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Dokumentenidentifikation DE102005049518A1 03.05.2007
Titel Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung sowie ein Verfahren hierzu
Anmelder Scheffel & Schinkel GmbH & Co. KG, 06484 Quedlinburg, DE
Erfinder Schulz, Andreas, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., 06484 Quedlinburg, DE;
Scheffel, Franz, Dipl.-Ing., 06484 Quedlinburg, DE
Vertreter Dr. Heyner & Dr. Sperling Patentanwälte, 01277 Dresden
DE-Anmeldedatum 12.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005049518
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse F28D 15/02(2006.01)A, F, I, 20051012, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F25B 1/00(2006.01)A, L, I, 20051012, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Wärmerückgewinnung und -übertragung von einem Primärwärmetauscherfluid auf ein Sekundärwärmetauscherfluid sowie ein Verfahren hierzu, insbesondere zur Wärmerückgewinnung von Heißgasen.
Nach der Konzeption der Erfindung umfasst die Vorrichtung (1) ein Mantelrohr (2) mit einem unteren Prozessraum (3) und einem oberen Prozessraum (4) sowie einem zwischen den Prozessräumen (3, 4) zirkulierenden Kältemittel (5, 6) als Wärmeträger. Im unteren Prozessraum (3) ist hierbei ein vom Primärwärmetauscherfluid (20) durchströmbarer und vom flüssigen Kältemittel (5) überfluteter Primärwärmeübertrager (7) platziert, wobei im oberen Prozessraum (4) ein vom Sekundärwärmetauscherfluid (19) durchströmbarer und vom gasförmigen Kältemittel (6) umströmter Sekundärwärmeübertrager (8) platziert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung von einem Primärwärmetauscherfluid auf ein Sekundärwärmetauscherfluid sowie ein Verfahren hierzu, insbesondere zur Wärmerückgewinnung von Heißgasen.

Durch die weltweite Verknappung der Ressourcen der fossilen Energieträger und den damit verbundenen gestiegenen Erschließungskosten rückt neben der Nutzung erneuerbarer Energien auch die Wärmerückgewinnung aus Heißgasen, insbesondere heißen Abgasen, in den Vordergrund der Entwicklung. Durch die Wärmerückgewinnung aus Heißgasen können die bei Heiz- und Kühlprozessen auftretenden Energieverluste verringert werden, was zu einer Verbesserung des Anlagenwirkungsgrades und zu einer kürzeren Amortisationszeit der Anlage führt.

Aus dem Stand der Technik sind Apparate zur Wärmerückgewinnung aus dem Abgasstrom von Blockheizkraftwerken und von gas- bzw. ölgefeuerten Heizkesseln in einem Leistungsbereich von bis zu 1000 kW vorbekannt. Diese als Wärmeübertrager ausgebildeten Apparate weisen in der Regel Glattrohre oder profilierte Wärmeaustauscherflächen auf. Die Auslegung der Vorrichtungen beschränkt sich hierbei auf die Nutzung des Wärmeinhaltes der Abgase in einem Arbeitsbereich zwischen 90°C und 60°C. Besonders nachteilig bei derartigen Apparaten zur Wärmerückgewinnung ist die Tatsache, dass das Abgas ohne Kondensationswärmenutzung nur abgekühlt wird und somit der heizwertbezogene Wirkungsgrad der Heizanlage relativ gering ist.

