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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gargerät, umfassend
zumindest eine Brennereinrichtung und zumindest einen Wärmetauscher,
zur Erwärmung zumindest eines mit dem Wärmetauscher
in Kontakt stehenden Mediums, mit zumindest einem Wärmetauscherrohr
mit zumindest einer Wandung zur Leitung von Verbrennungsgasen der
Brennereinrichtung von zumindest einem Wärmetauschereingang
entlang einer Längsrichtung des Wärmetauscherrohres zu
zumindest einem Wärmetauscherausgang, wobei sich die Konfiguration
des Wärmetauscherrohres zumindest bereichsweise von dem Wärmetauschereingang
zu dem Wärmetauscherausgang hin verändert.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Gargeräten
bekannt. Bei derartigen Gargeräten wird ein Gargut mittels
Hitzeeinwirkung in einem Garraum gegart. Die Hitzeeinwirkung kann
durch Erwärmung einer Garraumatmosphäre in dem
Garraum erfolgen oder, wie es bei einem sogenannten Kombidämpfer
der Fall ist, wahlweise mittels einer Erwärmung der Garraumatmosphäre
und/oder mittels Zufuhr von Wasserdampf in den Garraum. Zur Erwärmung
der Garraumatmosphäre und zur Erzeugung von Dampf werden üblicherweise
Wärmetauscher verwendet. So werden beispielsweise Verbrennungsgase
einer Brennereinrichtung durch Wärmetauscherrohre derartiger
Wärmetauscher geleitet, um ein über eine Außenseite
des Wärmetauscherrohres fließendes Medium und/oder
ein mit einer Außenfläche des Wärmetauscherrohres
in Kontakt stehendes Medium zu erwärmen.
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Bei
der Durchleitung von Verbrennungsgasen durch ein Wärmetauscherrohr
eines Wärmetauschers besteht das Problem, dass die Verbrennungsgase,
die einem Wärmetauschereingang zugeführt werden,
eine höhere Temperatur aufweisen, als die Verbrennungsgase,
die den Wärmetauscher durch einen Wärmetauscherausgang
verlassen. Dieser Temperaturgradient führt dazu, dass bei
einer gleichförmigen Ausbildung bzw. Konfiguration des
Wärmetauscherrohres von einem Wärmetauschereingang zu
einem Wärmetauscherausgang im Bereich des Wärmetauscheingangs
ein hoher Wärmeenergieübergang von den Verbrennungsgasen
an das Medium stattfindet, während im Bereich des Wärmetauscherausgangs
ein vergleichsweise geringerer Wärmeenergieübergang
stattfindet. Dadurch kommt es zu einer ungleichmäßigen
Erwärmung des Mediums, was grundsätzlich unerwünscht
ist. So kann eine ungleichmäßige Erwärmung
eines Mediums in Form einer Garraumatmosphäre zu einer
Ausbildung eines Temperaturgradienten innerhalb des Garraums führen,
was zu einem unerwünschten Garer gebnis führen
kann, da Gargüter, die in unterschiedlichen Bereichen des
Garraums angeordnet sind, unterschiedliche Garungen erfahren.
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Zur
Veränderung eines Wärmeübertrags im Bereich
eines Wärmetauschers sind aus dem Stand der Technik beispielsweise
die folgenden Maßnahmen bekannt:
Die
DE 20 2007 015 821 U1 offenbart
eine rohrförmige Wärmetauschervorrichtung mit
hoher Leistung in einem Ofen für die Zubereitung von Speisen,
wobei der Ofen eine gattungsgemäßes Gargerät
darstellt. Diese Wärmetauschervorrichtung besteht aus einer Rohrleitung,
die auf der gesamten Länge von einem Rauchgasstrom durchströmt
wird. Dabei ist die Wärmetauschervorrichtung um ein Luftrückführungsgebläse
herum angeordnet und besteht aus einem ersten Rohrteil mit einem
darin angeordneten Brenner und einem zweiten und dritten Rohrteil,
wobei die lichte Weite des Querschnitts des zweiten Rohrteils und
des dritten Rohrteils nicht konstant ist und radial entlang der
Innenwandung der Wärmetauschervorrichtung Klappen vorgesehen
sind, die eine Längsentwicklung aufweisen und gradlinig
ausgebildet sind.
