DE102006023639A1

DE102006023639A1 - Wärmeaustauschvorrichtung

Info

Publication number: DE102006023639A1
Application number: DE200610023639
Authority: DE
Inventors: Horst Wunsch
Original assignee: TECHNAFLON AG
Current assignee: TECHNAFLON AG
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: DE102006023639B4

Abstract

Eine Wärmetauschvorrichtung für die Restwärmenutzung von Gasen - insbesondere von Heizungsgasen - weist einen Behälter (10) sowie zumindest eine darin angeordnete Leitung zur Führung eines zu erwärmenden Strömungsmediums auf; der Behälter (10) enthält einen eine Kondensationsfläche für die Gase anbietenden unteren Bereich (38), der eine aus Kunststoff bestehende Innenfläche aufweist. Die Leitung ist als Strömungsweg (33) aus mehreren von jeweils zwei durch in Abstand zueinander verlaufende Querwände (22, 24, 28) begrenzten Raumsegmenten (32) gebildet. Jedes der zueinander parallelen Raumsegmente (32) wird durch einen an einer Behälterwand (14, 15) angeordneten Randspalt (29) mit dem benachbarten Raumsegment (32) verbunden, diese Randspalte (29) verlaufen wechselweise an einer der zwei einander im Abstand gegenüberliegenden Wände (14, 15). Im Übrigen ist der Strömungsweg (33) von einer wenigstens einem Einlass (34) zugeordneten Bodenquerwand (22) sowie einer zumindest einem Auslass (36) zugeordneten Firstquerwand (24) begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.
Der vorbekannte Stand der Technik ist der DE 10 2004 024 794 A1 der Anmelderin zu entnehmen. Dort ist zu lesen, dass seit etwa zehn Jahren vereinzelt Gasheizungen mit integrierten Abgaswärmetauschern auf dem Markt, allerdings in der Regel für Ölheizungen noch nicht allgemein erhältlich seien, da die Anforderungen an einen solchen Abgaswärmetauscher hoch sind das vom Ölbrenner – aber auch vom Gasbrenner – ausgestoßene Abgas enthält eine Anzahl von Substanzen, welche sich in einem nachgeschalteten Wärmetauscher als aggressives Kondensat niederschlagen. Dies führt dann dazu, dass für Abgasleitungen und Wärmetauscher vorgesehene Materialen, etwa rostfreie Stähle, in kürzester Zeit zerstört werden. Eine entsprechende Wirkung entsteht bei der Nutzung von Abgaswärme von Verbrennungsmotoren, etwa Schweröl-Dieselmotoren (wie sie z.B. im Schiffsverkehr vorkommen); auch hier bildet das aggressive Kondensat eine Hürde gegen den Einsatz gängiger Wärmetauscher. Hinzu kommt gerade im Fall der Motoren, dass derartige Antriebsaggregate – vor allem im Teillastbetrieb – im Abgas stark mit Ruß belastet sind, so dass sich die darüber hinausgehende Problematik der Rußentfernung aus dem Abgas stellt.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine in der Handhabung einfache, sich für Nachrüstzwecke eignende Wärmetauschvorrichtung so zu verbessern, dass diese einem (Öl-)Heizungsbrenner oder Verbrennungsmotor mit aggressive Kondensatstoffe enthaltenden Abgasen nachgeschaltet werden kann, ohne dass die Vorrichtung selbst bzw. die darin vorgesehenen Leitungen innerhalb kurzer Zeit durch das aggressive, sich im Behälter des Wär metauschers niederschlagende Kondensat beschädigt oder zerstört werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Bei angegebenen Benennungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Leitung als Strömungsweg aus mehreren von jeweils zwei durch in Abstand zueinander verlaufende Querwände begrenzten Raumsegmenten gebildet; jedes dieser zueinander parallelen Raumsegmente ist durch einen an einer Behälterwand angeordneten Randspalt mit dem benachbarten Raumsegment verbunden, und die Randspalten verlaufen wechselweise an einer von zwei einander in Abstand gegenüberliegenden Wänden. Dies führt zu einem mäanderartigen Querschnitt des Strömungswegbereiches bzw. Strömungskanals.
Zudem soll der Strömungsweg von einer wenigstens einen Einlass zugeordneten Bodenquerwand sowie einer zumindest einen Auslass zugeordneten Firstquerwand begrenzt werden; zwischen diesen beiden plattenartigen Wänden verläuft jener Strömungsweg von der Einlass- zur Auslassmuffe, den erfindungsgemäß Rohre aus Kunststoff queren; jedes von diesen weist zwei Mündungen auf, die oberhalb und unterhalb des Strömungskanals – bevorzugt in der Firstquerwand und der Bodenquerwand – angeordnet sind, also die Räume oberhalb dieser beiden Wände verbinden. Bevorzugt sind die Rohre als Flexrohre ausgebildet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist unterhalb der Bodenquerwand der die Kondensationsfläche anbieten Bereich angeordnet, insbesondere ein Kondensattank, der wenigstens einen Strömungsausgang enthält, vor allem aber einen zusätzlichen Kondensatausgang. Zudem soll der Kondensattank von einer zur Bodenquerwand in einem Winkel geneigten Bodenplatte begrenzt werden.
Von erfinderischer Bedeutung ist auch, dass oberhalb der oberen Mündungen der Rohre ein Firstraum verläuft, der gegen den Strömungskanal abgedichtet sowie mit wenigstens einer Eingangsmuffe für den Gasstrom versehen ist. Dazu hat es sich als günstig erwiesen, den Firstraum von einer zur Firstquerwand in einem Winkel geneigten Hauben- oder Deckelplatte begrenzen zu lassen sowie die Grenzflächen des Firstraumes aus rostfreiem Stahl herzustellen, um die beschriebenen Angriffe des Gases zu unterbinden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1: eine geschnittene Seitenansicht eines Kessels zur Luftvorwärmung;
