DE102006019844A1

DE102006019844A1 - Wärmetauscher für ein Heizgerät

Info

Publication number: DE102006019844A1
Application number: DE102006019844A
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. Stadler (FH); Manfred Brunner
Original assignee: Wolf GmbH
Current assignee: Wolf GmbH
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Heizgerät, insbesondere für ein Gasbrennwertgerät, mit einem Grundkörper (1), welcher eine Außenwand (10) und eine Innenwand (20) aufweist. Des weiteren ist eine zumindest teilweise die Außenwand (10) des Grundkörpers (1) umschließenden Umhüllung (2) vorgesehen, um derart ein erstes Strömungskanalsystem (11) zu bilden, durch welches ein erstes Fluid (3) strömt. Andererseits wird zwischen der Innenwand (20) des Grundkörpers (1) ein zweites Strömungskanalsystem (21) für ein zweites Fluid (4) gebildet. Bei einer Strömung des ersten Fluids (3) durch das erste Strömungskanalsystem (11) und bei einer Strömung des zweiten Fluids (4) durch das zweite Strömungskanalsystem (21) findet eine Wärmeenergieübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid (3, 4) über das Material des Grundkörpers (1) statt. Mit dem Ziel, einen derartigen Wärmetauscher effizienter zu gestalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zumindest der Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems (21) über die axiale Länge des Grundkörpers (1) variiert und jeweils einen Wert annimmt, der von der Temperatur des durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems (21) strömenden Fluids (4) abhängt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das zweite Fluid (4) durch das zweite Strömungskanalsystem (21) strömt, über die axiale Länge des Grundkörpers (1) im wesentlichen konstant ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Heizgerät, insbesondere für ein Gasbrennwertgerät, mit einem Grundkörper, welcher eine Außenwand und eine Innenwand aufweist, einer die Außenwand des Grundkörpers zumindest teilweise umschließenden Umhüllung, einem ersten Strömungskanalsystem, welches zwischen der Außenwand des Grundkörpers und einer Innenwand der Umhüllung gebildet wird, und mit einem zweiten Strömungskanalsystem, welches mit der Innenwand des Grundkörpers begrenzt wird, wobei das erste und das zweite Strömungskanalsystem jeweils so ausgebildet sind, daß bei einer Strömung eines ersten Fluids durch das erste Strömungskanalsystem und bei einer Strömung eines zweiten Fluids durch das zweite Strömungskanalsystem eine Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid über den Grundkörper stattfindet.
Ein derartiger Wärmetauscher ist dem Prinzip nach aus der Wärme- und Heizungstechnik bekannt und bildet das Herzstück eines jeden Brennwertgerätes, da er zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei strömenden Fluiden, wie beispielsweise zwischen einem Verbrennungsgas und einem Heizungswasser, dient. Die Funktion des Wärmetauschers (auch Wärmeübertrager genannt) liegt insbesondere darin, daß ein Medium bzw. Fluid an ein anderes Wärme übertragen kann, ohne daß die Medien in direkten Kontakt miteinander kommen.
Für die Ubertragung von Wärmeenergie ist immer ein Temperaturgefälle notwendig; je größer das Temperaturgefälle ist, desto größer ist die Wärmemenge, die je Zeiteinheit und Fläche übertragen werden kann. Der Wärmefluss erfolgt nur so lange, bis beide Fluide die gleiche Temperatur haben. Diese Temperatur ist allerdings in der Regel nicht das mathematische Mittel der beiden Ausgangstemperaturen, da zum einen Energie an die Umgebung verloren geht und zum anderen auch die Masse und Wärmekapazität der beiden Fluide eine Rolle spielt. Allerdings kann durch das so genannte Gegenstromprinzip, bei welchem das kalte Medium in entgegengesetzter Richtung zu dem warmen Medium fließt, auch eine Aufheizung über das mathematische Mittel erreicht werden, da hier das zu Anfang sehr kalte, zu erhitzende Medium durch das schon abgekühlte erwärmende Medium vorgewärmt wird.
Die Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers ist dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Fluidstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Fluidstrom möglichst stark abzukühlen. Eine natürliche Grenze hierfür wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer vom warmen zum kalten Fluidstrom fließt. Der Temperaturwirkungsgrad (in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt) ist so definiert, daß er die mit dem realen Wärmetauscher erreichte Temperaturänderung zu der theoretisch möglichen Temperaturänderung in Beziehung setzt.
Es ist bekannt, daß das Material, welches die Fluide trennt, eine gute Wärmeleitung und große Oberfläche aufweisen muss, um eine möglichst gute Effizienz des Wärmetauschers zu erzielen. Des Weiteren ist im Hinblick auf die Effizienz des Wärmetauschers von Vorteil, wenn der Wärmeübergang zwischen der Oberfläche des die Fluide trennenden Materials und den strömenden Fluiden möglichst gut sein; dafür ist eine turbulente Strömung günstig. Eine turbulente Strömung findet vor allem bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. bei hohen Reynoldszahlen statt, wonach eine hohe Dichte und eine niedrige Viskosität des Fluids in gleichem Maße beitragen.
Allerdings verringert sich bei hoher Strömungsgeschwindigkeit auch die Zeit für den Durchfluss durch den Wärmetauscher, was wieder zu einer Effizienzreduzierung führt. Es muss also neben der großen Oberfläche auch eine ausreichend lange Strecke für das Durchströmen durch den Wärmetauscher vorgesehen werden. Dadurch erhöht sich jedoch der Strömungswiderstand und somit der Energieaufwand, um das Fluid durch den Wärmetauscher zu pumpen, was sich wiederum negativ auf die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers auswirkt.
