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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geräte zur Erwärmung von Flüssigkeiten,
wie Boiler und Warmwasserbereiter und insbesondere auf die Wärmetauscher
solcher Geräte.
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Die
genannten Geräte
enthalten eine Wärmequelle
zumeist in Form eines Gasbrenners, dessen heiße Abgase zu einem Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher
geleitet werden, welcher häufig
aus einem schraubenförmig
aufgewickelten Rohr besteht, durch das die zu erwärmende Flüssigkeit
strömt.
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Die
heißen
Abgase werden, nachdem sie das Rohr umströmt und hierbei thermische Energie abgegeben
haben, ins Freie geleitet. Der thermische Wirkungsgrad hängt dabei
von der Güte
der Energieübertragung
zwischen Abgas und Wärmetauscherrohr
ab. Diese Übertragung
wird vor allem von der Kontaktdauer zwischen Abgas und Rohr sowie
von der Turbulenz der Strömung
der heißen
Abgase bestimmt. Daher ist es notwendig, den Bereich, in dem die
heißen
Abgase und das Rohr in Kontakt treten, zu verlängern.
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Aus
der
US 4,981,171 ist
ein Wärmetauscher bekannt,
bei dem die Wendeln im Querschnitt oval und in Reihen sowie Spalten
stapelförmig
angeordnet sind. Über
ein Gebläse
wird warme Außenluft
angesaugt und den mehrstufigen gitterartigen Wendeln zugeführt. Im
Zuge ihrer radialen Strömung
wird der Außenluft
thermische Energie entzogen und daher abgekühlt. Die in ihrer Temperatur
abgesenkte Luft wird anschließend
einem Raum zugeführt,
in dem sich beispielsweise Lebensmittel, wie Fleischwaren, befinden,
die gekühlt
werden müssen.
Der Wärmetauscher
hat folglich die Aufgabe Umgebungsluft abzukühlen und diese einem Raum zur
Verfügung
zu stellen. Ein Brennerbetrieb ist weder vorgesehen noch geeignet,
da die vom Brenner stammenden heißen Abgase radial zwischen
den Wendeln strömen würden ohne
einen hinreichenden Wärmeaustausch vollzogen
zu haben.
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Ferner
ist aus der
EP 678186
B1 ein Wärmetauscher
bekannt, dessen Wendelrohre im Querschnitt oval sind und mittels
eingearbeiteten stegförmigen
Abstandshaltern auf Maß gehalten
werden. Jedoch weist der Wärmetauscher
nur eine Stufe bzw. Wendel für
den Austausch thermischer Energie auf.
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Weiterhin
ist aus der
DE 4428097
A1 ein Wärmetauscher
bekannt, bei dem heiße
Abgase die Wendeln axial durchströmen. Allerdings findet hierbei keine
direkte Wärmebestrahlung
der Wendeln durch den Brenner statt. Aufgrund der axialen Anordnung, wird
jede Wendel von verschiedenen Abgasflüssen umströmt. Folglich findet kein doppelter
Wärmeaustausch
statt, wie bei einer radialen Anordnung, bei der die Abgase die
Wärmetauscherrohre,
beginnend von der inneren Wendel zur äußeren Wendel hin, nacheinander
umströmen.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung des Wirkungsgrades beim
Wärmeaustausch zwischen
heißen,
von einer Wärmequelle,
wie beispielsweise einem Brenner, stammenden Gasen und den von einem
zu erhitzenden Fluid durchströmten Wendeln
eines Wärmetauschers
anhand einer geeigneten Anordnung.
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Zu
diesem Zweck bezieht sich die Erfindung zunächst auf einen Wärmetauscher
zur thermalen Kopplung von heißen,
aus einem Brenner stammenden Abgasen mit einem Rohr, durch welches
eine zu erhitzende Flüssigkeit
strömt.
Das Rohr ist dabei schraubenlinienförmig um den Brenner gewickelt. Durch
die großzügigen Spalte
zwischen den Windungen können
die beim Verbrennungsprozess entstandenen Abgase in einen Abgaskanal
einer Wärmetauscherschale,
welche das Rohr umschließt,
radial abgeführt
werden. Der Wärmetauscher
enthält
dabei mindestens zwei Wendeln, welche gegenseitig koaxial und im
Allgemeinen radial überlappend
angeordnet sind, wobei die beiden Wendeln denselben Wendelabstand
haben und der axiale Versatz zueinander geradezu einen halben Wendelabstand
beträgt.
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Folglich
bilden die beiden seriell oder parallel angeordneten Wendeln zwei
konzentrische Wände, die
den Raum, in dem heiße
Abgase entstehen, einschließen
und diese sukzessive durch die Lücken
ihrer Windungen radial austreten lassen. Aufgrund des Versatzes
um einen halben Wendelabstand sind die Mittelpunkte der im Querschnitt
kreisförmigen
oder axial abgeflachten Windungen beider Wendeln in einer axialen
Ebene, wie die Spitzen eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet.
