DE102007046896B4

DE102007046896B4 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102007046896B4
Application number: DE200710046896
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Klausmann; Gunthard Görge; Roger DÖNGES
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-09-29
Also published as: DE102007046896A1

Abstract

Wärmetauscher, umfassend einen ersten und einen zweiten Sammler (1, 2) für ein erstes fluides Medium, wobei zwischen den Sammlern (1, 2) vom ersten fluiden Medium durchströmbare Verbindungskanäle (3) vorgesehen sind und wobei mindestens zwischen zwei Verbindungskanälen (3) mindestens ein Durchströmspalt (4) für ein zweites fluides Medium vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (3) als Teil mindestens eines wahlweise stranggepressten oder urgeformten Bauteils mit nach dem Strangpressen beziehungsweise Urformen eingebrachtem Durchströmspalt (4) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art ist nach der DE 31 05 598 A1 bekannt. Dieser besteht aus einem ersten und einen zweiten Sammler für ein erstes fluides Medium (typischerweise Wasser aus einem Heizkreislauf), wobei zwischen den Sammlern vom ersten fluiden Medium durchströmbare Verbindungskanäle vorgesehen sind und wobei mindestens zwischen zwei Verbindungskanälen mindestens ein Durchströmspalt für ein zweites fluides Medium (typischerweise heißes Abgas eines Brenners) vorgesehen ist. Die Verbindungskanäle sind bei dieser Konstruktion als einzelne Rohre ausgebildet, die einen langgestreckten Querschnitt aufweisen, so dass die Seitenflächen jedes Rohres im wesentlichen parallel zu den Seitenflächen des Nachbarrohres verlaufen, so dass ein geringer, fester Abstand oder Zwischenraum (Durchströmspalt) zwischen den Rohren verbleibt. Die Rohre sind im Kreis angeordnet, d. h. auch die Sammler sind entsprechend zur Aufnahme der Rohre ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art fertigungs- und montagetechnisch zu verbessern.
Diese Aufgabe ist mit einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Verbindungskanäle als Teil mindestens eines wahlweise stranggepressten oder urgeformten Bauteils mit nach dem Strangpressen beziehungsweise Urformen eingebrachtem Durchströmspalt ausgebildet sind.
Mit anderen Worten ausgedrückt, zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch aus, dass die bisher verwendeten Einzelrohre gewissermaßen in einem Block zusammengefasst sind, wobei zunächst der Block hergestellt wird und erst anschließend die Durchströmspalte in den Block eingebracht werden. Der Block als solches mit den Durchströmspalten kann dann als Ganzes zwischen den beiden Sammlern positioniert werden, d. h. es entfällt die mühsame und zeitaufwändige Positionierung der Einzelrohre, verbunden mit dem Vorteil, dass noch genauer die vorgegebene Breite der Durchströmspalte gewährleistet werden kann, da diese letztlich unabhängig von der tatsächlichen Position der Verbindungskanäle im Bauteil bzw. Block ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, die nachfolgend genauer erläutert sind.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt
1 in Vorderansicht eine einfachste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
2 perspektivisch und teilweise geschnitten den Wärmetauscher als Teil eines Heizkessels; und
3 perspektivisch den Heizkessel gemäß 2 noch weiter aufgeschnitten.
In 1 ist zunächst eine einfachste Grundausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt. Wie alle von der Erfindung umfassten Ausführungsformen besteht dieser aus einem ersten und einem zweiten Sammler 1, 2 für ein erstes fluides Medium (hier Wasser), wobei zwischen den Sammlern 1, 2 vom ersten fluiden Medium durchströmbare Verbindungskanäle 3 vorgesehen sind und wobei mindestens zwischen zwei Verbin dungskanälen 3 mindestens ein Durchströmspalt 4 für ein zweites fluides Medium (hier Gas, insbesondere Abgas) vorgesehen ist.
Wesentlich für diesen Wärmetauscher ist nun, dass die Verbindungskanäle 3 im Unterschied zur vorgenannten DE 31 05 598 A1 als Teil mindestens eines wahlweise stranggepressten oder urgeformten Bauteils mit nach dem Strangpressen beziehungsweise Urformen ins Material zwischen den Verbindungskanälen 3 eingebrachtem Durchströmspalt 4 ausgebildet sind.
Wie aus 1 ersichtlich, ist diese Lösung zunächst einmal prinzipiell für in einer Ebene erstreckte Wärmetauscher möglich. Mit Blick auf die noch zu erläuternden 2 und 3 kommt aber auch in Betracht, dass das die Verbindungskanäle 3 umfassende Bauteil senkrecht zur Strömungshauptrichtung des ersten fluiden Mediums gesehen wahlweise gekrümmt (z. B. kreisförmig) oder abgewinkelt (z. B. L-, U-, dreiecks-, rechtecks- oder mehrecksförmig) ausgebildet ist.
Unabhängig von der tatsächlichen äußeren Form des Wärmetauschers ist vorgesehen, dass dieser, wie ausgeführt, zunächst per Urformen oder Strangpressen erzeugt wird, d. h. jede auf diese Weise herstellbare Form kommt für den Wärmetauscher in Betracht. Erst wenn der Korpus des Wärmetauschers hergestellt ist, wird der mindestens eine Durchströmspalt 4 (in der Regel natürlich eine Vielzahl) per Wasserstrahl- oder Laserstrahlschneiden (oder sonstige geeignete Schneidmethode) in das die Verbindungskanäle 3 aufnehmende Bauteil eingebracht, und zwar natürlich so, dass keine Verbindung zwischen den Verbindungskanälen 3 und dem Durchströmspalt 4 entsteht.