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Darüber
hinaus offenbart die
US
5,165,889 A ein gattungsgemäßes Gargerät
in Form eines Gaskonfektionsofens mit einem Wärmetauscher
und Leitblechen. Die Leitbleche sind im Bereich von Seitenwandungen
eines Garraums angeordnet, um einen Leitkanal für eine
mittels eines Lüfterrads in dem Garraum umgewälzte
Garraumatmosphäre zu bilden. Innerhalb des Strömungsweges
der Garraumatmosphäre ist eine Wärmetauschereinrichtung
angeordnet. Die Wärmetauschereinrichtung umfasst ein Wärmetauscherrohr,
durch welches Verbrennungsgase eines Gasbrenners zu einem Auslass,
der im Bereich einer Saugseite des Lüfterrads angeordnet ist,
geführt werden. Es wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr
nahe dem Wärmetauschereingang eine im Wesentlichen elliptische
Querschnittsform aufweist, während in einem nachfolgenden
Bereich das Wärmetauscherrohr einen kreisrunden Querschnitt
aufweist.
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Bei
der Konstruktion von Gargeräten besteht das Bedürfnis,
die einzelnen Elemente des Gargeräts so kompakt wie möglich
auszuführen, um einen größtmöglichen
Garraum bereitzustellen. Daher wird ebenfalls versucht eine Wärmetauschereinrichtung innerhalb
eines Gargeräts ebenfalls so kompakt wie möglich
auszuführen. Gleichzeitig soll jedoch die zuvor beschriebene
Gradientenbildung bei einem Wärmeübergang an ein
zu erwärmendes Medium so gering wie möglich gehalten
werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die aus dem Stand der Technik
bekannten und zuvor beschriebenen Maßnahmen aufgrund von
Nebeneffekten, wie einer Veränderung der Wärmeenergieeintragungseigenschaften
bei Veränderung der Wärmeenergieabgabeeigenschaften
des Wärmetauscherrohres zur Minimierung eines derartigen
Wärmeübertragungsgradienten nur sehr begrenzt
zu einer Wärmegradientenreduzierung führen.
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Es
hat daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung das gattungsgemäße
Gargerät derartig weiterzuentwickeln, dass die Nachteile
des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere
ein Gargerät bereitgestellt wird, welches eine Wärmetauschereinrichtung
aufweist, bei der ein Wärmeübertragungsgradient
so gering wie möglich gehalten wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Veränderung der Konfiguration von dem Wärmetauschereingang
zu dem Wärmetauscherausgang die Zunahme eines Wärmeenergieeintragungskoeffizienten
pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres für
eine Übertragung von Wärmeenergie von den Verbrennungsgasen
an die Wandung und die Zunahme eines Wärmeenergieabgabekoeffizienten
pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres für
eine Übertragung von Wärmeenergie von der Wandung
an das Medium umfasst.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Veränderung der Konfiguration
zur Zunahme des Wärmeenergieeintragungskoeffizienten die
Abnahme einer Querschnittsfläche des Wärmetauscherrohres,
die Zunahme einer Größe einer Wechselwirkungsfläche
der Wandung mit den Verbrennungsgasen pro Längeneinheit
des Wärmetauscherrohres, die Zunahme eines Profilierungsgrades
einer Innenseite der Wandung des Wärmetauscherrohres pro Längeneinheit
des Wärmetauscherrohres, die Zunahme eines Verwirbelungsgrades
der Verbrennungsgase innerhalb des Wärmetauscherrohres und/oder
die Zunahme einer Wärmeleitfähigkeit der Wandung
des Wärmetauscherrohres umfasst.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass die Veränderung der Konfiguration zur
Zunahme des Wärmeenergieabgabekoeffizienten pro Längeneinheit
des Wärmetauscherrohres die Zunahme einer Größe
einer Wechselwirkungsfläche der Wandung mit dem Medium
pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres und/oder
die Zunahme eines Profilierungsgrades einer Außenseite
der Wandung des Wärmetauschersrohres pro Längeneinheit
des Wärmetauscherrohres umfasst. die Veränderung
der Konfiguration zur Zunahme des Wärmeenergieabgabekoeffizienten
pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres die
Zunahme einer Größe einer Wechselwirkungsfläche
der Wandung mit dem Medium pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres
und/oder die Zunahme eines Profilierungsgrades einer Außenseite
der Wandung des Wärmetauschersrohres pro Längeneinheit
des Wärmetauscherrohres umfasst.
