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WO2019162269A1 - Wärmeübertragersystem - Google Patents

Wärmeübertragersystem Download PDF

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Publication number
WO2019162269A1
WO2019162269A1 PCT/EP2019/054086 EP2019054086W WO2019162269A1 WO 2019162269 A1 WO2019162269 A1 WO 2019162269A1 EP 2019054086 W EP2019054086 W EP 2019054086W WO 2019162269 A1 WO2019162269 A1 WO 2019162269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
line
spiral
heat
exchanger system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2019/054086
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo LEPERS
Peter Steins
Harald Schwengers
Igor KREMEROV
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ElringKlinger AG
Polytetra GmbH
Original Assignee
ElringKlinger AG
Polytetra GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ElringKlinger AG, Polytetra GmbH filed Critical ElringKlinger AG
Priority to EP19706570.9A priority Critical patent/EP3755962B1/de
Publication of WO2019162269A1 publication Critical patent/WO2019162269A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V50/00—Use of heat from natural sources, e.g. from the sea
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/0206—Heat exchangers immersed in a large body of liquid
    • F28D1/022—Heat exchangers immersed in a large body of liquid for immersion in a natural body of water, e.g. marine radiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/04—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being spirally coiled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F28F9/0131—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0275—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple branch pipes

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger system, in particular for
  • Arrangement in fluid media comprising heat sources or heat sinks, for example surface waters, comprising a arranged between at least one feed line and at least one heat transfer unit, which has stacked in a stacking direction and extending transversely to the stacking direction line layers, the lines are traversed on the inside by a heat transfer medium and on the outside in contact with the heat source,
  • the fluid medium of the heat source are, wherein at least one of the lines in the respective line position in the form of a spiral line extends around a central axis of the heat exchanger unit.
  • Such a heat exchanger system is for example from the
  • the invention has for its object to improve such a towntube-system such that this allows the most efficient heat transfer.
  • the line layers could be arranged at a significant distance from each other in the heat transfer unit.
  • the heat exchanger unit is particularly efficient if, in each line position, at least two, preferably at least three, spiral lines run next to one another, so that the efficiency of the heat transfer can thereby be increased.
  • first ends of the spiral lines are radially outer spiral ends of the respective spiral and the second ends of the spiral line radially inner spiral ends of the respective spiral line, so that the connection with both the supply and with the derivative in Area of the radially outer spiral wire ends and thus can be optimally made in terms of space requirements.
  • the heat transport medium continues to flow in the same flow circulation direction, so that the spiral conduits connected to one another at their second ends can be arranged in close succession and thus space-saving in the stacking direction.
  • spiral lines could run arbitrarily in the line layers and in particular independently of the adjacent line layers.
  • spiral lines extend in all line layers in such a way that line stacks extending in the stacking direction form between the stacking devices in the stacking direction extending interstices, through which passes the fluid medium of the heat source to give heat to the spiral pipes.
  • the course of the spiral lines in the different line layers is such that in each extending through the central axis radial section plane, a radial distance of a spiral line in a line position of the radial distance in the stacking next following line position by a maximum of 0 , 7 times, better still a maximum of 0.6 times, deviates one cable diameter.
  • each one of the interconnected spiral lines having line layers could be traversed in the same flow direction of the heat transfer medium.
  • the heat exchanger unit is particularly efficient if, in the stacking direction of the heat exchanger unit, at least one pair of conduit layers follows the spiral conduits through which flow in a first flow direction.
  • a branching unit is provided for each of the first and second flow circulation directions for connection to the supply line for the heat transport medium, so that the heat transport medium can be easily introduced into the flow transport medium respective opposing flow circulation directions can be supplied to the spiral lines in the line layers.
  • branching units are designed such that in each branching unit a connection of the supply line or discharge takes place with branch channels formed in the branching unit and connected to the individual spiral lines.
  • each branching unit central axes of the branch channels extend approximately parallel to the flow direction in a flow guide piece leading to the individual branch channels.
  • an angle between them is less than 30 °, more preferably less than 20 °, and preferably less than 10 °.
  • the supply of the heat transport medium in the opposite flow circulation directions is preferably easily realized that the supply line with two each heat transport media in each case in opposite first and second flow directions emitting branching units is connected.
  • the discharge line is connected to two branching units collecting the heat transfer medium in each case with the opposite first and second flow circulation directions.
  • the heat transfer system in such a way that the fluid medium flows forcibly through the heat transfer unit, that is, for example, flows through on entry into the heat transfer system due to an existing or generated flow of the fluid medium.
  • a particularly advantageous solution provides, however, that the flow through the heat exchanger unit by convection, in particular exclusively by convection, takes place.
  • any such measure can be omitted in the flow through the heat exchanger unit by convection and is also irrelevant for the exchange of heat in the heat exchanger unit.
  • the heat exchanger system is buoyant with respect to the fluid medium of the heat source or heat sink, that is to say that the heat exchanger system is designed to be in the fluid medium of the heat source can swim, wherein the heat exchanger system is preferably surrounded on all sides by the fluid medium of the heat source.
  • the heat exchanger unit is arranged in a housing and enclosed by this, so that by the housing protection of the heat exchanger unit, in particular a protection of the spiral lines is ensured in the cable layers.
  • the buoyant design of the heat exchanger system can be particularly easily realized in that the housing is provided with buoyancy bodies, which provide the buoyancy required for buoyant training available.
  • a flow cross-sectional area provided by through-flow openings of the housing is greater than that through gaps between the spiral conduits in the conduit layers
  • Heat exchanger unit available Strömungsqueritess- surface, so that the flow openings of the housing have no influence on the flow of the heat exchanger unit.
  • the throughflow cross-sectional area of the flow openings of the housing is larger by a factor of 2, even better by a factor of 3, than the flow cross-sectional area available through gaps between the spiral lines in the line layers of the heat exchanger unit.
  • the housing has an upper and a lower housing cover, which are connected by a jacket body with each other.
  • Such a housing can be particularly advantageously adapted to the respective required volume of an interior of the housing, depending on the size of the heat exchanger unit.
  • the solution according to the invention is particularly advantageous when the through-flow openings of the housing are arranged in the upper and lower housing cover, which are arranged one above the other in the direction of gravity, for example during operation of the heat transfer system according to the invention, so that a flow through the housing easily occurs
  • Housing can be realized in the heat exchanger unit forming convection.
  • Heat transfer system in particular for arranging in fluid media comprising heat sources (14) or heat sinks, for example surface waters, comprising a between at least one feed line (34) and at least one discharge (36) arranged heat transfer unit (74) which in a stacking direction ( 76) arranged one above the other and extending transversely to the stacking direction (76) has line layers (82) whose lines (96) are flowed through on the inside by a heat transfer medium and on the outside in contact with the heat source (14), in particular the fluid medium Heat source (14), stand, where at least one of the conduits in the respective conduit layer (82) is in the form of a spiral conduit (96) about a central axis (88) of the heat exchanger unit (74), characterized in that the spiral conduit (96) is in a conduit location (82a) at a first end (102a) with the lead (34) and at a second end (104a) with a corresponding second end
  • Heat exchanger system characterized in that the line layers (82 a, 82 b) of a spiral line (96 a) and the other spiral line (96 b) in the stacking direction (76) directly follow one another.
  • Heat exchanger system according to one of the preceding embodiments, characterized in that run in each line position (82) at least two spiral lines (96) side by side.
  • a heat transfer system according to any one of the preceding embodiments, characterized in that the first ends (104) are radially outward spiral conduit ends of the respective spiral conduit (96) and the second ends are radially inward spiral conduit ends (104) of the respective spiral conduit (96) ,
  • Heat exchanger system according to one of the preceding embodiments, characterized in that in the at least one spiral line (96) of the further line position, the heat transport medium in the same flow direction (Ul, U2) continues to flow. 6. Heat exchanger system according to one of the preceding embodiments, characterized in that the spiral conduits (96) in all
  • Conductive layers (82) extend so that forming in the heat transfer unit (74) in the stacking direction (76) extending line stacks (106).
  • Heat exchanger system according to the preamble of embodiment 1 or according to one of the preceding embodiments, characterized in that the heat exchanger unit (74) in a first flow direction (Ul) flows through line layers (82a, 82b) and in a second opposite flow direction (U2) having flowed line layers (82a, 82b).
  • Heat exchanger system characterized in that in the stacking direction (76) of the heat transfer unit (74) on at least one pair of conduit layer (82a, 82b) with the flow in a first flow direction (Ul) spiral - Lines (96) at least one pair of line layers (82a, 82b) with the in a second opposite flow direction (U2) flows through spiral lines (96) follows.
  • Heat exchanger system characterized in that in the heat exchanger unit (74), the number of pairs of line layers (82 a, 82 b), in a first
  • Flow circulation direction (Ul) are flowed through, the number of pairs of line layers (82 a, 82 b), which are flowed through in a second flow direction (U 2) substantially corresponds.
  • Heat transfer system according to the preamble of the embodiment 1 or according to one of the preceding embodiments, characterized in that for each of the first and second flow circulation directions (Ul, U2) a branching unit (112a, 112b) for connection to the supply line (34) the heat transport medium is provided.
  • Circulation flow directions (Ul, U2) is provided in each case a branching unit (114a, 114b) for connection to the discharge line (36) for the heat transport medium.
  • Heat exchanger system according to embodiment 11 or 12, characterized in that in each branching unit (112, 114) a
  • the central axes of the branch channels (134) extend approximately parallel to the flow direction (128) in a flow guide piece (126) leading to the branch channels (134).
  • Heat exchanger system according to one of the preceding embodiments, characterized in that the supply line (34) by means of a Branching with two respective heat transport medium in opposite first and second flow circulation directions (U1, U2)
  • Heat exchanger system according to one of the preceding embodiments, characterized in that a flow through the heat transfer unit (74) by convection, in particular exclusively by
  • Heat exchanger system according to one of the preceding embodiments, characterized in that the heat exchanger system (10) is buoyant with respect to the fluid medium of the heat source (14) or heat sink.
  • Heat exchanger system according to the preamble of the embodiment 1 or according to one of the preceding embodiments, characterized in that the heat exchanger unit (74) in a housing (40) is arranged and enclosed by this.
