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Warmwasserspeicher
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Die Erfindung betrifft einen Warmwasserspeicher, mit einem wärmeisolierenden
Behälter und einer im unteren Bereich des Behälters angeordneten ringförmigen Heizvorrichtung
mit mindestens einem Leitelement, das eine mittlere Öffnung für den Aufstieg warmen
Wassers und im Abstand von dieser eine seitliche Öffnung für das Absinken kälteren
Wassers aufweist.
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Derartige Warmwasserspeicher können für die Erwärmung und Bereithaltung
von Brauchwasser oder auch als Wärmespeicher in Verbindung mit Solarheizungen o.dgl.
benutzt werden.
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Der Behälter ist mit Wasser gefüllt, das von der Heizvorrichtung erwärmt
wird. Das warme Wasser steigt infolge seiner geringeren Wichte im Innern des Behälters
auf.
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Bei seinem Aufstieg durchquert das warme Wasser die darüberliegenden
absinkenden Schichten kälteren Wassers und gibt einen Teil der aufgenommenen Wärmeenergie
sogleich wieder an das kältere Wasser ab. Wünschenswert ist es jedoch, das
erwärmte
Wasser möglichst ohne Wärmeverluste in den oberen Bereich des Behälters zu transportieren,
ohne daß Wärme an die absinkenden kälteren Wasserschichten abgegeben wird. Es ist
ein Wärmespeicher bekannt (DE-OS 28 04 456), bei dem über der Heizvorrichtung zahlreiche
Leitelemente in unterschiedlichen Höhen in dem Behälter angeordnet sind. Die Leitelemente
sind kegelstumpfartige Bleche, die jeweils eine Mittelöffnung aufweisen und sich
bis in die Nähe der Behälterseitenwand erstrecken. Das von der Heizvorrichtung erwärmte
Wasser strömt in Form einer vertikalen Wassersäule durch die Mittelöffnungen der
Leitelemente hindurch nach oben, während das kalte Wasser an der Behälterseitenwand
entlang nach unten absinkt. Auf diese Weise werden die vertikalen thermischen Wasserströmungen
voneinander getrennt, so daß das kältere Wasser ohne Vermischung mit dem aufgeheizten
Wasser an die Heizvorrichtung gelangt und dieser somit eine relativ große Wärmemenge
entziehen kann, weil die Temperaturdifferenz zwischen der Heizvorrichtung und dem
kalten Wasser relativ groß ist. Die Leitelemente bewirken eine Schichtung des Wassers
in etagenartigen Schichten mit unterschiedlichen Temperaturen. Bei dem bekannten
Warmwasserspeicher ist die Heizvorrichtung zylindrisch ausgebildet und das unterste
Leitelement befindet sich im Abstand über der Heizvorrichtung. Infolge dieser Ausbildung
tritt in dem Bereich zwischen der Heizvorrichtung und dem untersten Leitelement
die gewünschte Schichtbildung nicht ein. In diesem Bereich können sich vielmehr
warmes und kaltes Wasser miteinander vermischen, so daß der angestrebte Effekt der
Schichtbildung zwar im oberen Bereich des Behälters erreicht, im unteren Bereich,
also in der Nähe der Heizvorrichtung,aber praktisch wieder aufgehoben wird. Gerade
in diesem Bereich ist es aber wichtin,die Ströme kalten und warmen Wassers streng
voneinander zu trennen, weil die
Temperaturunterschiede zwischen
beiden Strömen hier am größten sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Warmwasserspeicher
der eingangs genannten und durch die DE-OS 28 04 456 bekannten Art derart weiterzubilden,
daß die Wasserschichten mit unterschiedlichen Temperaturen, insbesondere in der
Nähe der Heizvorrichtung, noch besser voneinander getrennt gehalten werden, um durch
Erhaltung der Temperaturdifferenz einen schnelleren Transport des warmen Wassers
in die oberen Behälterzonen zu bewirken und damit eine schnellere Aufheizung des
Wassers auch bei relativ geringer Temperaturdifferenz zwischen der Heizvorrichtung
und dem Wasser zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Heizvorrichtung nach Art eines umgekehrten Trichters mit sich nach oben verjüngendem
Durchmesser ausgebildet ist.
