DE102004032180A1

DE102004032180A1 - Heat exchanger for gas or oil heated water heater has heat conducting ribs fitted in space between inner and outer tubes in such way that uniform distribution of heat can be established on circumference of outer tube

Info

Publication number: DE102004032180A1
Application number: DE200410032180
Authority: DE
Inventors: Armin Schuelke; Wolfgang Volz; Uwe Clement
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-12-08

Abstract

The heat exchanger has a heat exchanger pipe (10) which has an inner (11) and an outer (12) tube, whereby the outer tube is subjected to a heat yielding fluid, especially hot gas, and with a heat absorbing fluid, especially hot water, flowing in the inner tube. Heat conducting ribs (14) which influence the transfer of heat are fitted in the space (13) between the inner and outer tubes in such a way that a uniform distribution of heat can be established on the circumference of the outer tube.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für gas- oder ölbeheizte Wassererhitzer, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The Invention relates to a heat exchanger, especially for Gas- or oil-heated Water heater, according to the preamble of claim 1.

Wärmeübertrager zur Übertragung der Wärme des von einem Gas- oder Ölbrenner erzeugten Heizgas auf das Heizwasser einer Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage sind beispielsweise als Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager oder Glattrohrbündel-Wärmeübertrager ausgeführt. In sogenannten Brennwertheizgeräten, bei denen die Kondensationswärme des Heizgases ausgenutzt wird, erfolgt die Abkühlung des Heizgases unter die Taupunk-Temperatur des Heizgases- bzw. des Abgasgemischs, so dass der Wasserdampf auskondensiert. Bei der Verbrennung von Erdgas oder Öl befindet sich Schwefel im Abgas, so dass sich bei der Kondensation Schwefelsäure bildet. Die Säure im Kondensat führt in den Bereichen des Wärmeübertragers, in denen das Abgas auskondensiert, zu einer Korrosion des Wärmeübertragermaterials.Heat exchanger for transmission the heat that of a gas or oil burner produced heating gas to the heating water of a heating and / or service water system For example, are designed as a laminated tube bundle heat exchanger or smooth tube bundle heat exchanger. In so-called condensing boilers, where the heat of condensation of the heating gas is used, the cooling of the fuel gas is below the dew point temperature of the fuel gas or the exhaust gas mixture, so that the water vapor condenses out. When burning natural gas or oil, sulfur is in the Exhaust, so that forms during the condensation sulfuric acid. The acid in the condensate leads in the areas of the heat exchanger, in which the exhaust condenses, to a corrosion of the heat transfer material.

Aus EP 026 731 B1 ist beispielsweise ein Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager bekannt, bei dem durch einen Lamellenblock Heizwasserrohre für einen Heizungskreislauf geführt sind. Innerhalb der Heizwasserrohre erstrecken sich im Durchmesser kleinere Brauchwasserrohre zur Erwärmung von Brauchwasser. Die Brauchwasserrohre werden mittels Noppen oder Schienen beabstandet von der Innenwand des Heizwasserrohres spiellos innerhalb der Heizwasserrohre geführt. Diese Art von Wärmeübertragern dienen dem Zweck, dass mittels des Wärmeübertragers gleichzeitig das Heizwasser für einen Heizungskreis und warmes Brauchwasser für einen Brauchwasserkreis nach dem Durchlauferhitzerprinzip bereitgestellt wird.Out EP 026 731 B1 For example, a finned tube bundle heat exchanger is known in which heating water pipes are led through a finned block for a heating circuit. Within the Heizwasserrohre extend smaller diameter hot water pipes for heating domestic hot water. The hot water pipes are spaced by means of knobs or rails of the inner wall of Heizheizrohres performed within the heating water pipes. This type of heat exchangers serve the purpose that by means of the heat exchanger at the same time the heating water for a heating circuit and domestic hot water for a hot water circuit is provided by the water heater principle.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gezielte Anhebung der Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers über die Taupunkt-Temperatur des Heizgases bzw. Abgases zu ermöglichen, um dadurch die Korrosion an diesem Bereich des Wärmeübertragers weitgehend zu vermeiden.task The invention is a targeted increase in the surface temperature of the heat exchanger over the Allow dew-point temperature of the fuel gas or exhaust gas, thereby largely avoid corrosion on this area of the heat exchanger.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, indem eine weitgehend homogene Temperaturverteilung mit Temperaturen größer der Taupunkttemperatur über dem Rohrumfang des Wärmetauscherrohrs eingestellt wird. Damit wird eine Kondensation des Abgases und eine Korrosion des Materials des Wärmeübertragers in diesem Bereich weitgehend vermieden. Durch die gezielte Anhebung der Oberflächentemperatur kann gegenüber der Anhebung der Oberflächentemperatur mit Lamellen bei einer Ausführung des Wärmeübertragers mit Glattrohrbündeln ein kompakter Aufbau erreicht werden. Außerdem ist durch die Vermeidung der Kondensation der Einsatz von kostengünstigeren metallischen Werkstoffen möglich. Durch die Korrosionsfreiheit in bestimmten Bereichen des Wärmeübertragers wird schließlich dessen Qualität verbessert und die Betriebssicherheit des Heizgerätes erhöht. Ein Ausfall des Brennwertheizgerätes durch Zusetzen des Wärmeübertragers durch Korrosionsprodukte wird dadurch ebenfalls vermieden.The The object of the invention is with the characterizing features of Claim 1 solved, by a largely homogeneous temperature distribution with temperatures bigger the Dew point temperature over the pipe circumference of the heat exchanger tube is set. This is a condensation of the exhaust gas and a Corrosion of the material of the heat exchanger largely avoided in this area. By targeted increase the surface temperature can be opposite raising the surface temperature with lamellae in one version of the heat exchanger with smooth tube bundles a compact construction can be achieved. Besides, by avoiding the condensation of the use of less expensive metallic materials possible. Due to the absence of corrosion in certain areas of the heat exchanger finally becomes its quality improves and increases the reliability of the heater. One Failure of the condensing boiler by adding the heat exchanger By corrosion products is also avoided.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.advantageous Further developments of the invention are possible by the measures of the subclaims.

Alternativ können die Innenrohre und die Außenrohre koaxial oder exzentrisch zueinander angeordnet ein. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind im Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr Wärmeleitstege angeordnet, so dass entlang des Außenumfangs des Außenrohres ein unterschiedlicher Wärmeeintrag vom Außenrohr zum Innenrohr realisierbar ist. Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform mit exzentrischer Anordnung des Innenrohres wird mit Hilfe eines Füllmediums zwischen Innenrohr und Außenrohr über den Umfang des Außenrohres ein im Wesentlichen gleichmäßiger Wärmeeintrag vom Außenrohr zum Innenrohr realisiert.alternative can the inner tubes and the outer tubes arranged coaxially or eccentrically to one another. In an expedient embodiment are in the space between the inner tube and the outer tube thermally conductive arranged so that along the outer periphery of the outer tube a different heat input from the outer tube to Inner tube is feasible. In a further advantageous embodiment with eccentric arrangement of the inner tube is using a filling medium between inner tube and outer tube over the Circumference of the outer tube a substantially uniform heat input from the outer tube realized to the inner tube.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele des Standes der Technik und der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The prior art and the invention are shown in the drawing shown and explained in more detail in the following description.

Es zeigenIt demonstrate

1 ein Querschnitt durch ein Glattrohr eines Wärmeübertragers nach dem Stand der Technik mit einer Darstellung der Temperaturverteilung, 1 a cross section through a smooth tube of a heat exchanger according to the prior art with a representation of the temperature distribution,

2 einen Querschnitt durch ein Lamellenrohr eines Wärmeübertrages nach dem Stand der Technik mit einer Darstellung der Temperaturverteilung, 2 a cross section through a lamella tube of a heat transfer according to the prior art with a representation of the temperature distribution,

3 ein Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit der Darstellung der Temperaturverteilung, 3 a cross section through a heat exchanger tube of a heat exchanger according to the invention according to a first embodiment with the representation of the temperature distribution,

4 ein Querschnitt durch ein Glattrohr eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und 4 a cross section through a smooth tube of a heat exchanger according to the invention according to a second embodiment and

5 ein Querschnitt durch ein Glattrohr eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. 5 a cross section through a smooth tube of a heat exchanger according to the invention according to a third embodiment.

Ausführungsbeispieleembodiments

In 1 und 2 sind Ausführungsformen des Standes der Technik dargestellt, wobei 1 ein Glattrohr 1 eines Glattrohrbündel-Wärmeübertragers darstellt und 2 ein Lamellenrohr 2 mit einer Rohrleitung 3, die von Lamellen 4 umgeben ist. Dabei ist in 1 und 2 mit Pfeilen die Strömungsrichtung des von einem nicht dargestellten Gas- oder Ölbrenner erzeugten Abgases bzw. Heizgases dargestellt.In 1 and 2 Illustrated embodiments of the prior art, wherein 1 a smooth tube 1 represents a smooth tube bundle heat exchanger and 2 a lamellae tube 2 with a pipeline 3 that by slats 4 is surrounded. It is in 1 and 2 Arrows show the flow direction of the exhaust gas or hot gas generated by a gas or oil burner, not shown.

Am Glattrohr 1 in 1 und am Lamellenrohr 2 in 2 ist mit A der der Strömung des Heizgases zugewandte Punkt und mit B der der Strömung des Heizgases abgewandte Punkt am Rohrumfang dargestellt. Aus den jeweils darunterliegenden Darstellungen geht die Temperaturverteilung zwischen den Punkten A und B am Rohrumfang hervor.At the smooth tube 1 in 1 and at the lamellae pipe 2 in 2 is shown with A of the flow of the fuel gas facing point and B of the flow of the fuel gas facing away from the pipe circumference. The temperature distribution between the points A and B at the circumference of the pipe is shown in the diagrams below.

Bezüglich 1 ist erkennbar, dass bei dem Glattrohr 1 zwischen den Punkten A und B eine ungleichmäßige Temperaturverteilung vorliegt, wobei bereits am Punkt A die Temperatur TA unterhalb der Kondensationstemperatur T_KOND liegt. Die Temperaturverteilung gemäß 2 ist ebenfalls zwischen den Punkten A und B ungleichmäßig verteilt, wobei jedoch aufgrund der Ausführung mit Lamellen 4 der Wärmeeintrag am Punkt A die Temperatur TA über die Kondensationstemperatur T_KOND anhebt, die dann zum Punkt B hin unter die Kondensationstemperatur T_KOND fällt.In terms of 1 can be seen that in the smooth tube 1 there is an uneven temperature distribution between the points A and B, whereby the temperature TA is already below the condensation temperature T _KOND at the point A. The temperature distribution according to 2 is also distributed unevenly between points A and B, but due to the design with slats 4 the heat input at the point A raises the temperature TA above the condensation temperature T _KOND , which then drops below the condensation temperature T _KOND towards the point B.

Aus 3 geht ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung hervor, wobei ein Querschnitt durch ein doppelwandiges Wärmetauscherrohr 10 eines nicht dargestellten Glattrohr-Wärmeübertragers gezeigt wird. Das Wärmetauscherrohr 10 weist beispielsweise koaxial angeordnet ein Innenrohr 11 und ein Außenrohr 12 auf. Im Innenrohr 11 strömt das Heizwasser eines nichtdargestellten Heizungskreises. Zwischen Innenrohr 11 und dem Außenrohr 12 ist ein Zwischenraum 13 ausgeführt, in dem sich Luft befindet. Das Außenrohr 12 ist dem mit einem Pfeil dargestellten Abgas eines Brenners ausgesetzt, wobei das Abgas entlang des Außenrohres 12 am Rohrumfang vom Punkt A zum Punkt B strömt. Durch die im Zwischenraum 13 befindlichen Luft wird der Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem Heizwasser im Innenrohr 11 verschlechtert, so dass die Oberflächentemperatur zwischen den Punkten A und B am Rohrumfang des Außenrohres 12 angehoben wird.Out 3 shows a first embodiment of the invention, wherein a cross section through a double-walled heat exchanger tube 10 a smooth-tube heat exchanger, not shown, is shown. The heat exchanger tube 10 has, for example coaxially arranged an inner tube 11 and an outer tube 12 on. In the inner tube 11 the heating water of an unillustrated heating circuit flows. Between inner tube 11 and the outer tube 12 is a gap 13 carried out in which there is air. The outer tube 12 is exposed to the exhaust of a burner shown with an arrow, the exhaust gas along the outer tube 12 flows at the pipe circumference from point A to point B. Through the gap 13 located air is the heat transfer between the exhaust gas and the heating water in the inner tube 11 deteriorates, so that the surface temperature between the points A and B at the tube circumference of the outer tube 12 is raised.

Der größte Wärmeeintrag an einem Wärmetauscherrohr ist am Staupunkt der Abgasströmung, der in 3 durch den Punkt A gekennzeichnet ist. Der geringste Wärmeeintrag befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite am Rohrumfang, der in 3 mit Punkt B bezeichnet ist. Durch den unterschiedlichen Wärmeeintrag zwischen den Punkten A und B bildet sich eine ungleichmäßige Temperaturverteilung über den Rohrumfang aus. Um dies zu vermeiden, sind in den Zwischenraum 13 Wärmeleitstege 14 eingesetzt, die eine Wärmeleitung zwischen dem Außenrohr 12 und dem Innenrohr 11 übernehmen, wobei die Wärmeleitstege 14 derart über den Umfang verteilet im Zwischenraum 13 angeordnet sind, dass an den Stellen mit einem hohen Wärmeeintrag, d.h. in der Nähe des Punktes A eine größere Anzahl von Wärmeleitstegen 14 angeordnet ist als in der Nähe des Punktes B. Die Dichte der Wärmeleitstege 14 nimmt also vom Punkt A in Richtung Punkt B ab. Dadurch wird zunächst an der Stelle mit einem hohen Wärmeeintrag dem Abgas eine größere Menge Wärmeenergie entzogen, die jedoch aufgrund des mit Luft gefüllten Zwischenraumes 13 die Temperatur des Abgases TA nicht unter die Kondensationstemperatur T_KOND fallen lässt. Aufgrund der Verteilung der Wärmeleitstege 14 zum Punkt B hin wird der Wärmeeintrag in das Innenrohr 11 reduziert, so dass die Abgastemperatur TA am Rohrumfang des Außenrohres 12 im Wesentlichen konstant bleibt und, wie aus der Darstellung des darunterliegenden Temperaturverlaufes zwischen den Punkten A und B hervorgeht, oberhalb der Kondensationstemperatur T_KOND liegt. Das dargestellte doppelwandige Wärmetauscherrohr 10 ist beispielsweise ein Metall-Rohr, das beispielsweise durch Extrusion herstellbar ist.The largest heat input to a heat exchanger tube is at the stagnation point of the exhaust gas flow in 3 is characterized by the point A. The lowest heat input is on the opposite side of the pipe circumference, which in 3 is designated by point B. Due to the different heat input between the points A and B, an uneven temperature distribution over the pipe circumference is formed. To avoid this, are in the gap 13 thermally conductive 14 used, which is a heat conduction between the outer tube 12 and the inner tube 11 take over, with the Wärmeleitstege 14 so distributed over the circumference in the space 13 are arranged that at the points with a high heat input, ie in the vicinity of the point A, a larger number of Wärmeleitstegen 14 is arranged as near the point B. The density of Wärmeleitstege 14 Thus, it decreases from point A to point B. As a result, a larger amount of heat energy is first removed from the exhaust gas at the point with a high heat input, but due to the space filled with air 13 the temperature of the exhaust gas TA does not fall below the condensation temperature T _KOND . Due to the distribution of Wärmeleitstege 14 towards point B, the heat input into the inner tube 11 reduces, so that the exhaust gas temperature TA at the tube circumference of the outer tube 12 remains substantially constant and, as can be seen from the representation of the underlying temperature profile between the points A and B, above the condensation temperature T _KOND . The illustrated double-walled heat exchanger tube 10 is for example a metal tube, which can be produced for example by extrusion.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Ausführungsformen geht aus 4 und 5 hervor. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das doppelwandige Wärmetauscherrohr 10 mit einem Innenrohr 16 und einem Außenrohr 17 ausgeführt, wobei das Innenrohr 16 exzentrisch im Außenrohr angeordnet ist. Zwischen Innenrohr 16 und Außenrohr 17 ist ein Füllmedium 18 eingebracht. Das Heizwasser strömt auch hier durch das Innenrohr 16.Another embodiment with two embodiments is out 4 and 5 out. In this embodiment, the double-walled heat exchanger tube 10 with an inner tube 16 and an outer tube 17 executed, wherein the inner tube 16 is arranged eccentrically in the outer tube. Between inner tube 16 and outer tube 17 is a filling medium 18 brought in. The heating water also flows through the inner tube here 16 ,

Durch eine entsprechende Anordnung des Innenrohres 16 innerhalb des Außenrohres 17 wird ein gezielter Wärmeübergang aufgrund der exzentrischen Anordnung realisiert. Durch die exzentrische Anordnung liegen unterschiedlichen Abstände des im Innenrohr 16 strömenden Heizwassers von dem das Außenrohr 17 umströmenden Abgases vor, so auch ein unterschiedlicher Wärmeeintrag über den Rohrumfang des Außenrohres realisiert wird. Damit kann gezielt je nach Einsatzbedingungen (Abgastemperatur, Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers) die Oberflächentemperatur zwischen den Punkten A und B am Rohrumfang des Außenrohres 17 angehoben werden. Ziel ist dabei, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine gleichmäßige Temperaturverteilung TA, die über der Kondensationstemperatur T_KOND liegt, zu erreichen.By an appropriate arrangement of the inner tube 16 inside the outer tube 17 a targeted heat transfer due to the eccentric arrangement is realized. Due to the eccentric arrangement are different distances of the inner tube 16 flowing heating water from which the outer tube 17 flowing around exhaust gas before, as well as a different heat input over the pipe circumference of the outer tube is realized. Depending on the operating conditions (exhaust gas temperature, flow velocity of the heating water), the surface temperature between points A and B at the pipe circumference of the outer pipe can be targeted 17 be raised. The goal is, as in the off according to leadership example 3 to achieve a uniform temperature distribution TA, which is above the condensation temperature T _KOND .

Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist das Innenrohr 16 an der Oberseite, d.h. am Punkt A mit dem Außenrohr 17 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Füllmedium 17 Luft sein. Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist das Innenrohr 17 ebenfalls exzentrisch im Außenrohr 17 angeordnet, wobei jedoch am Punkt A ebenfalls ein Abstand zwischen Innenrohr 16 und Außenrohr 17 realisiert ist, der jedoch geringer als am Punkt B. Als Füllmaterial kann hierbei ein festes Medium mit einer definierten Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, so dass das Innenrohr 16 gleichzeitig vom Füllmedium 18 fixiert wird. Als Füllmedium 18 komm beispielsweise ein Schaum oder ein Epoxydharz in Frage.In the embodiment according to 4 is the inner tube 16 at the top, ie at point A with the outer tube 17 connected. In this embodiment, the filling medium 17 Be air. In the embodiment according to 5 is the inner tube 17 also eccentric in the outer tube 17 arranged, but at point A also a distance between the inner tube 16 and outer tube 17 is realized, but less than at the point B. As a filling material here a solid medium can be used with a defined thermal conductivity, so that the inner tube 16 simultaneously from the filling medium 18 is fixed. As a filling medium 18 For example, consider a foam or an epoxy resin in question.

Claims

Heat exchanger with a heat exchanger tube ( 10 ), which is an inner tube ( 11 . 16 ) and an outer tube ( 12 . 17 ), wherein the outer tube ( 12 . 17 ) is exposed to a heat-emitting fluid, in particular heating gas, and in the inner tube ( 11 . 16 ) a heat-absorbing fluid, in particular heating water flows, characterized in that in between the inner tube ( 11 . 16 ) and the outer tube ( 12 . 17 ) formed space ( 13 ) the heat transfer influencing means are used, such that at the pipe circumference of the outer tube ( 12 . 17 ) sets a substantially uniform temperature distribution.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that by means of the heat transfer-influencing means along the tube circumference of the outer tube ( 12 ) a different heat input from the outer tube ( 12 ) to the inner tube ( 11 ) is feasible.

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the heat transfer influencing means Wärmeleitstege ( 14 ) are.

Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the inner tube ( 11 ) and the outer tube ( 12 ) are arranged coaxially with each other.

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the means influencing the heat transfer by a different distance between outer tube ( 17 ) and inner tube ( 16 ) are feasible.

Heat exchanger according to claim 5 , characterized in that the different distance between outer tube ( 17 ) and inner tube ( 16 ) by means of an eccentric arrangement of the inner tube ( 16 ) within the outer tube ( 17 ) is realized, so that over the pipe circumference of the outer tube ( 12 ) a different heat input from the outer tube ( 17 ) to the inner tube ( 16 ) is realized.

Heat exchanger according to claim 6, characterized in that at a point A with the highest heat input, the inner tube ( 16 ) the outer tube ( 17 ) touched.

Heat exchanger according to claim 6, characterized in that the distance of the inner ear ( 16 ) to the outer tube ( 17 ) is lower at a point A with the highest heat input than at a point B with the lowest heat input.