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Auch
wird vorgeschlagen, dass die Brennereinrichtung zumindest einen
Porenbrenner, zumindest einen gebläseunterstützt
arbeitenden Brenner, zumindest einen vollvormischenden Brenner und/oder
zumindest einen Flächenbrenner umfasst.
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Insbesondere
ist ein erfindungsgemäßes Gargerät gekennzeichnet
durch zumindest eine Umwälzeinrichtung zur Erzeugung eines
Stroms des Mediums im Bereich des Wärmetauschers, insbesondere
des Wärmetauscherrohres, wobei insbesondere das Medium
zumindest eine Garraumatmosphäre umfasst und/oder die Umwälzeinrichtung
zumindest eine Gebläseeinrichtung umfasst.
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Auch
wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das Medium zumindest
ein zu verdampfendes Liquid, wie Wasser, umfasst, wobei vorzugsweise
der Wärmetauscher, insbesondere das Wärmetauscherrohr,
zumindest bereichsweise von zumindest einem Dampferzeuger, insbe sondere
zumindest einem Kessel eines Dampferzeugers, umfasst ist und/oder in
diesem angeordnet ist, und/oder die Umwälzeinrichtung zumindest
eine Umwälzpumpe, zumindest einen Liquidzufluss und/oder
einen Liquidabfluss umfasst.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass die Veränderung der Konfiguration im
wesentlichen kontinuierlich ist.
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Auch
wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Veränderung
der Konfiguration zumindest einmalig diskontinuierlich und/oder
stufenweise ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Gargerät kann dadurch
gekennzeichnet sein, dass die Abnahme der Querschnittsfläche
des Wärmetauscherrohres die Abnahme eines Innenquerschnitts
des Wärmetauscherrohres, insbesondere unter gleichzeitiger
Abnahme des Außenquerschnitts des Wärmetauscherrohres
oder unter Zunahme einer Wandstärke der Wandung des Wärmetauscherrohres,
umfasst.
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Auch
ist bevorzugt, dass die Zunahme der Größe der
Wechselwirkungsfläche der Wandung mit den Verbrennungsgasen
pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres und/oder
die Zunahme eines Verwirbelungsgrades der Verbrennungsgase innerhalb des
Wärmetauscherrohres die Ausbildung zumindest einer ersten
Oberflächenstruktur auf einer Innenseite der Wandung des
Wärmetauscherrohres umfasst, wobei vorzugsweise die erste
Oberflächenstruktur zumindest bereichsweise einstückig
mit der Wandung des Wärmtauscherrohres ausgebildet ist und/oder
die Wechselwirkungsfläche der ersten Oberflächenstruktur
mit den Verbrennungsgasen von dem Wärmetauschereingang
zu dem Wärmetauscherausgang zunimmt.
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Eine
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gargeräts
sieht vor, dass die Zunahme einer Größe einer
Wechselwirkungsfläche der Wandung des Wärmetauscherrohres
mit dem Medium pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres
die Ausbildung zumindest einer zweiten Ober flächenstruktur
auf einer Außenseite der Wandung des Wärmetauscherrohres umfasst,
wobei vorzugsweise die zweite Oberflächenstruktur zumindest
bereichsweise einstückig mit der Wandung des Wärmtauscherrohres
ausgebildet ist und/oder die Wechselwirkungsfläche der
zweiten Oberflächenstruktur mit dem Medium von dem Wärmetauschereingang
zu dem Wärmetauscherausgang zunimmt.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass die Zunahme einer Größe einer
Wechselwirkungsfläche der Wandung des Wärmetauscherrohres
mit dem Medium pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres
die Zunahme einer Größe einer senkrecht zu einem
Strom des Mediums verlaufenden Querschnittfläche des Wärmetauscherrohres
umfasst, insbesondere die Querschnittsform des Wärmetauscherrohres
entlang der Längsrichtung des Wärmetauscherrohres
sich von einer rechteckförmigen, elliptischen und/oder
flügelförmigen Form zu einer kreisrunden und/oder quadratischen
Form verändert und/oder einer Symmetrieachse der Querschnittsform,
wie ein Hauptachse einer Ellipse, sich entlang der Längsrichtung des
Wärmetauscherrohres um die Längsrichtung des Wärmetauscherrohres
dreht.
