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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für
ein Heizgerät, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Gattungsgemäße
Wärmetauscher, meistens aus Grauguss oder Aluminium gefertigt,
werden bei mit Öl oder Gas befeuerten Heizgeräten
für den Wärmeaustausch zwischen den Heizgasen
und dem Heizwasser eingesetzt. Hinsichtlich der heizwasserseitigen
Strömungsführung unterscheidet man zwischen zwangsdurchströmten
und nicht zwangsdurchströmten Wärmetauschern.
Bei zwangsdurchströmten Wärmetauschern sorgt eine
Umwälzpumpe für einen vorgegebenen Wasservolumenstrom
durch die zumeist engen, mäanderförmig angelegten
Wasserkanäle. Auf diese Weise sind trotz geringen Wasserinhaltes
recht hohe, heizgasseitig eingetragene Wärmestromdichten
realisierbar. Bei nicht zwangsdurchströmten Wärmetauschern
ist der Heizwasserinhalt deutlich größer, gleichzeitig
sind die realisierbaren Wärmestromdichten in der Regel
niedriger. Die Wasserführung erfolgt nicht in engen geschlossenen Kanälen,
sondern über oberflächenvergrößernde Wärmeleitelemente,
beispielsweise in Rippenform, in vergleichsweise groß bemessenen
Querschnitten und basiert auf thermischer Konvektion.
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Bei
der konstruktiven Auslegung eines solchen Wärmetauschers
müssen die Wärmeleistung des Wärmeerzeugers
sowie die heizgasseitigen und wasserseitigen Wärmetauscherflächen
in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Einerseits muss
der Wärmestrom der Heizgase bis herab zu einer Auslegungstemperatur
auf den Wärmetauscher übertragen werden, andererseits
muss der Wärmetauscher denselben Wärmestrom an
das umgebende Heizwasser abgeben können. Aus Gründen
eines kompakten Aufbaus ist man bestrebt, die für die Wärmeübertragung
erforderlichen Wärmetauscherflächen mit Hilfe
von oberflächenvergrößernden Elementen,
beispielsweise in Rippenform, unterzubringen. Leistungsabstaffelungen
werden üblicherweise durch einen Gesamtaufbau eines Heizgerätes
aus mehreren Kesselgliedern umgesetzt. Die Kesselglieder werden
einzeln gefertigt, mit relativ aufwändig bearbeiteten Schnittstellen
versehen und dann zu einem Block zusammengefügt. In der
Regel sind Vorder-, Mittel- und Endglieder nötig. Also
drei Versionen bzw. Modelle im gießtechnischen Fertigungsprozess.
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Es
gibt auch einstückig gegossene Wärmetauscher aus
Grauguss oder Aluminium, welche bei Heizkesseln für den
Wärmeaustausch zwischen den Heizgasen und dem Kesselwasser
eingesetzt werden. Sie bestehen aus mindestens einem Wasserkanal
mit begrenzenden Wänden, wobei mindestens eine Wand eine
heizgasberührte, vorzugsweise mit oberflächenvergrößernden
Elementen versehene Wandseite, sowie eine wasserberührte
Wandseite aufweist. Allerdings hat die Einstückigkeit den
Nachteil, dass Die
EP
0 287 142 B1 zeigt einen Wärmetauscher für
ein zwangsdurchströmtes Heizgerät mit einem serpentinenartig
zwischen einem Rücklauf- und einem Vorlaufanschluss verlaufenden
Wasserkanal, dessen gerade Teilstücke jeweils benachbart
entlang einer Trennwand verlaufen und über eine Umlenkzone
miteinander verbunden sind. In Verlängerung der Achse der
Trennwand sind Öffnungen in der Kanalwand angebracht. Diese
dienen zum Entfernen des Kernsandes nach dem Gießvorgang
und werden später mit Stopfen verschlossen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher,
insbesondere für ein Heizgerät, für den
Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser,
zu schaffen, welcher bei möglichst kompakten Abmessungen
gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzt, gut
zu reinigen, einfach herstellbar und für verschiedene Feuerungsleistungen
variabel einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß wird
dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
konstruktive Aufbau des Wärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher im Wesentlichen aus einem extrudierten oder
stranggepressten Profil sowie aus einem für Extrusions-
oder Strangpressverfahren geeigneten Werkstoff besteht. Dabei erstrecken
sich die für Heizgasführung und Heizwasser vorgesehenen
Kanäle im Wesentlichen in Längsrichtung des Profils,
wobei die Aufnahme für den Brenner auf der einen und der Abgassammler
auf derselben oder der anderen Stirnseite liegt. Es kann alternativ
dazu an einer Stirnseite sowohl der Brenner, zum Beispiel im oberen
Bereich, als auch der Abgassammler, zum Beispiel dann im Bereich
darunter, angeordnet sein.
