DE102008050153B4

DE102008050153B4 - Gargerät mit Wärmetauscherleitung

Info

Publication number: DE102008050153B4
Application number: DE102008050153.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schreiner Thomas
Original assignee: Rational AG
Current assignee: Rational AG
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: DE102008050153A1

Abstract

Gargerät mit zumindest einer Wärmetauscherleitung, durch die ein erstes Fluid förderbar ist, und einem Garraum, in dem ein zweites Fluid zirkulierbar ist, wobei das zweite Fluid außen an der Wärmetauscherleitung zumindest zeitweise vorbeiströmt, so dass das erste Fluid das zweite Fluid aufwärmt oder erzeugt, oder das zweite Fluid das erste Fluid aufwärmt oder erzeugt, wobeiin der Wärmetauscherleitung (1, 1') im Betrieb das erste Fluid längs der Längsachse L der Wärmetauscherleitung (1, 1') eine Hauptströmung aufweist, und wobei die Wärmetauscherleitung (1, 1') zumindest zwei erste Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b), die relativ zu einer die Längsachse L umfassenden Ebene E, E' sich spiegelsymmetrisch gegenüberliegen aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassdie ersten Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b) schräg zur Ebene E, E' angeordnet sind, so dass im Betrieb aus der längs der Längsachse L verlaufenden Hauptströmung über die ersten, schräg zur Ebene E, E' angeordneten Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b) zwei sekundäre Strömungen B1, B2 mit entgegengesetztem Drehsinn in einer im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse L und der Ebene E verlaufenden, weiteren Ebene abgespaltet werden, wobeidie zwei sekundären Strömungen B1, B2 an sich gegenüberliegenden Punkten P1, P2 der Wandung der Wärmetauscherleitung (1, 1') im Bereich der ersten Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b) in dieselbe Richtung abgelenkt werden,längs der Wandung verlaufen, bis sie im Bereich der Ebene E, E' wieder aufeinanderstoßen, um längs der Ebene E, E' zu strömen und im Anschluss jeweils sodann längs der Wandung zu ihren Punkten P1, P2 zurückzuströmen, und wobei in dem Fall, in dem das zweite Fluid Garraumatmosphäre ist, die Wärmetauscherleitung zumindest bereichsweise um ein das zweite Fluid zirkulierende Gebläserad herum oder in einem Wärmespeicher angeordnet ist, oderin dem Fall, in dem das zweite Fluid Dampf ist, die Wärmetauscherleitung in einem Wasserkessel eines Dampfgenerators zur Erzeugung des zweiten Fluids angeordnet ist.