Außer vorgenannten Apparaten zur Wärmerückgewinnung sind des Weiteren Kondensations-Abgaswärmetauscher vorbekannt, mittels derer der im Abgas enthaltene Wasserdampf verflüssigt wird, wobei zusätzlich die beim Kondensieren zurückgewonnene Wärme zur Erwärmung des Heizungswassers oder des Speisewassers zur Verfügung steht. Diese Kondensations-Abgaswärmetauscher umfassen im einfachsten Fall eine im Abgasstrom angeordnete und vom zu erwärmenden Wasser durchströmte Rohrschlange, die vom Abgas umströmt wird. Diesen gattungsgemäßen Kondensations-Abgaswärmetauscher haftet konstruktionsbedingt der besondere Nachteil an, dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf nur partiell kondensiert. Dies führt vor allem bei Brennstoffen mit einem hohen Anteil an Wasser und Wasserstoff, z. B. Biomasse oder Erdgas, sowie bei einem durch hohe Systemtemperaturen bedingtem geringen Kondensationsgrad zu einer geringen Effizienz des Kondensations-Abgaswärmetauschers. Darüber hinaus weisen diese Abgaswärmetauscher einen geringen Quotienten von Wärmeübertragungsfläche zum beanspruchten Montageraum auf, was sich besonders nachteilig bei mittleren und großen Leistungsbereichen auswirkt.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs an Wärmeübertragungsflächen von Kondensatoren und Verdampfern wurde in der DE 101 59 860 C2 vorgeschlagen, die auf rohr- oder plattenförmigen Körpern platzierte Wärmeübertragungsfläche mit einer aus der Grundfläche herausragenden Mikrostruktur von Vorsprüngen, die mit einer Mindesthöhe von 10 &mgr;m auf die Grundfläche galvanisiert sind, zu versehen. Die Grundfläche ist hierbei ganz oder teilweise mit Vorsprüngen bedeckt. Diese Vorsprünge weisen eine Stiftform auf und sind in Form von geordneten Mikrostrukturen mittels einer mit Mikroporen versehenen Polymermembran aufgebracht. Die stiftförmigen Vorsprünge erstrecken sich dabei entweder senkrecht oder unter einem Winkel &agr; zwischen 30° und 90° zur Grundfläche.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung vorzuschlagen, welche kompakt ausgebildet ist und mit der Abwärme effizient zurückgewonnen werden kann.

Ferner soll ein Verfahren hierzu vorgeschlagen werden, mit dem die Wärmerückgewinnung energetisch effizient durchgeführt werden kann.

Nach der Konzeption der Erfindung besteht die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung von einem Primärwärmetauscherfluid auf ein Sekundärwärmetauscherfluid aus einem Mantelrohr mit einem unteren Prozessraum und einem oberen Prozessraum sowie einem zwischen den Prozessräumen zirkulierenden Kältemittel als Wärmeträger. Im unteren Prozessraum ist ein vom Primärwärmetauscherfluid durchströmbarer und von flüssigem Kältemittel überfluteter Primärwärmeübertrager platziert. Im oberen Prozessraum ist hingegen ein vom Sekundärwärmetauscherfluid durchströmbarer und von gasförmigem Kältemittel umströmter Sekundärwärmeübertrager angeordnet.

Als Primärwärmetauscherfluid und damit als Energiequelle wird ein gasförmiges Fluid, vorzugsweise ein heißes Abgas aus einem Blockheizkraftwerk (BHKW), eingesetzt, welches durch den Primärwärmeübertrager strömt.

Das bei der Verbrennung von Brenngasen, beispielsweise Propangas, entstehende Abgas weist bei ca. 150°C etwa 15% Wasserdampf mit einer mittleren Kondensationswärme von 2200 kJ/kg auf, welche beim Kondensieren des Abgases mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung auf das Sekundärwärmetauscherfluid vollständig zurückgewonnen wird. Das Abgas wird während des Wärmeübertragungsvorgangs zumindest partiell, vorzugsweise jedoch vollständig, kondensiert. Somit kann sowohl der sensible Wärmeinhalt als auch der latente Wärmeinhalt des Abgases genutzt werden.

Als Sekundärwärmetauscherfluid ist vorzugsweise eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, vorgesehen, welches im Gegenstrom oder Gleichstrom durch den Sekundärwärmeübertrager strömt.

Als Kältemittel werden bevorzugt R 365 der Firma Solvey, das in vielen Klimaanlagen verwendete R 134a oder andere Kältemittel eingesetzt, die in einem für Abgas typischen Temperaturbereich – nämlich zwischen 20°C und 200°C – ein geeignetes Dampfdruckverhalten aufweisen. Das Kältemittel als Wärmeträger überträgt erfindungsgemäß durch Siede- und Kondensationsvorgänge die dem Primärwärmetauscherfluid entzogene Wärme auf das Sekundärwärmetauscherfluid gemäß dem Heat-Pipe-Prinzip.

Der Primärwärmeübertrager wird erfindungsgemäß als Verdampfer für das im unteren Prozessraum vorliegende flüssige Kältemittel, und der Sekundärwärmeübertrager wird als Kondensator für das im oberen Prozessraum vorliegende gasförmige Kältemittel eingesetzt.