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Das sich an der Heizvorrichtung erwärmende Wasser wird im Innern des
umgekehrten Trichters zunehmend nach oben hin beschleunigt. Die Auftriebskraft hängt
ab von der Temperaturdifferenz des Wassers zwischen Eintritt und Austritt der Heizvorrichtung
und von der Höhe der Heizvorrichtung. Da der Durchmesser der Heizvorrichtung sich
nach oben verringert, wird die Geschwindigkeit des Wassers während der Erwärmung
immer größer. Hierdurch entsteht eine Kaminwirkung, durch die das Wasser in Form
einer streng begrenzten Säule mit relativ großer Strömungsgeschwindigkeit aus der
Heizvorrichtung aufsteigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die sich
nach oben hin verjüngende Heizvorrichtung eine gleichmäßige Erwärmung des Wassers
über den Querschnitt der Wassersäule erfolgt. Das Wasser ist also bereits beim Verlassen
der Heizvorrichtung zu einer Wassersäule gebündelt, die vorzugsweise rund ist, so
daß sie die geringstmögliche Oberfläche hat und ein möglichst kleiner Wärmeaustausch
und eine möglichst geringe Vermischung mit den angrenzenden
(kälteren)
Wasserschichten stattfindet. Das erwärmte Wasser durchläuft den unteren Bereich
des Behälters, in dem die größten Temperaturunterschiede bestehen, also in scharfgebündelter
Form, so daß die Vermischung mit dem kälteren Wasser so gering wie möglich gehalten
wird. Dies ist wichtig, um den Exergiegehalt des Wassers, also das Wärmepotential
gegenüber der Umgebung, möglichst hoch zu halten und andererseits der Heizvorrichtung
Wasser mit möglichst niedriger Temperatur zuzuführen.
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Die Heizvorrichtung kann entweder selbst als Leitelement ausgebildet
sein, indem sie eine im wesentlichen undurchlässige trichterförmige Wand bildet,
oder sie kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung mit Abstand seitlich
von einem unteren ringförmigen Leitelement mit sich nach oben verjüngendem Durchmesser
umgeben sein. In dem zweiten Fall braucht die Heizvorrichtung keine wasserundurchlässige
Wand zu bilden, sondern sie kann aus Rohrwindungen bestehen, die mit geringem Abstand
voneinander angeordnet sind und somit auf ihrer gesamten Umfangsfläche umströmt
werden.
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Zwar soll der Durchmesser der Heizvorrichtung bzw. des untersten Leitelementes
sich generell von unten nach oben verkleinern, jedoch schließt dies nicht aus, daß
die betreffenden Teile beispielsweise an ihrem oberen Ende eine mundförmige Erweiterung
oder an ihrem unteren Ende eine geringfügige Verengung aufweisen.
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Von besonderer Bedeutung ist, daß die aus der Heizvorrichtung aufsteigende
Warmwassersäule turbulenzarm abströmt. Die Strömungsgeschwindigkeit kann dadurch
beeinflußt werden, daß der Ringspalt, den das untere Ende der Heizvorrichtung bzw.
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das untere Ende des Leitelementes mit der Behälterwand bildet, um
das absinkende kältere Wasser der Heizvorrichtung zuzuführen, so eng gemacht wird,
daß ein Strömungswiderstand
entsteht, durch den sichergestellt ist,
daß das Wasser die Heizvorrichtung nicht mit zu großer Strömungsgeschwindigkeit
durchfließt, die eine ausreichende Temperaturerhöhung in der Heizvorrichtung verhindern
würde.
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Eine besonders gute Kaminwirkung und Beschleunigung der zusammengefaßten
Warmwassersäule ergibt sich, wenn die Wand der Heizvorrichtung bzw. die Wand des
Leitelementes im Querschnitt annähernd hyperboloidförmig ausgebildet ist.
