbeschliessebene (7) eingespritzt wird und die Absaugung vorzugsweise in der Nähe der Fuss ebene (14, 15) erfolgt. 13. Wärmetauscher nach Anspruch 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Sole enthaltenden Rohrschlangen (5, 41, 42) als Solewarmetauscher arbeiten, bei dem alle einen gleichen Rohrwiderstand aufweisen den Rohrschlangen (5, 41, 42) parallel zueinander über zwei Sammelleitungen (46, 47) angeschlossen sind, wobei die Sammelleitung (46) für die kalte Sole vorzugsweise im Bereich der Fussebene (14, 15) und die Sammelleitung (47) für die erwärmte Sole vorzugsweise im Bereich der Gewölbeschliessebene (7) angeordnet ist.

Inventors: KLUSCH, SIEGFRIED
Applicants: GROTZ, FRANZ GMBH & CO.KG BAUUNTERNEHMUNG
Application year: 1983
Main classification: F24J2
IPC codes: F24J2