Aus diesem Grund strömen
die Abgase zunächst
durch die Lücken
zweier benachbarter Windungen der inneren Wendel und treffen anschließend auf
die Windung der äußeren Wendel
quasi am Scheitelpunkt des gleichschenkligen Dreiecks auf. Dort
wird der Abgasstrom in zwei nahezu identische Teilströme gespalten,
die über
beide Seiten der Windungen der äußeren Wendel
strömen,
bevor sie radial durch die Lücken
der äußeren Wendel
austreten. Die äußeren Windungen
stellen mithin ein Hindernis dar, was die Dauer des Abgas-Rohr Kontaktes
und somit die Effektivität
erhöht.
Der Einbau einer oder mehrerer zusätzlicher Wendeln, welche die äußere Wendel
entsprechend dem oben beschriebenen Prinzip des axialen Versatzes
umgeben, kann die Ausbeute nochmals steigern.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Erfindung unabhängig von der Gestalt der Windungen
ist. Die Querschnitte der Windungen müssen daher nicht zwangsläufig kreisförmig sein.
So ist die Ausführung der
Erfindung mit ovalen, linsen- oder rautenförmigen Querschnitten ebenfalls
möglich.
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Die äußere Wendel
ist im Betrieb kälter
als die innere Wendel, welche zusätzlich zu den heißen Abgasen
auch der direkten Wärmestrahlung
des Brenners ausgesetzt ist, während
die äußere Wendel eine
große
Oberfläche
für die
Kondensation der Flüssigkeit, üblicherweise
Wasser, bereitstellt, welche hauptsächlich in dem von der inneren
Wendel eingegrenzten Raum zuvor verdampft wurde.
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Der
Außendurchmesser
der inneren Wendel ist größer als
der Innendurchmesser der äußeren Wendel.
Folglich kann die innere Wendel nicht durch eine einfache translatorische
Bewegung in die äußere Wendel
eingeführt
werden. Die Windungen der eingebauten inneren Wendel ragen radial
in die Zwischenräume
der Windungen der äußeren Wendel und
definieren auf diese Weise axial schräge Lücken zwischen den Windungen
beider Wendeln, welche auf der Grundlage der rein axialen Lücken zwischen den
Windungen einer Wendel kalibriert werden können. Es entsteht daher der
Eindruck, als wären
die Windungen beider Wendeln fest miteinander verzahnt.
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Die
Abgase strömen
zunächst
durch die Spalten der inneren Wendel und gelangen über einen schrägen, zwischen
den beiden Wendeln befindlichen, Spalt in die Lücken der äußeren Wendel. Sind die Spalten
zwischen den Windungen und zwischen den Wendeln gleich groß, erfahren
die Abgase während
der Durchströmung
der Wendeln einen nahezu konstanten Druckverlust.
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Eine
Platte teilt den Innenraum der inneren Wendel axial in einen ersten
Bereich, in dem der Brenner platziert ist und einen zweiten, axial
entfernten Bereich, in dem sich die Abgasöffnung befindet. Auf diese
Weise treten die Abgase radial aus dem Brennerbereich aus, folgen
dann einem axialen Pfad in einen schichtähnlichen Bereich, der zwischen
der Außenseite
der äußeren Wendel
und der Innenseite der Wärmetauscherschale
liegt, und strömen schließlich einen
radialen Pfad entlang in den zweiten Bereich, bevor sie über die
Abgasöffnung
ausströmen.
Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung
der durch die Umlenkplatte erhaltene Ablenkpfad, welcher einen doppelten
Wärmeaustausch
gewährleistet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung, hat ein axial ausgerichteter
Kamm Halterungen zur Abstützung
der inneren Wendel. Der Kamm ist zwischen der inneren und äußeren Wendel
angeordnet und hält
die Spalten zwischen den Windungen der inneren Wendel auf gewünschter
Distanz. Der Kamm bildet daher eine Vorlage, welche eine thermisch
bedingte axiale Verformung der inneren Wendel begrenzt.
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Der
Kamm kann auch Halterungen für
die äußere Wendel
aufweisen, wodurch diese in Bezug auf die innere Wendel mit einem
axialen Versatz von einem halben Wendelabstand und einer gewünschten
radialen Distanz angeordnet werden kann. Der Kamm kann auch auf
der radial äußeren Seite
der äußeren Wendel
angebracht werden, um diese Abzustützen und dessen Abstände zu definieren.
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Neben
einer Vorrichtung bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren
zur Fertigung eines Wärmetauschers,
wobei:
- – der
Wärmetauscher,
wie besagt, zwei separate schraubenlinienförmig aufgewickelte innere und äußere Wendeln
enthält,
- – die
beiden Wendeln gegenseitig unter Einhaltung des besagten Versatzes
von P/2 positioniert sind und dies durch die Einführung der
inneren Wendel in einen von der äußeren Wendel
begrenzten Raum gewährleistet
wird, während
die Einführung
anhand einer translatorischen Bewegung in eine Richtung erfolgt,
die axial zu den Windungen ist, und
- – die
beiden Wendeln miteinander verbunden sind.
