AT403320B

AT403320B - Wärmetauscherelement und aus solchen elementen zusammengesetzter wärmetauscher

Info

Publication number: AT403320B
Application number: AT39996A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Gmbh
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1998-01-26
Also published as: DE29704316U1; ATA39996A

Description

AT 403 320 B

Oie vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauscherelement beziehungsweise auf einen aus solchen Elementen zusammengesetzten Wärmetauscher gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Bislang wurden Wärmetauscher von gasbeheizten Durchlaufwasserheizern aus Kupferlamellen gefertigt, die mit mit einem Kragen versehenen Löchern ausgestattet waren, durch die ihrerseits Kupferrohre geschoben wurden, die nach dem Draufschieben aufgeweitet und gelötet wurden. Hierdurch kam es zu einem Preßsitz zwischen den Lamellenkragen und dem Kupferrohr, so daß ein guter Wärmeübergang von den Abgasen eines Gasbrenners auf das im Kupferrohr geführte Wasser möglich war. Aus Korrosionsschutzgründen wurden solche Wärmetauscher dann verbleit, wobei das Blei sich in die bestehenden Spalten setzte und eine Spaltenkorrosion verhinderte. Diese Wärmetauscher arbeiteten mit einem vorzüglichen Wirkungsgrad, hatten nur den Nachteil, daß sie relativ teuer waren.

Man ist dann insbesondere bei Umlauf-Wasserheizern dazu Ubergegangen, die Kupferlamellen durch Edelstahllamellen zu ersetzen und auch das Kupferrohr durch ein Edelstahlrohr auszutauschen. In beiden Fällen trat aber der Nachteil einer recht aufwendigen Blechteilefertigung und Montage auf. Aus diesem Grunde setzt sich die Erfindung zum Ziel, einen für einen Wasserheizer verwendbaren Wärmetauscher zu schaffen, der ohne Blech als Ausgangsmaterial und ohne eine Blechteilefertigung auskommt.

Es sind bereits Wärmetauscher bei Kesseln bekanntgeworden, die als Graugußteile ausgebildet sind, die sogenannten Kesselglieder. Weiterhin sind Kondensationswärmetauscher bekanntgeworden, die aus Aluminiumlegierungen bestehen. Hierbei werden die einzelnen Aluminiumgußteile zu einer mit einer Vielzahl von Noppen versehenen Brennkammer zusammengesetzt. Diese Aluminiumgußteile weisen eine sehr komplizierte Gestaltung auf und benötigen im übrigen Elemente, um sie wasserdicht zusammenzuhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile insgesamt zu umgehen.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß bei einem Wärmetauscherelement der eingangs näher bezeichneten Art in den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.

Durch diese Gestaltung ergibt sich der überraschende Fortschritt, daß es möglich ist, die Elemente unmittelbar einzeln aneinander zu positionieren und darauf bereits den Wärmetauscher zu erhalten. Durch die Druckgußfertigung ist eine relativ große Stückzahl der einzelnen Elemente möglich, und durch die rotationssymmetrische Gestaltung kommt es auf die jeweilige Endposition der einzelnen Elemente zueinander im fertigen Wärmetauscher nicht mehr an.

Durch die Merkmale des ersten abhängigen Patentanspruchs tritt der Vorteil einer sehr leichten Fertigung, bedingt durch die Werkstoffwahl, ein. Ferner können durch die Gestaltung als Druckgußteil die Vorteile des kostengünstigen Al-Druckgießverfahrens genutzt werden.

Die Merkmale des zweiten abhängigen Patentanspruchs führen dazu, daß das Element sehr gut aus der Druckgußform entnommen werden kann, da es druckgußgerecht gestaltet ist.

Durch die Merkmale des dritten abhängigen Patentanspruchs ergibt sich die Möglichkeit des unmittelbaren Anformens einer Verbindung, wobei dieser Vorteil durch die Merkmale des Anspruchs 5 noch intensiviert wird. Durch die Innen- und Außengewinde lassen sich nämlich die Elemente ohne weiteres und unmittelbar aufeinanderschrauben.

Die Merkmale des fünften abhängigen Patentanspruchs dienen weiterhin der möglichst einfachen Montage.

Wenn gemäß Anspruch 7 die Gewinde identisch gestaltet sind, passen sie ohne weiteres ineinander, was die Montage erleichtert.

Die Merkmale des achten Patentanspruchs führen dazu, daß in die Nuten Dichtringe eingelegt werden können, so daß auch bei erhöhten Innendrücken der Wärmetauscher dicht bleibt.

Die Merkmale des Anspruchs 9 stellen zu denen des Anspruchs 8 eine Alternative dar, werden die Vorsprünge entsprechend verformbar gestaltet, kann ein gesondertes Dichtelement entfallen.