Bei Wärmetauschern, bei denen ein Fluid eine Flüssigkeit, das andere Fluid ein Gas (beispielsweise ein Abgas) ist, unterscheidet sich die Wärmekapazität je Volumen der Fluide sehr stark. Daher muss viel mehr Gas als Flüssigkeit durchströmen, und es ist notwendig die Fläche für den Wärmeübergang an das Gas zu erhöhen. Dies erfolgt üblicherweise durch Rippen oder Bleche, wie es beispielsweise bei Hochtemperatur-Heizkörpern, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage und dem Kühler des Autos bekannt ist.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 102 55 464 A1 ist beispielsweise ein Wärmetauscher der eingangs genannten Axt bekannt. Bei diesem herkömmlichen System weist der Wärmetauscher einen Grundkörper und eine den Grundkörper an der Außenwand umschließende Umhüllung auf. Zwischen der Umhüllung und der Außenwand des Grundkörpers ist ein geschlossener Flüssigkeitskanal für die zu erwärmende Flüssigkeit (erstes Fluid) ausgebildet; dieser Flüssigkeitskanal entspricht dem ersten Strömungskanalsystem im Sinne der vorliegenden Beschreibung. Im Inneren des Grundkörpers ist als zweites Strömungskanalsystem ein Heizgaszug vorgesehen, durch den das von einem Brenner erzeugte Heizgas (zweites Fluid) strömt. Um die Wärmetauscherfläche, d.h. die für den Wärmeübertrag verantwortliche Oberfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungskanalsystem zu vergrößern, sind bei diesem Stand der Technik innerhalb des Heizgaszuges verschiedene Längsrippen und Querrippen vorgesehen.
Zwar kann bei diesem Stand der Technik durch das Vorsehen einer Vielzahl von Längs- und Querrippen im zweiten Strömungskanalsystem und durch die dadurch bedingte Vergrößerung der Wärmetauscherfläche die Effizienz des Wärmetauschers teilweise gesteigert werden kann, allerdings weist dieses bekannte System insbesondere im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Wärmeübertrages gewisse Nachteile auf. Insbesondere werden bei dem bekannten System zur Vergrößerung der Wärmetauscherfläche in dem Heizgaszug eine Vielzahl von Querrippen vorgesehen, welche sich radial von der Innenfläche des Grundkörpers in das zweite Strömungskanalsystem erstrecken, wobei die jeweilige Länge der einzelnen Querrippen so gewählt ist, daß das Strömungskanalsystem, durch welches das von einem Brenner erzeugte Heizgas als zweites Fluid strömen muss, labyrinthartig aufgebaut ist. Mit diesem labyrinthartigen Aufbau kann zwar eine turbulente Strömung des durch das Strömungskanalsystem strömende Abgas erzeugt werden, was im Hinblick auf den Wärmeübertragungsmechanismus auf die in den in das zweite Strömungskanalsystem ragenden Querrippen von Vorteil sein mag, allerdings wird aufgrund des labyrinthartigen Aufbaus des Strömungskanalsystems die Strömungsgeschwindigkeit des durch dieses Strömungskanalsystem strömenden Abgases stark reduziert, wodurch die Effizienz des Wärmetauschers abnimmt.
Ausgehend von dieser Problemstellung liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art, und wie er beispielsweise in der DE 102 55 464 A1 beschrieben wird, derart weiterzuentwickeln, daß der Wirkungsgrad des Wärmetauschers gesteigert werden kann, wobei gleichzeitig eine kompakte und auf einfache Weise herzustellende Bauform des Wärmetauschers beibehalten wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Strömungskanalsystem und/oder das zweite Strömungskanalsystem des Wärmetauschers derart ausgeführt sind, daß der Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanalsystems und/oder der Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems über die axiale Länge des Grundkörpers variiert und jeweils einen Wert annimmt, der von der Temperatur des durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt des jeweiligen Strömungskanalsystems strömenden Fluids abhängt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste und/oder zweite Fluid durch das jeweilige Strömungskanalsystem strömt, über die axiale Länge der Grundkörpers im wesentlichen konstant gehalten werden kann.
Die Idee, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist also insbesondere darin zu sehen, daß durch eine geeignete Wahl des Strömungsquerschnittes des ersten und/oder des zweiten Strömungskanalsystems eine deutliche Effizienzsteigerung des Wärmetauschers erreicht werden kann, da in axialer Längsrichtung des Grundkörpers des Wärmetauschers an jeder Position innerhalb des ersten und/oder zweiten Strömungskanalsystems die gleiche Strömungsgeschwindigkeit des durch das jeweilige Strömungskanalsystem strömenden Fluids konstant ist und vorzugsweise einen Wert annimmt, der im Hinblick auf den Wärmeübergang von dem Fluid auf das Material des Grundkörpers optimal ist.
Insbesondere bei Wärmetauschersystemen, in denen als zweites Fluid ein Heizgas zur Anwendung kommt, welches beispielsweise beim Eintritt in den Wärmetauscher eine Temperatur von etwa 900°C und beim Austritt aus dem Wärmetauscher nur noch eine Temperatur von etwa 60°C aufweist, ist zu berücksichtigen, daß sich bei gleichem Gasdruck das Volumen des Heizgases proportional zur Temperaturabnahme ändert, wie es beispielsweise aus der Gasdynamik bekannten universellen Gasgleichung zu entnehmen ist. Mit der vorliegenden Erfindung wird dieser Temperaturabhängigkeit des Fluidvolumens Sorge getragen.
Ferner ist zu berücksichtigen, daß erfindungsgemäß über die axiale Länge des Grundkörpers des Wärmetauschers im ersten und/oder zweiten Strömungskanalsystem der dynamische Druck des strömenden ersten bzw. zweiten Fluids ebenfalls konstant gehalten werden kann, da sich der dynamische Druck des Fluids in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Unter der Voraussetzung, daß der statische Druck des ersten bzw. zweiten Fluids im Inneren des Wärmetauschers konstant ist, folgt aus der Strömungsgleichung von Bernoulli, daß im Inneren des Wärmetauschers auch der dynamische Druck des jeweiligen Fluids konstant gehalten bleibt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß beim Passieren des Wärmetauschers vom ersten bzw. zweiten Fluid keine Energie in Volumenänderungsarbeit (hompressionsenergie) umgewandelt wird, so daß von dem ersten bzw. zweiten Fluid letztendlich eine höhere Wärmemenge (Wärmeenergie) auf das Material des Grundkörpers übertragen werden kann.
In einem Fall, wenn als zweites Fluid ein gasförmiges Medium verwendet wird, wie beispielsweise die heißen Abgase eines Brenners, ist des weiteren zu berücksichtigen, daß die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle und die Teilchenzahldichte dieser einander umgekehrt proportional sind. Daraus folgt, daß die Viskosität des Heizgases (zweites Fluid) im zweiten Strömungskanalsystem unabhängig vom Druck des Heizgases ist. Dagegen wächst die Viskosität des Gases mit steigender Temperatur an, weil die mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle mit der Temperatur zunimmt. Dies gilt allerdings nur, wenn das betrachtete Fluid ein Gas ist.