  • Heat exchanger system according to embodiment 19 characterized in that the housing (40) is provided with buoyancy bodies (142, 144).
  • 21 Heat exchanger system according to embodiment 19 or 20, characterized in that a through flow openings (52) of the
  • Housing (40) provided flow cross-sectional area is greater than a through gaps (108) between the spiral conduits (96) in the line layers (82) of the heat exchanger unit (74) available flow cross-sectional area.
  • the heat exchanger system according to any one of embodiments 19 to 21, characterized in that the housing (40) has an upper and a lower housing cover (42, 44) which are interconnected by a jacket body (46).
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement of a heat exchanger system according to the invention in conjunction with a heat pump for transferring heat from a heat source, with which the heat exchanger system is in communication, to a heat sink;
  • FIG. 2 is a perspective view of a first embodiment of a heat exchanger system according to the invention
  • FIG. Fig. 3 is a side view of the first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a plan view of the first exemplary embodiment of the heat exchanger system according to the invention in the direction of the arrow B in FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a section through the first exemplary embodiment of the heat exchanger system according to the invention along line 5-5 in FIG. 4;
  • FIG. 6 is a perspective view of a heat exchanger unit included in the heat transfer system
  • Fig. 7 is a section along line 7-7 in Fig. 6;
  • FIG. 10 is an illustration of a carrier web of the heat exchanger system for receiving the spiral lines in the various pipe layers
  • FIG. 11 is a schematic representation of a supply of heat transfer medium to different line layers
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a removal of heat transfer medium from different conduit layers
  • FIG. 13 is a schematic representation of an inlet and outlet of heat transfer medium to line layers in a first flow direction
  • Fig. 14 is a schematic representation of the supply and discharge of
  • 15 shows a plan view of a branching unit for dividing heat transfer medium flowing in a supply line into individual spiral lines
  • Fig. 16 is a section along line 16-16 in Fig. 15;
  • Fig. 17 is a section along line 17-17 in Fig. 15;
  • FIG. 18 is an illustration of the first embodiment of the inventive heat exchanger system similar to FIG. 5 in the fluid medium of a heat source;
  • FIG. 19 shows an illustration similar to FIG. 4 of the first exemplary embodiment with indication of an outer cross-sectional area of the housing;
  • FIG. 20 is a perspective view of the first embodiment of the heat exchanger system according to the invention, showing an outer volume of the housing;
  • FIG. 21 is a perspective view of a second embodiment of a heat exchanger system according to the invention with two arranged in an enlarged housing heat exchanger units and
  • FIG. 22 shows a perspective illustration of a third exemplary embodiment of a heat exchanger system according to the invention with three heat exchanger units arranged in an enlarged housing.
  • a heat exchanger system designated as a whole by 10 in FIG. 1 is preferably provided for use in conjunction with a heat exchanger system
  • the heat exchanger system 10 it is also possible to use the heat exchanger system 10 to supply heat to a heat sink. Therefore, by way of example only, the use of the heat exchanger system 10 in connection with a
  • the heat pump 12 comprises, for example, a refrigerant circuit 20, in which a compressor 22, a heat-emitting heat exchanger 24, an expansion element 26 and a heat-absorbing heat exchanger 28 are arranged.
  • the heat exchanger system 10 is connected to the heat-absorbing heat exchanger 28, in particular in an input-side heat transfer circuit 30 thereof, in which by means of a pump 32, a heat transport medium, for example water or brine, is circulated and is supplied via a supply line 34 to the heat exchanger system 10 which is supplied via a discharge line 36 of an arranged in the heat transport circuit 30 input side 38 of the heat-absorbing heat exchanger 28.
  • a heat transport medium for example water or brine
  • a first exemplary embodiment, illustrated in FIGS. 2 to 4, of the heat transfer system 10, which is provided in particular for use with heat sources 14 that conduct liquid media, such as surface waters, comprises a housing 40, which has an upper housing cover 42 and a lower housing cover 44 , which are both connected to a between the housing covers 42 and 44 extending jacket body 46 of the housing 40.
  • Both the upper housing cover 42 and the lower housing cover 44 are provided with throughflow openings 52, which allow the liquid medium covered by the heat source 14 to enter through one of the housing covers 42, 44 and through the throughflow openings 42 of the other housing cover 44, 42 the liquid medium covered by the heat sink 14 exits.
  • housing cover 42, 44 for example, with flattened
  • Provided areas 54 which extend in particular over the entire diameter of the housing cover 42, 44, and on both sides of the
  • flattened regions 54 are provided with curved regions 56, 58, which are arranged symmetrically with respect to the flattened regions 54, for example.
  • Areas 56 and 58 are provided with the flow-through openings 52 in order to allow the most uniform possible inflow of the liquid medium of the heat source 14 into the housing 40.
  • housing covers 42, 44 are still preferably provided at their outer edge with fixing elements 62, for example, have openings 64, in which can engage positioning elements, which serve to adjust the position of the respective heat exchanger system 10 in the
  • Heat sink 14 set.
  • a heat exchanger unit 74 is provided, which, as shown in Fig. 5 and 6 approximately parallel to a central axis of the shell body 46 extending from the housing cover 44 to the housing cover 42, one above the other in a stacking direction 76 and transverse to the stacking direction 76 extending geometric surfaces 78th
  • the surfaces 78 are perpendicular to the stacking direction 76 extending geometric planes, in each of which the line layers 82 extend.
  • a As shown in Fig. 6, as a whole with 84 designated conductor carrier provided which has a central body 86 which extends along a central axis 88, which is preferably parallel to the stacking direction 76, and starting from the central body 86 are held on this carrier webs 92nd provided, which are arranged around the central axis 88 at defined angular intervals relative to each other and each extending in the radial direction to the central axis 88 and thereby have a plurality of line recordings 94, the lines extending in the line layers 82 in the respective geometric Run surfaces 78 extending.
  • At least one spiral line 96 which, for example, starting at an outer spiral line end 102, passes through the corresponding line receptacle 94 in the respective carrier web 92 through the line receptacles provided for this spiral line 96 94 extends therethrough in the respective carrier webs 92 while increasing their radial distance from the central axis 88, until the spiral conduit 96 reaches an inner spiral conduit end 104.
  • the spiral conduit 96 extending in the geometrical surface 78 preferably constitutes, as shown in FIG. 9, a spiral conduit 96a, the inner spiral conduit end 104a of which is connected to an inner spiral conduit end 104b of a spiral conduit 96b which is in the geometrical relationship immediately adjacent in the stacking direction 76 Surface 78 and is encompassed by the conduction layer 82 extending in this geometric surface 78, wherein the inner spiral end 104a of the spiral line 96a is connected to the inner spiral line end 104b of the spiral line 96b so that the outer spiral line end 102b of the spiral line 96b in the stack direction 76, but approximately at a similar radial distance from the central axis 88 is arranged as the outer spiral end 102a of the spiral conduit 96a.
  • FIG. 10 which is not only a top view of a carrier web 92, but also shows the position of the spiral conduits 96 in a radial cutting plane RS passing through the central axis 88, it can be seen that the conduit receptacles 94a in the geometric surface 78a are relative to the corresponding line receptacles 94b in the surface 78b in offset in the radial direction to the central axis 88, wherein the offset is in the range of 0.3 times to 0.7 times a diameter of the respective spiral conduit 96, preferably in the range of one
  • spiral conduit 96 In order to optimize the function of the heat exchanger unit 74, not only one spiral conduit 96 is provided in the respective surface 78 of the respective conduit layer 82, but three spiral conduits 96al, 96a2 and 96a3 running parallel to one another are arranged in each of the conduit layers 82, for example for example, starting from the spiral line 96al, the spiral line 96a2 extends radially inward of the same in the next line receptacle 94 and the spiral line 96a3 extends radially inwardly with respect to the spiral line 96a2 in the next inner line receptacles 94a.
  • the inner spiral ends 104al and 104bl and 104a2 and 104b2 and 104a3 and 104b3 are directly connected to each other, but without changing the flow direction relative to the central axis 88, so that at the transition from the spiral lines 96al, 96a2 and 96a3 to the spiral lines 96bl, 96b2 and 96b3 none or negligible
  • a part of the pairs of line layers 82a, 82b is flowed through with a first flow direction Ul and another part of the pairs of line layers 82a, 82b with a Flow circulation direction U2, which runs opposite to the flow direction of rotation Ul, is flowed through.
  • the supply line 34 is assigned two branching units 112 U1 and 112 U2, wherein the branching unit 112 U1 supplies the heat transfer medium with the flow circulation to the pairs of line layers 82a, 82b supplied by it - Direction Ul supplies, while the branching unit 112 U2 the fed from this line layers 82a, 82b, the heat transfer medium with the flow circulation direction U2 supplies.
  • the diverter 36 is associated with branching units 114U1 and 114U2, the branching unit 114U1 being connected to the pairs of line layers 82a, 82b in which the heat transfer medium circulates with the flow direction Ul, and the branching unit 114U2 having the pairs of line layers 82A 82b, in which the heat transport medium circulates in the flow circulation direction U2.
  • branching unit 112 Ul feeds all line layers 82a U1 with heat transfer medium which flows around center axis 88 in the flow circulation direction U1, and all line positions from branching unit U2 82 U2 fed, in which the heat transfer medium flows in the flow circulation direction U2.
  • Branching unit 114 Ul received from all line layers 82b Ul and received by the branching unit 114 U2 from all line layers 82b U2, as shown in FIGS. 12 and 13.
  • the two branching units 114 U1 and 114 U2 are each connected to the discharge line 36.
  • This nested arrangement of the pairs of line layers 82a Ul, 82bUl and 82aU2 and 82bU2 is shown schematically in Fig. 14 again.
  • each pair of successive line layers 82a and 82b, which are flowed through in the first flow circulation direction U1 are followed by a pair of line layers 82a and 82b, which are flowed through in the opposite flow direction U2, so that a relatively uniform distribution of the flow direction via the supply line 34 of the heat transfer unit 74 supplied heat transport medium to the entirety of the line layers 82 takes place.