Zur Erzielung gleichmäßiger Wandstärken und damit einer gleichmäßigen Wärmeübertragung ist ferner vorgesehen, dass die Verbindungskanäle 3 in Strömungsrichtung des ersten fluiden Mediums gesehen einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Die erwähnten Scheidmethoden führen im übrigen in vorteilhafter Weise dazu, dass der Durchströmspalt 4 zwischen seinem Ein- und Austrittsquerschnitt für das zweite fluide Medium als ebener Kanal mit konstanter Kanalhöhe ausgebildet ist.
Um schlecht wärmeübertragende Lufträume und Lufteinschlüsse in den Verbindungskanälen 3 zu vermeiden, ist bevorzugt unter Ausnutzung des Erdschwerefelds vorgesehen, dass die Sammler 1, 2 vertikal übereinander angeordnet und die Verbindungskanäle 3 entsprechend vertikal durchströmbar ausgebildet sind.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sammler 1, 2 auf das die Verbindungskanäle 3 umfassende Bauteil vorzugsweise abgedichtet aufsteckbar, deckelförmig und per Urformverfahren, insbesondere per Aluminiumdruckgießen, hergestellt ausgebildet sind.
In den 2 und 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt, und zwar als Bestandteil eines Heizkessels.
Bei dieser Ausführungsform weisen die Sammler 1, 2 jeweils verbindungskanalabgewandt mindestens einen Anschluss 5 zur Zu- oder Abfuhr des ersten fluiden Mediums und ferner einen torusartigen Innenraum zur Führung des ersten fluiden Mediums auf.
Dabei münden die Verbindungskanäle 3 wahlweise direkt in die Sammler 1, 2 aus und/oder im Sammler 1, 2 ist mindestens ein Strömungsführungselement 6 (zum Beispiel in Form eines gegossenen, u-förmigen Führungskanals) zur Verbindung von zwei nebeneinander angeordneten Verbindungskanälen 3 vorgesehen. Insbesondere aus 2 ergibt sich, wie der Einsatz des Strömungsführungselements 6 zu einer meandernden Strömungsführung des ersten fluiden Mediums führt, die nachfolgend noch genauer erläutert wird.
Ferner ist aus den 2 und 3 gut ersichtlich, dass am Strömungsführungselement 6 eine Entlüftungsöffnung 7 vorgesehen ist, die gewährleistet, dass möglicherweise im ersten fluiden Medium gelöste Luft an den höchsten Punkten der Verbindungskanäle 3 entweichen kann und damit die Wärmeübertra gung vom zweiten auf das erste fluide Medium nicht unnötig behindert wird.
Zur Verwendung des Wärmetauschers in einem Heizkessel ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das die Verbindungskanäle 3 umfassende Bauteil im Querschnitt und senkrecht zur Strömungshauptrichtung des ersten fluiden Mediums kreisförmig und einen mantelförmigen Korpus definierend ausgebildet ist. Dabei ist ein vom diesem Korpus umschlossener Raum mindestens teilweise als Brennkammer 8 und teilweise als Abgassammelkammer 9 ausgebildet, wobei zwischen der Brennkammer 8 und der Abgassammelkammer 9 eine vorzugsweise als Wärmedämmblock ausgebildete Trennwand 10 angeordnet ist.
Ferner weist vorzugsweise der obere Sammler 1 eine Öffnung 11 zum Einbringen eines Brenners (zum Beispiel öl- oder gasbetriebener Sturzbrenners – nicht extra dargestellt) in den vom mantelförmigen Korpus umschlossenen Raum auf. Darüber hinaus weist entsprechend der untere Sammler 2 einen pneumatisch mit der Abgassammelkammer 9 verbundenen Abgasanschluss 12 zur Abfuhr des zweiten fluiden Mediums auf, wobei die Sammler 1, 2 außerdem den mantelförmigen Korpus mit ihrem Rand 13 überragen und zusammen mit einem Umschließungselement 14 einen zwischen diesem und dem die Verbindungskanäle 3 umfassenden Bauteil angeordneten Abgasführungsraum 15 definieren.
In einem Heizkessel gemäß den 2 und 3 eingebaut, ergeben sich für die fluiden Medien folgende Strömungswege:
Das erste fluide Medium, wie gesagt, in der Regel Wasser, tritt über den unteren Anschluss 5 in den Sammler 2 ein (siehe schwarzer Pfeil in 2). Von dort gelangt es über Öffnungen in die Verbindungskanäle 3, durchströmt diese zunächst von unten nach oben, wird dann mit Hilfe des eine Entlüftungsöffnung 7 aufweisenden Strömungsführungselements 6 umgelenkt, durchströmt einen weiteren, benachbarten Verbindungskanal 3 von oben nach unten, wird nochmals umgelenkt und gelangt nach Durchströmung eines weiteren Verbindungskanals 3 in den oberen Sammler 1 und von dort zum oberen Anschluss 5. Beim Durchströ men der Verbindungskanäle 3 nimmt es die vom zweiten fluiden Medium abgegebene Wärme auf.
Das zweite fluide Medium (hier das Abgas des in die Öffnung 11 einstreckbaren Brenners) strömt mit Verweis auf 3 zunächst von der Brennkammer 8 von innen nach außen durch die Durchströmspalte 4 in den Abgasführungsraum 15, der nach außen durch das Umschließungselement 14 abgedichtet begrenzt ist. Die Trennwand 10 teilt den vom Wärmetauscher umschlossenen Raum in zwei Hälften auf, d. h. das noch immer warme Abgas strömt im nächsten Schritt nochmals durch die Durchströmspalte 4, diesmal aber weiter unten, und außerdem von außen nach innen zur Abgassammelkammer 9. Mit jedem Durchtritt durch die Durchströmspalte 4 gibt das zweite fluide Medium Wärme an die Wand des Wärmetauschers und damit an das erste fluide Medium ab, und zwar vorzugsweise in dem Maße, dass es beim Verlassen der Abgassammelkammer 9 über den Abgasanschluss 12 nur noch so wenig wie möglich Wärme enthält.