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Über
das Ablängen des extrudierten oder stranggepressten Profils
lassen sich die Wärmetauscherfläche und entsprechende
Leistungsgrößen einfach bestimmen. Beide Stirnseiten
des Profils sind in Form eines Flansches ausgebildet, um zugeordnete
Deckel aufzunehmen. Dies kann zum Beispiel durch entsprechend stark
für Gewindeschnitte ausgebildet Wandbereiche sowie gerade,
für Dichtzwecke bearbeitete stirnseitige Schnittflächen
realisiert werden.
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Beide
stirnseitigen Deckel sind als Verschluss für heizgas- und
wasserführende Kanäle ausgebildet, wobei ein Deckel
auch als Brennkammer-Verschluss und Brenneraufnahme und der andere,
vorzugsweise gegenüberliegende Deckel als Abgassammler
dient.
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Die
heizgas- und/oder wasserführenden Kanäle verlaufen
serpentinenartig in einer vertikalen, sich längs erstreckenden
Ebene zwischen den Stirnseiten des Profils und/oder spiralförmig
zwischen den Stirnseiten des Profils hin- und her. Alternativ oder
ergänzend dazu können die Deckel jeweils ganz
oder teilweise als Verschluss oder Umlenkzone für heizgas-
und wasserführende Kanäle ausgebildet sein. Dabei
wird dann der Strömungsweg von jeweils mindestens zwei
stirnseitig ausmündenden Kanälen miteinander verbunden.
Die Deckel sind im Wesentlichen flachdichtend den Stirnseiten des
Profils zugeordnet und durch stirnseitige Einfräsungen
in den Wänden oder Stegen innerhalb des Profils können Überströmöffnungen
und Umlenkzonen zwischen jeweils benachbarten heizgas- und wasserführenden Kanälen
in den Endbereichen bzw. in der Nähe der Deckel ausgebildet
werden.
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In
einer Ausführungsform teilen sich Heizgas- und/oder Wasserführung
auf mehrere Abschnitte von parallel durchströmten Kanälen
auf. Dabei variieren die Anzahl und/oder der freie Querschnitt der Kanäle
in einem Abschnitt in Strömungsrichtung. So ist es beispielsweise
vorteilhaft, wenn in Strömungsrichtung der Heizgase die
Anzahl und/oder der freie Querschnitt der Kanäle entsprechend
des heizgasseitigen Temperaturverlaufs abnimmt. Die oberflächenvergrößernden
Elemente an Wandbereichen auf der Heizgas- und/oder Wasserseite
des Profils können als in Längsrichtung verlaufende
Rippen und/oder die Kanäle von Wand zu Wand durchgreifende
Stege ausgebildet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform besteht das Profil einen
wasserführenden äußeren Mantel sowie
einen zusammenhängenden, heizgasbeaufschlagten inneren
Bereich mit einer oben horizontal angeordneten Brennkammer, einem
unteren Abgassammelkanal sowie zwischen Brennkammer und Abgassammelkanal
angeordneten Wärmetauscherflächen. Diese weisen
wechselweise von der rechten und linken Begrenzungswand in Richtung
der gegenüberliegenden Wand vorspringenden Rippen auf.
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Bei
einer weiteren Alternative besteht das extrudierte oder stranggepresste
Profil aus einer taschenartigen, nur stirnseitig offenen Wandkontur, welche
in zugeordnete stirnseitige Aufnahmen oder Deckel einzufügen
ist. Dabei wird das Profil wahlweise entweder im Inneren mit Heizgas
beaufschlagt und ist außen von Heizwasser umgeben, das
sich zum Beispiel in einem umgebenden Wassermantelraum befindet.
Oder das Profil ist im Inneren mit Heizwasser beaufschlagt und außen
von Heizgas umgeben.