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Da
die weiter oben beschriebenen Durchmesser der inneren und äußeren Wendel
einen Einbau der inneren Wendel durch eine axiale Translation nicht
gestatten, muss die translatorische von einer schraubenden bzw.
drehenden Bewegung begleitet werden. Der Vorgang ähnelt dem
Anziehen einer Schraube, dessen Außengewinde sich mit dem Innengewinde
einer Bohrung paart.
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Alternativ
kann, um die besagte axiale Translation zu ermöglichen, ein Drehmoment auf
die innere Wendel ausgeübt
werden, so dass sich ihr Außendurchmesser
verkleinert. In diesem belasteten Zustand können Clips bzw. Klammern angebracht
werden, die das Drehmoment während
der Montage aufrechterhalten. Dadurch wird dieser Fertigungsschritt bei
der Herstellung des Wärmetauschers
wesentlich vereinfacht. Nach erfolgter Einführung wird die innere Wendel
entlastet, indem die Clips entfernt werden.
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Als
weitere Alternative zur Ermöglichung
der besagten axialen Translation, wird ein Drehmoment auf die äußere Wendel
ausgeübt,
um ihren Innendurchmesser zu vergrößern. Die äußere Wendel wird nach der besagten
Translation der inneren Wendel wieder entlastet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad beim Wärmeaustausch
in Heizgeräten,
insbesondere gasbefeuerten Brennwertgeräten, durch einen geeigneten
Wärmetauscher
zu erhöhen,
der kostengünstig
ist und sich durch ein einfaches Fertigungsverfahren auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist obige
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung
und eines Verfahrens zur Fertigung eines Wärmetauschers gemäß vorliegender
Erfindung. In der Zeichnung zeigen:
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1:
eine Prinzipskizze eines Heizkreislaufs mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher
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2:
eine perspektivische Darstellung des Wärmetauschers ohne Seitenwand
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3:
einen Querschnitt durch den Wärmetauscher
ohne Seitenwand
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4:
einen kammartigen Abstandshalter zwischen zwei Wendeln im Querschnitt
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5:
einen kammartigen Abstandshalter in der Draufsicht
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6:
die Rückseite
eines kammartigen Abstandshalters
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7:
einen stegförmigen
Abstandshalter
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1 stellt
eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Querschnitt
dar. Der Wärmetauscher
wird von einem Gehäuse 1 begrenzt,
dessen seitliche Wand 1C zylindrisch ist, eine vorgegebene
axiale Länge
hat und vorzugsweise radialsymmetrisch zu einer vertikalen Mittelachse 9 ist, wobei
sich axial gegenüberliegende
Wasserzulaufleitungen 5 und Wasserauslassleitungen 6 mit
zwei oben bzw. unten sich ebenfalls gegenüberliegenden abdichtenden Wänden 1A, 1B,
in der vorliegenden Ausführung
sind es Platten, verbunden sind.
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Im
Gehäuse 1 ist
ein Brenner 3 angeordnet, der das in den Wärmetauscherrohren
fließende Wasser
erwärmt.
Die Rohre sind vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gefertigt und zu
Wendeln mit spiralförmigen
Windungen verarbeitet. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher enthält mindestens
zwei solcher Wendeln 20, 30, die koaxial angeordnet
sind und sich radial überlappen.
Die Wendeldurchmesser haben dabei die Werte D1 bzw. D2, wobei D2
größer als
D1 ist.
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Die
axiale Länge
der Wendeln 20, 30 ist geradezu gleich und entspricht
der Länge
des Gehäuses 1.
Die Windungen einer äußeren Wendel 30,
deren durchschnittlicher Krümmungsradius
R2 = D2/2 beträgt,
begrenzen ein inneres Volumen, das die Windungen einer inneren Wendel 20 aufnimmt,
dessen Windungs- oder Krümmungsradius
R1 = D1/2 beträgt
und demnach kleiner als R2 ist. Der Wendelabstand hat für beide
Wendeln 20, 30 vorzugsweise denselben Wert P.
Aufgrund eines axialen Versatzes der Wendeln 20 und 30 um
P/2, berührt
eine radiale Ebene X-X sowohl den Mittelpunkt einer inneren Wendelwindung,
als auch den Mittelpunkt der gegenüberliegenden äußeren Wendelwindung.
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Die
innere Wendel 20 schließt ein annähernd zylindrisches Volumen
ein, welches durch eine Umlenkplatte 19 axial in zwei Teilvolumina
geteilt wird. Diese Umlenkplatte 19 ist in einer radialen
Ebene, vorzugsweise axial mittig im Gehäuse 1, angeordnet und
grenzt ein erstes inneres oberes Volumen 10, in dem sich
der Brenner 3 befindet, sowie ein zweites inneres unteres
Volumen 15, das mit einer Abgasleitung 4 verbunden
ist, voneinander ab.