Aus der Thermodynamik ist bekannt, daß bei der Wärmeleitung innerhalb eines gasförmigen Mediums jedes Gasmolekül die Wärmeenergie W = ½ f K T transportiert, wobei K die aus der Thermodynamik bekannte Boltzmann-Konstante, f die Anzahl der Freiheitsgrade und T die Temperatur des gasförmigen Mediums ist.
Wenn sich nun die Temperatur T des gasförmigen Mediums räumlich ändert, was beispielsweise beim Durchgang des Heizgases durch den Wärmetauscher der Fall ist, aber der Druck p des Heizgases konstant ist, muß sich nach der Zustandsgleichung für Gase die Teilchenzahldichte n des Heizgases im entgegengesetzten Sinn ändern, so daß letztendlich für das Heizgas im Inneren des Wärmetauschers die Beziehung T/V ~ nT konstant ist, wobei V das Volumen des Heizgases ist. Für den Wärmestrom, d.h. den Temperaturstrom von dem Heizgas auf das Material des Grundkörpers, ergibt sich somit ein Wert, der direkt proportional zum Produkt aus der mittleren Geschwindigkeit des Gases und dem Temperaturgradienten zwischen dem Gas und dem Material des Grundkörpers ist.
Da mit der erfindungsgemäßen Lösung die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste und/oder das zweite Fluid durch das jeweilige Strömungskanalsystem strömt, über die axiale Länge des Grundkörpers im wesentlichen konstant gehalten werden kann, ist hier der Wärmestrom nur noch von dem Temperaturgradienten zwischen dem jeweiligen Fluid und dem Material des Grundkörpers abhängig. Es handelt sich hierbei also um eine nahezu ideale Realisierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, wonach die zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid über das Material des Grundkörpers übertragene Wärmeenergie nur noch von dem herrschenden Temperaturgradienten zwischen dem jeweiligen Fluid und dem Material des Grundkörpers abhängt. Insbesondere werden bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher die beim Passieren des ersten und zweiten Fluids durch die jeweiligen Strömungskanalsysteme üblicherweise auftretenden Verluste minimiert, da nur noch Reibungsverluste zu berücksichtigen sind.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer besonders bevorzugten Realisierung ist vorgesehen, daß der Grundkörper zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, bei der die Konizität der Außenwand des Grundkörpers in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems strömenden ersten Fluids gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste Fluid durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems strömt, über die axiale Länge des Abschnittes im wesentlichen konstant ist.
Hierin ist unter dem Ausdruck „abschnittsweise konische Form" in erster Linie eine konische Formgebung zu verstehen. Denkbar aber wäre auch eine Formgebung, die nur teilweise konisch ausgebildet ist, wie es beispielsweise dann der Fall ist, wenn nur der mittlere Abschnitt des Grundkörpers eine konische Form aufweist. In einer weiteren möglichen Realisierung einer der zuvor genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist vorgesehen, daß – zusätzlich oder alternativ zu dem Merkmal betreffend die zumindest abschnittsweise konische Form des Grundkörpers – auch die Innenwand der Umhüllung zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, dessen Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems strömenden ersten Fluids gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste Fluid durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems strömt, über die axiale Länge des Abschnitts im wesentlichen konstant ist. Grundsätzlich handelt es sich hierbei um besonders einfach zu realisierende und dabei effektive Ausführungsformen, mit denen erreicht werden kann, daß bei der Strömung des ersten Fluids durch das erste Strömungskanalsystem der Strömungsquerschnitt dieses über die axiale Länge des Grundkörpers jeweils einen Wert annimmt, der von der Temperatur des durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt strömenden Fluids abhängt, so daß die oben genannten Vorteile im Hinblick auf die Effizienzsteigerung des Wärmetauschers erzielbar sind.
Um zu erreichen, daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das zweite Fluid durch das zweiten Strömungskanalsystem strömt, über die axiale Länge des Grundkörpers im wesentlichen konstant gehalten werden kann, ist bei einer bevorzugten Weiterentwicklung der zuvor genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers vorgesehen, daß die Innenwand des Grundkörpers zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, dessen Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des zweiten Strömungskanalsystems strömenden zweiten Fluids gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids zumindest über die axiale Länge des Abschnittes, in welchem das zweite Strömungskanalsystem eine im wesentlichen konische Form aufweist, konstant ist. Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine besonders einfach zu realisierende und dabei effektive Ausführungsform, mit der eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Fluid und dem Material des Grundkörpers bzw. der Innenwand des Grundkörpers realisiert werden kann.
Ferner ist denkbar, daß der Wärmetauscher zusätzlich einen Verdrängerkörper aufweist, der derart zumindest teilweise innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist, daß das zweite Strömungskanalsystem durch die Innenwand des Grundkörpers und einer Außenwand des Verdrängerkörpers gebildet wird. Dabei ist der Grundkörper vorzugsweise als Hohlkörper ausgebildet, wobei der Verdrängerkörper innerhalb dieses Hohlkörpers angeordnet ist. Durch das Vorsehen eines derartigen Verdrängerkörpers im Inneren des Grundkörpers wird das zweite Strömungskanalsystem nicht nur durch die Innenwände des Grundkörpers, sondern zusätzlich auch durch die Außenwand des Verdrängerkörpers begrenzt, so daß durch eine geeignete Wahl der Formgebung der Innenwand des Grundkörpers und/oder der Außenwand des Verdrängerkörpers der Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems über die axiale Länge des Grundkörpers auf einfache Weise eingestellt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Realisierung der zuletzt genannten Ausführungsform, bei welcher der Wärmetauscher zusätzlich einen Verdrängerkörper aufweist, ist vorgesehen, daß die Außenwand des Verdrängerkörpers zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, dessen Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des zweiten Strömungskanalsystems strömenden zweiten Fluids gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das zweite Fluid durch diesen Abschnitt des zweiten Strömungskanalsystems strömt, über die axiale Länge des Abschnittes im wesentlichen konstant ist. Selbstverständlich ist hier aber auch denkbar, daß bei dem Wärmetauscher sowohl die Innenwand des Grundkörpers als auch die Außenwand des Verdrängerkörpers jeweils zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweisen, wobei die Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des zweiten Fluids gewählt ist, um somit die Effizienz des Wärmeüberganges vom zweiten Fluid auf das Material des Grundkörpers zu erhöhen.