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Die Wand kann jedoch auch geradlinig verlaufen, so daß die entsprechenden
Teile dann etwa kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind oberhalb der
Heizvorrichtung mehrere Leitelemente in verschiedenen Höhen fest angebracht und
zwischen mindestens zwei Leitelementen ist ein Schwebekörper angeordnet, dessen
spezifisches Gewicht der Wichte des Wassers mit einer für diesen Höhenabschnitt
vorgesehenen Temperatur entspricht.
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Die Schwebekörper, die z.B. als Kugeln ausgebildet sind, bewirken,daß
sich die Flüssigkeitssäule auf den betreffenden Höhenabschnitt verteilt, wenn sie
eine Temperatur hat, die diesem Höhenabschnitt entspricht. Hat die Flüssigkeitssäule
eine höhere Temperatur,dann steigt sie an dem Schwebekörper vorbei in den nächsthöheren
Höhenabschnitt auf.
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Der Schwebekörper kann derart ausgebildet sein, daß er bei Anlage
an einem der beiden Leitelemente dessen mittlere Offnung im wesentlichen absperrt.
Auf diese Weise wird die Aufrechterhaltung der verschiedenen Temperaturschichten
des Wassers durch ventilartige Verschlüsse verstärkt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Leitelement
ein im mittleren Höhenbereich des Behälters frei in dem Wasser schwebendes Flächenelement,
dessen
spezifisches Gewicht der Wichte des Wassers mit einer für
diesen Höhenabschnitt vorgesehenen Temperatur entspricht.
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Das schwebende Leitelement trennt Wasserschichten unterschiedlicher
Temperatur und stellt sich selbsttätig auf eine Höhe ein, die der Temperaturgrenze
entspricht.
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Der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher eignet sich insbesondere für
die Ausnutzung von Niedrigtemperaturwärme.
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Wenn mehrere unterschiedliche Wärmequellen zur Verfügung stehen, z
.13. ein Wärmekollektor und eine mit Brennstoffen oder Strom betriebene Wärmequelle,
kann die Heizvorrichtung aus me:.reren Abschnitten bestehen, die an unterschiedliche
Wärmequellen angeschlossen sind. Vorzugsweise ist eine derartige Heizvorrichtung
derart ausgebildet bzw. geschaltet, daß sie in dem Bereich kleinsten Durchmessers
die höchste und in dem Bereich größten Durchmessers die niedrigste Temperatur aufweist.
Am unteren und äußeren Rand der Heizvorrichtung findet dann gewissermaßen eine Vorheizung
statt, während die Aufheizung auf die vorgesehene Endtemperatur kurz vor dem Verlassen
der Heizvorrichtung im Bereich des engsten Querschnittes erfolgt.
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Der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher kann als Boiler für die Erzeugung
von warmem Brauchwasser oder auch als Wärmespeicher eingesetzt werden. Im zweiten
Falle ist vorzugsweise am oberen Ende des Behälters ein ringförmiger Wärmetauscher
im Abstand von der Behälterwand angeordnet, dessen Durchmesser sich nach oben hin
verkleinert. Das von der Heizvorrichtung erwärmte und in dem Behälter aufsteigende
warme Wasser gibt einen Teil seiner Wärme an den Wärmetauscher ab und kühlt sich
dabei ab. Das abgekühlte Wasser fällt entlang der Seitenwand des Behälters ab und
wird wieder der Heizvorrichtung zugeführt. Im Falle eines Wärmespeichers braucht
die Behälterflüssigkeit nicht aus reinem Wasser zu bestehen, sondern kann Zusätze
zu Erhöhung der
Wärmespeicherkapazität enthalten. Bei einem Wärmespeicher
ist der Behälter allseitig geschlossen, so daß im Behälterinnern ein geschlossenes
Umlaufsystem existiert. Ein derartiger Wärme speicher wird beispielsweise von einem
Wärmekollektor aus beheizt und stellt für einen Abnehmer eine bestimmte Wärmemenge,
unabhängig von der Lieferbereitschaft des Wärmekollektors, über einen längeren Zeitraum
zur Verfügung. Der im oberen Bereich des Behälters angeordnete Wärmetauscher wird
vorzugsweise von unten nach oben durchströmt, so daß ein Wärmetausch nach dem Gegenstromprinzip
stattfindet, wobei das den Wärmetauscher durchströmende Medium zunächst der Wirkung
des kälteren Wassers und anschließend der Wirkung immer wärmeren Wassers ausgesetzt
wird.