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Die
Windungen der inneren Wendel 20 werden über U-förmige Klammern 23 und
die Windungen der äußeren Wendel 30 über eine
kammartige Halterung 33 auf definiertem Abstand gehalten.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
ist in einen Heizkreis eingebunden, in dem eine Pumpe 50 über die
Wasserzulaufleitungen 5 an die Wassereinlässe 21 und 31 der
beiden Wendeln 20, 30 angeschlossen ist. Im oberen
Bereich sind die Wasserauslässe 22 und 32 an
die Wasserauslassleitungen 6 angebunden, welche wiederum
an ein Verbrauchergerät,
wie beispielsweise einen Radiator 7, angeschlossen sind.
Der hydraulische Heizkreis zur Pumpe 50 wird über eine
Rückkopplung
mit einer Rücklaufleitung 8 geschlossen.
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Die
Offenbarung der Erfindung, welche sich auf die Struktur und den
Betrieb des Gerätes
bezieht, erfolgt für
eine Betriebsposition, in der die Achse des Gerätes vertikal angeordnet ist.
Jedoch findet die vorliegende Offenbarung ebenfalls Anwendung auf
eine hiervon abweichende Achsausrichtung mit den entsprechenden
Umstellungen der jeweiligen Komponenten.
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Der
Brenner 3 wird über
eine Gasleitung 2 von einer externen Gasquelle 40 versorgt.
Im unteren Teil des Gehäuses 1 befindet
sich eine Abgasleitung 4, über welche die an den Wärmetauscherrohren
erkalteten Abgase abgeführt
werden. Der Gasstrom wird vorzugsweise von einem Gebläse unterstützt, das
nicht abgebildet ist.
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Die
Wendeln 20 und 30 sind parallel miteinander verbunden.
Bei einem parallelen Betrieb werden die beiden Wendeln 20, 30 in
derselben Richtung von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchströmt. Folglich
wird die innere 20 und die äußere 30 Wendel über ihren
jeweiligen Wassereinlass 21, 31 durch die entsprechende
Wasserzulaufleitung 5 gespeist. Bei einem Parallelbetrieb
passiert die Flüssigkeit
in der inneren 20 und der äußeren 30 Wendel zunächst einen
kälteren 15,
dann einen wärmeren 10 Bereich und
erfährt
auf diese Weise eine allmähliche
Erwärmung,
wobei die innere Wendel 20 im unteren Bereich 15 zunächst kälteres,
im oberen Bereich 10 aber wärmeres Wasser führt als
die äußere Wendel 30.
Die Abgase geben einen Teil ihrer thermischen Energie beim Wärmeaustausch
im oberen Bereich 10 ab, bevor sie in den unteren Bereich 15 gelangen. Da
in den letztgenannten Bereich 15 kalte Flüssigkeit eingespeist
wird und ein Temperaturgefälle
vom Abgas zur Flüssigkeit
existiert, erfolgt auch in diesem Bereich 15 ein Wärmeaustausch.
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Vorteilhaft
ist die hierdurch erhaltene höhere Energieausbeute
und ein größerer Wirkungsgrad
als bei einem Betrieb, bei dem die Flüssigkeit von einem wärmeren 10 in
einen kälteren 15 Bereich
geleitet wird. Nachteilig ist bei der parallelen Durchströmung der
beiden Wendeln 20, 30, dass mögliche Schmutzablagerungen
vor allem in den Rohren der äußeren Wendel 30,
welche für
eine zusätzliche
Energieausbeute verantwortlich sind, zu einer Minderung des Wirkungsgrades
führen.
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Alternativ
können
die Wendeln 20, 30 seriell miteinander verbunden
werden. Bei einem seriellen Betrieb werden die beiden Wendeln 20, 30 in
entgegengesetzten Richtungen von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchströmt. Hierbei
kann die Kopplung der Wendeln 20, 30 auf zwei
Arten erfolgen.
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Im
ersten Fall kann der Rücklauf über den Wassereinlass 21 der
inneren Wendel 20 erfolgen. Die kalte Flüssigkeit
trifft im unteren Bereich 15 auf die kältesten Abgase. Durch den stattfindenden
Wärmeaustausch
wird den kalten Abgasen thermische Energie entzogen, was zu einer
vermehrten Kondensatbildung in diesem Abschnitt führt. Vorgewärmt gelangt
die Flüssigkeit
in den wärmsten
Bereich 10, in dem, neben den heißesten Abgasen auch die direkte Wärmestrahlung
des Brenners 3 das Wasser erhitzt. Anschließend wird
das Wasser über
die beiden oberen miteinander verbundenen Wasserauslässe 22, 32 in
die äußere Wendel 30 geleitet,
wo es weiter erwärmt
wird und schließlich
als Vorlauf aus dessen Wassereinlass 31 austritt. Nachteilig
bei dieser Konstellation ist die relativ geringe Energieausbeute
aufgrund des recht kurzen Vorwärmbereichs
der inneren Wendel 20 im unteren Bereich 15.