In einer – wenn auch teilweise aus der Wärme- und Heizungstechnik bekannten Lösung – ist vorgesehen, daß das erste Fluid eine zu erwärmende Flüssigkeit, insbesondere Wasser ist, wobei das zweite Fluid durch die Abgase eines Heizgerätes, insbesondere eines Gasbrennwertgerätes, begründet wird. Selbstverständlich ist aber auch denkbar, daß das erste Fluid ein gasförmiges Medium ist, während das zweite Fluid in Form einer zu erwärmenden Flüssigkeit vorliegt. Auch eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher in einem Fall, wenn sowohl das erste als auch das zweite Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit sind.
Wenn, wie es der Regelfall sein dürfte, das erste oder das zweite Fluid durch die Abgase eines Heizgerätes begründet werden, ist in einer besonders bevorzugten Realisierung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß der zuvor genannten Ausführungsformen vorgesehen, daß der Grundkörper einen brennerseitigen Endabschnitt und einen abgasseitigen Endabschnitt aufweist, wobei das zweite Fluid beim Passieren des zweiten Strömungskanalsystems von dem brennerseitigen Endabschnitt zum abgasseitigen Endabschnitt des Grundkörpers strömt. Im Hinblick auf die konische Formgebung des Grundkörpers sei an dieser Stelle erwähnt, daß der Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems am brennerseitigen Endabschnitt im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems am abgasseitigen Endabschnitt des Grundkörpers größer ist. Dies folgt aus der Überlegung, daß die Temperatur, mit welcher das zweite Fluid durch das zweite Strömungskanalsystem am brennerseitigen Endabschnitt strömt, wesentlich höher als die Temperatur des zweiten Fluids nach dem Durchlauf durch den Wärmetauscher am abgasseitigen Endabschnitt ist.
Um die Wärmetauscherfläche, d.h. die für den Wärmeübergang verantwortliche Oberfläche, zwischen dem ersten Strömungskanalsystem und dem Material des Grundkörpers zu erhöhen, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß der Grundkörper auf seiner Außenwand eine erste Rippenanordnung aufweist, welche mit dem Grundkörper in Wärmeleitkontakt steht und welche sich derart in das erste Strömungskanalsysteme erstreckt, daß die erste Rippenanordnung von dem ersten Fluid umströmbar ist. Denkbar hierbei wäre beispielsweise, daß die erste Rippenanordnung auf der Außenwand des Grundkörpers zumindest teilweise radial- oder spiralförmig umlaufende Rippen aufweist. In bevorzugter Weise erstrecken sich dabei diese zumindest teilweise radial- oder spiralförmig auf der Außenwand des Grundkörpers ausgebildeten Rippen von der Außenwand des Grundkörpers bis zur Innenwand der Umhüllung, so daß das erstes Strömungskanalsystem von der Außenwand des Grundkörpers, den Rippen und der Innenwand der Umhüllung begrenzt wird, und so daß ein im wesentlichen wendelförmiges erstes Strömungskanalsystem gebildet wird. Die Funktion eines derartigen wendelförmigen ersten Strömungskanalsystems liegt insbesondere darin, daß der gesamte Strömungsweg, den das erste Fluid beim Passieren des Wärmetauschers bzw. des ersten Strömungskanalsystems zurücklegen muß, verlängert werden kann. Selbstverständlich ist aber auch denkbar, daß zusätzlich zu den Rippen, welche die wendelförmigen Kanäle des ersten Strömungskanalsystems bilden, weitere Rippen bzw. Bleche in das erste Strömungskanalsystem hineinragen, um somit die Wärmetauscherfläche in dem ersten Strömungskanalsystem weiter zu erhöhen.
In vorteilhafter Weise können des weiteren in dem ersten Strömungskanalsystem turbulenzerzeugende Elemente (nachfolgende Bumper genannt) vorgesehen sein, um zu erreichen, daß das erste Fluid insbesondere nicht in einer laminaren, sondern in einer turbulenten Strömungsart durch das erste Strömungskanalsystem hindurchfließt. Derartige turbulenzerzeugende Elemente bzw. Bumper können beispielsweise durch entsprechend dimensionierte und positionierte Vorsprünge in den einzelnen Strömungskanälen gebildet werden.
Ferner ist bei einer besonders bevorzugten Realisierung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, wie er beispielsweise gemäß den vorstehend genannten bevorzugten Weiterentwicklungen ausgeführt ist, vorgesehen, daß der Grundkörper auch auf seiner Innenwand eine zweite Rippenanordnung aufweist, welche mit dem Grundkörper in Wärmeleitkontakt steht, und welche sich derart in das zweite Strömungskanalsystem erstreckt, daß die zweite Rippenanordnung von dem zweiten Fluid umströmbar ist. Hiermit kann in vorteilhafter Weise die Wärmetauscherfläche, die für den Wärmeübertrag von dem zweiten Fluid auf das Material der Innenoberfläche des Grundkörpers verantwortlich ist, deutlich erhöht werden, um somit die Effizienz des Wärmetauschers noch weiter zu steigern.
In einer besonders bevorzugten Realisierung der zuletzt genannten Ausführungsform, in der eine von dem zweiten Fluid umströmbare zweite Rippenanordnung vorgesehen ist, weist diese zweite Rippenanordnung eine Vielzahl sich im wesentlichen in axialer Längsrichtung des Grundkörpers erstreckende Längsrippen auf. Dadurch, daß sich die zur Vergrößerung der Wärmetauscherfläche vorgesehenen Längsrippen im wesentlichen in axialer Längsrichtung des Grundkörpers erstrecken, kann in vorteilhafter Weise – neben der Vergrößerung der Wärmetauscherfläche – auch der Effekt erzielt werden, daß durch das Vorsehen derartiger Rippen das zweite Fluid beim Passieren des zweiten Strömungskanalsystems nur einen geringen Strömungswiderstand erfährt, um somit die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids im Inneren des Wärmetauschers und den Durchsatz des zweiten Fluids nicht negativ zu beeinflussen.