Description

Die folgende Erfindung betrifft ein Gargerät mit zumindest einer Wärmetauscherleitung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Wärmetauscherleitungen bekannt, bei denen jeweils eine Hauptströmung innerhalb einer Wärmetauscherleitung zwecks Verbesserung eines Wärmeaustauschs konditioniert wird, sei es durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsform. So sind beispielsweise zur Erzwingung einer Drallströmung Ein- und/oder Ausdellungen, wie in Form von schräg verlaufenden Dellen gleicher Drehrichtung aus der US 5 979 548 A und von mehrgängig angeordneten Spiraldellen, die auch winkelversetzt vorliegen können, aus der DE 94 18 641 U1 bekannt. Bei einer Drallströmung wird die Hauptströmung, die sich normalerweise aus einer kälteren und langsamen Wandströmung und einer schnelleren und heißeren Kernströmung zusammensetzt, derart geändert, dass die Kernströmung von der Wandströmung umkreist wird.
Um die Kernströmung zumindest bereichsweise zur Wandung zu lenken, sind ebenfalls zahlreiche Maßnahmen bekannt, wie die Forderung spezieller Abmessungen und Strömungsgeschwindigkeiten, siehe beispielsweise die DE 601 10 348 T2 .
Durch Prägungen einer Wandung eine Strömung in einem Wärmetauscherrohr zwecks Verwirbelung abreissen zu lassen, ist z. B. aus der DE 199 55 939 A1 bekannt.
Weiterhin ist es bekannt, dass die Erzwingung von Turbulenzen, beispielsweise durch Oberflächenrauhigkeiten, zu einer verbesserten Wärmeübertragung führen, siehe beispielsweise die DE 102 56 232 B4 .
Zudem ist es bekannt, dass sich in Rohrkrümmern sekundäre Strömungen bilden, die zwar sich positiv auf eine Wärmeübertragung auswirken, jedoch mit hohen Druckverlusten einhergehen, da Strömungsenergie an einer Umlenkung zum großen Teil verloren geht, siehe beispielsweise die DE 21 40 419 B2 .
Eine gattungsgemäße Wärmetauscherleitung, an der ein Wärmeträgermedium mit einem durch Prägungen speziellen Verlauf vorbeiströmt, ist der DE 29 709 136 U1 entnehmbar. Wasserleitungsvorrichtungen mit bewegten Wasserstraßen sind im Einsatz in Gargeräten bekannt, siehe die DE 199 26 485 A1 .
Ein System zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von vorhandener Wärme im Abwasser eines Gebäudes ist aus der WO 95/27873 A1 bekannt.
Zudem sind Diffusoren bekannt, siehe die DE 43 25 977 A1 und DE 914 802 B Rohrkrümmer, siehe die DE 21 40 419 B2 , und andere Leitungssystem, siehe die US 6 523 572 B1 , jeweils mit Strömungsleitgliedern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße Gargerät mit Wärmetauscherleitung derart weiterzuentwickeln, dass es die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Insbesondere soll die Wärmetauscherleitung zu einer verbesserten Wärmeübertragung ohne übermäßigen Anstieg des Strömungswiderstandes führen und gleichzeitig kostensparend sowie platzsparend sein.
Erfindungsgemäß wird diese durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte erfindungsgemäße Gargeräte sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass Strömungsleitglieder, insbesondere in Form von Prägungen, ein in axialer Richtung in einer Wärmetauscherleitung strömendes erstes Fluid an gegenüberliegende Wandungspunkte in dieselbe Richtung ablenkt, sodass sie in der Mitte wieder zurückströmen, um in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Wärmetauscherleitung aus der Hauptströmung zwei Sekundärströmungen abzuspalten, wodurch die heiße schnelle Kernströmungskomponente der Hauptströmung an die Wandung der Wärmetauscherleitung gezwungen wird, was zu einer Verbesserung des Wärmeaustausches über die Wandung mit einem außen an der Wärmetaucherleitung vorbeiströmenden zweiten Fluid führt. Diese Art der Ablenkung ist insofern neu und überraschend, als sie die beiden Sekundärströmungen gegeneinander lenkt, und nicht die heiße Kernströmung nur von kühlerer Wandströmung wie im Falle der Drallströmung umkreisen lässt, während die Sekundärströmungen auch nicht durch Fliehkräfte wie im Fall von Krümmern erzwungen werden, was somit spezielle Vorgaben an Krümmungen vermeidet, sondern bei jeder beliebigen geometrischen Ausformung der Wärmetauscherleitung über spezielle Strömungsleitglieder möglich ist.
Wird solch eine Wärmetauscherleitung als Teil einer Heißluft-Heizung in einem Gargerät verwendet, so ist es vorgesehen die Wärmetauscherleitung um ein Gebläserad herum anzuordnen. Es lassen sich mehr Windungen der Wärmetauscherleitung dabei unterbringen, wenn die Wärmetauscherleitung einen elliptischen Querschnitt aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die die Strömungsleitglieder darstellenden Prägungen zeitgleich mit einer elliptischen Verformung einer ursprünglich einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Wärmetauscherleitung hergestellt werden, nämlich durch Abplattung und Prägung auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten.
In dem Fall, in dem die Wärmetauscherleitung um ein Gebläserad herum angeordnet ist, kommt es zu einer Queranströmung der Wärmetauscherleitung durch Garraumatmosphäre, so dass es im Bereich hoher Reynoldszahlen zu einer frühen Ablösung der Garraumatmosphärenströmung kommt. Im Bereich mittlerer und kleinerer Reynoldszahlen können zusätzliche Maßnahmen für einen Strömungsabriss ergriffen werden, wie Bereitstellung einer Abrisskante in Form eines Knickes oder dergleichen, nämlich auf der Außenfläche der Wärmetauscherleitung, um den Wärmeaustausch zur Garraumatmosphäre weiter zu verbessern.
Weitere Verbesserungen eines Wärmeübertrags lassen sich selbstverständlich durch oberflächenvergrößernde Maßnahme sowohl auf der Außenfläche als auch der Innenfläche der Wandung der Wärmetauscherleitung erzwingen.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Wärmetauscherleitungen für erfindungsgemäße Gargeräte besonders kostengünstig mit einem günstigen Verhältnis von erhöhtem Wärmeübergang zu erhörtem Druckverlust herstellbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen. Dabei zeigt:

1a eine perspektivische Teilansicht einer ersten Wärmetauscherleitung;
1b eine Querschnittsansicht durch die Wärmetauscherleitung der 1a; und
2 eine Querschnittsansicht durch eine zweite Wärmetauscherleitung.