2: eine schematisierte Schrägsicht auf einen luftgekühlten Kondensor;
3: einen Teilquerschnitt eines im Kessel vorgesehenen Rohres.
Ein auf einer Bodenplatte B stehender Kessel oder Boiler 10 weist ein Gehäuse 12 mit vier vertikalen Wänden 14, 15, 16 sowie einer diese am unteren Ende verbindenden Bodenplatte 18 und einer firstwärtigen Hauben- oder Deckenplatte 20 auf, die beide zur Rückwand 15 des Gehäuses 12 hin abwärts in einem spitzen Winkel w, w₁ zu einer Horizontalen geneigt sind. Der Abstand a zwischen den Außenflächen von Frontwand 14 und Rückwand 15 misst etwa 1.300 mm sowie der nicht erkennbare Abstand der diese verbindenden beiden Seitenwände 16 – und damit die Länge der horizontalen Frontwand 14 bzw. Rückwand 15 – etwa 2.000 mm. Der Höhenabstand h der Außenflächen von Bodenplatte 18 und Deckenplatte 19 beträgt an der Frontwand 14 etwa 1.800 mm.
Im Innenraum des Kessels 10 verlaufen rechtwinkelig zu den Wänden 14, 15, 16 in lichten Vertikalabständen b zueinander sieben horizontale Querwände 22, 24, 28. Die bodennahe Querwand 22 sowie die firstnahe Querwand 24 sind jeweils mit ihren vier Kanten an die Wände 14, 15, 16 angefügt sowie im Schnitt der 1 mit jeweils acht Ausnehmungen 25 ausgestattet, die miteinander sowie mit Ausnehmungen 26 der dazwischen verlaufenden fünf Querwände 28 fluchten. Letztere sind jeweils an beide Seitenwände 16 sowie – unter Bildung eines schmalen Randspaltes 29 – wechselweise an die Frontwand 14 bzw. die Rückwand 15 angefügt. Die fluchtenden Ausnehmungen 25, 26 nehmen vertikale Rohre 30 des Durchmessers d auf, die sich – in Abstand e zueinander – von der Firstquerwand 24 bis zur Bodenquerwand 22 erstrecken. Diese sind bevorzugt aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) geformt oder mit diesem Werkstoff beschichtet.
Die benachbarten Querwände 22/28, 28/28, 28/24 begrenzen jeweils ein als horizontaler Zwischenraum 32 ausgebildetes Raumsegment. Diese Zwischenräume 32 bilden mit jenen Randspalten 29 einen – als Teil des Kesselinnenraumes anzusehenden – Strömungsweg oder Strömungskanal 33; dieser geht beidends in eine der Bodenquerwand 22 bzw. der Firstquerwand 24 nahe Außenmuffe 34 bzw. 36 der Frontwand 14 über. Die untere Außenmuffe 34 dient als Einlassorgan für Frischluft und die obere Außenmuffe 36 als Auslassorgan für im Kessel 10 erwärmte Luft. Der Durchmesser d₁ der Muffen 34, 36 beträgt etwa 400 mm.
Zwischen der geneigten Bodenplatte 18 und der horizontalen unteren Querwand 22 ist ein – mit zu letzterer parallelem Horizontalgitter 37 versehener – Kondensattank 38 aus Kunststoff, insbesondere aus Polyethylen (PET), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) oder PVDF vorgesehen. Zwischen der firstnahen Querwand 24 und der geneigten Deckenplatte 19 befindet sich ein Dach- oder Firstraum 40, dessen Querschnitt sich entsprechend der Neigung w₁ der Deckenplatte 19 zur Rückwand 15 hin verjüngt. Diesem Firstraum 40 ist in der Frontwand 14 eine Außenmuffe 42 des Durchmessers d₂ von 450 mm als Gaseinlauf zugeordnet; der Strömungsweg y dieses – beispielsweise aus einer Heizanlage kommenden – Abgases führt durch die vertikalen Rohre 30 abwärts in den Kondensattank 38.
Der Kondensattank 38 ist an der Rückwand 15 des Gehäuses 12 und nahe der Bodenplatte 18 mit einer Kondensatleitung 44 ausgestattet, über der an den Kopfbereich des Kondensattankes 38 ein schmaler Abschnitt 45 eines gewinkelten Gasauslassrohres 46 mit vertikalem Abschnitt 48 anschließt; dessen Durchmesser d₃ beträgt 400 mm oder weniger und sein maximaler Abstand f von der Frontwand 14 etwa 2.000 mm, was der horizontalen Länge des Gehäuses 12 entspricht. Am Übergang von dem diesem Gehäuse 12 nahen schmalen Abschnitt 45 des Gasauslassrohres 46 zu dessen Bereich mit dem Durchmesser d₃ befindet sich ein – der Reinigung des Gases dienender Kasten 50, in dem fahnenartige Querlamellen 52 verlaufen.
Im Gehäuse 12 findet ein Wärmeaustausch zwischen der als Kühlfluid in ihrem querschnittlich mäanderähnlichen Strömungsweg x aufsteigenden Luft einerseits sowie dem Wärme abgebenden Abgas anderseits statt, das in den Rohren 30 im Gegenstrom nach unten geführt und beispielsweise von 180°C auf 80°C gekühlt wird sowie kondensiert. Das Kondensat wird im Kondensattank 38 gesammelt und dann aus diesem abgeführt.
Bei dem Kondensor 11 der 2 ist der sich zur Rückwand 15 – der Höhe h₁ von 1800 mm querschnittlich verjüngende Firstraum 40 des aus rostfreiem Stahl geformten Haubenver schlusses 60 deutlich zu erkennen, ebenso einige der Rohre 30_a einer Länge n von 1.000 mm, die in den aus Polypropylen geformten Kondensattank 38 münden. Diese bestehen jeweils aus einem äußeren Flex- oder Faltrohr, das mit seinen kreisförmigen Profilrillen 31 in 3 angedeutet ist und dessen Durchmesser d hier etwa 80 mm misst. Nicht dargestellt ist, dass im äußeren Flexrohr des Rohres 30_a ein koaxiales Innenrohr verläuft, das zum Rohr 30_a etwa ein halbes Durchmessermaß aufweist.
Der Strömungskanal 32 ist mit zwei unteren Außenmuffen 34 und zwei oberen Außenmuffen 36 ausgestattet.