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Außerdem
kann ein stirnseitiger Deckel mindestens zweiteilig ausgeführt
sein. Dabei schließt dann ein erster, insbesondere ringförmig
umlaufender Deckel die Heizwasser führenden Känale
dicht ab und ist mit dem extrudierten oder stranggepressten Profil
verbunden. Mindestens ein zugeordneter zweiter Deckel ist wiederum
am ersten Deckel fixiert und schließt die Heizgas führenden
Kanäle ab. Dadurch wird eine einfache Zugänglichkeit
zur Heizgasführung, beispielsweise zu Reinigungszwecken,
ermöglicht, ohne dass wasserseitige Abdichtungen gelöst
oder geöffnet werden müssen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Gestaltung entsteht ein
Wärmetauscher, insbesondere für ein Heizgerät,
für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und
umgebendem Heizwasser, welcher bei möglichst kompakten
Abmessungen gute Wärmeübertragungseigenschaften
besitzt. Er ist durch die abnehmbaren stirnseitigen Deckel und die
längs verlaufenden Kanäle gut zu reinigen. Das
Endlos-Profil bietet neben der einfachen Herstellung eines Wärmetauschers
auch den Vorteil, über unterschiedliche Wärmetauscher-Längen
verschiedene Feuerungs- und Wärmetauscherleistungen variabel
abzudecken. Trotzdem bleiben dann alle stirnseitig angeordneten Anbauteile
sowie die Verbindung zwischen Deckel und Profilkörper gleich.
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Die
Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Es zeigt einen Wärmetauscher eines Heizgerätes:
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1:
mit einer serpentinenartigen Heizgasführung in Längsrichtung
in einem vertikalen Längsschnitt,
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2:
gemäß 1, in einem vertikalen Querschnitt,
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3:
in einer weiteren Variante mit einer schachtartigen Heizgasführung
in einem vertikalen Querschnitt und
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4:
in einer weiteren Variante mit einer serpentinenartigen Heizgasführung
in Querrichtung in einem vertikalen Querschnitt.
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Der
Wärmetauscher besteht im Wesentlichen aus einem einstückigen
Körper aus einem extrudierten oder stranggepressten Profil 1 sowie
aus einem für Extrusions- oder Strangpressverfahren geeigneten
Werkstoff. Im oberen Bereich Profils 1 wird eine Brennkammer 2 mit
Aufnahme für einen Gas- oder Ölbrenner 3 ausgebildet,
von der eine Heizgasführung 4 ausgeht, welche
in einen Abgassammler 5 mit Anschlussstutzen für
eine Abgasleitung mündet.
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Beide
Stirnseiten des Profils 1 sind in Form eines Flansches
ausgebildet und mit zugeordneten Deckeln 6, 6' verschlossen,
welche jeweils ganz oder teilweise als Verschluss oder Umlenkzone
für Heizgasführung 4 und wasserführende
Kanäle 7 ausgebildet sind. 1 macht
deutlich, wie die Deckel 6, 6' im Wesentlichen
flachdichtend den Stirnseiten des Profils zugeordnet sind und wie
durch stirnseitige Einfräsungen in den Wänden
oder Stegen 9, 10 innerhalb des Profils 1 Überströmöffnungen 8 und
Umlenkzonen zwischen jeweils benachbarten Kanälen der Heizgasführung 4 und
jeweils benachbarten wasserführenden Kanälen 7 ausgebildet
sind.
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Gemäß den 1 und 2 laufen
die Kanäle der Heizgasführung 4 serpentinenartig
in einer vertikalen, sich längs erstreckenden Ebene zwischen den
Stirnseiten des Profils 1 hin- und her. Die Stege 9 sind
quer durchgehend und trennen die horizontalen Ebenen der Heizgasführung 4 voneinander
ab. Außen herum ist ein Mantel mit wasserführenden
Kanälen 7 und Stegen 10 vorgesehen, welche
einerseits der Stabilität und andererseits zum Aufteilen
der wasserführenden Kanäle 7 dienen,
um beispielsweise eine serpentinenartige Wasserströmung
entgegen der Heizgasströmung auszubilden.
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Bei
der weiteren Variante gemäß 3 mit einer
schachtartigen Heizgasführung 4 besitzt das Profil
einen wasserführenden äußeren Mantel
sowie eine zusammenhängende Heizgasführung 4,
welche sich im inneren Bereich über die gesamte Länge
des Profils 1, ausgehend von einer oberen horizontal angeordneten
Brennkammer 2, zu einem unteren Abgassammelkanal 11 erstreckt.
Die Heizgasführung 4 liegt wedelförmig
zur Turbulenzerhöhung im Wasserraum, wobei die Stege 10 der
umgebenden wasserführenden Kanäle 7 für
Stabilität sorgen.
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Gemäß 4 erfolgt
die serpentinenartige Heizgasführung 4 in Querrichtung
innerhalb des Profils 1, unterstützt durch einseitig
hervorspringende, ungekühlte Rippen 12. Diese
springen wechselweise von der rechten und linken Begrenzungswand
in Richtung der gegenüberliegenden Wand hervor und vergrößern
somit die zwischen Brennkammer 2 und Abgassammelkanal 11 angeordneten
Wärmetauscherflächen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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