Wie 1 zu entnehmen ist, kann eine erste Wärmetauscherleitung durch ein einfaches Wärmetauscherrohr 1 mit Prägungen 2a, 2b bereitgestellt werden. Dabei verlaufen die Prägungen 2a, 2b auf zwei sich gegenüberliegenden Wandungsabschnitten des Wärmetauscherrohrs 1 jeweils schräg von unten nach oben, und zwar spiegelsymmetrisch zu einer die Längsachse L des Wärmetauscherrohrs 1 umfassenden Ebene E, die in 1b zu sehen ist.
In 1b sind zur Vereinfachung der Darstellung anstelle eines Paars aus zwei spiegelsymmetrischen Prägungen 2a, 2b zwei Punkte P1 und P2 zu erkennen. Durch die Prägungen 2a, 2b kommt es nämlich dazu, dass eine sich längs der Längsachse L ausbreitende Hauptströmung eines ersten Fluids im Wärmetauscherrohr 1 in zwei Innenströmungen B1 und B2 aufteilt, die im Anschluss Sekundärströmungen genannt werden. Die Prägungen 2a, 2b sorgen genauer gesagt dafür, dass an den Punkten P1, P2 die Hauptströmung im Bereich der Wandung des Wärmetauscherrohrs 1 in gleiche Richtung abgelenkt werden, sich entlang gegenüberliegender Wandungsabschnitte aufeinander zubewegen und in der Mitte, und zwar links und rechts von der Ebene E, wieder treffen, längs derselben sich von dort zur gegenüberliegenden Wandung des Wärmetauscherrohrs 1 ausbreiten und schließlich entlang der Wandung zu ihren Ausgangspunkten P1, P2 gelangen.
Die Ebene E stellt also eine Spiegelebene nicht nur für die Prägungen 2a, 2b, sondern auch für die Sekundärströmung B1, B2 dar, wobei jede Sekundärströmung B1, B2 auf einer geschlossenen Bahn zirkuliert. Durch die in 1b gezeigten Sekundärströmungen B1, B2 kommt es somit zu einer intensiven Vermischung der beiden Komponenten einer üblichen Hauptströmung, nämlich der, relativ gesehen, heißeren und schnelleren Kernströmung mit der, relativ gesehen, kühleren und langsameren Wandungsströmung, was zu einer Verbesserung des Wärmeaustauschs des ersten Fluids in dem Wärmetauscherrohr 1 mit einem zweiten Fluid außerhalb des Wärmetauscherrohrs 1 führt.
Das Wärmetauscherrohr 1 kann zum Einsatz in einem Gargerät, wie z.B. einem von der Anmelderin unter dem Handelsnamen SelfCooking Center® vertriebenen Gargerät, um ein Gebläserad herum gewickelt, beispielsweise wie folgt dimensioniert sein:

Rohrdurchmesser: 30-80 mm;
Länge einer jeden Prägung: 20-50 mm;
Maximale Breite einer jeden Prägung: 5-10 mm;
Tiefe einer jeden Prägung: 1-15 mm; und
Abstand zwischen zwei benachbarten Prägungen auf einer Seite der Spiegelebene E, also zwischen zwei benachbarten Paaren an Prägungen: 1-10 cm

Diese Bemaßungen ändern sich selbstverständlich, wenn noch weitere Maßnahmen zur Verbesserung eines Wärmetausches bereitgestellt sind, wie oberflächenvergrößernde Maßnahmen oder Strömungsleitbleche im Inneren des Wärmetauscherrohrs, ohne dass dieselben in den 1a und 1b gezeigt sind.
2 zeigt ein alternatives, zweites Wärmetauscherrohr 1', das einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist, was für den Einsatz in einem Gargerät im Falle der Umwickelung eines Gebläserads besonders günstig ist, da dadurch die Anzahl von Wicklungen bei gleichem Installationsraum vergrößert werden kann.
Das Wärmetauscherrohr 1' weist zwei zu einer Spiegelebene E' spiegelsymmetrisch angeordnete Prägungen 2'a, 2'b auf, wobei sich die Prägungen 2'a, 2'b im Wesentlichen senkrecht zur Richtung einer Außenströmung A im Bereich der elliptischen Abplattung des Wärmetauscherrohrs 1' ausbreiten. Die Außenströmung A ihrerseits wird durch die durch das Gebläserad zirkuliert werdende Garraumatmosphäre bereitgestellt. Zur Verbesserung eines Wärmeübertrags zwischen der Garraumatmosphäre und beispielsweise einem Brenngas im Inneren des Wärmetauscherrohrs 1' sind zwei Abrisskanten darstellende Knicke 3'a und 3'b vorgesehen.
Die in der voranstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Gargerät mit zumindest einer Wärmetauscherleitung, durch die ein erstes Fluid förderbar ist, und einem Garraum, in dem ein zweites Fluid zirkulierbar ist, wobei das zweite Fluid außen an der Wärmetauscherleitung zumindest zeitweise vorbeiströmt, so dass das erste Fluid das zweite Fluid aufwärmt oder erzeugt, oder das zweite Fluid das erste Fluid aufwärmt oder erzeugt, wobei in der Wärmetauscherleitung (1, 1') im Betrieb das erste Fluid längs der Längsachse L der Wärmetauscherleitung (1, 1') eine Hauptströmung aufweist, und wobei die Wärmetauscherleitung (1, 1') zumindest zwei erste Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b), die relativ zu einer die Längsachse L umfassenden Ebene E, E' sich spiegelsymmetrisch gegenüberliegen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b) schräg zur Ebene E, E' angeordnet sind, so dass im Betrieb aus der längs der Längsachse L verlaufenden Hauptströmung über die ersten, schräg zur Ebene E, E' angeordneten Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b) zwei sekundäre Strömungen B1, B2 mit entgegengesetztem Drehsinn in einer im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse L und der Ebene E verlaufenden, weiteren Ebene abgespaltet werden, wobei die zwei sekundären Strömungen B1, B2 an sich gegenüberliegenden Punkten P1, P2 der Wandung der Wärmetauscherleitung (1, 1') im Bereich der ersten Strömungsleitglieder (2a, 2'a, 2b, 2'b) in dieselbe Richtung abgelenkt werden, längs der Wandung verlaufen, bis sie im Bereich der Ebene E, E' wieder aufeinanderstoßen, um längs der Ebene E, E' zu strömen und im Anschluss jeweils sodann längs der Wandung zu ihren Punkten P1, P2 zurückzuströmen, und wobei in dem Fall, in dem das zweite Fluid Garraumatmosphäre ist, die Wärmetauscherleitung zumindest bereichsweise um ein das zweite Fluid zirkulierende Gebläserad herum oder in einem Wärmespeicher angeordnet ist, oder in dem Fall, in dem das zweite Fluid Dampf ist, die Wärmetauscherleitung in einem Wasserkessel eines Dampfgenerators zur Erzeugung des zweiten Fluids angeordnet ist.
Gargerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Strömungsleitglied bereitgestellt ist durch eine Prägung (2a, 2'a, 2b, 2'b) und/oder ein Leitblech, die bzw. das sich von der Wandung der Wärmetauscherleitung (1, 1') in dieselbe hineinerstreckt, und/oder eine Vielzahl von zwei ein Paar bildenden ersten Strömungsleitgliedern (2a, 2b) in Längsrichtung L der Wärmetauscherleitung (1) hintereinander angeordnet sind, und/oder alle ersten Strömungsleitglieder (2a, 2b) auf einer Seite der Ebene E die gleiche Relativanordnung zu der Ebene E aufweisen.
Gargerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherleitung (1, 1') gerade und/oder gebogen ausgebildet ist, und/oder der Querschnitt der Wärmetauscherleitung (1, 1') senkrecht zur Längsachse L im Wesentlichen kreisrund und/oder elliptisch ausgebildet ist.
Gargerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer gebogenen Wärmetauscherleitung die ersten Strömungsleitglieder die Hauptströmung an zwei gegenüberliegenden Punkten der Wandung der Wärmetauscherleitung bezüglich der Biegung nach innen ablenken.
Gargerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite der Wandung der Wärmetauscherleitung zusätzlich zu den ersten Strömungsleitgliedern zumindest eine Oberflächenvergrößerung bereitgestellt ist, und/oder auf der Außenseite der Wandung der Wärmetauscherleitung (1') zusätzlich zu den ersten Strömungsleitgliedern (2'a, 2'b) eine Oberflächenvergrößerung und/oder zumindest ein zweites Strömungsleitglied, umfassend vorzugsweise zumindest eine Abrisskante (3'a, 3'b), insbesondere in Form einer Unebenheit und/oder eines Knicks, bereitgestellt ist bzw. sind.
Gargerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Abplattung des, insbesondere elliptischen, Querschnitts der Wärmetauscherleitung (1'), parallel zur Richtung der Hauptströmung A eines zweiten, die Wärmetauscherleitung (1') umströmenden Fluids bereitgestellt ist, wobei vorzugsweise jedes erste Strömungsleitglied (2'a, 2'b) und/oder jedes zweite Strömungsleitglied (3'a, 3'b) zumindest teilweise im Bereich einer Abplattung angeordnet ist.