DE102006001537A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere aus einem Gusswerkstoff, zur Verwendung bei einem Heizgerät für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser, bestehend aus mindestens einem Abgaskanal, dessen heizgasberührte und wasserberührte Wandseiten vorzugsweise mit oberflächenvergrößernden Elementen versehen sind. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, welcher bei möglichst kompakten Abmessungen guten Wärmeübertragungseigenschaften besitzt. DOLLAR A Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass mindestens ein vertikaler Konvektionskanal (1) ausgebildet wird, indem den oberflächenvergrößernden Elementen (2) auf der Wasserseite mindestens ein vorgelagertes Strömungsleitelement (3) zugeordnet ist, dessen Kontur im Wesentlichen die der wasserberührten Wandseite nachbildet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere aus einem Gusswerkstoff, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Gattungsgemäße Wärmetauscher aus Grauguss oder Aluminium werden bei Heizgeräten für den Wärmeaustausch zwischen den Heizgasen und dem Heizwasser eingesetzt. Hinsichtlich der heizwasserseitigen Strömungsführung unterscheidet man zwischen zwangsdurchströmten und nicht zwangsdurchströmten Wärmetauschern. Bei zwangsdurchströmten Wärmetauschern sorgt eine Umwälzpumpe für einen vorgegebenen Wasservolumenstrom durch die zumeist engen, mäanderförmig angelegten Wasserkanäle. Auf diese Weise sind trotz geringen Wasserinhaltes recht hohe, heizgasseitig eingetragene Wärmestromdichten realisierbar. Bei nicht zwangsdurchströmten Wärmetauschern ist der Heizwasserinhalt deutlich größer, gleichzeitig sind die realisierbaren Wärmestromdichten in der Regel niedriger. Die Wasserführung erfolgt nicht in engen geschlossenen Kanälen, sondern über oberflächenvergrößernde Wärmeleitelemente, beispielsweise in Rippenform, in vergleichsweise groß bemessenen Querschnitten und basiert auf thermischer Konvektion. Die DE 102 46 259 B3 zeigt den Wärmetauscher eines direkt beheizten Pufferspeichers, der mithilfe seines Flanschdeckels an einem Befestigungsflansch des Speichers montierbar ist. Die Heizgase werden aufgrund eines von einem Gebläse aufgeprägten Druckgefälles von der Brennkammer über den Abgaswärmetauscher zur Abgasführung geleitet. Wasserseitig ist der nicht zwangsdurchströmte Wärmetauscher im Speicherwasser eingetaucht. Ein solcher Wärmetauscher ist in ähnlicher Bauweise auch in einem Heizkessel einsetzbar.
• Ausgehend von einem beispielsweise ruhenden Kessel- oder Speicherwasserinhalt wird bei heizgasseitiger Beheizung des Wärmetauschers das den Wärmetauscher berührende Wasser durch Wärmeleitung erwärmt. Aufgrund des thermischen Auftriebs kommt allmählich eine Strömungswalze auf der Wasserseite in Gang, die die Wärme nach oben abführt und weiteres zu erwärmendes Wasser von unten an die heiße Wärmetauscheroberfläche heranführt. Dabei schleppt das aufsteigende warme Wasser immer auch seitlich benachbartes kälteres Wasser mit und vermischt sich mit diesem, wodurch es zu einer Abkühlung des aufsteigenden Wassers auf Mischtemperatur kommt. Hierdurch wird das Aufheizen des Kessel- oder Speicherwasserinhaltes verzögert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, insbesondere aus einem Gusswerkstoff, zur Verwendung bei einem Heizgerät für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und Heizwasser zu schaffen, welcher bei möglichst kompakten Abmessungen gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzt.
• Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Der konstruktive Aufbau des Wärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein vertikaler Konvektionskanal ausgebildet wird, indem den oberflächenvergrößernden Wärmeleitrippen auf der Wasserseite mindestens ein vorgelagertes Strömungsleitelement zugeordnet ist, dessen Kontur im Wesentlichen die der wasserberührten Wandseite nachbildet. Durch einen solchen Konvektionskanal wird die Strömungsführung des den Wärmetauscher umgebenden Heizwassers in dem Sinn optimiert, dass eine Vermischung mit seitlich benachbartem kälteren Wasser ausbleibt, die Temperaturerhöhung also die der herkömmlichen Bauart ohne Strömungsleitelement übersteigt und die Wärmeübertragung effizienter wird.