In einer besonders bevorzugten Realisierung ist dabei vorgesehen, daß sich die Längsrippen der zweiten Rippenanordnung im wesentlichen durchgehend von dem brennerseitigen Endabschnitt, d.h. jenem Endabschnitt, in welchem das zweite Fluid in das zweite Strömungskanalsystem eintritt, zu dem abgasseitigen Endabschnitt des Grundkörpers, d.h. jedem Abschnitt des Grundkörpers, an welchem das zweite Fluid aus dem Wärmetauscher austritt, erstrecken. Hierbei handelt es sich um eine bevorzugte Realisierung für die zweite Rippenanordnung. Selbstverständlich sind aber auch andere Anordnungen bzw. Konfigurationen hiervon denkbar.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei welchem die erste und/oder die zweite Rippenanordnung vorgesehen sind, ist vorgesehen, daß die erste Rippenanordnung und/oder die zweite Rippenanordnung einstückig mit dem Grundkörper gebildet sind. Hierbei handelt es sich um eine besonders kostengünstig herzustellende und dabei sehr effektive Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, da bei der Herstellung des Grundkörpers mit den daran ausgebildeten Rippenanordnungen lediglich ein Herstellungsschritt vonnöten ist.
Insbesondere bietet sich bei der zuletzt genannten bevorzugten Herstellungsart ein Aluminiumdruckguß oder ein ähnliches Verfahren aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung an, da dieses Material bekannterweise einerseits sehr leicht und andererseits eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere kann durch die Konstruktion des Wärmetauschers unter Verwendung der Druckgußtechnik erreicht werden, daß nur eine minimale Anzahl an Einzelkomponenten für den fertigen Wärmetauscher herzustellen sind, was nicht nur die Fertigungskosten, sondern auch den Montageaufwand für den Wärmetauscher deutlich reduziert.
Selbstverständlich ist bei der erfindungsgemäßen Lösung auch denkbar, daß das erste und/oder zweite Strömungskanalsystem des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mehrere parallel geschaltete Kanäle zur Führung des jeweiligen Fluids aufweisen, um somit die Wärmeübertragung zwischen den jeweiligen Fluiden und dem Material des Grundkörpers noch weiter zu verbessern. Insbesondere kann der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung derart ausgestaltet sein, daß ein Druckverlust innerhalb des ersten und/oder des zweiten Fluids beim Passieren der jeweiligen Strömungskanalsysteme im Idealfall nahezu vollständig minimiert wird, um somit die Gesamteffizienz des Wärmetauschers zu erhöhen. In einem Fall, wenn als erstes Fluid eine zu erwärmende Flüssigkeit verwendet wird, ist ferner bevorzugt, daß das erste Strömungskanalsystem derart ausgelegt ist, um ein Sieden des ersten Fluids zu vermeiden, um somit eine Minderung der Effizienz des Wärmetauschers zu vermeiden.
Die konische Form des Grundkörpers hat – neben der Aufrechterhaltung der Strömungsgeschwindigkeit des ersten und/oder zweiten Fluids – ferner im Hinblick auf die Montage Vorteile. Durch die konische Form kann nämlich beispielsweise konstruktiv sichergestellt werden, daß zwischen dem Verdrängungskörper und/oder der umschließenden Umhüllung ein Toleranzausgleich vorliegt, was die Fertigung und Montage des gesamten Systems vereinfacht. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß am brennerseitigen Endabschnitt und am abgasseitigen Endabschnitt des Wärmetauschers vorzugsweise O-Ringdichtungen vorgesehen sind, um eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Grundkörper und der Umhüllung bereitzustellen.
Schließlich sei noch erwähnt, daß die Umhüllung selbstverständlich mit einem integrierten Vor- bzw. Rücklaufanschluß versehen sein kann, um die Montage des Wärmetauschers, beispielsweise an einem Heizkessel oder an einem Gasbrennwertgerät, zu vereinfachen. Auch wäre es denkbar, im Außenmantel oder im Grundkörper eine Fühlerbefestigung vorzusehen, mit welcher beispielsweise die Temperatur des ersten oder des zweiten Fluids überwacht wird. Auch wären eine integrierte Kondensatwanne, ein Siphonanschluß und/oder ein Abgasrohranschluß am Grundkörper oder an der Umhüllung denkbar. In einem Fall, wenn diese zusätzlichen Bauteile zumindest teilweise vorgesehen sind, ist es besonders bevorzugt, wenn diese integral mit dem Grundkörper oder mit der Umhüllung ausgebildet sind, so daß bei der Herstellung der Umhüllung oder des Grundkörpers, beispielsweise mit Hilfe der Aluminium-Druckgußtechnik, die erforderlichen Herstellungsschritte reduziert werden können. Auch hat dies Vorteile im Hinblick auf den notwendigen Montageaufwand zur Herstellung eines kompakten Wärmetauschers. Im Hinblick auf die durchgehenden Längsrippen der zweiten Rippenanordnung, die sich im wesentlichen in axialer Längsrichtung des Grundkörpers erstrecken, sei ferner darauf hingewiesen, daß sich diese Art der Ausgestaltung von Wärmetauscherflächen insbesondere für eine Herstellbarkeit in Aluminium-Druckgußtechnik vorzugsweise integral mit dem Grundkörper eignen.
Im folgenden wird eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Grundkörpers der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
2 eine Längsschnittansicht des Grundkörpers gemäß 1;
3 eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Grundkörpers der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit eingesetztem Verdrängerkörper.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Grundkörpers 1 einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Im wesentlichen besteht der Wärmetauscher aus einem in 1 beispielhaft dargestellten konischen Grundkörper 1, der eine Außenwand 10 und eine Innenwand 20 aufweist. Auf der Außenwand 10 ist eine erste Rippenanordnung 60 vorgesehen, welche integral mit dem Material des Grundkörpers 1 ausgebildet ist und somit in Wärmeleitkontakt mit dem Grundkörper 1 steht. Die erste Rippenanordnung 60 weist spiralförmig umlaufende Rippen 61 auf, die sich von der Außenwand 10 des Grundkörpers 1 bis zur Innenwand 30 einer in 1 nicht explizit dargestellten Umhüllung 2 erstrecken.