1: Sammler
2: Sammler
3: Verbindungskanal
4: Durchströmspalt
5: Anschluss
6: Strömungsführungselement
7: Entlüftungsöffnung
8: Brennkammer
9: Abgassammelkammer
10: Trennwand
11: Öffnung
12: Abgasanschluss
13: Rand
14: Umschließungselement
15: Abgasführungsraum

Claims

Wärmetauscher, umfassend einen ersten und einen zweiten Sammler (1, 2) für ein erstes fluides Medium, wobei zwischen den Sammlern (1, 2) vom ersten fluiden Medium durchströmbare Verbindungskanäle (3) vorgesehen sind und wobei mindestens zwischen zwei Verbindungskanälen (3) mindestens ein Durchströmspalt (4) für ein zweites fluides Medium vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (3) als Teil mindestens eines wahlweise stranggepressten oder urgeformten Bauteils mit nach dem Strangpressen beziehungsweise Urformen eingebrachtem Durchströmspalt (4) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmspalt (4) per Wasserstrahl- oder Laserstrahlschneiden in das die Verbindungskanäle (3) aufnehmende Bauteil eingebracht ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmspalt (4) zwischen seinem Ein- und Austrittsquerschnitt für das zweite fluide Medium als ebener Kanal mit konstanter Kanalhöhe ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (3) in Strömungsrichtung des ersten fluiden Mediums gesehen einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (3) vertikal durchströmbar ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler (1, 2) vertikal übereinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler (1, 2) auf das die Verbindungskanäle (3) umfassende Bauteil vorzugsweise abgedichtet aufsteckbar ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler (1, 2) per Urformverfahren, insbesondere per Aluminiumdruckgießen, gebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler (1, 2) deckelförmig ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler (1, 2) zur Führung des ersten fluiden Mediums einen torusartigen Innenraum aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler (1, 2) jeweils verbindungskanalabgewandt mindestens einen Anschluss (5) zur Zu- oder Abfuhr des ersten fluiden Mediums aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (3) wahlweise direkt in die Sammler (1, 2) ausmünden und/oder dass im Sammler (1, 2) mindestens ein Strömungsführungselement (6) zur Verbindung von zwei nebeneinander angeordneten Verbindungskanälen (3) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Strömungsführungselement (6) eine Entlüftungsöffnung (7) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindungskanäle (3) umfassende Bauteil senkrecht zur Strömungshauptrichtung des ersten fluiden Mediums gesehen wahlweise gekrümmt oder abgewinkelt ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindungskanäle (3) umfassende Bauteil im Querschnitt und senkrecht zur Strömungshauptrichtung des ersten fluiden Mediums kreisförmig und einen mantelförmigen Korpus definierend ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom mantelförmigen Korpus umschlossener Raum mindestens teilweise als Brennkammer (8) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom mantelförmigen Korpus umschlossener Raum mindestens teilweise als Abgassammelkammer (9) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkammer (8) und der Abgassammelkammer (9) eine vorzugsweise als Wärmedämmblock ausgebildete Trennwand (10) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Sammler (1) eine Öffnung (11) zum Einbringen eines Brenners in den vom mantelförmigen Korpus umschlossenen Raum aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Sammler (2) einen pneumatisch mit der Abgassammelkammer (9) verbundenen Abgasanschluss (12) zur Abfuhr des zweiten fluiden Mediums aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler (1, 2) den mantelförmigen Korpus mit ihrem Rand (13) überragen und zusammen mit einem Umschließungselement (14) einen zwischen diesem und dem die Verbindungskanäle (3) umfassenden Bauteil angeordneten Abgasführungsraum (15) definieren.