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Auch
wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass eine Profilierung der
Wandung des Wärmetauscherrohres eine im wesentlichen periodische
Veränderung der Querschnittsfläche, insbesondere
eine Innenquerschnittsfläche und/oder einer Außenquerschnittsfläche,
des Wärmetauscherrohres entlang der Längsrichtung
des Wärmetauscherrohres, insbesondere bei gleichbleibender
Dicke der Wandung des Wärmetauscherrohres, umfasst, wobei
insbesondere die Zunahme des Profilierungsgrades der Innenseite
der Wandung des Wärmetauscherrohres pro Längeneinheit
eine Zunahme der Periode der Profilierung pro Längeneinheit
und/oder eine Zunahme der Stärke einer Veränderung
der Innenquerschnittsfläche pro Längeneinheit
des Wärmetauschersrohres umfasst und/oder die Zunahme des Profilierungsgrades
der Außenseite der Wandung des Wärmetauscherrohres
pro Längeneinheit eine Zunahme der Periode der Profilierung
pro Längeneinheit und/oder eine Zunahme der Stärke
einer Veränderung des Außenquerschnittsfläche
pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres umfasst.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, dass die Profilierung der Wandung entlang
der Längsrichtung des Wärmetauscherrohres einen
wellenförmigen, rechteckförmigen, pyramidenförmige
und/oder kegelförmigen Verlauf aufweist.
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Auch
ist bevorzugt, dass die Zunahme eines Verwirbelungsgrades der Verbrennungsgase
innerhalb des Wärmetauscherrohres die, vorzugsweise periodische,
Veränderung der Lage einer Mittelachse des Wärmetauscherrohres
entlang der Längsrichtung umfasst.
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Weiterhin
wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Zunahme einer Wärmeleitfähigkeit
der Wandung des Wärmetauscherrohres die Verwendung zumindest
zweier Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten
umfasst, insbesondere die Wandung entlang der Längsrichtung
von dem Wärmetauschereingang zu dem Wärmetauscherausgang
ein erstes Material mit einem ersten Wärmeleitkoeffizienten
und nachfolgend ein zweites Material mit einem zweiten Wärmleitkoeffizienten
umfasst, wobei der der erste Wärmeleitkoeffizient geringer
als der zweite Wärmeleitkoeffizient ist.
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Auch
ist bevorzugt, dass die erste Oberflächenstruktur und/oder
die zweite Oberflächenstruktur zumindest im wesentlichen
senkrecht und/oder parallel zu der Längsrichtung des Wärmetauscherrohres verlaufende
Erhebungen und/oder Vertiefungen, zumindest eine Wabenstruktur punktuelle
Erhebungen und/oder Vertiefungen, insbesondere zur Bildung einer
Golfballstruktur, geneigt zu der Längsrichtung des Wärmetauscherrohres
verlaufende Erhebungen und/oder Vertiefungen, insbesondere zur Bildung
zumindest einer Drallstruktur und/oder zumindest einer Kreuzdrallstruktur,
zumindest eine Beschichtung, insbesondere zur Erhöhung
einer Wärmeenergieleitung, und/oder zumindest eine Mikrostruktur,
vorzugsweise mit Strukturelementen in nm und/oder μm-Bereich
umfasst.
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Schließlich
wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr
zumindest bereichsweise, vorzugsweise im Bereich der Veränderung
der Konfiguration, gewunden ausgebildet ist, insbesondere bereichsweise
meanderförmig und/oder spiralförmig gewunden ist.
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Der
Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde,
dass ein Gargerät derartig ausgebildet werden kann, dass
ein Wärmetauscher eingesetzt wird, der einen gleichmäßigen
Wärmeenergieübergang gewährleistet, insbesondere
eine Wärmeenergieübertragungsgradientenbildung
entlang einer Längserstreckung eines Wärmetauscherrohres
minimiert, indem die Konfiguration des Wärmetauscherrohrs
entlang der Längsrichtung so verändert wird, dass
einerseits ein Wärmeenergieeintrag von Verbrennungsgasen
in ein Wärmetauscherrohr von einem Wärmetauschereingang
zu einem Wärmetauscherausgang zunimmt und gleichzeitig von
dem Wärmetauscherrohr an das Medium eine Wärmeenergieabgabe
von dem Wärmetauschereingang zu dem Wärmetauscherausgang
zunimmt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen haben
dagegen entweder eine Erhöhung des Wärmeenergieeintrags
oder eine Erhöhung der Wärmeenergieabgabe bewirkt.