In 2 ist eine Längs-Querschnittsansicht des Grundkörpers 1 gemäß 1 dargestellt, wobei zusätzlich zu dem Grundkörper 1 gemäß 1 auch die Umhüllung 2 eingezeich net sind. Insbesondere kann der 2 entnommen werden, daß die spiralförmig umlaufenden Rippen 61 der ersten Rippenanordnung 60 mit der Innenwand 30 der Umhüllung 2 und mit der Außenwand 10 des Grundkörpers 1 ein wendelförmiges erstes Strömungskanalsystem 11 bildet. Durch dieses erste Strömungskanalsysteme 11 fließt ein erstes Fluid 3, welches bei der bevorzugten Ausführungsform eine zu erwärmende Flüssigkeit, insbesondere Wasser sein kann. Dabei ist vorgesehen, daß das erste Fluid 3 von einem abgasseitigen Endabschnitt 51 des Grundkörpers 1 zu einem brennerseitigen Endabschnitt 50 des Grundkörpers 1 strömt; selbstverständlich ist aber auch eine umgekehrte Strömungsrichtung für das erste Fluid 3 denkbar.
Neben den spriralförmig umlaufenden Rippen 61 weist die erste Rippenanordnung 60 des weiteren Einzelrippen 62 auf, die ebenfalls mit dem Material des Grundkörpers 1 integral ausgebildet sind, wie es der durchgehenden Schraffur der 2 zu entnehmen ist. Im Gegensatz zu den spiralförmig umlaufenden Rippen 61 erstrecken sich allerdings die Einzelrippen 62 nicht bis zur Innenwand 30 der Umhüllung 2; vielmehr ragen sie nur teilweise in das erste Strömungskanalsystem 11 hinein und werden somit auch nur teilweise von dem ersten Fluid 3 umströmt. Die Aufgabe der Einzelrippen 62 ist – neben der Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche – insbesondere darin zu sehen, daß diese als Turbulenzkeime in der Strömung des ersten Fluids agieren. Es handelt sich hierbei also um eine Bumper-Einrichtung, mit der in effektiver Weise verhindert werden kann, daß das erste Fluid 3 in dem ersten Strömungskanalsystem 11 eine laminare Strömungsform annimmt. Vielmehr wird mit Hilfe dieser Bumper-Anordnung 62 erreicht, daß der Strömungszustand des ersten Fluids 3 grundsätzlich turbulent ist, was im Hinblick auf die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluid 3 und dem Material des Grundkörpers 1 von Vorteil ist. Selbstverständlich ist hier aber auch eine andere Anordnung bzw. Positionierung der ersten Rippenanordnung 60 denkbar. Auch bedarf es nicht erwähnt zu werden, daß auf der Außenwand 10 des Grundkörpers 1 mehrere parallel geschaltete, unabhängige erste Strömungskanalsysteme 11 ausgebildet sein können.
Am brennerseitigen Endabschnitt 50 des Grundkörpers 1 ist in vorteilhafter Weise eine umlaufende Nut 52 vorgesehen, in welcher eine O-Ringdichtung 52' einsetzbar ist, um somit eine fluiddichte Abdichtung des ersten Strömungskanalsystems 11 zu erreichen. In analoger Weise ist am abgasseitigen Endabschnitt 51 des Grundkörpers 1 ebenfalls eine umlaufende Nut 53 vorgesehen, die zur Aufnahme einer weiteren O-Ringdichtung 53' ausgelegt ist.
Ein zweites Strömungskanalsystem 21 wird bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit der Innenwand 20 des Grundkörpers 1 begrenzt. In einem Fall, wenn im Inneren des Grundkörpers 1 des weiteren ein Verdrängerkörper 5 vorgesehen ist, wie es beispielsweise in 2 und in 3 gezeigt ist, wird dieses zweite Strömungskanalsystem 21 durch die Innenwand 20 des Grundkörpers 1 und eine Außenwand 40 des Verdrängerkörpers 5 gebildet. Durch das zweite Strömungskanalsystem 21 strömt ein zweites Fluid 4, welches bei der bevorzugten Ausführungsform des Wärmetauschers, der insbesondere für ein Gasbrennwertgerät ausgelegt ist, die Abgase des Gasbrennwertgerätes sind. Bevorzugt ist vorgesehen, daß das zweite Fluid 4 von dem brennerseitigen Endabschnitt 50 des Grundkörpers 1 über das zweite Strömungskanalsystem 21 zum abgasseitigen Endabschnitt 51 des Grundkörpers 1 strömt. Demnach funktioniert der hier dargestellte Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip. Selbstverständlich ist aber auch eine andere Strömungsrichtung des ersten bzw. zweiten Fluids 3 und 4 denkbar.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Grundkörpers 1 der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit eingesetztem Verdrängerkörper 5. Der 3 ist insbesondere zu entnehmen, daß auf der Innenwand 20 des Grundkörpers 1 eine zweite Rippenanordnung 70 vorzugsweise integral mit dem Material des Grundkörpers 1 ausgebildet ist. Diese zweite Rippenanordnung 70 weist bei der hier dargestellten Ausführungsform nur sich im wesentlichen in axialer Längsrichtung des Grundkörpers 1 erstreckende Längsrippen 71 auf. Selbstverständlich ist aber auch denkbar, daß die zweite Rippenanordnung 70 auch weitere Wärmeübertragungsflächen, wie beispielsweise Einzelrippen, aufweist, welche von dem zweiten Fluid 4 beim Passieren des zweiten Strömungskanalsystems 21 umströmt werden, um somit die effektive Fläche zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Fluid und dem Material des Grundkörpers 1 zu erhöhen.
Allerdings hat das Vorsehen der sich im wesentlichen in axialer Längsrichtung des Grundkörpers erstreckenden Längsrippen 71 den Vorteil, daß beim Durchströmen des zweiten Fluids 4 durch das zweite Strömungskanalsystem 21 die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 4 nicht durch Umlenkung der Strömung reduziert wird, was im Hinblick auf die Effizienz des Wärmetauschers von Vorteil ist. Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, erstrecken sich die Längsrippen 71 der zweiten Rippenanordnung 70 im wesentlichen durchgehend von dem brennerseitigen Endabschnitt 50 zu dem abgasseitigen Endabschnitt 51 des Grundkörpers 1.