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Vorzugsweise ist im Innern des von dem Wärmetauscher umschlossenen
Raumes ein sich nach unten erweiterndes Leitelement angeordnet. Dieses Leitelement
lenkt das sich an dem Wärmetauscher abkühlende Wasser in den Randbereich des Behälters
und ferner das in der Behältermitte befindliche warme Wasser zum Wärmetauscher.
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Bei der Verwendung des Warmwasserspeichers als Brauchwasserboiler
kann am unteren Ende des Behälters ein Kaltwasservorlauf vorgesehen sein, der Wasser
kreisend und im Gegenstrom zu dem in der Heizvorrichtung fließenden Medium an der
Heizvorrichtung entlangführt. Hierdurch wird die Erwärmung des zufließenden Kaltwassers
besonders wirksam durchgeführt.
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Zweckmäßigerweise ist der Kaltwasserzulauf gegen eine Prallplatte
gerichtet.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf d-ie-Figuren Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Warmwasserbereiter,
Figur 2 die Ausbildung des oberen Bereichs des Behälters im Falle eines Wärmespeichers,
Figur 3 ein schematisches Schaltbild des Behälters im Falle eines Wärmespeichers,
der von unterschiedlichen Wärmequellen versorgt wird, Figur 4 einen schematischen
Längsschnitt durch einen Behälter mit schwebendem Leitelement, und Figur 5 eine
Ansicht der Heizvorrichtung bei dem Behälter nach Fig. 4 von unten.
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Der in Fig. 1 dargestellte Warmwasserspeicher weist einen im wesentlichen
zylindrischen Behälter 10 mit gewölbten Stirnflächen auf, der mit einer Wärmedämmschicht
11 thermisch gegen die Umgebung isoliert ist. Der Behälter 10 weist in seiner unteren
Stirnwand einen Kaltwasserzulauf 12 und in seiner oberen Stirnwand einen Warmwasserablauf
13 auf. Im unteren Bereich des Behälters 10 befindet sich die Heizvorrichtung 14,17,
die aus einem Wärmetauscherrohr 14 besteht, das mit seinem einen Ende an eine Vorlaufleitung
15 und mit seinem anderen Ende an eine Rücklaufleitung 16 angeschlossen ist. Das
Wärmetauscherrohr weist zahlreiche Windungen auf,die einen nach unten hin zunehmenden
Durchmesser haben. Auf diese Weise entsteht die in Fig. 1 dargestellte Form des
Heizkörpers 14, bei der - im Querschnitt gesehen - die Rohrwindungen entlang einer
Huperboloidkurve verlaufen. Die Heizvorrichtung 14,17 ist insgesamt
etwa
trichterförmig oder glockenförmig ausgebildet. Ihr Querschnitt verkleinert sich
von unten nach oben hin. Die Vorlaufleitung 15, in der das Wärmeträgermedium die
höchste Temperatur hat, ist an die oberste (kleinste) Windung des Heizkörpers 14
angeschlossen und die Rücklauf leitung an die unterste und somit größte Windung.
Der Heizkörper 14, der im vorliegenden Fall aus einer einzigen Rohrschlange besteht,
kann auch aus mehreren an separate Wärmequellen anschließbaren Abschnitten bestehen.
Die Heizvorrichtung 14 ist von einem Leitelement 17 umgeben, das ebenfalls rotationssymmetrisch
ausgebildet ist und der Form des Heizkörpers 14 im wesentlichen folgt. Das Leitelement
17 hat jedoch einen Abstand von der Heizvorrichtung 14.