Die Merkmale des neunten abhängigen Patentanspruchs dienen dazu, die Oberfläche des Wärmetauscherelements zu vergrößern, um einen möglichst guten Wärmeübergang von der Peripherie des Rohrkörpers auf dessen Zentrum zu erreichen. Dem gleichen Zweck dienen die Merkmale des Anspruchs 11, und die Merkmale des zweiten unabhängigen Patentanspruchs führen dazu, daß eine Mehrzahl von Dichtflächen eingespart werden kann, ohne daß man wesentliche Merkmale des ersten unabhängigen Patentanspruchs mit den daraus resultierenden Vorteilen aufgeben muß.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 12 der Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Wasserheizer in einem Teilschnitt,

Fig. 2 einen aus Elementen zusammengesetzten Wärmetauscher,

Fig. 3 ein Wärmetauscherelement im Schnitt, 2

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Fig. 4 ein Detail an dem Wärmetauscherelement nach Fig. 3,

Fig. 5 eine andere Ansicht des Wärmetauscherelements nach Fig. 4,

Fig. 6 und 7 Details an den Wärmetauscherelementen nach den Fig. 4 und 5,

Fig. 8 eine Variante des Wärmetauscherelements im Schnitt,

Fig. 9 eine weitere Variante der Erfindung,

Fig. 10 eine dritte Variante der Erfindung,

Fig. 11 eine vierte Variante der Erfindung,

Fig. 12 ein mit Anschlüssen versehenes Wärmetauscherelement und Fig. 13 ein Wärmetauscherelement in Ansicht.

In allen 13 Fig. bedeuten die gleichen Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.

Ein Durchlauf- bzw. Umlauf-Wasserheizer 1 weist ein Zuluftrohr 2 auf, in das ein Gasrohr 3 mündet, wobei ein im Zuluftrohr 2 angeordnetes Gebläse 4 für eine innige Durchmischung von Gas und Luft sorgt. Das Zuluftrohr 2 geht in eine konische Mischkammer 5 über, die von einer Brennerhaube 6 abgedeckt ist, die an ihrer Oberseite 7 mit einer Vielzahl von Brenngemisch-Austrittsöffnungen versehen ist. Die Brennerhaube ist innerhalb einer Brennkammer 8 angeordnet, die von einer Zylinderwand 9 umgeben ist, die auf der der Brennerhaube 7 abgewandten Stirnseite 10 mit einem Lamellenblock-Wärmetauscher 11 versehen ist, an dessen von der Stirnseite 10 abgewandten weiteren Stirnseite 12 sich ein Abgassammler 13 anschließt, an den ein Abgasrohr 14 angefügt ist.

Der Wasserheizer kann im übrigen auch statt von oben nach unten in umgekehrter Richtung durchströmt werden. Der Brenner 6 arbeitet dann als Sturzbrenner. Wesentlich ist noch, daß der Wärmetauscher 11 aus Rippenrohren 15 besteht, die für das durchströmende Wasser sowohl in Serie wie auch hydraulisch parallel geschaltet sein können, auch Mischschaltungen sind möglich, und die über Krümmer 16 miteinander verbunden sind. Der Wärmetauscher ist ein-, zwei- oder mehrlagig ausgebildet, und die einzelnen Rippenrohre 15 stehen aus der Sicht des Brenners auf Lücke. Die Fig. 2 zeigt die wesentlichen Elemente des Wasserheizers, nämlich den Brenner 6 und das Rippenrohr 15. Man erkennt, daß das Rippenrohr 15 aus einzelnen Wärmetauscherelementen 17 besteht, die alle identisch aufgebaut sind und die aufeinandergeschraubt sind. An die jeweils äußersten Wärmetauscherelemente sind die Krümmer 16 beziehungsweise ein Einlaßrohr und ein Auslaßrohr mittels einer Schraube 18 beziehungsweise 19 angeschlossen.