Den 1 und 2 ist ferner deutlich zu entnehmen, daß der Grundkörper 1, d.h. die Außenwand 10 und die Innenwand 20 des Grundkörpers 1, konisch ausgebildet sind, wobei der brennerseitige Endabschnitt 50 im Vergleich zum abgasseitigen Endabschnitt 51 eine größere Querschnittsform aufweist. Der 2 ist des weiteren zu entnehmen, daß die Außenwand 40 des Verdrängerkörpers 5 ebenfalls eine konische Form aufweist, dessen Konizität sich in Übereinstimmung mit der Konizität der Innenwand 20 des Grundkörpers 1 ändert. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß der effektive Strömungsquerschnitt in axialer Länge des zweiten Strömungskanalsystems 21 vom brennerseitigen Endabschnitt 50 zum abgasseitigen Endabschnitt 51 des Grundkörpers 1 kontinuierlich abnimmt.
In bevorzugter Weise sind dabei die Konizitäten der Innenwand 20 des Grundkörpers 1 und der Außenwand 40 des Verdrängerkörpers 5 derart gewählt, um zu erreichen, daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das zweite Fluid 4 durch das zweite Strömungskanalsystem 21 strömt, über die axiale Länge des Grundkörpers 1 im wesentlichen konstant ist. Die Vorteile, die damit erreicht werden können, wurden vorstehend ausführlich diskutiert. Kurz zusammengefaßt liefert die im wesentlichen konstante Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids 4 im zweiten Strömungskanalsystem 21 eine besonders effiziente Wärmeübertragung auf das Material des Grundkörpers 1. Die Effizienz der Wärmeübertragung wird zusätzlich dadurch erhöht, daß die zweite Rippenanordnung 70 derart in das zweite Strömungskanalsystem 21 hineinragt, daß die einzelnen Längsrippen 71 der zweiten Rippenanordnung 70 zwar von dem zweiten Fluid 4 vollständig umströmt werden, allerdings ohne daß eine Umlenkung der Strömungsrichtung des zweiten Fluids 4 bewirkt wird, wodurch Energieverluste bei der Wärmeübertragung infolge von umgewandelter Druckarbeit (Kompressionsarbeit) vermieden werden können.
Insbesondere ist bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers vorgesehen, daß der Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems 21 über die axiale Länge des Grundkörpers 1 variiert und über die axiale Länge des Grundkörpers 1 grundsätzlich einen Wert annimmt, der von der Temperatur des durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems 21 strömenden zweiten Fluids 4 abhängt, um somit die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids 4 durch das gesamte Strömungskanalsystem 21 über die axiale Länge des Grundkörpers 1 konstant zu halten. Dies ist insbesondere für das zweite Strömungskanalsystem 21 im Hinblick auf die Effizienz des Wärmetauschers von großer Bedeutung, da das zweite Fluid 4, wenn es durch die Abgase von beispielsweise eines Gasbrennwertgerätes gebildet wird, beim Eintritt in das zweite Strömungskanalsystem 21 am brennerseitigen Endab schnitt 50 eine Temperatur von etwa 900°C aufweist, wohingegen die Temperatur beim Austritt aus dem zweiten Strömungskanalsysteme 21 am abgasseitigen Endabschnitt 51 des Grundkörpers 1 lediglich in etwa 60°C beträgt.
Das erste Strömungskanalsystem 11, welches gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von einer zu erwärmenden Flüssigkeit als erstes Fluid 3 durchströmt wird, treten im Hinblick auf das erste Fluid 3 nicht derartig hohe Temperaturunterschiede und somit volumenbedingte Geschwindigkeitsunterschiede auf. Aus diesem Grund ist es bei der dargestellten Ausführungsform nicht erforderlich, den Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanalsystems 11 auf die Temperatur des durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt des Strömungskanalsystems 11 strömenden Fluids 3 zu ändern.
In bevorzugter Weise ist der konisch ausgebildete Grundkörper 1 mit der auf der Außenwand 10 und der Innenwand 20 vorgesehenen Berippung 60 und 70 einstückig mittels einer Aluminium-Druckgußtechnik gebildet, was aus der Sicht der Herstellung und Montage des Wärmetauschers erhebliche Vorteile mit sich bringt. In diesem Zusammenhang sei auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Obwohl nicht dargestellt, ist selbstverständlich auch denkbar, daß das erste Strömungskanalsystem 11 derart ausgelegt ist, daß der Strömungsquerschnitt des Kanalsystems über die axiale Länge des Grundkörpers 1 variiert und jeweils einen Wert annimmt, der von der Temperatur des durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanalsystems 11 strömenden Fluids 3 abhängt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste Fluid 3 durch das erste Strömungskanalsystem 11 strömt, über die axiale Länge des Grundkörpers 1 im wesentlichen konstant ist. Dies wäre beispielsweise möglich, indem die Konizität der Außenwand 10 des Grundkörpers 1 in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystem 11 strömenden ersten Fluids gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste Fluid 3 durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems 11 strömt, über die axiale Länge des Abschnitts im wesentlichen konstant ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu wäre aber auch denkbar, daß die Innenwand 30 der Umhüllung 2 zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, dessen Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems 11 strömenden ersten Fluids 3 gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste Fluid 3 durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems 11 strömt, über die axiale Länge des Abschnitts im wesentlichen konstant ist.
Obwohl das Ziel der Erfindung insbesondere darin besteht, einen möglichst effizienten Wärmetauscher anzugeben, kann der Wärmetauscher insbesondere auch in bezug auf die Montierbarkeit kleinen Modifikationen unterliegen, wie z.B. der Einführung von weiteren Kanälen. Diese Variationen zählen ebenfalls zu dem Bereich der Erfindung.

