DE102004060940B4 - Wärmetauscher für einen Heizkessel - Google Patents

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    • F24H9/0005Details for water heaters
    • F24H9/0036Dispositions against condensation of combustion products

Abstract

Wärmetauscher für einen Heizkessel mit einem an einen Vorlauf und einen Rücklauf eines Wärmeträgerkreises angeschlossenen, einen Außenmantel mit vertikaler Achse bildenden Gehäuse und mit einem Bündel von das Gehäuse achsparallel durchsetzenden, mit gegenseitigem Abstand angeordneten, von den Abgasen eines Brenners durchströmten Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen das Rohrbündel umschließenden, gegenüber dem Außenmantel (2) einen Ringraum freilassenden Innenmantel (5) aufweist, dass der Ringraum zwischen dem Innen- und dem Außenmantel (5, 2) durch eine mit Durchströmöffnungen (11) für den Wärmeträger versehene Trennwand (6) der Höhe nach in eine untere, an den Vorlauf (9) angeschlossene Vorlaufkammer (7) und eine oberes, an den Rücklauf (10) angeschlossene Rücklaufkammer (8) unterteilt ist und dass der Innenmantel (5) sowohl im Bereich der Vorlaufkammer (7) als auch im Bereich der Rücklaufkammer (8) Durchtrittsöffnungen (15, 16) für den Wärmeträger besitzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für einen Heizkessel mit einem an einen Vorlauf und einen Rücklauf eines Wärmeträgerkreises angeschlossenen, einen Außenmantel mit vertikaler Achse bildenden Gehäuse und mit einem Bündel von das Gehäuse achsparallel durchsetzenden, mit gegenseitigem Abstand angeordneten, von den Abgasen eines Brenners durchströmten Rohren.
  • Zum Erwärmen des Wärmeträgers beispielsweise eines Heizkreislaufes mit Hilfe der heißen Abgase eines Heizkessels ist es bekannt, ein Wärmetauschergehäuse mit vertikaler Achse vorzusehen, das von einem Bündel von Rohren zur Abgasführung axial durchsetzt wird. Der Wärmeträger des über einen Vor- und einen Rücklauf an das Gehäuse angeschlossenen Wärmeträgerkreises wird über das Rohrbündel mit Hilfe der heißen Abgase im Gleich- oder Gegenstrom erwärmt. Da die Rohre des Rohrbündels im Rücklaufbereich des Wärmeträgerkreislaufes vom kalten Wärmeträger angeströmt werden, bringt die damit verbundene Kühlung der Rohrwände die Gefahr mit sich, dass auf der Innenseite der Rohwände der Taupunkt der Abgase unterschritten wird, was aufgrund des dann anfallenden Kondensats zu einer Korrosionsbelastung der Rohre des Rohrbündels führt. Um diese Gefahr zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen ( AT 5587 U1 ), im Gehäuse durch eine achsnormale Trennwand eine an den Rücklauf des Wärmeträgerkreises angeschlossene Verteilerkammer vorzusehen, um mit Hilfe von in der Trennwand vorgesehenen Durchströmöffnungen eine Strömungsverteilung des Wärmeträgers zu erzwingen, die eine unmittelbare Beaufschlagung der Rohre des Rohrbündels im Zulaufbereich des kalten Wärmeträgers verhindert. Da der kalte Wärmeträger aus dem Rücklauf des Wärmeträgerkreises jedoch zwischen den Rohren des Rohrbündels das Gehäuse axial durchströmt, kann die Gefahr einer Taupunktun terschreitung insbesondere bei Niedertemperaturheizungen nicht ausgeschlossen werden.