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Oberhalb des Leitelementes 17 bzw. des Heizkörpers 14 sind in dem
Behälter 10 weitere Leitelemente 18, 19, 20 und 21 angeordnet, die umgekehrt-trichterförmig
oder glockenförmig ausgebildet sind und an ihrem verjüngten oberen Ende jeweils
eine Durchtrittsöffnung 22 aufweisen.
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Die Leitelemente 18 bis 21 erstrecken sich mit ihren Rändern bis in
die Nähe der Seitenwand des Behälters 10, lassen aber jeweils einen Ringspalt frei.
Über der Durchtrittsöffnung 22 des obersten Leitelementes 21 befindet sich der Warmwasserablauf
13 an der höchsten Stelle des Behälters 10.
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Der Kaltwasserzulauf 12 besteht aus einem Rohr, das in den Ringraum
zwischen dem Heizkörper 14 und dem untersten Leitelement 17 einmündet. Das Rohrende
ist so gerichtet, daß das einfließende Kaltwasser im Innern des Leitelementes 17
in kreisende Bewegung versetzt wird und im Gegenstrom zu den in dem Heizkörper 14
fließenden Wärmeträgermedium fließt.
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In einigen (oder allen) Höhenabschnitten, die von zwei Leitelementen
17 bis 21 begrenzt werden, befindet sich ein Schwebekörper 23, 24, 25. Die Schwebekörper
23, 24, 25 haben unterschiedliche spezifische Gewichte. Der unterste Schwebekörper
23 hat das größte spezifische Gewicht und der oberste Schwebekörper 25 das kleinste
spezifische Gewicht. Das spezifische Gewicht jedes Schwebekörpers entspricht der
Wichte des Wassers bei der für den betreffenden Höhenabschnitt vorgesehenen Temperatur.
Die verschiedenen Temperaturbereiche T1 bis T5 sind in Fig. 1 angegeben. T1 ist
der Temperaturbereich mit der niedrigsten Wassertemperatur und T5 der Temperaturbereich
mit der höchsten Wassertemperatur.
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Aus jedem Höhenabschnitt sinkt das kältere Wasser an der Seitenwand
des Behälters 10 entlang nach unten. Dort gelangt es in die unten offene Heizvorrichtung
14,17, wo es zunehmend aufgeheizt wird. Im Zuge der Aufheizung vergrößert sich der
Auftrieb des Wassers, so daß das Wasser an dem Heizkörper 14, also im Innern des
von dem untersten Leitelement 17 umschlossenen Raumes, eine nach oben gerichtete
Beschleunigung erhält. Dadurch tritt aus der oberen Öffnung 22 des Leitelementes
17 eine aufstrebende Wassersäule auf, die durch die Öffnungen 22 der übrigen Leitelemente
18, 19, 20 und 21 hindurchtritt und sich dabei in jedem Höhenabschnitt möglichst
wenig mit dem umgebenden Wasser, das eine niedrigere Temperatur hat, vermischt.
Wenn die Wassersäule in einen Höhenabschnitt gelangt, für den sie zu kalt ist, steigt
sie in dem betreffenden Höhenabschnitt auf und verschließt die Öffnung 22 in des
den Höhenabschnitt nach oben begrenzenden Leitelementes,so wie es in Fig. 1 bei
dem Leitelement 20 und dem kugelförmigen Schwebekörper 24 dargestellt ist. Auf diese
Weise wird verhindert, daß ein zu kalter Wasserstrahl in den darüberliegenden Höhenabschnitt
gelangt, der für eine höhere Wassertemperatur vorgesehen ist.
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In Fig. 2 ist das obere Ende eines Warmwasserspeichers dargestellt,
der ein flüssiges Speichermedium enthält und im Prinzip in gleicher Weise ausgebildet
ist wie der Warmwasserbereiter nach Fig. 1. Das oberste Leitelement 21 ist hierbei
jedoch nicht, wie die anderen Leitelemente, konkav nach innen gewölbt, sondern konvex
nach außen gewölbt.