• Bei einer ersten Ausführungsform ist das Strömungsleitelement auf den oberflächenvergrößernden Wärmeleitrippen der Wasserseite mit angegossen. Auf diese Weise bildet das Strömungsleitelement auch zusätzlich selbst die Funktion der Oberflächenvergrößerung ab.
• Bei einer zweiten Ausführungsform ist das Strömungsleitelement auf der Wasserseite mit dem Wärmetauscher zusammengefügt, beispielsweise mit dessen Wärmeleitrippen verschraubt, und bildet mit diesem eine bauliche Einheit. Dabei kann das Strömungsleitelement direkt auf den oberflächenvergrößernden Wärmeleitrippen auf der Wasserseite des Wärmetauschers aufliegen oder in einem Abstand vor diesen angeordnet sein.
• Der Konvektionskanal kann zur Verbesserung der Heizwasserströmung und der Wärmeübertragung eine strömungsgünstige Kontur erhalten, indem der zwischen Wärmetauscherwasserseite und Strömungsleitelement sich einstellende Zuströmquerschnitt düsenähnlich ausgebildet ist.
• Damit sich die Heizwasserströmung im Konvektionskanal im erwünschten Umfang einstellt, ist es erforderlich, dass die vertikale Erstreckung des Strömungsleitelementes mindestens den oberen Wärmetauscherbereich überdeckt und so eine ausreichende Anschubstrecke für die thermische Konvektion bildet. Mit zunehmender vertikaler Erstreckung verbessert sich auch die Wirkung der Strömungsführung.
• Ferner ist es vorteilhaft, dass das Rücklaufwasser des Heizgerätes vorzugsweise im Zuströmbereich des Wärmetauschers eingespeist wird und damit die natürliche Temperaturschichtung im Heizgerät unterstützt. Außerdem wird das kühle Rücklaufwasser in den Konvektionskanal hineingesaugt.
• Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt:
• 1: einen vertikalen Schnitt durch einen Wärmetauscher mit Strömungsleitelementen
• 2: einen horizontalen Schnitt durch einen Wärmetauscher mit Strömungsleitelementen
• Der Wärmetauscher besitzt einen Heizgaskanal mit Brennkammer 4 und Abgaswärmetauscher 5 sowie wasserseitige Wärmeleitelemente 2. Auf den Wärmeleitelementen 2 sind beidseitig des Wärmetauschers Strömungsleitelemente 3 angebracht, die zusammen mit der Begrenzung des Wärmetauschers vertikale Konvektionskanäle 1 bilden. In diesen Konvektionskanälen 1 wird das Heizwasser durch Wärme leitenden Kontakt mit der Wärmetauscheroberfläche erwärmt, woraufhin es aufgrund thermischer Konvektion nach oben aufsteigt und kälteres Heizmedium nachströmt. Im umgebenden Heizwasser bildet sich eine Strömungswalze aus.

Claims (6)

1. Wärmetauscher, insbesondere aus einem Gusswerkstoff, zur Verwendung bei einem Heizgerät für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser, bestehend aus mindestens einem Abgaskanal, dessen heizgasberührte und/oder wasserberührte Wandseiten mit oberflächenvergrößernden Elementen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein vertikaler Konvektionskanal (1) ausgebildet wird, indem den oberflächenvergrößernden Elementen (2) auf der Wasserseite mindestens ein vorgelagertes Strömungsleitelement (3) zugeordnet ist, dessen Kontur im Wesentlichen die der wasserberührten Wandseite nachbildet.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (3) auf den oberflächenvergrößernden Elementen (2) der Wasserseite mit angegossen ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (3) auf der Wasserseite mit dem Wärmetauscher zusammengefügt ist und mit diesem eine Einheit bildet, wobei das Strömungsleitelement (3) direkt auf den oberflächenvergrößernden Elementen (2) auf der Wasserseite des Wärmetauschers aufliegt oder in einem Abstand vor diesen angeordnet ist.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (3) eine strömungsgünstige Kontur dergestalt aufweist, dass der zwischen Wärmetauscherwasserseite und Strömungsleitelement (3) sich einstellende Zuströmquerschnitt düsenähnlich ausgebildet ist.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (3) mindestens den oberen Wärmetauscherbereich überdeckt.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rücklaufwasser des Heizgerätes nahe des Zuströmquerschnitts des Wärmetauschers eingespeist wird.