Für den Wärmeübertragungsprozess der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die nachstehend genannten Wärmeübergangskoeffizienten, respektive &agr;-Werte, von besonderer Bedeutung:

&agr;1:
Wärmeübergang vom Primärwärmetauscherfluid auf die inneren Wärmeübertragungsflächen der Rohre des Primärwärmeübertragers bei gleichzeitiger Kondensation des Primärwärmetauscherfluids,
&agr;2:
Wärmeübergang von den äußeren Wärmeübertragungsflächen der Rohre des Primärwärmeübertragers auf das flüssige Kältemittel bei gleichzeitigem Sieden des Kältemittels,
&agr;3:
Wärmeübergang des gasförmigen Kältemittels auf die äußeren Wärmeübertragungsflächen der Rohre des Sekundärwärmeübertragers bei gleichzeitigem Kondensieren des Kältemittels und
&agr;4:
Wärmeübergang von den inneren Wärmeübertragungsflächen der Rohre des Sekundärwärmeübertragers auf das Sekundärwärmetauscherfluid.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen zur Vergrößerung des Wärmeübergangs die das Kältemittel kontaktierenden äußeren Wärmeübertragungsflächen des Primärwärmeübertragers und/oder die das Kältemittel kontaktierenden äußeren Wärmeübertragungsflächen des Sekundärwärmeübertragers mikrostrukturierte Oberflächen auf. Die mikrostrukturierten Oberflächen der Wärmeübertragungsflächen bestehen bevorzugt aus säulenartigen Erhebungen mit einer Säulenhöhe von 20 bis 100 &mgr;m, wobei die Porosität der mikrostrukturierten Oberflächen, also der Anteil der säulenartigen Erhebungen pro Flächeneinheit, etwa 50% beträgt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die das Primärwärmetauscherfluid des Primärwärmeübertragers kontaktierenden inneren Wärmeübertragungsflächen und/oder die das Sekundärwärmetauscherfluid des Sekundärwärmeübertragers kontaktierenden inneren Wärmeübertragungsflächen Lamellen auf.

Durch die Platzierung von Lamellen auf den Innenseiten und von mikrostrukturierten Oberflächen auf den Außenseiten der als Wärmeübertragungsflächen eingesetzten Rohre werden die Wärmeübergangskoeffizienten &agr;1–&agr;4 deutlich erhöht. Die durch die Mikrostruktur erzeugte hohe Oberflächenporosität sowie durch die hohe Kapillarität an den Außenseiten der Rohre wird die Blasenbildung des Kältemittels während des Siedevorgangs am Primärwärmeübertrager und das Kondensieren des Kältemittels am Sekundärwärmeübertrager deutlich verbessert. Labortechnische Untersuchungen haben gezeigt, dass der Wärmeübergang vom gasförmigen Kältemittel unter Verwendung des Sekundärwärmeübertragers auf das strömende Sekundärwärmetauscherfluid durch mit Lamellen bestückte Rohre unerwartet auf k-Werte bis zu 12.000 W/m2K gesteigert werden konnte. Durch die hohen Verdampfungs- und Kondensationsleistungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung wird gegenüber dem Stand der Technik ein höherer Kondensationsgrad erzielt.

Bevorzugt werden als Wärmeübertragungsflächen Aluminium-Rohre mit einem hohen Wärmeleitwert, welche auf ihrer Außenseite strukturiert ausgebildet sind und auf der Innenseite Lamellen aufweisen, eingesetzt. Derartige Rohre sind unter dem Handelsnamen „TornadoFlow-Rohre" bekannt.

Es hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Primärwärmeübertrager und/oder Sekundärwärmeübertrager aus mehreren zu einem Rohrbündel zusammengefasste Rohren besteht. Die Rohrbündel sind vorzugsweise stirnseitig von jeweils einer Lochplatte gehaltert, wobei die Lochplatte mit einer die Stirnseiten des Mantelrohrs durchdringenden Haube verbunden ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der als Verdampfer für das Kältemittel ausgebildete Primärwärmeübertrager und der als Verflüssiger für das Kältemittel ausgebildete Sekundärwärmeübertrager räumlich voneinander getrennt angeordnet. Diese Anordnung umfasst hierbei einen Kältemittelkreislauf mit einem vom Primärwärmetauscherfluid umströmten und als Verdampfer ausgebildeten Primärwärmeübertrager, einen mittels Kältemittelleitungen gekoppelten und vom Sekundärwärmetauscherfluid umströmten und als Verflüssiger ausgebildeten Sekundärwärmeübertrager sowie ein zwischen dem Primärwärmeübertrager und dem Sekundärwärmeübertrager gemäß dem Heat-Pipe-Prinzip zirkulierenden Kältemittel. Durch die besonders vorteilhafte räumliche Trennung des Verdampfers vom Verflüssiger kann die aus dem Abgas zurückgewonnene Wärme unter Verwendung des in dem Kältemittelkreislauf strömenden Kältemittels über einen größeren Streckenabschnitt transportiert werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zum Zwecke einer effizienteren Wärmeübertragung in Strömungsrichtung des Kältemittels ein dem Primärwärmeübertrager vorgeschalteter Verdichter und ein dem Primärwärmeübertrager nachgeschaltetes Expansionsorgan vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmerückgewinnung und -übertragung von einem Primärwärmetauscherfluid auf ein Sekundärwärmetauscherfluid umfasst unter Verwendung der Merkmale gemäß dem Vorrichtungsanspruch 1 nachfolgende Verfahrensschritte:

  • (a) Wärmeübertragung vom Primärwärmetauscherfluid auf das flüssige Kältemittel unter Verwendung des Primärwärmeübertragers, wobei das Kältemittel siedet,
  • (b) Wärmetransport durch die aufsteigenden Blasen des phasenwechselnden Kältemittels vom unteren Prozessbereich zum oberen Prozessbereich und
  • (c) Wärmeübertragung vom gasförmigen Kältemittel auf das Sekundärwärmetauscherfluid unter Verwendung des Sekundärwärmeübertragers, wobei das Kältemittel unter Bildung von Kältemitteltropfen kondensiert.

Der Volumenstrom und die Eingangtemperaturen des Primärwärmetauscherfluids werden so gewählt, dass während des Wärmeübertragungsvorgangs vom Primärwärmetauscherfluid auf das flüssige Kältemittel das Primärwärmetauscherfluid zumindest partiell, vorzugsweise jedoch vollständig, kondensiert.

Zur Vermeidung einer etwaigen Überhitzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung bei unzureichender Wärmeabnahme auf Seiten des Sekundärwärmeübertragers ist ein Druckschalter vorgesehen, der seriell mit Kesselüberwachungs- und Steuergeräten verschaltet ist.

Die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung und das Verfahren hierzu lassen sich besonders effizient unter anderem zur Kaltwasservorwärmung, zur Rücklaufwasseranhebung und -vorwärmung sowie zur Vorwärmung der angesaugten Außenluft in RLT-Geräten bei vorzugsweise niedrigen Systemtemperaturen bis etwa 100 kW einsetzen.

Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:

  • – Entkopplung des Primärkreislaufs vom Sekundärkreislauf unter Verwendung eines Kältemittels als Wärmeträger und damit keine unerwünschte Rückkopplung,
  • – kompakte Bauweise der Vorrichtung durch den Einsatz von mikrostrukturierter Profile an den Außenseiten der Rohre sowie durch den Einsatz von Lamellen an den Innenseiten der Rohre zur Erhöhung der Wärmeübergangskoeffizienten,
  • – vollständige Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs bereits kurz unterhalb des Taupunktes, d. h. hoher Kondensationsgrad der Vorrichtung,
  • – Möglichkeit der problemlosen Nachrüstung und Einbindung in vorhandene Heizanlagen, insbesondere bei öl- und gasbefeuerten Heizanlagen und Blockheizkraftwerken,
  • – Verringerung des CO2- sowie des SO2-Ausstoßes,
  • – Reduzierung des Abgaswärmeverlustes um 70% bis 80% und
  • – Möglichkeit der räumlichen Trennung des Primärwärmetauschers vom Sekundärwärmetauscher unter Verwendung eines Kältemittelskreislaufs.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:

1: Perspektivdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung

2: Detaildarstellung der Stirnseiten der Rohrbündel,

3: Detaildarstellung der Stirnseiten der Rohrbündel mit Arretierung am Mantelrohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

4: Anlagenschema einer in einen Kreislauf eingebundenen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung.

Die 1 illustriert eine Perspektivdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung 1 von einem Primärwärmetauscherfluid 20 auf ein Sekundärwärmetauscherfluid 19, umfassend ein Mantelrohr 2 mit einem unteren Prozessraum 3 und einem oberen Prozessraum 4. Zwischen den beiden Prozessräumen 3, 4 zirkuliert ein Kältemittel 5, 6 als Wärmeträger. Im unteren Prozessraum 3 ist ein vom Primärwärmetauscherfluid 20 durchströmbarer und vom Wärmeträger überfluteter und als Verdampfer für das flüssige Kältemittel 5 ausgebildeter Primärwärmeübertrager 7 platziert. Im oberen Prozessraum 4 ist hingegen ein vom Sekundärwärmetauscherfluid 19 durchströmbarer und vom Wärmeträger umströmter und als Kondensator für das gasförmige Kältemittel 6 ausgebildeter Sekundärwärmeübertrager 8 angeordnet. Das Mantelrohr 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist von jeweils einer Stirnseite 2.1 begrenzt, welche Durchführungsöffnungen für den Primärwärmeübertrager 7 und den Sekundärwärmeübertrager 8 aufweisen. Der Primärwärmeübertrager 7 ist Bestandteil eines Primärwärmekreislaufs und der Sekundärwärmeübertrager 8 ist Bestandteil eines vom Primärwärmekreislauf entkoppelten Sekundärwärmekreislaufs. Das als Abgas vorliegende und einen Wasserdampfanteil aufweisende Primärwärmetauscherfluid 20 tritt mit einer Temperatur von etwa 150°C an einer ersten Stirnseite 2.1 des Mantelrohres 2 in den Primärwärmeübertrager 7 ein und an der gegenüberliegenden Stirnseite 2.1 des Mantelrohres mit einer Temperatur von < 50°C aus dem Primärwärmeübertrager 7 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus. Die bei der Abkühlung des heißen Abgases an den inneren Wärmeübertragungsflächen 9 der als Siederohre ausgebildeten Rohre 12 des Primärwärmeübertragers 7 abgegebene Kondensationswärme wird über die äußeren Wärmeübertragungsflächen 10 der Rohre 12 auf das flüssige Kältemittel 5 übertragen. Die im Abgas enthaltene Feuchtigkeit wird hierbei nahezu vollständig kondensiert und in flüssiger Form aus dem Primärwärmeübertrager 7 abgeführt. Die Wärmeaufnahme des Kältemittels 5 führt zum Sieden, in dessen Folge das flüssige Kältemittel 5 als Wärmeträger verdampft. Die im flüssigen Kältemittel entstehenden Blasen 6.1 transportieren den Kältemitteldampf in die obere Hälfte des Mantelrohres 2, respektive in den oberen Prozessraum 4. An den äußeren Wärmeübertragungsflächen 10 der als Kondensationsrohre ausgebildeten Rohre 12 des Sekundärwärmeübertragers 8 erfolgt die Kondensation bzw. Verflüssigung des Kältemitteldampfs unter Bildung von Kältemitteltropfen 5.1. Die dabei freigesetzte Kondensationswärme wird über die Rohrwandung und die inneren Wärmeübertragungsflächen 9 der Rohre 12 des Sekundärwärmeübertragers 8 auf das mit etwa 35°C in den Sekundärwärmeübertrager 8 eintretende Wasser als Sekundärwärmetauscherfluid 19 übertragen und erwärmt dieses auf etwa 80°C. Das hierbei kondensierte Kältemittel 5.1 tropft während dieses Vorgangs in das im unteren Prozessraum 3 bevorratete Kältemittebad, welches den Primärwärmeübertrager 7 überflutet. Der Arbeitsdruck in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung 1 stellt sich in Abhängigkeit der Kondensations- und Siedeleistungen sowie der Ein- und Austrittstemperaturen des heißen Primärwärmetauscherfluids 20 und des zu erwärmenden Sekundärwärmetauscherfluids 19 selbsttätig in einem Druckbereich zwischen 0,5 bar bis 5 bar ein. Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Wärmerückgewinnung und -übertragung bereits werkseitig mit einem Vordruck beaufschlagt sein. Durch den in Richtung des Wärmeübertragungsvorgangs erfolgten Siedeprozess und den sich daran anschließenden Kondensationsprozess des Kältemittels 5, 6 ist eine Rückkopplung bzw. eine Umkehrung der Wärmetransportrichtung ausgeschlossen. Der Kondensationsgrad beträgt in diesem Beispiel etwa 80%. Aus Gründen eines betriebssicheren Abführens des Kondensats der Feuchte des Abgases 20 ist der Primärwärmeübertrager 7 in Durchströmungsrichtung innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 geneigt ausgerichtet. Die Vorrichtung 1 weist im dargestellten Beispiel eine Baulänge von etwa 550 mm bei einem Durchmesser von 150 mm auf. Eine waagerechte Einbauform kann wegen der sehr kompakten Baumaße ebenso realisiert werden wie eine senkrechte Einbauform. Der Betriebsdruck des Sekundärkreislaufs beträgt weniger als 5 bar.

Die 2 und 3 zeigen einen der beiden axialen Endbereiche des Rohrbündels 11 am Beispiel des Primärwärmeübertragers 7. Die einzelnen Rohre 12 des Rohrbündels 11 sind – im Querschnitt des Rohrbündels 11betrachtet – gleichmäßig über eine gedachte Kreisfläche verteilt und voneinander beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen den einzelnen Rohren 12 ist dabei derart bemessen, dass das flüssige Kältemittel 5 die Oberfläche jedes einzelnen als Wärmeübertragungsrohr ausgebildeten Rohres 12 vollständig umgibt. Stirnseitig sind die einzelnen Rohre 12 des Rohrbündels 11 von jeweils einer Lochplatte 13 gehaltert. Die Lochplatte 13 ist mit einer die Stirnseiten 2.1 des Mantelrohrs 2 durchdringenden Haube 14 verbunden. Aus Gründen der Einhaltung optimaler Strömungsbedingungen im Bereich der Haube 14 ist die nicht dargestellte Durchdringungsöffnung des Mantelrohrs 2 der Anzahl der dem Rohrbündel 11 zugeordneten Rohre 12 und folglich der Wärmeübertragungsleistung des Primärwärmeübertragers 7 angepasst.

4 zeigt ein Anlagenschema einer in einen Kreislauf eingebundenen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung 1 mit einer räumlichen Trennung des als Verdampfer für das flüssige Kältemittel 5 ausgebildeten Primärwärmeübertragers 7 und des als Kondensator für das gasförmige Kältemittel 6 ausgebildeten Sekundärwärmeübertragers 8. Der Primärwärmeübertrager 7 und der Sekundärwärmeübertrager 8 sind unter Verwendung von Rohrleitungen 15 miteinander gekoppelt. In Strömungsrichtung des Wärmeträgers 5, 6 sind zwischen dem Primärwärmeübertrager 7 und dem Sekundärwärmeübertrager 8 zusätzlich ein Verdichter 16 und zwischen dem Sekundärwärmeübertrager 8 und dem Primärwärmeübertrager 7 ein Expansionsorgan 17 platziert. In den Primärwärmeübertrager 7 ist aus Gründen der Einhaltung von Sicherheitsaspekten eine nicht näher beschriebene Aufbereitungseinheit 18 mit Manometer, Sicherheitsventil und Abblaseleitung eingebunden. Das im Kreislauf geführte und als Wärmeträger eingesetzte Kältemittel 5, 6 nimmt im Primärwärmeübertrager 7 die Wärme des Primärwärmetauscherfluids 20 auf und verdampft. In dem dem Primärwärmeübertrager 7 nachgeschalteten Verdichter 16 wird das nunmehr bereits gasförmig vorliegende Kältemittel 6 vorzugsweise einstufig auf den Kondensatordruck verdichtet, was mit einer Temperaturerhöhung einhergeht. Anschließend erfolgt eine Kondensation des Kältemittels 6 in dem vom Sekundärwärmetauscherfluid 19 umströmten Sekundärwärmeübertrager 8. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wird nahezu vollständig auf das Sekundärwärmetauscherfluid 19 übertragen, wobei die Temperatur des Sekundärwärmetauscherfluids 19 zielgerichtet erhöht wird. Das nunmehr flüssige Kältemittel 5 wird unter Verwendung eines Expansionsorgans 17 auf den Verdampferdruck entspannt und dem Verdampfer 7 erneut zugeführt.

1
Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung
2
Mantelrohr
2.1
Stirnseite des Mantelrohrs
3
unterer Prozessraum
4
oberer Prozessraum
5
Kältemittel, flüssig
5.1
Kältemitteltropfen
6
Kältemittel, gasförmig
6.1
Kältemittelblasen
7
Primärwärmeübertrager
8
Sekundärwärmeübertrager
9
innere Wärmeübertragungsflächen
10
äußere Wärmeübertragungsflächen
11
Rohrbündel
12
Rohre des Rohrbündels
13
Lochplatte
14
Haube
15
Rohrleitungen
16
Verdichter
17
Expansionsorgan
18
Aufbereitungseinheit
19
Sekundärwärmetauscherfluid
20
Primärwärmetauscherfluid


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) von einem Primärwärmetauscherfluid (20) auf ein Sekundärwärmetauscherfluid (19), umfassend ein Mantelrohr (2) mit einem unteren Prozessraum (3) und einem oberen Prozessraum (4) sowie einem zwischen den Prozessräumen (3, 4) zirkulierenden Kältemittel (5, 6) als Wärmeträger,

wobei

(a) in dem unteren Prozessraum (3) ein vom Primärwärmetauscherfluid (20) durchströmbarer und vom flüssigen Kältemittel (5) überfluteter Primärwärmeübertrager (7) platziert ist, und

(b) in dem oberen Prozessraum (4) ein vom Sekundärwärmetauscherfluid (19) durchströmbarer und vom gasförmigen Kältemittel (6) umströmter Sekundärwärmeübertrager (8) platziert ist.
Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung des Wärmeübergangs die das Kältemittel (5) kontaktierenden äußeren Wärmeübertragungsflächen (10) des Primärwärmeübertragers (7) und/oder die das Kältemittel (6) kontaktierenden äußeren Wärmeübertragungsflächen (10) des Sekundärwärmeübertragers (8) mikrostrukturierte Oberflächen aufweisen. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierten Oberflächen säulenartige Erhebungen mit einer Säulenhöhe von 20 bis 100 &mgr;m aufweisen, wobei die Porosität der mikrostrukturierten Oberflächen, also der Anteil der säulenartigen Erhebungen pro Flächeneinheit, 50% beträgt. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Primärwärmetauscherfluid (20) des Primärwärmeübertragers (7) kontaktierenden inneren Wärmeübertragungsflächen (9) und/oder die das Sekundärwärmetauscherfluid (19) des Sekundärwärmeübertragers (8) kontaktierenden inneren Wärmeübertragungsflächen (9) Lamellen aufweisen. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärwärmeübertrager (7) und/oder Sekundärwärmeübertrager (8) mehrere zu einem Rohrbündel (11) zusammengefasste Rohre (12) aufweist. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rohre (12) des Rohrbündel (11) stirnseitig von jeweils einer Lochplatte (13) gehaltert sind, wobei die Lochplatte (13) mit einer die Stirnseiten (2.1) des Mantelrohrs (2) durchdringenden Haube (14) verbunden ist. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärwärmetauscherfluid (20) ein heißes Abgas und als Sekundärwärmetauscherfluid (19) Wasser vorgesehen ist. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel (5, 6) R 365 vorgesehen ist. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und -übertragung (1) von einem Primärwärmetauscherfluid (20) auf ein Sekundärwärmetauscherfluid (19), umfassend einen Kältemittelkreislauf mit einem vom Primärwärmetauscherfluid (20) umströmten und als Verdampfer ausgebildeten Primärwärmeübertrager (7), einen mittels Kältemittelleitungen gekoppelten und vom Sekundärwärmetauscherfluid umströmten und als Verflüssiger ausgebildeten Sekundärwärmeübertrager (8), sowie einem zwischen dem Primärwärmeübertrager (7) und dem Sekundärwärmeübertrager (8) zirkulierenden Kältemittel (5, 6). Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Kältemittels (5, 6) ein dem Primärwärmeübertrager (7) vorgeschalteter Verdichter (16) und ein dem Primärwärmeübertrager (7) nachgeschaltetes Expansionsorgan (17) vorgesehen sind. Verfahren zur Wärmerückgewinnung und -übertragung von einem Primärwärmetauscherfluid (20) auf ein Sekundärwärmetauscherfluid (19) unter Verwendung der Merkmale gemäß dem Vorrichtungsanspruch 1, aufweisend nachfolgende Verfahrensschritte:

(a) Wärmeübergang vom Primärwärmetauscherfluid (20) auf das flüssige Kältemittel (5) unter Verwendung des Primärwärmeübertragers (7), wobei das Kältemittel (5) siedet,

(b) Wärmetransport durch die aufsteigenden Blasen (6.1) des phasenwechselnden Kältemittels (6) vom unteren Prozessbereich (3) zum oberen Prozessbereich (4) und

(c) Wärmeübergang vom gasförmigen Kältemittel (6) auf das Sekundärwärmetauscherfluid (19) unter Verwendung des Sekundärwärmeübertragers (8), wobei das Kältemittel (6) unter Bildung von Kältemitteltropfen (5.1) kondensiert.






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