  • FIGS. 15 to 17 provide that the respective supply line or outgoing line, in FIG. 15 the supply line 34, merges into a T connection 122, branches off from a branch line designated 124 as a whole which is followed by a flow guide piece 126, in which the heat transport medium in a defined
  • the heat transport medium strikes a branch body 132, which has a multiplicity of branch channels 134 whose central axes 136 extend approximately parallel to the flow direction 128.
  • each branch passage 134 is then made to a connecting line 138 which is guided from the respective branch passage 134 to the corresponding outer spiral line end 102a of the corresponding spiral line 96a when the branching unit 112 is supplied with heat transfer medium via the feed line 34 ,
  • the branching units 114 are constructed, the connecting lines 138 are then guided from the outer spiral ends 102 b of the spiral lines 96 b to the branch body 132 and the heat transfer medium after flowing through the heat transfer unit 74 via the flow guide piece 126 and the branch line 124 and the T-connection 122 of the derivative 36 are supplied.
  • the conduits are made of polyethylene, in particular black polyethylene, and thus by polyethylene hoses having an outer diameter in the range of about 0.6 mm to about 10 mm, preferably 8 mm, and a wall thickness in the range of about 0.6 mm about 0.10 mm, preferably 0.8 mm are made.
  • the heat exchanger system 10 is preferably arranged floating in the heat source 14, that is, for example, the surface water representing the heat source 14 and for this purpose in particular provided with buoyancy bodies 142 and 144, for example in the housing covers 42 and 44, in particular below the flattened areas 54 , are arranged and ensure that the heat exchanger system 10 has a sufficiently large buoyancy to be operated floating in the heat source.
  • the fluid medium of the heat source 14 passes through the water, respectively through the flow-through openings 52 of both the upper housing cover 42 and the lower housing cover 44 and is able to pass through the heat exchanger unit 74 and in heat exchange with the Spiral lines 96 occur in the same.
  • the heat transfer medium system 10 flows through the fluid medium of the heat source 14 exclusively by convection, that is, the liquid cooled in the heat exchanger unit 74 due to the increased by the cooling specific gravity in the direction of gravity drops down and thus, for example, the heat exchanger system 10th flows through the fluid medium of the heat source 14 through the flow openings 52 in the upper housing cover 42 in the interior 72 of the housing 40, then enters the heat exchanger unit 74 and comes into contact with the line stacks 106 of the line layers 82 and in Essentially in itself in the stacking direction 76 between the formed from the spiral lines 96 line stacks 106 formed and parallel to the stacking direction 76 extending spaces 108 undergoes cooling and thereby between spaces 108 between n the spiral lines 96 decreases in the direction of gravity, to then leave the interior 72 of the housing 40 through the flow openings 52 in the lower housing cover 44.
  • the heat exchanger unit 74 is preferably designed such that the flow cross-sectional area provided by the sum of all interspaces 108 between the spiral lines 96 of the different line layers 82 is smaller than that through the sum of the throughflow openings 52 both in the upper housing cover 42 and in the lower housing cover 44 provided flow cross-sectional area, so that the flow-through openings 52 are irrelevant to the amount of liquid passing through the heat exchanger unit 74 per unit time and the quantity of the fluid medium passing through the heat exchanger unit 74 per unit time substantially through the provided by the spaces 108 Flow cross-section of the heat exchanger unit 74 is limited.
  • the flow cross-sectional area provided by the sum of the flow-through openings 52 in the upper housing cover 42 and the lower housing cover 44 is twice as large, more preferably three times as much large, such as the flow cross-sectional area of the heat transfer unit 74 provided by the sum of the spaces 108 between the spiral conduits 96.
  • the heat exchanger unit 74 can thus, as shown in Fig. 19, the exchange surface of the heat exchanger unit 10 per perpendicular to the stacking direction 76 extending cross-sectional area Q, based, as shown in Fig. 19 and 20, on an outer radius AR of the housing 40 and pro outer space volume, as shown in Fig. 20 also shown, to the maximum outer height of the housing 40 between the flattened portion 54 of the upper housing cover 42 and the flattened portion 54 of the lower housing cover 44 optimize.
  • the exchange surface can be optimized so that it is at least a factor 3 larger than the cross-sectional area Q of the housing perpendicular to the stacking direction 76 and, in addition, the exchange surface measured in square meters is at least a factor 20 greater than that outer volume of the housing 40 in cubic meters, as shown in Fig. 20.
  • the exchange surface measured in square meters is at least a factor 20 greater than that outer volume of the housing 40 in cubic meters, as shown in Fig. 20.
  • the heat exchanger unit 74 can be designed such that it represents a module and thus there is the possibility, for example, of extending the jacket body 46 to form a jacket body 46 'and retaining the upper housing cover 42 and of the lower housing cover 44, two such heat exchanger units 74 designed as modules can be arranged in an inner space 72 'of such a modified housing 40', so that the exchange area can be further increased in square meters per cubic volume, so that the exchange area now more than a factor of 25 is greater.
  • This ratio exchange surface to volume can be increased even further, if, as shown in a third embodiment, the housing 40 "by extending the shell body 46" is still increased so that in the interior 72 "of the housing 40" three heat transfer units 74th as individual modules in the stacking direction 76 are arranged one above the other, so that in this case the ratio of

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Abstract

Um ein Wärmeübertragersystem, insbesondere zur Anordnung in fluide Medien umfassenden Wärmequellen (14) oder Wärmesenken, beispielsweise Oberflächengewässern, umfassend eine zwischen mindestens einer Zuleitung (34) und mindestens einer Ableitung (36) angeordnete Wärmeübertragereinheit (74), welche in einer Stapelrichtung (76) übereinanderliegend angeordnete und sich quer zur Stapelrichtung (76) erstreckende Leitungslagen (82) aufweist, deren Leitungen (96) innenseitig von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt sind und außenseitig in Kontakt mit der Wärmequelle (14), insbesondere dem fluiden Medium der Wärmequelle (14), stehen, wobei mindestens eine der Leitungen (96) in der jeweiligen Leitungslage (82) in Form einer Spiralleitung (96) um eine Mittelachse (88) der Wärmeübertragereinheit (74) verläuft, derart zu verbessern, dass dieses einen möglichst effizienten Wärmeübertrag ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Spiralleitung (96) in einer Leitungslage (82a) an einem ersten Ende (102a) mit der Zuleitung (34) und an einem zweiten Ende (104a) mit einem entsprechenden zweiten Ende (104b) einer weiteren Spiralleitung (96) in einer weiteren Leitungslage (82) verbunden ist und dass die weitere Leitungslage (82b) mit ihrem ersten Ende (102b) mit der Ableitung (36) verbunden ist.

Description

WARMEUBERTRAGERSYSTEM
Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragersystem, insbesondere zur
Anordnung in fluide Medien umfassenden Wärmequellen oder Wärmesenken, beispielsweise Oberflächengewässern, umfassend eine zwischen mindestens einer Zuleitung und mindestens einer Ableitung angeordnete Wärme- übertragereinheit, welche in einer Stapelrichtung übereinanderliegend angeordnete und sich quer zur Stapelrichtung erstreckende Leitungslagen aufweist, deren Leitungen innenseitig von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt sind und außenseitig in Kontakt mit der Wärmequelle,
insbesondere dem fluiden Medium der Wärmequelle, stehen, wobei mindestens eine der Leitungen in der jeweiligen Leitungslage in Form einer Spiralleitung um eine Mittelachse der Wärmeübertragereinheit verläuft.
Ein derartiges Wärmeübertragersystem ist beispielsweise aus der
WO 2012/009802 Al bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Wärmeübertrager- system derart zu verbessern, dass dieses einen möglichst effizienten Wärme- Übertrag ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeübertragersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spiralleitung in einer Leitungslage an einem ersten Ende mit einer Zuleitung und an einem zweiten Ende mit einem entsprechenden zweiten Ende einer weiteren Spiral- leitung in einer weiteren Leitungslage verbunden ist und dass die weitere Leitungslage mit ihrem ersten Ende mit der Ableitung verbunden ist. Diese erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, den Wärmeübertrag zu optimieren und außerdem den Aufbau kompakt zu gestalten.
Prinzipiell könnten die Leitungslagen in nennenswertem Abstand voneinander in der Wärmeübertrageinheit angeordnet sein.
Ein besonders effizienter Aufbau ist jedoch dann möglich, wenn die Leitungs- lagen der einen Spiralleitung und der anderen Spiralleitung in Stapelrichtung unmittelbar aufeinanderfolgen, so dass in einfacher Weise eine Verbindung der Spiralleitungen möglich ist.
Ferner ist es prinzipiell möglich, pro Leitungslage eine Spiralleitung vorzu- sehen. Besonders effizient ist die Wärmeübertragereinheit dann, wenn in jeder Leitungslage mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, Spiralleitungen nebeneinander verlaufen, so dass dadurch die Effizienz des Wärmeübertrags gesteigert werden kann.
Hinsichtlich eines möglichst kompakten Aufbaus ist es günstig, wenn die ersten Enden der Spiralleitungen radial außenliegende Spiralleitungsenden der jeweiligen Spiralleitung sind und die zweiten Enden der Spiralleitung radial innenliegende Spiralleitungsenden der jeweiligen Spiralleitung sind, so dass die Verbindung sowohl mit der Zuleitung als auch mit der Ableitung im Bereich der radial außenliegenden Spiralleitungsenden und somit hinsichtlich des Raumbedarfs optimal erfolgen kann.
Ferner wäre es denkbar, die Strömungsumlaufrichtung beim Übergang von der Spiralleitung in der einen Leitungslage zur Spiralleitung in der weiteren
Leitungslage zu ändern. Aus diesem Grund ist vorzugsweise vorgesehen, dass in der mindestens einen Spiralleitung der weiteren Leitungslage das Wärmetransportmedium in derselben Strömungsumlaufrichtung weiterströmt, so dass die an ihren zweiten Enden miteinander verbundenen Spiralleitungen in der Stapelrichtung dicht aufeinanderfolgend und somit raumsparend angeordnet werden können.