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Der
Rücklauf
kann im zweiten Fall über
das untere Ende 31 der äußeren Wendel 30 erfolgen.
Die kalte Flüssigkeit
trifft auf die bereits abgekühlten
Abgase im unteren Bereich 15 und wird vorgewärmt. Schließlich erfolgt
eine weitere Vorwärmung
im oberen Bereich 10 anhand der dort befindlichen heißeren Abgase.
Das Wasser gelangt über
die oberen miteinander verbundenen Wasserauslässe 22, 32 in
die innere Wendel 20 und wird in dem wärmsten Bereich 10,
in dem, neben den heißesten
Abgasen auch die direkte Wärmestrahlung
des Brenners 3 auf die Windungen der inneren Wendel 20 trifft,
erhitzt. Im unteren Bereich 15 wird den kältesten
Abgasen schließlich
keine oder kaum noch Wärmeenergie
entzogen, da das in der inneren Wendel 20 befindliche Wasser wesentlich
wärmer
als die in diesem Abschnitt befindlichen Abgase ist, was zu einer
Verringerung der Ausbeute in diesem Bereich 15 führt. Die
Kondensatbildung fällt
bei dieser Anordnung relativ gering aus. Über den Wassereinlass 21 der
inneren Wendel 20 tritt das Wasser schließlich als
Vorlauf aus. Aufgrund des ausgedehnten Vorwärmbereichs, der sich praktisch über die
gesamte Länge
der äußeren Wendel 30 erstreckt,
kann die thermische Energieausbeute erhöht werden.
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Unabhängig davon,
ob die Wendeln 20, 30 parallel oder seriell betrieben
werden, findet beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher aufgrund einer radialen
Abgasdurchströmung
der Wendeln 20, 30, ihrer vorteilhaften Anordnung
und einer radial angeordneten Umlenkplatte 19, stets ein
Wärmeaustausch
an der inneren 20 und der äußeren 30 Wendel sowohl
im oberen Bereich 10, als auch im unteren Bereich 15 statt.
Dies hat gegenüber
bekannten einstufigen oder aber mehrstufig aufgebauten Wärmetauschern,
die keinen gegenseitigen axialen Versatz aufweisen, den Vorteil
einer höheren
Energieausbeute und eines größeren Wirkungsgrades.
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Der
radiale Pfeil F0 stellt den Pfad eines Flusses heißer Abgase
dar, die den Brenner 3 verlassen, wobei der besagte Fluss
F0 von der Mittelachse 9 zur äußeren Wendel 30 gerichtet
ist. Der Fluss F0 passiert eine erste Lücke bzw. einen ersten Spalt
E1 kalibrierter Höhe
zwischen den Windungen der inneren Wendel 20. Die axiale
Höhe stimmt
dabei mit dem Differenzbetrag überein,
der sich aus dem Wendelabstand P und einem Durchmesserwert d1, den man
aus dem Querschnitt des Rohres der inneren Wendel 20 erhält, ergibt.
Der erste Spalt E1 beträgt im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
0,9 mm bei einem Rohrdurchmesser d1 der inneren Wendel 20 von
14 mm und daher bei einem Wendelabstand P von 14,9 mm, wobei der
Wendeldurchmesser D1 der inneren Wendel 20 ungefähr 20 cm
beträgt.
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Der
Fluss F0, der das von der inneren Wendel 20 begrenzte innere
obere Volumen 10 radial nach außen verlässt, erreicht, nachdem er zunächst axial
verengt worden ist, eine Position, die auf der selben Höhe liegt
wie die Mittelpunkte C1 der Rohrquerschnitte der inneren Wendel 20.
Seinem radialen Pfad jenseits des ersten Spalts E1 folgend, breitet sich
der Fluss F0 axial in einen inneren zylindrischen Zwischenraum 11 aus,
welcher von den Wendeln 20 und 30 begrenzt wird.
Der Fluss F0 trifft anschließend auf
eine Windung der äußeren Wendel 30 auf.
Wegen des Versatzes um einen halben Wendelabstand (P/2) zwischen
den Wendeln 20 und 30, spaltet sich der Fluss
F0 in praktisch zwei gleiche Teilflüsse F1, F2 und strömt über beide
Seiten der aufgetroffenen Windung der äußeren Wendel 30. Die
Teilflüsse
F1, F2 passieren jeweils einen weiteren Spalt E2, welche axial von
je zwei Windungen der äußeren Wendel 30 begrenzt
werden. Die Teilflüsse
F1 und F2 treffen dann radial auf die zylindrische Wand des Gehäuses 1.