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Zwischen dem obersten Leitelement 21' und der oberen Stirnwand des
Behälters 10 bzw. dem oberen Bereich der Seitenwand des Behälters befindet sich
ein Wärmetauscher 24, der aus einer Rohrschlange besteht, deren Windungsdurchmesser
von oben nach unten hin zunimmt. Die Wärmeschlange folgt somit im wesentlichen der
Kontur der Behälterwand im oberen Bereich. Ihre oberste Windung bildet den zu einem
Wärmeverbraucher 25 führenden Auslaß und die unterste Windung bildet den vom Wärmeverbraucher
25 kommenden Einlaß des Wärmetauschers 24.
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Die (nicht dargestellte) Heizvorrichtung des Wärmespeichers ist beispielsweise
an einen Sonnenkollektor angeschlossen.
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Da die Heizenergie des Sonnenkollektors nicht ständig in ausreichendem
Maße zur Verfügung steht, wird die in dem Wärmespeicher enthaltene Flüssigkeit in
der anhand von Fig.
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1 beschriebenen Weise erwärmt. Die gespeicherte Wärme kann von dem
Wärmeverbraucher 25 bei Bedarf abgerufen werden, indem ein Wärmeübertragungsmedium
durch den Wärmetauscher 24 geleitet wird. Dabei kühlt sich das den Wärmetauscher
24 umgebende Wasser ab, um entlang der Wand der Behälters 10 nach unten abzusinken.
Durch die Öffnung 22 des obersten Leitelementes 21' strömt warmes Wasser in den
Ringraum zwischen dem Leitelement 21' und der Stirnwand des Behälters nach.
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Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Wärmespeichers, der
an zwei verschiedene Wärmequellen angeschlossen ist. Die eine Wärmequelle ist eine
Wärmepumpe 26 mit einem geschlossenen Kältmittelkreislauf 27, der einen Kondensor
28, ein Expansionsventil 29, einen Verdampfer 30 und einen Verdichter 31 aufweist.
Der Verdampfer 30 kann beispielsweise an einen Sonnenkollektor angeschlossen sein.
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Der Kondensor 28 ist eine Rohrschlange, die im Innern der Behälters
10 angeordnet ist und einen Teil der Heizvorrichtung 14 bildet.
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Den zweiten Teil der Heizvorrichtung 14 bildet eine Rohrschlange 29,
die an Heizleitungen 29' angeschlossen ist.
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Die Rohrschlangen 28 und 29 sind am unteren Ende des Behälters 10
angeordnet, während eine weitere Rohrschlange 24 für die Wärmeentnahme im oberen
Ende des Behälters angeordnet ist.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem
das Leitelement 32 im Innern des Behälters 10 schwebend angeordnet ist. Das Leitelement
32 hat ein spezifisches Gewicht, das der Wichte des Wassers bei einer bestimmten
mittleren Temperatur entspricht. Es stellt sich daher selbsttätig im Innern des
Behälters 10 auf eine Höhe ein, die der vorgesehenen Grenztemperatur entspricht.
Das Leitelement 32 hält also Wasserschichten mit unterschiedlichen Temperaturen
voneinander getrennt. Die Heizvorrichtung 14 und das unterste Leitelement 17 sind
ähnlich ausgebildet wie die entsprechenden Teile bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1. Der Kaltwasserzulauf 12 führt durch den Behälterboden unter den unteren
Rand des Leitelementes 17, das auf diese Weise als Prallplatte wirkt, gegen die
der Kaltwasserstrahl stößt. Der Kaltwasserzulauf 12 ist gegenüber der Längsachse
des Behälters schräg gestellt, so daß
das zwischen zwei Rohrwindungen
der Heizvorrichtung 14 eingeleitete Kaltwasserkreisen in die Heizvorrichtung eingeführt
wird und dabei, wie Fig. 5 zeigt, im Gegenstrom bzw. Kreuzstrom zu der durch den
Pfeil 33 angegebenen Richtung des durch die Rohrschlange 14 strömenden Heizmediums
verläuft.
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L e e r s e i t e