Das einzelne Wärmetauscherelement gemäß Fig. 3 ist als Stufenscheibenteil ausgebildet und besitzt die Form eines Stufenzylinders. Es gibt eine erste Stufe 20 mit dem größten Durchmesser, eine mittlere Stufe 21 mit kleinerem Durchmesser und eine dritte Stufe 22 mit dem kleinsten Durchmesser. Diese Stufe trägt über den gesamten Mantel ein Außengewinde 23, das von der Ansatzfläche 24 zwischen der Stufe 21 und 22 bis zur einen Stirnfläche 25 reicht. Von dieser Stirnfläche 25 bis zur gegenüberliegenden Stirnfläche 26 zieht sich ein Kanal 27, der mit einer Innenstufe 28 versehen ist. Diese Innenstufe 28 teilt den Kanal in zwei Teile 29 und 30, wobei der Teil 30 als Polygon, vorzugsweise als Sechskant, an seinem Mantel ausgebiidet ist, während der Bereich 29 ein Innengewinde 31 trägt. Das Innengewinde 31 ist identisch mit dem Außengewinde 23, so daß man das Außengewinde in das Innengewinde einschrauben kann. Der Polygonbereich 30 dient dazu, mittels eines Werkzeuges die Gewinde ineinander zu schrauben. Eine weitere Ringstirnfläche 32 trennt die Stufen 20 und 21. Aus der Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Stirnfläche 25, also die Stirnfläche, die die Stufe 22 mit dem geringsten Durchmesser abschließt, mit einem ringförmigen Vorsprung 33 versehen ist. Die Innenstufe 28 ist mit einer ringförmig umlaufenden Nut 34 versehen, wobei der Vorsprung 33 so gestaltet ist, daß er entweder ohne Verformung oder mit geringer Verformung in die Nut 34 hineinpaßt. Dieser Vorsprung und diese Nut dienen nach dem Zusammenschrauben der Wärmetauscherelemente zu einem Wärmetauscher-Rippenrohr dazu, Wasserdichtigkeit zu gewährleisten.

Aus der Fig. 5 ist im übrigen das Innenpolygon 30 sehr gut zu sehen.

Als Alternative hierzu können Vorsprung und Nut so gestaltet werden, wie dies die Fig. 6 und 7 zeigen: Die Ringnut 34 besitzt einen Rechteckquerschnitt, während der Ringvorsprung 33 einen Zylinderquerschnitt besitzt. Eine Alternative hierzu ergibt sich gemäß Fig. 8. Hier ist nicht nur auf der Stufenfläche 28 die Ringnut 34 vorgesehen, sondern es ist auf der Stirnfläche 25 eine weitere Ringnut 35 angeordnet, wobei beide Nuten gleiche Abmessungen aufweisen und Würfelquerschnitt besitzen. Diese Nuten dienen dazu, daß je ein O-Ring 36 eingelegt wird, der der Dichtung jeweils zweier aneinanderstoßender Wärmetauscherelemente dient. Dadurch, daß die Nuten gleich gestaltet sind, kann derselbe Dichtring zur Anwendung kommen.

Eine weitere Variante der Erfindung geht aus der Fig. 9 hervor, die ein Wärmetauscherelement mit Ansicht auf die Stirnfläche 26 zeigt. Hier ist das Polygon als Vierkant ausgebildet, die Peripherie beziehungsweise der Mantel 20 der Stufe mit dem größten Durchmesser weist Ausnehmungen 37 aus, die als Trapez, als Dreieck, als Quadrat oder Rechteck oder als eine Art Glocke ausgebildet sein können. Diese Ausnehmungen dienen dazu, die wärmeaufnehmende Oberfläche des Wärmetauscherelements zu vergrö- 3

Claims

AT 403 320 B Bern. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 wird von einem relativ großen Durchmesser der Stufe 20 ausgegangen und die Oberflächenvergrößerung wird durch Ausnehmungen erzielt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 ist der entgegengesetzte Weg gewählt worden, es finden sich Vorsprünge 38 auf der Peripherie der Stufe 20 mit dem größten Durchmesser. Diese können Polygonquader, Zylinder, Halbkugeln, Glocken oder sonstige Ausformungen besitzen, wesentlich ist nur, daß sie die wärmeaufnehmende Oberfläche des Wärmetauscherelementes vergrößern. Wie die Fig. 10 darüber hinaus aufzeigt, ist es sowohl bei diesen wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen möglich, die Ringstirnflächen 26 und 32 mit oberflächenvergröBernden Ausnehmungen beziehungsweise Vorsprüngen zu versehen. Diese sind mit dem Bezugszeichen 39 angedeutet. Die Fig. 11 zeigt ein fertiges Wärmetauscher-Rippenrohr 15, das aus einer Mehrzahl von Wärmetauschergruppenelementen zusammengesetzt ist, wobei jedes Wärmetauschergruppenelement mehrere Wärmetauscherelemente nach einem der Ausführungsbeispiele 3 bis 10 besitzt. Im dargestellten Beispiel besitzt jedes Wärmetauschergruppenelement 40 drei Stufen 20 mit relativ großem Durchmesser, es ist aber, wie aus der Fig. 11 auch hervorgeht, möglich, andere Wärmetauschergruppenelemente zu bilden, die nur zwei solcher Stufen oder deren vier besitzen. Man kann anhand der Fig. 11 auch gut erkennen, daß auf der einen Seite der so gebildeten Rippenrohre ein Wasserrohr 16 mit einer überwurfschraube 18 angeordnet ist, während auf der anderen Seite erst die Zwischenschraube 19 und anschließend die Überwurfschraube 18 zur wasserseitigen Anschlußverbindung vorgesehen ist. Die Fig. 12 zeigt ein Rippenrohr 15, das als Ganzes im Druckgußverfahren gegossen ist. Hierbei stellt das Wärmetauscherelement dann den ganzen Wärmetauscher dar. Bei diesem Rippenrohr sind an beiden Stirnflächen 25 in die Kanalwandung 27 Innengewinde 31 geschnitten. Der Anschluß könnte natürlich auch über Außengewinde erfolgen. Wesentlich ist für alle Ausführungsbeispiele, daß wegen der druckgußgerechten Fertigung die Elemente, seien es Einzelelemente oder Gruppenelemente, rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Dies liegt an der Teilbarkeit der Druckgußform. Dies schließt nicht aus, daß nicht alle Flächen, beispielsweise die Ringstirnfläche nicht, voll rotationssymmetrisch gestaltet werden müssen. Man wird versuchen, die Gewinde gleichermaßen im Druckguß herzustellen, mindestens vorzuformen und sie möglichst geringfügig mit einem Werkzeug nur noch nachzuschneiden. Aus der Fig. 13 ist ersichtlich, daß die Stufe 22 mit dem geringsten Durchmesser eines Wärmetauscherelementes eine Mantelringnut 41 aufweist, in die ein ORing 42 eingelegt ist, der diese Stufe gegenüber der Stufe des nächsten Wärmetauscherelementes abdichtet. Innen- und Außengewinde entfallen bei diesem Ausführungsbeispiel. Durch diese Wahl der Gestaltung erübrigt sich ein Nacharbeiten bezüglich des Gewindeschneidens. Bedingt durch den Wasserdruck, müssen dann die Elemente durch ein Hilfsmittel zusammengehalten werden, beispielsweise durch die Wand der Brennkammer. Es wäre aber auch möglich, im Bereich 29 des Kanals 27 eine Ringnut anzuordnen, die zusammen mit dem Dichtelement und der Ringnut 41 ein Auseinanderziehen der einmal zusammengesteckten Wärmetauscherelemente verhindert. Wesentlich ist für das dichte Zusammenschrauben der Elemente, daß die Länge des Innengewindes größer ist als die Länge des Außengewindes! Patentansprüche 1. Wärmetauscherelement (17) für einen Wasserheizer (1) mit einem rohrartigen Körper zum Führen des Wassers und einem Peripherieteil zum Aufnehmen der von Abgasen eines Brenners (6) stammenden Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherelement (17) rotationssymmetrisch gestaltet und im Druckgußverfahren hergestellt ist.
2. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Aluminiumlegierung besteht.
3. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Stufenscheibe ausgebildet ist.
4. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (22) mit dem kleinsten Durchmesser mit einem Außengewinde (23) versehen ist.
5. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrartige Körper einen Kanal (27) aufweist, der einen Polygonabschnitt (30) und ein Innengewinde (31) aufweist. 4 AT 403 320 B
6. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (31) im Kanal (27) dort vorgesehen ist, wo an der Peripherie des Wärmetauscherelements (17) die Stufe (20) mit dem größten Durchmesser angeordnet ist.
7. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung des Innen- und Außengewindes identisch sind, so daß beide ineinandergeschraubt werden können.
8. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Begrenzungsstirnflächen (25, 28) je eine Nut (34, 35) vorgesehen ist.
9. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den das Innengewinde (31) begrenzenden Stirnflächen (25, 28) auf der einen Stirnfläche (28) eine ringförmige Nut (34), auf der anderen Stirnfläche (25) ein in sie passender Vorsprung (33) vorgesehen ist.
10. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (20) mit dem größten Durchmesser oder den mittleren Durchmesser mit Einschnitten, Abflachungen oder Vorsprüngen (37, 38 oder 39) versehen ist.
11. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringstirnflächen (26, 32) mit Einschnitten oder Vorsprüngen (38 oder 39) versehen sind.
12. Wärmetauschereiement für einen Wasserheizer mit einem rohrartigen Körper zum Führen des Wassers und einem Peripherieteil zum Aufnehmen der von Abgasen einer Brennerflamme stammenden Wärme, dadurch gekennzeichnet daß mehrere stufenscheibenartige Einzelelemente gemeinsam im Druck-gußverfahren als Wärmetauschergruppenelement gegossen sind.
13. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß die Länge des Innengewindes (31) größer gehalten ist als die Länge des Außengewindes.
14. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Stufe 22 kleiner gehalten ist als die axiale Länge des Bereichs 29. Hiezu 9 Blatt Zeichnungen 5