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Die
Flüsse
F1 und F2 strömen
anschließend in
einem äußeren zylindrischen
Zwischenraum 12 axial zum Boden. Im Zwischenraum 12,
der durch die innere Oberfläche
der zylindrischen Gehäusewand 1 und
der äußeren Wendel 30 begrenzt
wird, laufen sämtliche,
den Flüssen
F1 und F2 entsprechende, Teilflüsse
zusammen, bis sie axial die Höhe
der Umlenkplatte 19 erreichen.
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Axial
unterhalb der Umlenkplatte 19 geht der äußere zylindrische Zwischenraum 12 in
ein Volumen 13 über,
aus dem Flüsse,
wie durch Pfeil F10 dargestellt, radial in Richtung zur Mittelachse 9 strömen. Die
Flüsse
passieren die Lücken
E2 und spalten sich im Zwischenraum 14, der analog zum
Zwischenraum 11 ist, in zwei praktisch gleiche Teilflüsse F11
und F12 auf, die durch die entsprechenden Spalten E1 strömen, wobei
die Flussrichtung gegenüber der
Richtung der Flüsse
F1, F2 entgegengesetzt ist. Auf eine erneute detaillierte Beschreibung
wird an dieser Stelle verzichtet.
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Die
Umlenkplatte 19, welche das Volumen 10 vom Volumen 15 abgrenzt,
lenkt den Abgasfluss radial in Richtung der zylindrischen äußeren Volumina 12, 13 ab
und bildet damit zwei kaskadenartige Wärmetauscherstufen. Im Allgemeinen
kann der Einbau einer ungeraden oder geraden Zahl solcher Trennplatten 19 in
Erwägung
gezogen werden. Dabei kann eine direkte Verbindung zwischen dem
zylindrischen äußeren Volumen 13 und
der Abgasleitung 4 hergestellt werden, indem die unteren
Windungen der Wendeln 20, 30 auf Höhe der Wassereinlässe 21 und 31 weggelassen
werden.
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Für einen
gegebenen Rohrdurchmesser d1 der inneren Wendel 20 und
einen axialen Spalt E1 zwischen dessen Windungen, kann der Wendelabstand
P bestimmt werden. Der Rohrdurchmesser d2 der äußeren Wendel 30 kann
dabei kleiner, gleich oder aber größer als der Durchmesserwert
d1 der inneren Wendel 20 sein. Mit anderen Worten kann
der zweite Spalt E2 einen Wert aufweisen, der mit dem des ersten
Spalts E1 identisch ist oder auch nicht. Zusätzlich kann ein Differenzwert
für die
durchschnittlichen Krümmungs-
bzw. Wendelradien R1 und R2 aus einem vordefinierten Bereich ausgewählt werden.
Die Wahl der Dimensionen bestimmt einen zusammengesetzten Spalt
E3, einen Spalt also, der den schrägen Abstand beider Wendeln 20, 30 wiedergibt.
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Eine
interessante Ausführung
erhält
man bei der Wahl etwa gleicher Werte für den ersten Spalt E1 und den
zusammengesetzten Spalt E3 von beispielsweise 0,9 mm, sowie ungefähr gleicher
Werte für
die Rohrdurchmesser d1 und d2. Für
den zweiten Spalt E2 kann ebenfalls ein Abstandswert von 0,9 mm
gewählt
werden.
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Ein
innerer Abstandshalter hat die Form einer U-förmigen Klammer 23,
der ähnlich
einem Clip an die Rohre der inneren Wendel 20 befestigt
wird. Im Querschnitt erstreckt sich die U- förmige
Klammer 23 vorzugsweise bis zu den Rohrmittelpunkten C1, um
eine bessere Haftung an den Rohrabschnitten zu gewährleisten.
Der Durchmesser des Drahtes, aus dem die Klammer 23 gefertigt
wurde, definiert den Spalt E1. Die U-förmige Klammer 23 wird
vorteilhafterweise zwischen der äußeren 30 und
der inneren 20 Wendel angebracht, so dass neben den Spalten E1
zusätzlich
die schrägen
Spalten E3 über
den Drahtdurchmesser definiert werden. Durch Anbringung der U-förmigen Klammern 23 an
die Rohre der äußeren Wendel 30,
kann auch dessen Wendelabstand P auf Maß gehalten werden.
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In 4 ist
eine andere zwischen den Wendeln 20, 30 befindliche
kammartige Halterung 36 abgebildet. Die kammartige Halterung 36 weist
Arme 34 auf, welche die Rohre der inneren Wendel 20 abstützen. Die
Höhe der
Arme 34 definiert den axialen Spalt E1 zwischen zwei Windungen
der inneren Wendel 20. Auf der radial äußeren Seite, der Rückseite
also, weist die kammartige Halterung 36 vorzugsweise eine
V-Form auf, wobei der axiale Abstand von den V-Spitzen zu den benachbarten
Armen 34 einen halben Wendelabstand P/2 beträgt. Die
Halterung 36 kann als eine sich in axialer Richtung zu den
Wendeln 20, 30 ausbreitende Kette von Vs mit einem Öffnungswinkel
von 120 Grad aufgefasst werden. Im Querschnitt bilden dabei jeweils
drei benachbarte Windungen ein gleichseitiges Dreieck. Aufgrund
der Abmessungen und der Keilwirkung der V-Form wird neben den Spalten
E1, der gegenseitige Achsversatz beider Wendeln 20, 30 und
damit die Spalten E2 kalibriert. Darüber hinaus definiert die Halterung 36 über ihr
Profil und ihre Breite den schrägen
Spalt E3 zwischen den Wendeln 20, 30.
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Die
Arme 34 der kammartigen Halterung 36 erstrecken
sich vorzugsweise mindestens bis zu den Mittelpunkten C1, C2 der
Wendelrohre. Weiterhin können
durch Einkerbungen auf den offenen Seiten der Arme 34 Federn 35 geschaffen
werden, welche die Rohre zwischen zwei Arme 34 einspannen.
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Die
kammartige Halterung 36 wird aus einem rechteckigen Stück Blech
gefertigt. Dieses Blech wird zunächst
mit Kerben versehen, welche die späteren Federn 35 darstellen.
Anschließend
werden die Arme 34 ausgestanzt, die einen Winkel von etwa
90° zum ursprünglichen
Blech aufweisen. In einem anschließenden Arbeitsschritt wird
das Hauptstück
in die besagte V-Form gepresst (4–6).
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Die
kammartige Halterung 36 wird in die zwischen den Wendeln 20, 30 befindlichen
Räume 11, 14 durchgeschlängelt, wobei
eine optionale elastische Deformation der Halterung 36 und/oder
der Wendeln 20, 30 das Einführen erleichtert. Auch ist der
Einsatz der Halterung 36 im Bereich der äußeren Wendel 30,
wie in 1 dargestellt, möglich. Eine Kombination der
zuvor beschriebenen U-förmigen Klammer 23 und
der kammartigen Halterung 36 ist ebenfalls denkbar. So
kann zum Beispiel die kammartige Halterung 36 zwischen
die beiden Wendeln 20, 30 eingebracht werden,
während
auf der radial äußeren Seite
der äußeren Wendel 30 platzierte U-förmige Klammern 23 die
Spalten E2 zusätzlich
auf Maß halten.
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Die 2 und 3 zeigen
das Gehäuse 1 mit
den gegenüberliegenden
Wänden 1A und 1B ohne
die seitliche Wand 1C. Dazwischen sind die Wendeln 20, 30 eingespannt
und durch stegförmige Abstandshalter 41 derart
fixiert, dass ein konstanter Spalt zwischen den Wendelgängen besteht.
Die Abstandshalter 41 haben dabei eine stiftförmige Struktur
mit Einkerbungen 42 im oberen und unteren Randbereich (7).
Die Wendeln 20, 30 werden über mindestens zwei Wände 1A, 1B axial
eingespannt. Diese Spannung wird aufrechterhalten, indem mindestens
zwei stegförmige
Abstandshalter 41 an die Wände angebracht werden, so dass
deren Einkerbungen an den Wänden 1A, 1B einrasten
und dadurch deren Entlastung vermeiden. Die Länge der Abstandshalter 41 bestimmt
dabei den Abstand der axial gegenüberliegenden Wände 1A und 1B.
Subtrahiert man nun von diesem Gesamtabstand die Höhe der Wände 1A und 1B,
erhält
man die Länge der
Wendeln 20, 30. Um die Spalten E1 bzw. E2 zu errechnen,
muss zunächst
die Differenz aus der Wendellänge
und der mit dem Rohrdurchmesser d1 bzw. d2 multiplizierten Anzahl
der Windungen ermittelt werden. Der resultierende Betrag wird schließlich durch
die Anzahl der Spalten geteilt. Das Ergebnis ist die Größe des Spalts
E1 bzw. E2. Die stegförmigen Abstandshalter 41 können alternativ
zu oder in Kombination mit den zuvor erwähnten Vorrichtungen 23 und 36 Anwendung
finden.
-
Da
der Innendurchmesser der äußeren Wendel 30 kleiner
als der Außendurchmesser
der inneren Wendel 20 ist, kann die Einführung der
inneren 20 in die äußere 30 Wendel
durch eine axial gerichtete translatorische Bewegung nicht ausgeführt werden. Es
bestehen folglich die nachstehenden drei Möglichkeiten, die eine Montage
der Wendeln 20, 30 gestatten:
- • Zum einen
kann ein Drehmoment, vorzugsweise im Bereich des Wasserein- (21)
sowie Wasserauslasses (22), auf die innere Wendel 20 ausgeübt werden,
die eine Verkleinerung seines Außendurchmessers zur Folge hat.