1: Grundkörper
2: Umhüllung
3: erstes Fluid
4: zweites Fluid
5: Verdrängungskörper
10: Außenwand des Grundkörpers
11: erstes Strömungskanalsystem
20: Innenwand des Grundkörpers
21: zweites Strömungskanalsystem
40: Außenwand des Verdrängungskörpers
50: brennerseitiger Endabschnitt des Grundkörpers
51: abgasseitiger Endabschnitt des Grundkörpers
52: brennerseitige Rundnut
52': O-Ringdichtung
53: abgasseitige Rundnut
53': O-Ringdichtung
60: erste Rippenanordnung
61: radial- oder spiralförmig umlaufende Rippen
62: Einzelrippe (Bumper)
62: zweite Rippenanordnung
71: Längsrippen

Claims

Wärmetauscher für ein Heizgerät, insbesondere für ein Gasbrennwertgerät, mit: – einem Grundkörper (1), welcher eine Außenwand (10) und eine Innenwand (20) aufweist; – einer die Außenwand (10) des Grundkörpers (1) zumindest teilweise umschließenden Umhüllung (2); – einem ersten Strömungskanalsystem (11), welches zwischen der Außenwand (10) des Grundkörpers (1) und einer Innenwand (30) der Umhüllung (2) gebildet wird; und – einem zweiten Strömungskanalsystem (21), welches mit der Innenwand (20) des Grundkörpers (1) begrenzt wird, wobei das erste und das zweite Strömungskanalsystem (11, 21) jeweils so ausgebildet sind, daß bei einer Strömung eines ersten Fluids (3) durch das erste Strömungskanalsystem (11) und bei einer Strömung eines zweiten Fluids (4) durch das zweite Strömungskanalsystem (21) eine Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid (3, 4) über den Grundkörper (1) stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanalsystems (11) und/oder der Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungskanalsystems (21) über die axiale Länge des Grundkörpers (1) variiert und jeweils einen Wert annimmt, der von der Temperatur des durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt des jeweiligen Strömungskanalsystems (11, 21) strömnenden Fluids (3, 4) abhängt, so daß die Strö mungsgeschwindigkeit, mit der das erste und/oder das zweite Fluid (3, 4) durch das jeweilige Strömungskanalsystem (11, 21) strömt, über die axiale Länge des Grundkörpers (1) im wesentlichen konstant ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (1) zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, bei der die Konizität der Außenwand (10) des Grundkörpers (1) in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems (11) strömenden ersten Fluids (3) gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste Fluid (3) durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems (11) strömt, über die axiale Länge des Abschnitts im wesentlichen konstant ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innenwand (30) der Umhüllung (2) zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, dessen Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems (11) strömenden ersten Fluids (3) gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das erste Fluid (3) durch diesen Abschnitt des ersten Strömungskanalsystems (11) strömt, über die axiale Länge des Abschnittes im wesentlichen konstant ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (20) des Grundkörpers (1) zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, dessen Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des zweiten Strömungskanalsystems (21) strömenden zweiten Fluids (4) gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das zweite Fluid (4) durch diesen Abschnitt des zweiten Strömungskanalsystems (21) strömt, über die axiale Länge des Abschnittes im wesentlichen konstant ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ferner einen Verdrängerkörper (5) aufweist, der derart zumindest teilweise innerhalb des Grundkörpers (1) angeordnet ist, daß das zweite Strömungskanalsysteme (21) durch die Innenwand (20) des Grundkörpers (1) und einer Außenwand (40) des Verdrängerkörpers (5) gebildet wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei die Außenwand (40) des Verdrängerkörpers (5) zumindest abschnittsweise eine konische Form aufweist, dessen Konizität in Abhängigkeit von der Temperatur des durch diesen Abschnitt des zweiten Strö mungskanalsystems (21) strömenden zweiten Fluids (4) gewählt ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das zweite Fluid (4) durch diesen Abschnitt des zweiten Strömungskanalsystem (21) strömt, über die axiale Länge des Abschnittes im wesentlichen konstant ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Fluid (3) eine zu erwärmende Flüssigkeit, insbesondere Wasser ist, und wobei das zweite Fluid (4) Abgase eines Heizgerätes, insbesondere eines Gasbrennwertgerätes, sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) einen brennerseitigen Endabschnitt (50) und einen abgasseitigen Endabschnitt (51) aufweist, wobei das zweite Fluid (4) beim Passieren des zweiten Strömungskanalsystems (21) von dem brennerseitigen Endabschnitt (50) zum abgasseitigen Endabschnitt (51) des Grundkörpers (1) strömt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) auf seiner Außenwand (10) eine erste Rippenanordnung (60) aufweist, welche mit dem Grundkörper (1) in Wärmeleitkontakt steht und welche sich derart in das erste Strömungskanalsystem (11) erstreckt, daß die erste Rippenanordnung (60) von dem ersten Fluid (3) umströmbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei die erste Rippenanordnung (60) auf der Außenwand (10) des Grundkörpers (1) zumindest teilweise radial- oder spiralförmig umlaufende Rippen (61) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei sich die zumindest teilweise radial- oder spiralförmig auf der Außenwand (10) des Grundkörpers (1) ausgebildeten Rippen (61) von der Außenwand (10) des Grundkörpers (1) bis zur Innenwand (30) der Umhüllung (2) erstrecken, sodaß das erste Strömungskanalsystem (11) von der Außenwand (10) des Grundkörpers (1), den Rippen (61) und der Innenwand (30) der Umhüllung (2) begrenzt wird, und sodaß ein im wesentlichen wendelförmiges erstes Strömungskanalsystem (11) gebildet wird.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) auf seiner Innenwand (20) eine zweite Rippenanordnung (70) aufweist, welche mit dem Grundkörper (1) in Wärmeleitkontakt steht, und welche sich der art in das zweite Strömungskanalsystem (21) erstreckt, daß die zweite Rippenanordnung (70) von dem zweiten Fluid (4) umströmbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, wobei die zweite Rippenanordnung (70) sich im wesentlichen in axialer Längsrichtung des Grundkörpers (1) erstreckende Längsrippen (71) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 13, wobei sich die Längsrippen (71) der zweiten Rippenanordnung (70) im wesentlichen durchgehend von dem brennerseitigen Endabschnitt (50) zu dem abgasseitigen Endabschnitt (51) des Grundkörpers (1) erstrecken.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die erste Rippenanordnung (60) und/oder die zweite Rippenanordnung (70) einstückig mit dem Grundkörper (1) gebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 15, wobei der Grundkörper (1) mit der ersten Rippenanordnung (60) und/oder der zweiten Rippenanordnung (70) aus Aluminium, vorzugsweise Aluminium-Druckguss, oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist.