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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung für eine
Heizeinrichtung, insbesondere eine Kraftfahrzeugheizeinrichtung,
umfassend ein topfartiges Gehäuse mit einem Bodenbereich und einem
Wandungsbereich, wobei an einer dem Gehäuseinneren zugewandten Seite des
Bodenbereichs eine Bodenvorsprungsanordnung vorgesehen ist.
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Die DE 196 13 760 A1 offenbart eine Wärmetauscheranordnung für ein
Heizgerät, wobei diese Wärmetauscheranordnung topfartig ausgebildet ist
und mit ihrem Wandungsbereich eine Brennkammer umgibt. Die aus der
Brennkammer austretenden heißen Abgase treffen auf den Bodenbereich,
werden dort axial umgelenkt und strömen dann entlang des
Wandungsbereichs zum axial offenen Ende des Wärmetauschergehäuses.
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Zum Erreichen einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen den
Verbrennungsabgasen und dem Wärmetauschergehäuse weist dieses im
Bodenbereich an der dem Gehäuseinneren zugewandten Seite eine
Mehrzahl stiftartiger Vorsprünge auf. Diese stiftartigen Vorsprünge erstrecken
sich parallel zur Längsachse des Gehäuses und weisen eine
kegelstumpfartige Formgebung auf. Das aus der Brennkammer austretende heiße Gas
durchströmt den zwischen den stiftartigen Vorsprüngen gebildeten
Raumbereich und trifft dabei auf eine vergleichsweise große Oberfläche.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße
Wärmetauscheranordnung derart weiterzubilden, dass sie einen Betrieb mit
höherer Effizienz gestattet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine
Wärmetauscheranordnung für eine Heizeinrichtung, insbesondere eine
Kraftfahrzeugheizeinrichtung, umfassend ein topfartiges Gehäuse mit einem
Bodenbereich und einem Wandungsbereich, wobei an einer dem
Gehäuseinneren zugewandten Seite des Bodenbereichs eine
Bodenvorsprungsanordnung vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist dabei weiter vorgesehen, dass die
Bodenvorsprungsanordnung wenigstens einen sich in Richtung von dem Wandungsbereich
weg erstreckenden rippenartigen Bodenvorsprung umfasst.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmetauschergehäuses
wird zum einen dafür gesorgt, dass durch Erhöhung der Oberfläche ein
gutes Wärmeübertragungsvermögen durch Vergrößerung der
Wärmeübertragungsoberfläche bereitgestellt wird. Wesentlich hierfür ist das Vorsehen
zumindest eines rippenartigen Vorsprungs am Bodenbereich. Darüber
hinaus sorgt die Orientierung dieses rippenartigen Vorsprungs, nämlich in
Richtung von der Wandung weg, also beispielsweise näherungsweise mit
radialer Orientierung bezogen auf eine Längsmittelachse des Gehäuses,
dafür, dass das im Bodenbereich auf das Gehäuse auftreffende und dort im
Allgemeinen nach radial außen und dann axial umgelenkte erwärmte Gas
beim Strömen entlang einer vergleichsweise großen Oberfläche einen
deutlich geringeren Gasströmungswiderstand erfährt, als dies beim
Bereitstellen einer Vielzahl stiftartiger Vorsprünge der Fall ist.
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Beispielsweise kann bei der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung
vorgesehen sein, dass die Bodenvorsprungsanordnung eine Mehrzahl von
in sternartiger Konfiguration angeordneten Bodenvorsprüngen aufweist.
Durch die sternartige Konfiguration wird, wie bei bereits ausgeführt, bei
vergrößerter Gesamtoberfläche für einen möglichst geringen
Strömungswiderstand gesorgt. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die
Bodenvorsprünge sich von einem zentralen Bereich des Bodenbereichs in
Richtung zum Wandungsbereich erstrecken. Um das Umströmen der
rippenartigen Vorsprünge so wenig als möglich zu behindern, wird
vorgeschlagen, dass die Bodenvorsprünge in ihren einander näher liegenden
Endbereichen nicht miteinander in Verbindung stehen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung
kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der
Bodenvorsprünge gekrümmt ausgebildet ist, vorzugsweise entgegengesetzt
der Drallrichtung eines auf den Bodenbereich zuströmenden Fluidstroms
gekrümmt ausgebildet ist. Durch die gekrümmte Ausgestaltung ermöglichen
die Bodenvorsprünge einen besseren Eintritt des heranströmenden Fluids
bzw. des heranströmenden Gases in den Zwischenraum zwischen den
einzelnen Bodenvorsprüngen und vermindern somit den
Strömungswiderstand.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen
sein, dass an dem Wandungsbereich an einer dem Gehäuseinneren
zugewandten Seite eine Wandungsvorsprungsanordnung vorgesehen ist,
umfassend wenigstens einem Bodenvorsprung der
Bodenvorsprungsanordnung zugeordnet einen an diesen anschließenden und sich in Richtung
vom Bodenbereich weg erstreckenden Wandungsvorsprung. Auch beim
Strömen entlang des Wandungsbereichs wird für das erwärmte Gas somit
eine vergrößerte Oberfläche bereitgestellt. Durch das Anschließen an einen
bereits im Bodenbereich vorgesehenen Bodenvorsprung kann der
Strömungswiderstand weiter vermindert werden. Hierzu kann weiter
vorzugsweise vorgesehen sein, dass in einem Übergangsbereich zwischen dem
Bodenbereich und dem Wandungsbereich wenigstens ein Bodenvorsprung
im Wesentlichen unterbrechungsfrei in einen Wandungsvorsprung
übergeht.
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Insbesondere dann, wenn eine sternartige Konfiguration der
Bodenvorsprünge bereitgestellt ist, ergibt sich eine Anordnung, bei welcher im radial
äußeren Bereich - bezogen auf das Zentrum der sternenartigen
Konfiguration - ein größerer Umfangsabstand der Bodenvorsprünge vorhanden ist, als
im radial inneren Bereich. Um dennoch im Wandungsbereich die zum
Wärmeübertrag genutzte Oberfläche so groß als möglich gestalten zu können,
wird vorgeschlagen, dass die Wandungsvorsprungsanordnung wenigstens
einen Wandungsvorsprung aufweist, an welchen kein Bodenvorsprung
anschließt. Ein derartiget Wandungsvorsprung kann dann beispielsweise im
Bereich zwischen zwei Wandungsvorsprüngen vorgesehen sein, die an
einen jeweils zugeordneten Bodenvorsprung anschließen.
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Der oder die Wandungsvorsprünge können derart ausgebildet sein, dass sie
sich näherungsweise in Richtung einer Längsmittelachse des Gehäuses
erstrecken.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Heizeinrichtung, welche eine
erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigt:
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Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Heizeinrichtung, welche eine
erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung aufweist;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Heizeinrichtung, teilweise
im Schnitt dargestellt;
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Fig. 3 eine Axialansicht eines Wärmetauschergehäuses;
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Fig. 4 eine Querschnittansicht eines Wärmetauschergehäuses nahe
dem Bodenbereich desselben.
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In Fig. 1 ist eine Ansicht der wesentlichen Komponenten einer allgemein
mit 10 bezeichneten Heizeinrichtung dargestellt, wie sie beispielsweise als
Standheizung oder Zuheizer in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden
kann. Die Heizeinrichtung 10 umfasst eine allgemein mit 12 bezeichnete
Brennkammer, aus welcher über eine Flammblende 14 die bei der
Verbrennung entstehenden erhitzten Gase in den von einem Flammrohr 16
umschlossenen, sich entlang einer Längsachse L erstreckenden
Raumbereich 18 eintreten. Das Flammrohr 16 ist an seinem von der Brennkammer
12 entfernt gelegenen Endbereich 20 axial offen.
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Ein im Wesentlichen topfartig ausgebildetes Gehäuse 22 einer
Wärmetauscheranordnung 24 umgibt das Flammrohr 16 radial außen und liegt mit
seinem Bodenbereich 26 dem axial offenen Endbereich 20 des Flammrohrs
16 gegenüber. Ein an den Bodenbereich 26 in einem Verbindungsbereich
28 anschließender Wandungsbereich 30 des Gehäuses 22 erstreckt sich
näherungsweise parallel zum Flammrohr 16 und näherungsweise auch
entlang der Längsachse L, welche gleichzeitig auch eine Längsmittellinie für
das Flammrohr 16 und das Gehäuse 22 bildet. Zwischen dem Flammrohr
16 und dem Wandungsbereich 30 des Gehäuses 22 ist ein näherungsweise
ringartiger Raumbereich 32 gebildet. Die aus dem axial offenen Endbereich
20 des Flammrohrs 16 ausgetretenen erwärmten Gase treffen auf den
Bodenbereich 26 auf und werden dort, wie in Fig. 1 durch Pfeile
dargestellt, zunächst nach radial außen und dann in Achsrichtung umgelenkt, so
dass sie entlang des Flammrohrs 16 und des Wandungsbereichs 30 wieder
in Richtung auf die Brennkammer 14 zu und radial außerhalb davon nach
außen abgegeben werden.
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Ferner sei noch darauf hingewiesen, dass zum Bilden eines von
beispielsweise zu erwärmendem Wasser zu durchströmenden Hohlraums 34 das
Gehäuse 22 der Wärmetauscheranordnung 24 an seiner Außenseite durch
ein allgemein als Wassermantel bezeichnetes weiteres Gehäuse 36
umgeben ist. Um hier eine bestimmte Strömungsrichtung für die zu erwärmende
Flüssigkeit vorzugeben, sind an der Außenseite des Gehäuses 22 mehrere
rippenartige Erhöhungen 38 vorgesehen, welche dafür sorgen, dass die zu
erwärmende Flüssigkeit in möglichst guten Wärmeübertragunsgkontakt mit
dem Gehäuse 22 treten kann.
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Wie man auch in den Fig. 2 und 3 erkennt, weist das Gehäuse 22 an
seinem Bodenbereich 26 an der zum Gehäuseinneren, also auch zum
Flammrohr 16 hin weisenden Seite 40 eine allgemein mit 42 bezeichnete
Bodenvorsprungsanordnung auf. Diese umfasst eine Mehrzahl von
bezüglich der Längsachse L sich näherungsweise radial erstreckenden
Bodenvorsprüngen 44. In ihrem radial inneren Bereich 46 enden die
Bodenvorsprünge 44 nahe dem zentralen Bereich 48 des Bodenbereichs 26, stehen
dort jedoch nicht in gegenseitiger Verbindung. Es wird somit nahe dem
zentralen Bereich 48 ein von den Endbereichen 46 im Wesentlichen
umschlossener Raumbereich 50 gebildet, in welchen die im zentralen Bereich
des Flammrohrs 16 strömenden Gase eintreten können. Bei der Umlenkung
nach radial außen treten diese Gase dann durch die Zwischenräume 52
zwischen zwei Bodenvorsprüngen 44 hindurch nach radial außen und es
wird auf diese Art und Weise dafür gesorgt, dass am Bodenbereich 16
keine gegen Umströmung abgeschirmten oder blockierten Raum- oder
Volumenbereiche entstehen.
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Am Wandungsbereich 30 des Gehäuses 22 ist an einer Innenseite 31 eine
in den Figuren auch erkennbare Wandungsvorsprungsanordnung 54
vorgesehen. Diese umfasst eine Mehrzahl von Wandungsvorsprüngen 56,
welche sich entlang des Gehäuses 22 bzw. des Wandungsbereichs 30
desselben näherungsweise in der Richtung der Längsachse L erstrecken.
Man erkennt, dass im Übergangsbereich 28 jeder der Bodenvorsprünge 44
in einen jeweils diesem zugeordneten Wandungsvorsprung 56 übergeht,
wobei dieser Übergang vorzugsweise unterbrechungsfrei ausgebildet ist.
Ferner ist zwischen jeweils zwei Wandungsvorsprüngen 56, an die ein
Bodenvorsprung 44 anschließt, jeweils ein Wandungsvorsprung 56'
vorgesehen, an den kein Bodenvorsprung 44 anschließt. Man erkennt vor
allem in der Draufsicht der Fig. 3, dass durch die sternartige Konfiguration
der Bodenvorsprünge 44 diese im radial äußeren Bereich einen derartigen
gegenseitigen Umfangsabstand aufweisen, dass ein weiterer
Wandungsvorsprung 56' Platz findet. Es kann auf diese Art und Weise die gesamt zur
Wärmeübertragung beitragende Oberfläche des Gehäuses 22 an der
Innenseite desselben noch weiter vergrößert werden.
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Ein wesentliches Charakteristikum der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Gehäuses 22 ist, dass bei vergleichsweise großer zur
Wärmeübertragung beitragender Innenoberfläche der Strömungswiderstand für die das
Flammrohr 16 verlassenden erwärmten Gase vergleichsweise gering
gehalten ist, da die verschiedenen Vorsprünge, welche zur Erhöhung der
Gesamtoberfläche beitragen, sich in der Strömungsrichtung, welche für die
erwärmten Gase vorgegeben oder vorgesehen ist, erstrecken. Dadurch wird
der Gesamtströmungswiderstand für die bei der Verbrennung erzeugten
erwärmten Gase klein gehalten, was einen sehr effizienten Betrieb der
Heizeinrichtung gestattet.
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Die Fig. 4 zeigt eine Ansicht eines Bodenbereichs 26 eines alternativ
ausgestalteten Gehäuses 22. Man erkennt hier, dass die Bodenvorsprünge 44
von radial außen nach radial innen gekrümmt sind, so dass im Bereich der
radial inneren freien Endbereiche 46 derselben diese eine
Erstreckungsrichtungskomponente in Umfangsrichtung aufweisen. Das aus der
Brennkammer 14 entlang des Flammrohrs 16 strömende erwärmte Gas weist auf
Grund der Förderwirkung eines eingesetzten Gebläses einen Drall auf,
welcher durch die Pfeile in Fig. 4 angedeutet ist. Durch die
entgegengesetzt dieser Drallrichtung abgekrümmte Konfiguration der Bodenvorsprünge
44 wird dem in Achsrichtung und mit Drall auf den Bodenbereich 26 zu
strömenden erwärmten Gas ein leichterer Eintritt in den zwischen jeweils
zwei der Bodenvorsprünge 44 gebildeten Zwischenraum ermöglicht und
somit eine Verminderung des Strömungswiderstands erreicht. Dabei bilden
also die Bodenvorsprünge 44 im Wesentlichen mit ihren konvex
gekrümmten Oberflächenbereichen 45 Leitflächen für das heranströmende und
umgelenkte Gas. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet also die
Aussage, dass zumindest ein Teil der Bodenvorsprünge 44 gekrümmt
ausgebildet ist, dass diese derart gekrümmt bzw. ggf. auch abgewinkelt
verlaufende Oberflächenbereiche aufweisen.