Clips oder Klammern, die im Bereich des Wasserein- (21)
und Wasserauslasses (22) angebracht werden, halten die
bestehende Spannung während
des Montageprozesses aufrecht. Natürlich kann die Einführung durch
eine entgegengesetzt gerichtete axiale Translation beider Wendeln 20, 30,
oder einer axialen Translation der inneren 20/äußeren 30 Wendel
bei ruhender äußerer 30/innerer 20 Wendel
erfolgen. Nach erfolgter Montage werden die Clips entfernt und die
innere Wendel 20 entlastet, die schließlich ihre ursprüngliche
Form einnimmt.
- • Zum
anderen kann ein Drehmoment, vorzugsweise im Bereich des Wasserein-
(31) sowie Wasserauslasses (32), auf die äußere Wendel 30 ausgeübt werden,
die eine Vergrößerung seines
Innendurchmessers zur Folge hat. Clips oder Klammern, die im Bereich
des Wasserein- (31) und Wasserauslasses (32) angebracht
werden, halten die bestehende Spannung während des Montageprozesses
aufrecht. Natürlich
kann die Einführung durch
eine entgegengesetzt gerichtete axiale Translation beider Wendeln 20, 30,
oder einer axialen Translation der inneren 20/äußeren 30 Wendel
bei ruhender äußerer 30/innerer 20 Wendel
erfolgen. Nach erfolgter Montage werden die Clips entfernt und die äußere Wendel 30 entlastet,
die schließlich
ihre ursprüngliche
Form einnimmt.
- • Ferner
kann die Montage der Wendeln (20, 30) durch eine
entgegengesetzt gerichtete Schraubbewegung beider Wendeln (20, 30)
oder aber eine schraubende Drehbewegung der inneren 20/äußeren 30 Wendel
bei ruhender äußerer 30/innerer 20 Wendel
erfolgen. Die Wendelgänge verhalten
sich wie paarende Gewindegänge
eines Innengewindes einer Bohrung und eines Außengewindes einer Schraube.
-
- 1
- Gehäuse
- 1A
- Deckenwand
- 1B
- Bodenwand
- 1C
- seitliche
Wand
- 2
- Gasleitung
- 3
- Brenner
- 4
- Abgasleitung
- 5
- Wasserzulaufleitung
- 6
- Wasserauslassleitung
- 7
- Radiator
- 8
- Rücklaufleitung
- 9
- Mittelachse
- 10
- inneres
oberes Volumen
- 11
- Raum
zwischen innerer und äußerer Wendel im
oberen Volumen
- 12
- zylindrischer
Zwischenraum im oberen äußeren Volumen
- 13
- zylindrischer
Zwischenraum im unteren äußeren Volumen
- 14
- Raum
zwischen innerer und äußerer Wendel im
unteren Volumen
- 15
- inneres
unteres Volumen
- 19
- Umlenkplatte
- 20
- innere
Wendel
- 21
- Wassereinlass
der inneren Wendel
- 22
- Wasserauslass
der inneren Wendel
- 23
- U-förmige Klammer
- 30
- äußere Wendel
- 31
- Wassereinlass
der äußeren Wendel
- 32
- Wasserauslass
der äußeren Wendel
- 33
- kammartige
Halterung
- 34
- Arm
- 35
- Feder
- 36
- kammartige
Halterung
- 40
- externe
Gasquelle
- 41
- stegförmiger Abstandshalter
- 42
- Einkerbung
- 50
- Pumpe
- C1
- Mittelpunkt
der inneren Wendelrohre
- C2
- Mittelpunkt
der äußeren Wendelrohre
- d1
- Durchmesser
der inneren Wendelrohre
- d2
- Durchmesser
der äußeren Wendelrohre
- D1
- Durchmesser
der inneren Wendel
- D2
- Durchmesser
der äußeren Wendel
- E1
- axialer
Spalt zwischen den Windungen der inneren Wendel
- E2
- axialer
Spalt zwischen den Windungen der äußeren Wendel
- E3
- schräger Spalt
zwischen innerer und äußerer Wendel
- F0
- von
der Mittelachse radial weg weisender Gasfluss im Bereich der inneren
-
- Wendel
- F1
- von
der Mittelachse radial weg weisender Teilfluss im Bereich der äußeren
-
- Wendel
- F2
- weiterer
von der Mittelachse radial weg weisender Teilfluss im Bereich der
-
- äußeren Wendel
- F10
- radial
zur Mittelachse weisender Gasfluss im Bereich der äußeren Wendel
- F11
- radial
zur Mittelachse weisender Teilfluss im Bereich der inneren Wendel
- F12
- weiterer
radial zur Mittelachse weisender Teilfluss im Bereich der inneren
-
- Wendel
- P
- Wendelabstand
- R1
- Radius
der inneren Wendel
- R2
- Radius
der äußeren Wendel