Claims

Wärmetauschvorrichtung für die Restwärmenutzung von Gasen, insbesondere von Heizungsgasen, mit einem Behälter (10, 11) sowie zumindest einer darin angeordneten Leitung zur Führung eines zu erwärmenden Strömungsmediums, wobei der Behälter einen eine Kondensationsfläche für die Gase anbietenden unteren Bereich (38) enthält, der eine aus Kunststoff bestehende Innenfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung als Strömungsweg (33) aus mehreren von jeweils zwei durch in Abstand (b) zueinander verlaufende Querwände (22, 24, 28) begrenzten Raumsegmenten (32) gebildet ist, wobei jedes der zueinander parallelen Raumsegmente durch einen an einer Behälterwand (14, 15) angeordneten Randspalt (29) mit dem benachbarten Raumsegment verbunden ist sowie die Randspalten wechselweise an einer von zwei einander in Abstand (a) gegenüberliegenden Wänden (14, 15) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (33) von einer wenigstens einen Einlass (34) zugeordneten Bodenquerwand (22) sowie einer zumindest einen Auslass (36) zugeordneten Firstquerwand (24) begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Strömungsweg (33) Rohre (30, 30_a ) queren, deren zwei Mündungen jeweils oberhalb und unterhalb des Strömungsweges, bevorzugt in der Firstquerwand (24) und der Bodenquerwand (22), angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (30, 30_a ) aus Kunststoff geformt und bevorzugt als Flexrohre ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Bodenquerwand (22) der die Kondensationsfläche anbietende Bereich, insbesondere ein Kondensattank (38), angeordnet ist und wenigstens einen Strömungsausgang (44, 46) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch wenigstens einen Kondensatausgang (44) sowie zumindest einen Gasausgang (46).
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensattank (38) von einer zur Bodenquerwand (22) in einem Winkel (w) zur Horizontalen geneigten Bodenplatte (18) begrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der oberen Mündungen der Rohre (30, 30_a ) ein Firstraum (40) verläuft, der gegen den Strömungskanal (33) abgedichtet sowie mit wenigstens einer Eingangsmuffe (42) für den Gasstrom versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Firstraum (40) von einer zur Firstquerwand (24) in einem Winkel (w₁) geneigten Hauben- oder Deckelplatte (20) begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Grenzflächen (14, 15, 16, 20, 24) des Firstraumes (40) aus rostfreiem Stahl bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (18) etwa parallel zur Hauben- oder Deckelplatte (20) verläuft.