Die Spiralleitungen könnten grundsätzlich in den Leitungslagen beliebig und insbesondere unabhängig von den benachbarten Leitungslagen verlaufen.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Spiralleitungen in allen Leitungs- lagen so verlaufen, dass sich in der Wärmeübertragereinheit sich in Stapel- richtung erstreckende Leitungsstapel ausbilden, zwischen denen in der Stapel- richtung erstreckende Zwischenräume liegen, durch welche das fluide Medium der Wärmequelle hindurchtritt, um Wärme an die Spiralleitungen abzugeben.
Besonders günstig ist es dabei, wenn der Verlauf der Spiralleitungen in den verschiedenen Leitungslagen so erfolgt, dass in jeder durch die Mittelachse verlaufenden radialen Schnittebene ein radialer Abstand einer Spiralleitung in einer Leitungslage von dem radialen Abstand in der Stapelrichtung nächst- folgender Leitungslage um maximal das 0,7-fache, noch besser maximal das 0,6-fache, eines Leitungsdurchmesser abweicht.
Prinzipiell könnten alle jeweils eine der miteinander verbundenen Spiral- leitungen aufweisenden Leitungslagen in derselben Strömungsumlaufrichtung von dem Wärmetransportmedium durchströmt werden.
Insbesondere ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Wärmeübertragereinheit in einer ersten Strömungsumlaufrichtung durchströmte Leitungslagen und in einer zweiten Strömungsumlaufrichtung durchströmte Leitungslagen aufweist, so dass in einer Strömungsumlaufrichtung und in der entgegengesetzten Strömungsumlaufrichtung durchströmte Leitungslagen vorliegen. Besonders effizient ist die Wärmeübertragereinheit allerdings dann, wenn in der Stapelrichtung der Wärmeübertragereinheit auf mindestens ein Paar von Leitungslagen mit den in einer ersten Strömungsrichtung durchströmten Spiralleitungen mindestens ein Paar von Leitungslagen mit denen in einer zweiten, entgegengesetzten Strömungsumlaufrichtung durchströmten Spiral- leitungen folgt.
Somit wechseln sich in vorteilhafter Weise die in unterschiedlichen
Strömungsumlaufrichtungen durchströmten Leitungslagen ab.
Um eine möglichst gleichmäßige Wirkungsweise der Wärmeübertragereinheit zu erreichen ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Anzahl der Paare von Leitungslagen, die in einer ersten Strömungsumlaufrichtung durchströmt sind, der Anzahl der Paare von Leitungslagen, die in einer zweiten Strömungs- umlaufrichtung durchströmt sind, im Wesentlichen entspricht.
Das heißt, dass vorteilhafter Weise dieselbe Zahl von Paaren von Leitungs- lagen vorhanden ist, die in der ersten Strömungsumlaufrichtung und in der zweiten Strömungsumlaufrichtung durchströmt sind.
Um die in unterschiedlichen Strömungsumlaufrichtungen durchströmten Leitungslagen in geeigneter Weise mit dem Wärmetransportmedium zu versorgen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass für jede der ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen eine Verzweigungseinheit zur Verbindung mit der Zuleitung für das Wärmetransportmedium vorgesehen ist, so dass in einfacher Weise das Wärmetransportmedium in den jeweiligen, einander entgegen- gesetzten Strömungsumlaufrichtungen den Spiralleitungen in den Leitungs- lagen zugeführt werden kann.
Ferner ist es günstig, wenn für jede der ersten und zweiten Strömungsumlauf- richtungen jeweils eine Verzweigungseinheit zur Verbindung mit der Ableitung für das Wärmetransportmedium vorgesehen ist. Insbesondere sind die Verzweigungseinheiten so ausgebildet, dass in jeder Verzweigungseinheit eine Verbindung der Zuleitung oder Ableitung mit in der Verzweigungseinheit ausgebildeten und mit den einzelnen Spiralleitungen verbundenen Zweigkanälen erfolgt.
Um einen optimalen Strömungsübergang zu den Zweigkanälen zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass in jeder Verzweigungseinheit Mittelachsen der Zweigkanäle ungefähr parallel zur Strömungsrichtung in einem zu den einzelnen Zweigkanälen führenden Strömungsführungsstücks verlaufen.
Unter einem ungefähr parallelen Verlauf der Strömungsrichtung und der Zweigkanäle ist dabei ein derartiger Verlauf derselben zu verstehen, dass ein Winkel zwischen diesen kleiner als 30°, noch besser kleiner als 20°, und vorzugsweise kleiner als 10°, ist.
Mit einer derartigen Konzeption der Verzweigungseinheiten wird eine optimale und gleichmäßige Aufteilung des in der Strömungsrichtung im Strömungs- führungsstück anströmenden Wärmetransportmediums auf die Zweigkanäle erreicht.
Die Zufuhr des Wärmetransportmediums in den einander entgegengesetzten Strömungsumlaufrichtungen ist vorzugsweise dadurch einfach realisierbar, dass die Zuleitung mit zwei jeweils Wärmetransportmedien jeweils in einander entgegengesetzten ersten und zweiten Strömungsrichtungen abgebenden Verzweigungseinheiten verbunden ist.
Ferner ist ebenfalls vorgesehen, dass die Ableitung mit zwei das Wärme- transportmedium jeweils mit den entgegengesetzten ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen sammelnden Verzweigungseinheiten verbunden ist. Hinsichtlich des Betriebs des erfindungsgemäßen Wärmeübertragersystems wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht.
So wäre es beispielsweise denkbar, das Wärmeübertragungssystem so aus- zubilden, dass das fluide Medium die Wärmeübertragereinheit zwangs- getrieben durchströmt, das heißt beispielsweise aufgrund einer vorhandenen oder generierten Strömung des fluiden Mediums beim Eintritt in das Wärme- übertragersystem durchströmt.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, dass die Durchströmung der Wärmeübertragereinheit durch Konvektion, insbesondere ausschließlich durch Konvektion, erfolgt.
Diese Lösung hat den großen Vorteil, dass keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden müssen, um entweder das bereits aufgrund einer vor- handenen Strömung anströmende fluide Medium in geeigneter weise in das Wärmeübertragersystem einzuleiten oder durch besondere Maßnahmen eine Strömung des fluiden Mediums beim Eintritt in das Wärmeübertragersystem zu erzeugen.
Vielmehr kann bei der Durchströmung der Wärmeübertragereinheit durch Konvektion jegliche derartige Maßnahme unterbleiben und ist auch für den Austausch der Wärme in der Wärmeübertragereinheit irrelevant.
Um das erfindungsgemäße Wärmeübertragersystem optimal einsetzen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Wärmeübertragersystem bezüglich des fluiden Mediums der Wärmequelle oder Wärmesenke schwimm- fähig ausgebildet ist, das heißt, dass das Wärmeübertragersystem so aus- gebildet ist, dass es in dem fluiden Medium der Wärmequelle schwimmen kann, wobei das Wärmeübertragersystem dabei vorzugsweise allseitig von dem fluiden Medium der Wärmequelle umgeben ist. Im Zusammenhang mit der bisherigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung des Wärmeübertragersystems wurde nicht näher darauf eingegangen, wie die Wärmeübertragereinheit ihrerseits angeordnet und insbesondere gegen diese beschädigende Umgebungseinflüsse geschützt werden soll.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Wärmeübertragereinheit in einem Gehäuse angeordnet und von diesem umschlossen ist, so dass durch das Gehäuse ein Schutz der Wärmeübertragereinheit, insbesondere ein Schutz der Spiralleitungen in den Leitungslagen gewährleistet ist.
Im Fall eines derartigen Gehäuses lässt sich die schwimmfähige Ausbildung des Wärmeübertragersystems besonders einfach dadurch realisieren, dass das Gehäuse mit Auftriebskörpern versehen ist, welche den zur schwimmfähigen Ausbildung erforderlichen Auftrieb zur Verfügung stellen.
Um bei einem vorgesehenen Gehäuse sicherzustellen, dass eine optimale Durchströmung der Wärmeübertragereinheit erfolgt, ist vorzugsweise vor- gesehen, dass eine durch Durchströmungsöffnungen des Gehäuses zur Verfügung gestellte Strömungsquerschnittsfläche größer ist, als eine durch Zwischenräume zwischen den Spiralleitungen in den Leitungslagen der
Wärmeübertragereinheit zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitts- fläche, so dass die Durchströmungsöffnungen des Gehäuses keinen Einfluss auf die Durchströmung der Wärmeübertragereinheit haben.
Besonders günstig ist es, wenn die Durchströmungsquerschnittsfläche der Durchströmungsöffnungen des Gehäuses um einen Faktor 2, noch besser um einen Faktor 3, größer ist als die durch Zwischenräume zwischen den Spiral- leitungen in den Leitungslagen der Wärmeübertragereinheit zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnittsfläche. Hinsichtlich des Gehäuses selbst wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass das Gehäuse einen oberen und einen unteren Gehäusedeckel aufweist, die durch einen Mantelkörper mit- einander verbunden sind.
Ein derartiges Gehäuse lässt sich insbesondere vorteilhaft an das jeweils benötigte Volumen eines Innenraums des Gehäuses anpassen, je nachdem, welche Größe die Wärmeübertragereinheit aufweist.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung dann, wenn die Durchströmungsöffnungen des Gehäuses im oberen und unteren Gehäuse- deckel angeordnet sind, die beispielsweise beim Betrieb des erfindungs- gemäßen Wärmeübertragersystems in Schwerkraftrichtung übereinander angeordnet sind, so dass in einfacher Weise eine Durchströmung des
Gehäuses sich in der Wärmeübertragereinheit ausbildende Konvektion realisierbar ist.
Die vorstehende Beschreibung erfindungsgemäßer Lösungen umfasst somit insbesondere die durch die nachfolgenden durchnummerierten Ausführungs- formen definierten verschiedenen Merkmalskombinationen :
1. Wärmeübertragersystem, insbesondere zur Anordnung in fluide Medien umfassenden Wärmequellen (14) oder Wärmesenken, beispielsweise Ober- flächengewässern, umfassend eine zwischen mindestens einer Zuleitung (34) und mindestens einer Ableitung (36) angeordnete Wärmeübertragereinheit (74), welche in einer Stapelrichtung (76) übereinanderliegend angeordnete und sich quer zur Stapelrichtung (76) erstreckende Leitungslagen (82) auf- weist, deren Leitungen (96) innenseitig von einem Wärmeübertragungs- medium durchströmt sind und außenseitig in Kontakt mit der Wärmequelle (14), insbesondere dem fluiden Medium der Wärmequelle (14), stehen, wobei mindestens eine der Leitungen in der jeweiligen Leitungslage (82) in Form einer Spiralleitung (96) um eine Mittelachse (88) der Wärmeübertragereinheit (74) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitung (96) in einer Leitungslage (82a) an einem ersten Ende (102a) mit der Zuleitung (34) und an einem zweiten Ende (104a) mit einem entsprechenden zweiten Ende
(104b) einer weiteren Spiralleitung (96) in einer weiteren Leitungslage (82) verbunden ist und dass die weitere Leitungslage ( 82b) mit ihrem ersten Ende (102b) mit der Ableitung (36) verbunden ist.
2. Wärmeübertragersystem nach Ausführungsform 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslagen (82a, 82b) der einen Spiralleitung (96a) und der anderen Spiralleitung (96b) in Stapelrichtung (76) unmittelbar aufeinander folgen.
3. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Leitungslage (82) mindestens zwei Spiralleitungen (96) nebeneinanderliegend verlaufen.
4. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Enden (104) radial außen- liegende Spiralleitungsenden der jeweiligen Spiralleitung (96) sind und die zweiten Enden radial innenliegende Spiralleitungsenden (104) der jeweiligen Spiralleitung (96) sind.
5. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Spiralleitung (96) der weiteren Leitungslage das Wärmetransportmedium in derselben Strömungsumlaufrichtung (Ul, U2) weiterströmt. 6. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitungen (96) in allen
Leitungslagen (82) so verlaufen, dass sich in der Wärmeübertragereinheit (74) in der Stapelrichtung (76) erstreckende Leitungsstapel (106) ausbilden.
7. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitungen (96) in den verschiedenen Leitungslagen (82) so verlaufen, dass in jeder durch die
Mittelache (88) verlaufenden radialen Schnittebene (Rb) ein radialer Abstand einer Spiralleitung (96) in einer Leitungslage (82) von dem radialen abstand in der in der Stapelrichtung (76) nächstfolgenden Leitungslage um maximal das 0,7-fache eines Leitungsdurchmessers abweicht.
8. Wärmeübertragersystem nach dem Oberbegriff der Ausführungsform 1 oder nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit (74) in einer ersten Strömungs- umlaufrichtung (Ul) durchströmte Leitungslagen (82a, 82b) und in einer zweiten entgegengesetzten Strömungsumlaufrichtung (U2) durchströmte Leitungslagen (82a, 82b) aufweist.
9. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stapelrichtung (76) der Wärme- übertragereinheit (74) auf mindestens ein Paar von Leitungslage (82a, 82b) mit den in einer ersten Strömungsumlaufrichtung (Ul) durchströmten Spiral- leitungen (96) mindestens ein Paar von Leitungslagen (82a, 82b) mit den in einer zweiten entgegengesetzten Strömungsumlaufrichtung (U2) durch- strömten Spiralleitungen (96) folgt. 10. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmeübertragereinheit (74) die Anzahl der Paare von Leitungslagen (82a, 82b), die in einer ersten
Strömungsumlaufrichtung (Ul) durchströmt sind, der Anzahl der Paare von Leitungslagen (82a, 82b), die in einer zweiten Strömungsumlaufrichtung (U2) durchströmt sind, im Wesentlichen entspricht.
11. Wärmeübertragersystem nach dem Oberbegriff der Ausführungsform 1 oder nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekenn- zeichnet, dass für jede der ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2) eine Verzweigungseinheit (112a, 112b) zur Verbindung mit der Zuleitung (34) für das Wärmetransportmedium vorgesehen ist.
12. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der ersten und zweiten
Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2) jeweils eine Verzweigungseinheit (114a, 114b) zur Verbindung mit der Ableitung (36) für das Wärmetransportmedium vorgesehen ist.
13. Wärmeübertragersystem nach Ausführungsform 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Verzweigungseinheit (112, 114) eine
Verbindung der Zuleitung (34) oder Ableitung (36) mit in der Verzweigungs- einheit (112, 114) ausgebildeten und mit den einzelnen Spiralleitungen (96) verbundenen Zweigkanälen (134) erfolgt.
14. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Verzweigungseinheit (112,
114) die Mittelachsen der Zweigkanäle (134) ungefähr parallel zur Strömungs- richtung (128) in einem zu den Zweigkanälen (134) führenden Strömungs- führungsstück (126) verlaufen.
15. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (34) mittels einer Verzweigung mit zwei jeweils Wärmetransportmedium in einander entgegen- gesetzten ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2)
abgebenden Verzweigungseinheiten (112a, 112b) verbunden ist.
16. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung (36) mit zwei das
Wärmetransportmedium jeweils mit den entgegengesetzten ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2) sammelnden Verzweigungs- einheiten (114a, 114b) verbunden ist.
17. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchströmung der Wärmeüber- tragereinheit (74) durch Konvektion, insbesondere ausschließlich durch
Konvektion, erfolgt.
18. Wärmeübertragersystem nach einer der voranstehenden Ausführungs- formen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragersystem (10) bezüglich des fluiden Mediums der Wärmequelle (14) oder Wärmesenke schwimmfähig ausgebildet ist.
19. Wärmeübertragersystem nach dem Oberbegriff der Ausführungsform 1 oder nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit (74) in einem Gehäuse (40) angeordnet und von diesem umschlossen ist.
20. Wärmeübertragersystem nach Ausführungsform 19, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Gehäuse (40) mit Auftriebskörpern (142, 144) versehen ist. 21. Wärmeübertragersystem nach Ausführungsform 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch Durchströmungsöffnungen (52) des
Gehäuses (40) zur Verfügung gestellte Strömungsquerschnittsfläche größer ist als eine durch Zwischenräume (108) zwischen den Spiralleitungen (96) in den Leitungslagen (82) der Wärmeübertragereinheit (74) zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche.
22. Wärmeübertragersystem nach einer der Ausführungsformen 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (40) einen oberen und einen unteren Gehäusedeckel (42, 44) aufweist, die durch einen Mantelkörper (46) miteinander verbunden sind.
23. Wärmeübertragersystem nach Ausführungsform 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die Durchströmungsöffnungen (52) im oberen und unteren Gehäusedeckel (42, 44) angeordnet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nach- folgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger
Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung eines erfindungs- gemäßen Wärmeübertragersystems in Verbindung mit einer Wärmepumpe zur Überführung von Wärme von einer Wärme- quelle, mit welcher das Wärmeübertragersystem in Verbindung steht, zu einer Wärmesenke;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragersystems; Fig. 3 eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Wärmeübertragersystems in Richtung des Pfeils A in Fig. 2;
Fig. 4 eine Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Wärmeübertragersystems in Richtung des Pfeils B in Fig. 2;
Fig. 5 einen Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Wärmeübertragersystems längs Linie 5-5 in Fig. 4;
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer von dem Wärme- übertragersystem umfassten Wärmeübertragereinheit;
Fig. 7 einen Schnitt längs Linie 7-7 in Fig. 6;
Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Leitungslage des Wärmeübertrager- systems allerdings mit nur einer Spiralleitung;
Fig. 9 eine vereinfachte Darstellung einer Draufsicht auf zwei Leitungs- lagen mit nur jeweils einer Spiralleitung;
Fig. 10 eine Darstellung eines Trägerstegs des Wärmeübertragersystems zur Aufnahme der Spiralleitungen in den verschiedenen Leitungs- lagen;
Fig. 11 eine schematisch Darstellung einer Zufuhr von Wärmetransport- medium zu verschiedenen Leitungslagen;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Abfuhr von Wärmetransport- medium aus verschiedenen Leitungslagen; Fig. 13 eine schematisch Darstellung einer Zu- und Abfuhr von Wärme- transportmedium zu Leitungslagen in einer ersten Strömungs- umlaufrichtung;
Fig. 14 eine schematisch Darstellung der Zufuhr und Abfuhr von
Wärmetransportmedium zu einzelnen Leitungslagen mit jeweils unterschiedlicher Strömungsumlaufrichtung;
Fig. 15 eine Draufsicht auf eine Verzweigungseinheit zur Aufteilung von in einer Zuleitung strömenden Wärmetransportmedium auf einzelne Spiralleitungen;
Fig. 16 einen Schnitt längs Linie 16-16 in Fig. 15;
Fig. 17 einen Schnitt längs Linie 17-17 in Fig. 15;
Fig. 18 eine Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungs- gemäßen Wärmeübertragersystems ähnlich Fig. 5 in dem fluiden Medium einer Wärmequelle;
Fig. 19 eine Darstellung ähnlich Fig. 4 des ersten Ausführungsbeispiels mit Angabe einer Außenquerschnittsfläche des Gehäuses;
Fig. 20 eine perspektivische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragersystems mit Darstellung eines äußeren Raumvolumens des Gehäuses; Fig. 21 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems mit zwei in einem vergrößerten Gehäuse angeordneten Wärme- tauschereinheiten und
Fig. 22 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragersystems mit drei in einem vergrößerten Gehäuse angeordneten Wärme- tauschereinheiten.
Ein in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnetes Wärmeübertragersystem ist vorzugsweise vorgesehen zum Einsatz im Zusammenhang mit einer als
Ganzes mit 12 bezeichneten Wärmepumpe, wobei mittels des Wärme- übertragersystems 10 einer wärmeabgebenden und ein flüssiges Medium umfassenden Wärmequelle 14 Wärme entzogen wird und mittels eines wärmeabgebenden Wärmeübertragersystems 16 einer Wärmesenke 18 Wärme zugeführt wird.
Es ist aber auch möglich, mit dem Wärmeübertragersystem 10 eine Wärme- senke Wärme zuzuführen. Lediglich beispielhaft wird daher nachfolgend der Einsatz des Wärmeübertragersystems 10 im Zusammenhang mit einer
Wärmequelle beschrieben.
Hierzu umfasst die Wärmepumpe 12 beispielsweise einen Kältemittelkreislauf 20, in welchem ein Verdichter 22, ein wärmeabgebender Wärmeübertrager 24, ein Expansionsorgan 26 und ein wärmeaufnehmender Wärmeübertrager 28 angeordnet sind. Beispielsweise ist das Wärmeübertragersystem 10 mit dem wärme- aufnehmenden Wärmeübertrager 28 verbunden, insbesondere in einem eingangsseitigen Wärmetransportkreislauf 30 desselben angeordnet, in welchem mittels einer Pumpe 32 ein Wärmetransportmedium, beispielsweise Wasser oder Sole, umgewälzt wird und dabei über eine Zuleitung 34 dem Wärmeübertragersystem 10 zugeführt wird, welches über eine Ableitung 36 einer im Wärmetransportkreislauf 30 angeordneten Eingangsseite 38 des wärmeaufnehmenden Wärmeübertragers 28 zugeführt.
Ein erstes, in Fig. 2 bis 4 dargestelltes Ausführungsbeispiel des Wärme- übertragersystems 10, welches insbesondere zum Einsatz bei flüssigen Medien führenden Wärmequellen 14, wie Oberflächengewässern, vorgesehen ist, umfasst ein Gehäuse 40, welches einen oberen Gehäusedeckel 42 und einen unteren Gehäusedeckel 44 aufweist, die beide mit einem sich zwischen den Gehäusedeckeln 42 und 44 erstreckenden Mantelkörper 46 des Gehäuses 40 verbunden sind.
Sowohl der obere Gehäusedeckel 42 als auch der untere Gehäusedeckel 44 sind mit Durchströmöffnungen 52 versehen, welche es erlauben, dass durch einen der Gehäusedeckel 42, 44 das von der Wärmequelle 14 umfasste flüssige Medium eintritt und durch die Durchströmöffnungen 42 des anderen der Gehäusedeckel 44, 42 das von der Wärmesenke 14 umfasste flüssige Medium austritt.
Ferner sind die Gehäusedeckel 42, 44 beispielsweise mit abgeflachten
Bereichen 54 versehen, die sich insbesondere über den gesamten Durch- messer der Gehäusedeckel 42, 44 erstrecken, und beiderseits der
abgeflachten Bereiche 54 mit gewölbten Bereichen 56, 58 versehen, die beispielsweise symmetrisch zu den abgeflachten Bereichen 54 angeordnet sind. Dabei sind sowohl die abgeflachten Bereiche 54 als auch die gewölbten
Bereiche 56 und 58 mit den Durchströmöffnungen 52 versehen, um ein möglichst gleichmäßiges Einströmen des flüssigen Mediums der Wärmequelle 14 in das Gehäuse 40 zu ermöglichen.
Ferner sind die Gehäusedeckel 42, 44 noch vorzugsweise an ihrem Außenrand mit Fixierungselementen 62 versehen, die beispielsweise Durchbrüche 64 aufweisen, in welche Positionierungselemente eingreifen können, die dazu dienen, die Position des jeweiligen Wärmeübertragersystems 10 in der
Wärmesenke 14 festzulegen.
Wie in Fig. 5 dargestellt, ist in einem von dem Gehäuse 40 umschlossenen Innenraum 72 des Wärmeübertragersystems 40, der sich innerhalb des Mantelkörpers 46 von dem einen Gehäusedeckel 42 bis zum anderen
Gehäusedeckel 44 erstreckt, eine Wärmeübertragereinheit 74 vorgesehen, welche, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt sich ungefähr parallel zu einer Mittel- achse des Mantelkörpers 46 vom Gehäusedeckel 44 zum Gehäusedeckel 42 erstreckenden, in einer Stapelrichtung 76 übereinander liegende und sich in quer zur Stapelrichtung 76 verlaufenden geometrischen Flächen 78
erstreckende Leitungslagen 82 aufweist.
Vorzugsweise sind dabei die Flächen 78 senkrecht zur Stapelrichtung 76 verlaufende geometrische Ebenen, in denen jeweils die Leitungslagen 82 verlaufen.
Zur Führung der in den Leitungslagen 82 verlaufenden Leitungen ist ein, wie in Fig. 6 dargestellt, als Ganzes mit 84 bezeichneter Leitungsträger vorgesehen, welcher einen Zentralkörper 86 aufweist, der sich längs einer Mittelachse 88 erstreckt, die vorzugsweise parallel zur Stapelrichtung 76 verläuft, und aus- gehend von dem Zentralkörper 86 sind an diesem gehaltene Trägerstege 92 vorgesehen, welche um die Mittelachse 88 herum in definierten Winkel- abständen relativ zueinander angeordnet sind und sich jeweils in radialer Richtung zur Mittelachse 88 erstrecken und dabei eine Vielzahl von Leitungs- aufnahmen 94 aufweisen, die die in den Leitungslagen 82 verlaufenden Leitungen in den jeweiligen geometrischen Flächen 78 verlaufend führen.
Wie in Fig. 8 exemplarisch dargestellt, verläuft in jeder Leitungslage 82 mindestens eine Spiralleitung 96, welche, sich beispielsweise beginnend mit einem äußeren Spiralleitungsende 102, vorgegeben, durch die entsprechende Leitungsaufnahme 94 in dem jeweiligen Trägersteg 92, durch die für diese Spiralleitung 96 vorgesehenen Leitungsaufnahmen 94 in den jeweiligen Trägerstegen 92 hindurch erstreckt und dabei ihren radialen Abstand von der Mittelachse 88 zunehmend verkleinert, so lange, bis die Spiralleitung 96 ein inneres Spiralleitungsende 104 erreicht.
Die sich in der geometrischen Fläche 78 erstreckende Spiralleitung 96 stellt vorzugsweise, wie in Fig. 9 dargestellt, eine Spiralleitung 96a dar, deren inneres Spiralleitungsende 104a mit einem inneren Spiralleitungsende 104b einer Spiralleitung 96b verbunden ist, die in der in der Stapelrichtung 76 unmittelbar benachbarten geometrischen Fläche 78 verläuft und von der in dieser geometrischen Fläche 78 verlaufenden Leitungslage 82 umfasst ist, wobei das innere Spiralleitungsende 104a der Spiralleitung 96a mit dem Inneren Spiralleitungsende 104b der Spiralleitung 96b so verbunden ist, dass das äußere Spiralleitungsende 102b der Spiralleitung 96b zwar in der Stapel- richtung 76 versetzt, jedoch ungefähr in ähnlichem radialem Abstand von der Mittelachse 88 angeordnet ist, wie das äußere Spiralleitungsende 102a der Spiralleitung 96a.
Wie in Fig. 10, welche nicht nur eine Draufsicht auf einen Trägersteg 92 darstellt, sondern auch die Lage der Spiralleitungen 96 in einer durch die Mittelachse 88 verlaufenden radialen Schnittebene RS darstellt, vergrößert erkennbar, sind die Leitungsaufnahmen 94a in der geometrischen Fläche 78a relativ zu den entsprechenden Leitungsaufnahmen 94b in der Fläche 78b in radialer Richtung zur Mittelachse 88 versetzt angeordnet, wobei der Versatz im Bereich vom 0,3-fachen bis 0,7-fachen eines Leitungsdurchmessers der jeweiligen Spiralleitung 96 liegt, vorzugsweise im Bereich von einem
0,4-fachen bis zu einem 0,6-fachen des Leitungsdurchmessers, besonders bevorzugt ungefähr bei einem 0,5-fachen des Spiralleitungsdurchmessers liegt.
Zur Optimierung der Funktion der Wärmeübertragereinheit 74 ist in der jeweiligen Fläche 78 der jeweiligen Leitungslage 82 nicht nur eine Spiralleitung 96 vorgesehen, sondern es sind beispielsweise in jeder der Leitungslagen 82 drei parallel zueinander verlaufende Spiralleitungen 96al, 96a2 und 96a3 parallel zueinander verlaufend angeordnet, so dass beispielsweise ausgehend von der Spiralleitung 96al die Spiralleitung 96a2 radial innenliegend derselben in der nächsten Leitungsaufnahme 94 verläuft und die Spiralleitung 96a3 radial innenliegend bezüglich der Spiralleitung 96a2 in den nächst innen- liegenden Leitungsaufnahmen 94a verläuft.
Dabei sind die innenliegenden Spiralenden 104al und 104bl sowie 104a2 und 104b2 sowie 104a3 und 104b3 direkt miteinander verbunden, allerdings ohne Änderung der Strömungsumlaufrichtung bezogen auf die Mittelachse 88, so dass am Übergang von den Spiralleitungen 96al, 96a2 und 96a3 zu den Spiralleitungen 96bl, 96b2 und 96b3 keinerlei oder eine unwesentliche
Strömungshemmung auftritt, da die Umlenkung von einer Leitungslage 82 zur unmittelbar nächst folgenden Leitungslage 82 mit einer unwesentlichen Leitungskrümmung erfolgt.
Die mit derselben Strömungsumlaufrichtung durchströmten in der Stapel- richtung 76 unmittelbar aufeinanderfolgend angeordneten Leitungslagen 82a und 82b bilden ein Paar von Leitungslagen. Liegen die Leitungslagen 82 in der Stapelrichtung mit geringem Abstand aufeinander und sind die Spiralleitungen 96a, b in allen Leitungslagen 82a, 82b entsprechend denselben radialen Verlaufsmuster angeordnet, so entstehen sich parallel zu der Stapelrichtung 76 erhebende Leitungsstapel 106.
Bei einer derartigen Anordnung der Leitungslagen 82 in allen in der Stapel- richtung aufeinanderfolgend angeordneten Flächen 78 entstehen parallel zu der Stapelrichtung 76 verlaufende, sich durch die gesamte Wärmeübertrager- einheit 74 erstreckende und spiralförmig zwischen den Leitungstürmen 106 liegende Zwischenräume 108 durch die das fluide Medium der Wärmequelle 14 hindurchtreten kann, um Wärme an die Leitungen der Leitungsspiralen 96 in den Leitungslagen 78 abzugeben, wie in Fig. 10 dargestellt.
Prinzipiell wäre es denkbar, entsprechend in den aufeinanderfolgenden Paaren von Leitungslagen 82a und 82b die Spiralleitungen 96a und 96b stets mit der gleichen Strömungsumlaufrichtung um die Mittelachse 88 zu durchströmen.
Um jedoch eine optimale Effizienz bei der Wärmeübertragung zu erreichen, ist vorgesehen, dass in der Wärmeübertragereinheit 74 ein Teil der Paare von Leitungslagen 82a, 82b mit einer ersten Strömungsumlaufrichtung Ul durch- strömt wird und ein anderer Teil der Paare von Leitungslagen 82a, 82b mit einer Strömungsumlaufrichtung U2, die entgegengesetzt zur Strömungs- umlaufrichtung Ul verläuft, durchströmt wird.
Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass wie in Fig. 10 dargestellt, ein Paar aus zwei aufeinander folgende Leitungslagen 82a und 82b mit der Strömungs- umlaufrichtung Ul durchströmt werden und das nächstfolgende Paar zweier Leitungslagen 82a und 82b mit der Strömungsumlaufrichtung U2 durchströmt wird und dann wieder das nächstfolgende Paar von Leitungslagen 82a und 82b mit der Strömungsumlaufrichtung Ul, so dass nach jedem Paar von auf- einander folgenden Leitungslagen 82a und 82b die Strömungsumlaufrichtung wechselt. Um dies zu realisieren sind, wie bereits in Fig. 6 und Fig. 11 dargestellt, der Zuleitung 34 zwei Verzweigungseinheiten 112 Ul und 112 U2 zugeordnet, wobei die Verzweigungseinheit 112 Ul den von dieser gespeisten Paaren von Leitungslagen 82a, 82b das Wärmeträgermedium mit der Strömungsumlauf- richtung Ul zuführt, während die Verzweigungseinheit 112 U2 den von dieser gespeisten Leitungslagen 82a, 82b das Wärmetransportmedium mit der Strömungsumlaufrichtung U2 zuführt.
Desgleichen sind der Ableitung 36 Verzweigungseinheiten 114 Ul und 114 U2 zugeordnet, wobei die Verzweigungseinheit 114 Ul mit den Paaren von Leitungslagen 82a, 82b verbunden ist, in denen das Wärmetransportmedium mit der Strömungsumlaufrichtung Ul umläuft, und die Verzweigungseinheit 114 U2 mit den Paaren von Leitungslagen 82a, 82b verbunden ist, in denen das Wärmetransportmedium in mit der Strömungsumlaufrichtung U2 umläuft.
Aus diesem Grund werden, wie in Fig. 11 und Fig. 13 dargestellt, von der Verzweigungseinheit 112 Ul alle Leitungslagen 82a Ul mit Wärmetransport- medium gespeist, das in der Strömungsumlaufrichtung Ul um die Mittelachse 88 strömt, und von der Verzweigungseinheit U2 werden alle Leitungslagen 82 U2 gespeist, in denen das Wärmetransportmedium in der Strömungsumlauf- richtung U2 strömt.
Nach dem Übergang von der jeweiligen Leitungslage 82a Ul beziehungsweise 82a U2 in die nächstfolgende Leitungslage 82b Ul beziehungsweise 82b U2 des jeweiligen Paares wird das Wärmetransportmedium durch die
Verzweigungseinheit 114 Ul aus allen Leitungslagen 82b Ul aufgenommen und durch die Verzweigungseinheit 114 U2 aus allen Leitungslagen 82b U2 aufgenommen, wie in Fig. 12 und 13 dargestellt.
Dabei sind die beiden Verzweigungseinheiten 114 Ul und 114 U2 jeweils mit der Ableitung 36 verbunden. Diese ineinander geschachtelte Anordnung der Paare von Leitungslagen 82a Ul, 82bUl sowie 82aU2 und 82bU2 ist schematisch in Fig. 14 nochmals dargestellt.
Dabei ist in Fig. 14 erkennbar, dass auf jedes Paar aufeinanderfolgender Leitungslagen 82a und 82b, die in der ersten Strömungsumlaufrichtung Ul durchströmt sind ein Paar von Leitungslagen 82a und 82b folgt, die in entgegengesetzter Strömungsumlaufrichtung U2 durchströmt sind, so dass eine relativ gleichmäßige Verteilung des über die Zuleitung 34 der Wärme- übertragereinheit 74 zugeführten Wärmetransportmediums auf die Gesamtheit der Leitungslagen 82 erfolgt.
Hinsichtlich der Ausbildung der Verzweigungseinheiten 112 und 114 wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine in den Fig. 15 bis 17 dargestellte vorteilhafte Lösung vor, dass die jeweilige Zuleitung oder Ableitung, in Fig. 15 die Zuleitung 34, in eine T-Verbindung 122 übergeht, von weicher eine als Ganzes mit 124 bezeichnete Zweigleitung abzweigt, an welche sich ein Strömungsführungsstück 126 anschließt, in welchem das Wärmetransportmedium in einer definierten
Strömungsrichtung 128 geführt wird.
Mit dieser Strömungsrichtung 128 trifft das Wärmetransportmedium auf einen Verzweigungskörper 132, weicher eine Vielzahl von Zweigkanälen 134 auf- weist, deren Mittelachsen 136 ungefähr parallel zu der Strömungsrichtung 128 verlaufen.
In dem Verzweigungskörper 132 erfolgt dann eine Verbindung jedes Zweig- kanals 134 mit einer Verbindungsleitung 138, die von dem jeweiligen Zweig- kanal 134 zu dem entsprechenden äußeren Spiralleitungsende 102a der entsprechenden Spiralleitung 96a geführt ist, wenn der Verzweigungseinheit 112 Wärmetransportmedium über die Zuleitung 34 zugeführt wird. In gleicher weise sind auch die Verzweigungseinheiten 114 aufgebaut, wobei die Verbindungsleitungen 138 dann von den äußeren Spiralleitungsenden 102b der Spiralleitungen 96b zu dem Verzweigungskörper 132 geführt sind und das Wärmetransportmedium nach Durchströmen der Wärmeübertragereinheit 74 über das Strömungsführungsstück 126 und die Zweigleitung 124 sowie die T-Verbindung 122 der Ableitung 36 zugeführt werden.
Hinsichtlich der vorgesehenen Leitungen, insbesondere für die Spiralleitungen 96, wäre es denkbar, metallische Leitungen zu verwenden, insbesondere jedoch dann, wenn die Wärmequelle 14 ein Oberflächengewässer sein soll, hat es sich aufgrund des Preis-Leistungs- und Funktionsverhältnisses als vorteil- haft erwiesen, wenn die Leitungen aus Polyethylen, insbesondere schwarzem Polyethylen, hergestellt sind und somit durch Schläuche aus Polyethylen mit einem Außendurchmesser im Bereich von ungefähr 0,6 mm bis ungefähr 10 mm, vorzugsweise 8 mm, und einer Wandstärke im Bereich von ungefähr 0,6 mm bis ungefähr 0,10 mm, vorzugsweise 0,8 mm hergestellt sind.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragersystem 10 ist bevorzugt schwimmend in der Wärmequelle 14, das heißt beispielsweise dem die Wärmequelle 14 darstellenden Oberflächengewässer, angeordnet und hierzu insbesondere mit Auftriebskörpern 142 und 144 versehen, die beispielsweise in den Gehäuse- deckeln 42 und 44, insbesondere unter den abgeflachten Bereichen 54, angeordnet sind und dafür sorgen, dass das Wärmeübertragersystem 10 einen ausreichend großen Auftrieb hat, um in der Wärmequelle schwimmend betrieben zu werden.
Somit tritt das fluide Medium der Wärmequelle 14 im Fall eines Oberflächen- gewässers das Wasser, jeweils durch die Durchströmöffnungen 52 sowohl des oberen Gehäusedeckels 42 als auch des unteren Gehäusedeckels 44 hindurch und ist in der Lage, die Wärmeübertragereinheit 74 zu durchsetzen und in Wärmeaustausch mit den Spiralleitungen 96 in derselben zu treten. Dabei wird vorzugsweise das erfindungsgemäße Wärmeübertragersystem 10 von dem fluiden Medium der Wärmequelle 14 ausschließlich durch Konvektion durchströmt, das heißt, dass die in der Wärmeübertragereinheit 74 abgekühlte Flüssigkeit aufgrund des durch die Abkühlung erhöhten spezifischen Gewichts in Schwerkraftrichtung nach unten sinkt und somit wird beispielsweise das Wärmeübertragersystem 10 gemäß Fig. 18 so durchströmt, dass das fluide Medium der Wärmequelle 14 durch die Durchströmöffnungen 52 im oberen Gehäusedeckel 42 in den Innenraum 72 des Gehäuses 40 eintritt, dann in die Wärmeübertragereinheit 74 eintritt und in Kontakt mit den Leitungsstapeln 106 der Leitungslagen 82 kommt und im Wesentlichen in sich in der Stapel- richtung 76 zwischen den aus den Spiralleitungen 96 gebildeten Leitungs- Stapeln 106 ausgebildeten und parallel zur Stapelrichtung 76 verlaufenden Zwischenräumen 108 eine Abkühlung erfährt und dadurch in den Zwischen- räumen 108 zwischen den Spiralleitungen 96 in Schwerkraftrichtung absinkt, um dann den Innenraum 72 des Gehäuses 40 durch die Durchströmöffnungen 52 im unteren Gehäusedeckel 44 zu verlassen.
Dabei ist vorzugsweise die Wärmeübertragereinheit 74 so ausgelegt, dass die durch die Summe aller Zwischenräume 108 zwischen den Spiralleitungen 96 der verschiedenen Leitungslagen 82 bereitgestellte Strömungsquerschnitts- fläche kleiner ist als die durch die Summe der Durchströmöffnungen 52 sowohl im oberen Gehäusedeckel 42 als auch im unteren Gehäusedeckel 44 zur Verfügung gestellte Strömungsquerschnittsfläche, so dass die Durchström- öffnungen 52 für die pro Zeiteinheit durch die Wärmeübertragereinheit 74 hindurchtretende Menge an Flüssigkeit irrelevant sind und die pro Zeiteinheit die Wärmeübertragereinheit 74 hindurchtretende Menge des fluiden Mediums im Wesentlichen, durch den durch die Zwischenräume 108 zur Verfügung gestellten Strömungsquerschnitt der Wärmeübertragereinheit 74 begrenzt ist.
Vorzugsweise ist die durch die Summe der Durchströmöffnungen 52 in dem oberen Gehäusedeckel 42 und dem unteren Gehäusedeckel 44 zur Verfügung gestellte Strömungsquerschnittsfläche doppelt so groß, noch besser dreimal so groß, wie die durch die Summe der Zwischenräume 108 zwischen den Spiral- leitungen 96 zur Verfügung gestellte Strömungsquerschnittsfläche der Wärme- übertragereinheit 74.
Dadurch, dass die Spiralleitungen 96a in den jeweiligen Leitungslagen 82a relativ zu den Spiralleitungen 96b in den jeweiligen Leitungslagen 82b - wie vorstehend im Detail beschrieben - in radialer Richtung zur Mittelachse 88 gegeneinander versetzt sind, liegen die durch die verschiedenen Leitungslagen 82a und 82b zur Verfügung gestellten Zwischenräume 1018 nicht deckungs- gleich zueinander, sondern sind in radialer Richtung zur Mittelachse 52 versetzt, wodurch einerseits zwar eine Hemmung der freien Konvektion auf- tritt, die jedoch dadurch mehr als ausgeglichen wird, dass die Umströmung der einzelnen Spiralleitungen 96a bzw. 96b bei der Konvektion verbessert wird, so dass dadurch der Wirkungsgrad der Wärmeübertragereinheit 74 gesteigert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinheit 74 lässt sich somit, wie in Fig. 19 dargestellt, die Austauschfläche der Wärmeübertragereinheit 10 pro senkrecht zur Stapelrichtung 76 verlaufender Querschnittsfläche Q, bezogen, wie in Fig. 19 und 20 dargestellt, auf einen Außenradius AR des Gehäuses 40 und pro äußeren Raumvolumen, bezogen, wie in Fig. 20 ebenfalls dargestellt, auf die maximale Außenhöhe des Gehäuses 40 zwischen dem abgeflachten Bereich 54 des oberen Gehäusedeckels 42 und dem abgeflachten Bereich 54 des unteren Gehäusedeckels 44, optimieren.
Beispielsweise lässt sich die Austauschfläche durch geeignete Dimensionierung des Querschnitts der Spiralleitungen 96 so optimieren, dass diese mindestens ein Faktor 3 größer ist als die senkrecht zur Stapelrichtung 76 verlaufende Querschnittsfläche Q des Gehäuses und außerdem ist die Austauschfläche gemessen in Quadratmeter mindestens ein Faktor 20 größer als das äußere Raumvolumen des Gehäuses 40 in Kubikmeter, wie in Fig. 20 dargestellt. Die Wärmeübertragereinheit 74 kann bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 21 so ausgebildet sein, dass sie ein Modul darstellt und somit besteht die Möglichkeit beispielsweise durch Verlängerung des Mantel- körpers 46 zu einem Mantelkörper 46' und Beibehalten des oberen Gehäuse- deckels 42 und des unteren Gehäusedeckels 44 zwei derartige als Module aus- gebildete Wärmeübertragereinheiten 74 in einem Innenraum 72' eines derartigen modifizierten Gehäuses 40' anzuordnen, so dass sich die Aus- tauschfläche in Quadratmeter pro Raumvolumen in Kubikmeter weiter vergrößern lässt, so dass die Austauschfläche nun mehr als einen Faktor 25 größer ist.
Dieses Verhältnis Austauschfläche zu Raumvolumen lässt sich noch weiter steigen, wenn, wie bei einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt, das Gehäuse 40" durch Verlängerung des Mantelkörpers 46" noch soweit vergrößert wird, dass in dem Innenraum 72" des Gehäuses 40" drei Wärme- übertragereinheiten 74 als einzelne Module in der Stapelrichtung 76 über- einander angeordnet sind, so dass in diesem Fall das Verhältnis von
Austauschfläche in Quadratmeter der drei Wärmeübertragereinheiten 74 nun mehr als einen Faktor 30 größer ist als das Raumvolumen in Kubikmeter.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Wärmeübertragersystem, insbesondere zur Anordnung in fluide Medien umfassenden Wärmequellen (14) oder Wärmesenken, beispielsweise Oberflächengewässern, umfassend eine zwischen mindestens einer Zuleitung (34) und mindestens einer Ableitung (36) angeordnete Wärmeübertragereinheit (74), welche in einer Stapelrichtung (76) übereinanderliegend angeordnete und sich quer zur Stapelrichtung (76) erstreckende Leitungslagen (82) aufweist, deren Leitungen (96) innenseitig von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt sind und außenseitig in Kontakt mit der Wärmequelle (14), insbesondere dem fluiden Medium der Wärmequelle (14), stehen, wobei mindestens eine der Leitungen in der jeweiligen Leitungslage (82) in Form einer Spiralleitung (96) um eine Mittelachse (88) der Wärmeübertrager- einheit (74) verläuft,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spiralleitung (96) in einer Leitungslage (82a) an einem ersten Ende (102a) mit der
Zuleitung (34) und an einem zweiten Ende (104a) mit einem
entsprechenden zweiten Ende (104b) einer weiteren Spiralleitung (96) in einer weiteren Leitungslage (82) verbunden ist und dass die weitere Leitungslage ( 82b) mit ihrem ersten Ende (102b) mit der Ableitung (36) verbunden ist.
2. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslagen (82a, 82b) der einen Spiralleitung (96a) und der anderen Spiralleitung (96b) in Stapelrichtung (76) unmittelbar aufeinander folgen.
3. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Leitungslage (82) mindestens zwei Spiralleitungen (96) nebeneinanderliegend verlaufen.
4. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Enden (104) radial außen- liegende Spiralleitungsenden der jeweiligen Spiralleitung (96) sind und die zweiten Enden radial innenliegende Spiralleitungsenden (104) der jeweiligen Spiralleitung (96) sind.
5. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Spiralleitung (96) der weiteren Leitungslage das Wärmetransportmedium in der- selben Strömungsumlaufrichtung (Ul, U2) weiterströmt.
6. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitungen (96) in allen
Leitungslagen (82) so verlaufen, dass sich in der Wärmeübertrager- einheit (74) in der Stapelrichtung (76) erstreckende Leitungsstapel (106) ausbilden.
7. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitungen (96) in den verschiedenen Leitungslagen (82) so verlaufen, dass in jeder durch die Mittelache (88) verlaufenden radialen Schnittebene (Rb) ein radialer Abstand einer Spiralleitung (96) in einer Leitungslage (82) von dem radialen abstand in der in der Stapelrichtung (76) nächstfolgenden Leitungslage um maximal das 0,7-fache eines Leitungsdurchmessers abweicht.
8. Wärmeübertragersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit (74) in einer ersten Strömungs- umlaufrichtung (Ul) durchströmte Leitungslagen (82a, 82b) und in einer zweiten entgegengesetzten Strömungsumlaufrichtung (U2) durchströmte Leitungslagen (82a, 82b) aufweist.
9. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stapelrichtung (76) der Wärme- übertragereinheit (74) auf mindestens ein Paar von Leitungslage (82a, 82b) mit den in einer ersten Strömungsumlaufrichtung (Ul) durch- strömten Spiralleitungen (96) mindestens ein Paar von Leitungslagen (82a, 82b) mit den in einer zweiten entgegengesetzten Strömungs- umlaufrichtung (U2) durchströmten Spiralleitungen (96) folgt.
10. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmeübertragereinheit (74) die Anzahl der Paare von Leitungslagen (82a, 82b), die in einer ersten Strömungsumlaufrichtung (Ul) durchströmt sind, der Anzahl der Paare von Leitungslagen (82a, 82b), die in einer zweiten Strömungsumlauf- richtung (U2) durchströmt sind, im Wesentlichen entspricht.
11. Wärmeübertragersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2) eine Verzweigungseinheit (112a, 112b) zur Verbindung mit der Zuleitung (34) für das Wärmetransportmedium vorgesehen ist.
12. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der ersten und zweiten
Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2) jeweils eine Verzweigungseinheit (114a, 114b) zur Verbindung mit der Ableitung (36) für das Wärme- transportmedium vorgesehen ist.
13. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn- zeichnet, dass in jeder Verzweigungseinheit (112, 114) eine
Verbindung der Zuleitung (34) oder Ableitung (36) mit in der
Verzweigungseinheit (112, 114) ausgebildeten und mit den einzelnen Spiralleitungen (96) verbundenen Zweigkanälen (134) erfolgt.
14. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Verzweigungseinheit (112, 114) die Mittelachsen der Zweigkanäle (134) ungefähr parallel zur
Strömungsrichtung (128) in einem zu den Zweigkanälen (134) führenden Strömungsführungsstück (126) verlaufen.
15. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (34) mittels einer
Verzweigung mit zwei jeweils Wärmetransportmedium in einander entgegengesetzten ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2) abgebenden Verzweigungseinheiten (112a, 112b) verbunden ist.
16. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung (36) mit zwei das
Wärmetransportmedium jeweils mit den entgegengesetzten ersten und zweiten Strömungsumlaufrichtungen (Ul, U2) sammelnden
Verzweigungseinheiten (114a, 114b) verbunden ist.
17. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchströmung der Wärmeüber- tragereinheit (74) durch Konvektion, insbesondere ausschließlich durch Konvektion, erfolgt.
18. Wärmeübertragersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragersystem (10) bezüglich des fluiden Mediums der Wärmequelle (14) oder Wärme- senke schwimmfähig ausgebildet ist.
19. Wärmeübertragersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit (74) in einem Gehäuse (40) angeordnet und von diesem umschlossen ist.
20. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (40) mit Auftriebskörpern (142, 144) versehen ist.
21. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine durch Durchströmungsöffnungen (52) des
Gehäuses (40) zur Verfügung gestellte Strömungsquerschnittsfläche größer ist als eine durch Zwischenräume (108) zwischen den Spiral- leitungen (96) in den Leitungslagen (82) der Wärmeübertragereinheit (74) zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche.
22. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (40) einen oberen und einen unteren Gehäusedeckel (42, 44) aufweist, die durch einen Mantelkörper (46) miteinander verbunden sind.
23. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmungsöffnungen (52) im oberen und unteren Gehäusedeckel (42, 44) angeordnet sind.
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