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für einen Heizkessel der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass auch bei einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau des Wärmeträgers eine Taupunktunterschreitung für die die Rohre des Rohrbündels durchströmenden Abgase im Bereich der Rohinnenwandungen ausgeschlossen werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Durch das Vorsehen eines Innenmantels, der einen das Rohrbündel aufnehmenden Innenraum von einem äußeren Ringraum zwischen dem Innen- und Außenmantel des Gehäuses abgrenzt, wird in einfacher Weise verhindert, dass der kalte Wärmeträger des an den Ringraum angeschlossenen Wärmeträgerkreises den Innenraum des Gehäuses mit dem Rohrbündel durchströmt, was eine wesentliche Voraussetzung für die Vermeidung von Taupunktunterschreitungen im Bereich der Rohre des Rohrbündels darstellt. Da der Ringraum zwischen dem Innen- und dem Außenmantel des Gehäuses in eine obere Rücklaufkammer und eine untere Vorlaufkammer unterteilt ist und diese beiden Kammern über Durchströmöffnungen in der die beiden Kammern voneinander trennenden Trennwand in Strömungsverbindung stehen, kann ein thermischer Kurzschluss zwischen dem Rücklauf und dem Vorlauf des Wärmeträgerkreises über den Ringraum unterbunden werden, so dass für einen entsprechenden Wärmeübergang zwischen dem durch das Rohrbündel erwärmten Wärmeträger im Innenraum des Gehäuses und dem Wärmeträger im Ringraum über den Innenmantel als Wärmetauscherfläche gesorgt ist. Über die Durchtrittsöffnungen des Innenmantels sowohl im Bereich der Vorlaufkammer als auch im Bereich der Rücklaufkammer stellt sich außerdem eine Konvektionsströmung des Wärmeträgers vom Innenraum über die Rücklauf- und die Vorlaufkammer zurück zum Innenraum mit der Wirkung eines teilweisen Temperaturausgleiches ein. Der aus dem Innenraum in die obere Rücklaufkammer strömende, erwärmte Wärmeträger mischt sich ja mit dem kalten Wärmeträger aus dem Rücklauf des Wärmeträgerkreislaufes. Zugleich wird ein Teil des im Ringraum erwärmten Wärmeträgers aus der unteren Vorlaufkammer in den Innenraum abgesaugt, so da sich für den Wärmeübergang vom Rohrbündel auf den Wärmeträger im Innenraum des Gehäuses und vom Wärmeträger im Innenraum auf den Wärmeträger im Ringraum insgesamt ein günstiger Wirkungsgrad ergibt, ohne Gefahr zu laufen, dass der Taupunkt der Abgase durch Zufuhr eines kühlen Wärmeträgerstromes zum Innenraum unterschritten oder eine obere Grenztemperatur des Wärmeträgers im Innenraum des Gehäuses überschritten wird. Bei einer entsprechenden Auslegung und Anordnung des Durchströmöffnungen in der Trennwand zwischen der Rücklauf- und der Vorlaufkammer sowie der Durchtrittsöffnungen zwischen Innenraum einerseits und Vorlauf- und Rücklaufkammer anderseits im Bereich des Innenmantels ergibt sich eine einfache selbsttätige Temperaturregelung für den Wärmeträger im Innenraum des Gehäuses.
  • Um die sich über den Ringraum schließende Konvektionsströmung im Innenraum des Gehäuses gut ausnützen zu können, empfiehlt es sich, die Durchtrittsöffnungen im Innenmantel im Bereich des Gehäusebodens und der Gehäusedecke vorzusehen, so dass die gesamte axiale Länge des Gehäuses für diesen Zweck genützt werden kann.
  • Bei einem höheren Wärmebedarf des an den Wärmetauscher angeschlossenen Wärmeträgerkreises ist es vorteilhaft, zusätzlich warmen Wärmeträger aus dem Innenraum des Gehäuses dem Wärmeträgerkreis zuzumischen. Zu diesem Zweck kann die Vorlaufkammer im Bereich der Trennwand mit dem vom Innenmantel umschlossenen Innenraum des Gehäuses durch Strömungskanäle verbunden sein, die im Bereich der Gehäusedecke im Innenraum enden. Da in der Vorlaufkammer im Bereich der Trennwand aufgrund der Drosselwirkung der Durchströmöffnungen gegenüber dem Innenraum des Gehäuses insbesondere bei größeren Durchflußmengen ein Unterdruck herrscht, wird über die Strömungskanäle zusätzlich warmer Wärmeträger aus dem Deckenbereich des Innenraumes in die Vorlaufkammer gesaugt, was für einen entsprechenden Anstieg der Vorlauftemperatur des Wärmeträgerkreises sorgt.
  • In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
  • 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einem vereinfachten achsnormalen Schnitt durch das Gehäuse und
  • 2 diesen Wärmetauscher in einem Schnitt nach der Linie II-II der 1.
  • Der dargestellte Wärmetauscher für einen Heizkessel weist Gehäuse 1 auf, das einen Außenmantel 2 einen Boden 3 sowie eine Decke 4 umfasst. Mit radialem Abstand vom mit vertikaler Achse angeordneten Außenmantel 2 ist ein Innenmantel 5 vorgesehen, zwischen dem und dem Außenmantel 2 sich ein Ringraum ergibt, der der Höhe nach durch eine Trennwand 6 in eine untere Vorlaufkammer 7 und eine obere Rücklaufkammer 8 unterteilt wird. Die Vorlaufkammer 7 ist an einen Vorlauf 9 und die Rücklaufkammer 8 an einen Rücklauf 10 eines nicht näher dargestellten Wärmeträgerkreises, beispielsweise eines Heizkreises, angeschlossen. Die Strömungsverbindung zwischen der Rücklaufkammer 8 und der Vorlaufkammer 7 wird durch Durchströmöffnungen 11 in der Trennwand 6 sichergestellt. Wie der 1 entnommen werden kann sind die Durchströmöffnungen 11 mit einem entsprechenden Abstand vom Rücklauf 10 vorgesehen, um eine ausreichende Strömungskomponente in Umfangsrichtung zu erreichen.
  • Der durch den Innenmantel 5 gegenüber dem Außenmantel 2 abgegrenzte Innenraum 12 des Gehäuses 1 wird von einem Bündel paralleler Rohre 13 durchsetzt, die flüssigkeitsdicht im Boden 3 und in der Decke 4 des Gehäuses 1 gehalten sind.
  • Diese in Richtung der Mantelachse verlaufenden Rohre 13 werden mit heißen Abgasen aus einem Brenner des Heizkessels beaufschlagt, wie dies in der 2 durch die Strömungspfeile 14 angedeutet ist. Mit Hilfe der durch die Rohre 13 strömenden Abgase kann somit der Wärmeträger im Innenraum 12 des Gehäuses erwärmt werden, um über den erwärmten Wärmeträger im Innenraum 12 den Wärmeträger des angeschlossenen Wärmeträgerkreises im Ringraum zwischen Innenmantel 5 und Außenmantel 2 zu erwärmen. Diese Erwärmung des über den Rücklauf 10 in die Rücklaufkammer 8 strömenden und über den Vorlauf 9 aus der Vorlaufkammer 7 abgezogenen Wärmeträgers erfolgt jedoch nicht ausschließlich über den Innenmantel 5 als Wärmetauscherfläche, sondern auch mit Hilfe einer sich über die Rücklaufkammer 8 und die Vorlaufkammer 7 schließenden Konvektionsströmung des Wärmeträgers im Innenraum 12. Zu diesem Zweck sind im Innenmantel 5 Durchtrittsöffnungen 15 vorgesehen, die eine Strömungsverbindung mit der Vorlaufkammer 7 ergeben. Im Bereich der Rücklaufkammer 8 sind entsprechende Durchtrittsöffnungen 16 im Innenmantel 5 vorhanden. Wie der 2 entnommen werden kann, befinden sich die Durchtrittsöffnungen 15 im Bereich des Gehäusebodens 3 und die Durchtrittsöffnungen 16 im Bereich der Gehäusedecke 4, so dass die axiale Höhe des Gehäuses 1 für eine entsprechende Konvektionsströmung gut genützt werden kann, mit deren Hilfe im Innenraum 12 des Gehäuses 1 ein erwärmter Wärmeträger über die Durchtrittsöffnungen 16 im Deckenbereich in die Rücklaufkammer 8 überströmt, um sich mit dem kalten Wärmeträger aus dem Rücklauf 10 des Wärmeträgerkreislaufes zu vermischen. Mit dem Überströmen eines heißen Wärmeträgers aus dem Innenraum 12 in die Rücklaufkammer 8 wird gleichzeitig ein Teil des erwärmten Wärmeträgers aus der Vorlaufkammer 7 durch die Durchtrittsöffnungen 15 im Bodenbereich in den Innenraum 12 angesaugt. Wegen der gegenüber der Rücklauftemperatur höheren Vorlauftemperatur des Wärmeträgers kann die Gefahr einer Taupunktunterschreitung im Bereich der Rohre 13 durch den über die Durchtrittsöffnungen 15 in den Innenraum 12 strömenden Wärmeträger ausgeschlossen werden, zumal das heiße Ende der Rohre 13 mit dem auf die Vorlauftemperatur erwärmten Wärmeträger beaufschlagt wird. Das kalte Ende der Rohre 13 wird vom im Innenraum 12 über das Rohrbündel erwärmten Wärmeträger umspült, was eine Taupunktunterschreitung auch in diesem Bereich unterbindet.
  • Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist für eine zusätzliche, sich über die Vorlaufkammer 7 schließende Wärmeträgerströmung gesorgt, und zwar über Strömungskanäle 17, die sich zwischen der Vorlaufkammer 7 und dem Innenraum 12 erstrecken. Diese Strömungskanäle gehen im Bereich der Trennwand 6 aus und enden im Deckenbereich des Innenraumes 12. Herrscht aufgrund der Wärmeträgerströmung durch die Durchströmöffnungen 11 in der Trennwand 6 in der Vorlaufkammer 7 im Trennwandbereich ein entsprechender Unterdruck, so wird zusätzlich warmer Wärmeträger aus dem Deckenbereich des Innenraumes 12 über die Strömungskanäle 17 in die Vorlaufkammer 7 angesaugt, was die Deckung eines in diesem Fall erhöhten Wärmebedarfs des Wärmeträgerkreises unterstützt.

Claims (3)

  1. Wärmetauscher für einen Heizkessel mit einem an einen Vorlauf und einen Rücklauf eines Wärmeträgerkreises angeschlossenen, einen Außenmantel mit vertikaler Achse bildenden Gehäuse und mit einem Bündel von das Gehäuse achsparallel durchsetzenden, mit gegenseitigem Abstand angeordneten, von den Abgasen eines Brenners durchströmten Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen das Rohrbündel umschließenden, gegenüber dem Außenmantel (2) einen Ringraum freilassenden Innenmantel (5) aufweist, dass der Ringraum zwischen dem Innen- und dem Außenmantel (5, 2) durch eine mit Durchströmöffnungen (11) für den Wärmeträger versehene Trennwand (6) der Höhe nach in eine untere, an den Vorlauf (9) angeschlossene Vorlaufkammer (7) und eine oberes, an den Rücklauf (10) angeschlossene Rücklaufkammer (8) unterteilt ist und dass der Innenmantel (5) sowohl im Bereich der Vorlaufkammer (7) als auch im Bereich der Rücklaufkammer (8) Durchtrittsöffnungen (15, 16) für den Wärmeträger besitzt.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (15, 16) im Innenmantel (5) im Bereich des Gehäusebodens (3) und der Gehäusedecke (4) vorgesehen sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufkammer (7) im Bereich der Trennwand (6) mit dem vom Innenmantel (5) umschlossenen Innenraum (12) des Gehäuses (1) durch Strömungskanäle (17) verbunden ist, die im Bereich der Gehäusedecke (4) im Innenraum (12) enden.
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