Dabei sind als kombinierbare Maßnahmen zur Erhöhung
des Wärmeenergieeintrags und der Wärmeenergieabgabe
beispielsweise vorgesehen:
- 1. Eine kontinuierliche
bzw. stufenweise Verjüngung über eine Wärmetauscherfläche,
so dass in einem Anfangsbereich des Wärmetauschers durch
eine große Wärmetauscherinnenfläche ein geringer
Wärmeenergieeintrag vorliegt, der sich kontinuierlich bis
zu einem Ende des Wärmetauschers erhöht, insbesondere
im Endbereich des Wärmetauschers eine kleinere Wärmetauscherinnenfläche
vorliegt, und somit eine Vergleichmäßigung des
Wärmeenergieeintrags erfolgt.
- 2. Am Anfang eines Wärmetauscherrohres wird auf eine
Profilierung bzw. Strukturierung auf der Innenseite der Wandung
des Wärmetauscherrohres verzichtet bzw. es wird dort nur
eine geringe Profilierung gewählt, während die
Profilierung zum Ende des Wärmetauschers bzw. des Wärmetauscherrohrs
zunimmt, um eine zusätzliche Vergleichsmäßigung
eines Wärmeenergieeintrags zu erreichen.
- 3. Verschiedene Strukturierungen sind, insbesondere auf einer
Innenseite eines Wärmetauscherrohres, vorgesehen, vorzugsweise
ist nachfolgend eine im Wesentlichen glatte Oberflächenform,
eine Strukturierung mit Leitelementen, eine Strukturierung in Form
einer Wabenstruktur, eine Strukturierung in Form einer Golfballstruktur,
eine Strukturierung in Form einer Drallstruktur und eine Strukturierung
in Form einer Kreuzdrallstruktur vorgesehen.
- 4. Ein Querschnitt des Wärmetauscherrohres ist flügel-
oder ellipsenförmig ausgestaltet, um die Wärmeenergieannahme
durch das Medium und somit die Wärmeenergieabgabe an einer
Außenseite des Wärmetauschers zu verbessern, wodurch
eine gleichmäßigere Wärmeenergieabgabe erreicht
wird.
- 5. Eine Außenfläche des Wärmetauschers
ist zum Ende des Wärmetauschers hin mit einer quantitativ
größeren Oberfläche versehen, um eine
gleichmäßige Wärmeenergieabgabe zu erzielen.
- 6. Am Anfang des Wärmetauscherrohres wird auf eine
Profilierung bzw. Strukturierung der Außenseite der Wandung
des Wärmetauscherrohres verzichtet bzw. es wird dort nur
eine geringe Profilierung gewählt, um eine Vergleichmäßigung
der Wärmeabgabe an das Medium zu erreichen.
- 7. Die Wärmleiteigenschaften des Wärmetauscherrohres
werden am Anfang des Wärmetauschers geringer eingestellt
als zum Ende des Wärmetauschers.
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Durch
die Kombination der verschiedenen Maßnahmen bzw. Effekte
kann der der Wärmeenergieübergang gleichmäßiger
gestalten werden, was sich positiv auf die Wärmeenergieübergabe
an das Medium und den Wärmetauscher selbst auswirkt. Außerdem
können die Wärmetauscher besser in dem zur Verfügung
gestellten Bauraum untergebracht werden und eine Umströmung
des Wärmetauschers mit dem Medium, und somit auch eine
Gesamtströmung innerhalb des Gargeräts beispielsweise
einer Garraumatmosphäre, verbessert werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Außenseite eines Wärmetauscherrohres
eines Gargeräts gemäß einer ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
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2 eine
schematische Darstellung einer Innenseite eines Wärmetauscherrohres
eines Gargeräts gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
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3 eine
schematische Darstellung einer Außenseite eines Wärmetauscherrohres
eines Gargeräts gemäß einer dritten erfindungsgemäßen
Ausführungsform; und
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4 eine
schematische Darstellung einer Außenseite eines Wärmetauscherrohres
eines Gargeräts gemäß einer vierten erfindungsgemäßen
Ausführungsform.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Wärmetauscherrohres 1.
Das Wärmetauscherrohr 1 weist entlang einer Längsrichtung
L einen Wärmetauschereingang 3 und einen Wärmetauscherausgang 5 auf.
In 1 ist eine schematische Aufsicht auf eine Außenseite
des Wärmetauscherrohres 1, durch welches Verbrennungsgase
einer nicht dargestellten Brennereinrichtung geführt werden,
dargestellt. Weiterhin ist in 1 die jeweilige
Querschnittsform des Wärmetauscherrohres 1 an
dem Wärmetauschereingang 3 und an dem Wärmetauscherausgang 5 schematisch
dargestellt. Demnach weist das Wärmetauscherrohr 1 einen
im Wesentlichen elliptischen Querschnitt auf. Im Bereich des Wärmetauschereingangs 3 beträgt
die Ausdehnung der Hauptachse der Ellipse a, während eine Ausdehnung
der Nebenachse der Ellipse die Größe b aufweist.
Die Form des Wärmetauscherrohres 1 verändert
sich von dem Wärmetauschereingang 3 zu dem Wärmetauscherausgang 5 derartig,
dass die Querschnittsfläche des Wärmetauscherrohres 1 derartig
abnimmt, dass am Wärmetauscherausgang 5 die Ausdehnung
des Wärmetauscherrohres entlang der Hauptachse der Ellipse
a' beträgt, während die Ausdehnung in der Nebenachse
b' beträgt. Hierbei gilt a = a' und b > b'.
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Dadurch
wird bewirkt, dass die Innenfläche des Wärmetauscherrohres 1 im
Bereich des Wärmetauschereingangs 3 eine größere
Wärmetauscherinnenfläche aufweist, als im Bereich
des Wärmetauscherausgangs 5. Aufgrund der größeren
Wärmetauscherinnenfläche im Bereich des Wärmetauschereingangs 3 liegt
dort ein geringerer Wärmeenergieeintrag in das Wärmetauscherrohr 1 vor,
im Vergleich zu dem Wärmeenergieeintrag im Bereich des
Wärmetauscherausgangs 5 aufgrund der dort geringeren Wärmetauscherinnenfläche.
Hierbei weist eine Wandung 6 des Wärmetauscherrohres 1 eine
glatte erste Oberflächenstrukturierung auf.
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Neben
dieser Konfigurationsänderung des Wärmetauscherrohres 1 entlang
einer Längsrichtung L desselben ist bei dem Wärmetauscherrohr 1 ferner vorgesehen,
dass die Größe einer Wechselwirkungsfläche
des Wärmetauscherrohres 1 mit einem mit dem Wärmetauscherrohr 1 in
Kontakt stehenden Medium pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres 1 zunimmt,
indem in einem Bereich 7 des Wärmetauscherrohres 1 die
Wandung 6 des Wärmetauscherrohres 1 im
Wesentlichen eine glatte Außenfläche aufweist,
während in einem Bereich 9 des Wärmetauscherrohres 1 eine
zweite Oberflächenstruktur auf der Außenseite
des Wärmetauscherrohres 1 ausgebildet ist.
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Bei
der zweiten Oberflächenstruktur handelt es sich insbesondere
um senkrecht zur Längsrichtung L des Wärmetauscherrohres 1 ausgebildete Stege 11.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Dimensionen der
Stege 11 im Bereich 9 zum Wärmetauscherausgang 5 hin
zunehmen, also ein Profilierungsgrad zunimmt.
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Durch
diese zweite Strukturierung wird erreicht, dass die Wärmeenergieabgabe
durch das Wärmetauscherrohr 1 an das Medium vom
Wärmetauschereingang 3 zum Wärmetauscherausgang 5 zunimmt.
Dadurch wird erreicht, dass der Temperaturgradient der Verbrennungsgase,
der sich im Wärmetauscherrohr 1 vom Wärmetauschereingang 3 zum
Wärmetauscherausgang 5 ausbildet, derartig ausgeglichen
wird, dass pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohres 1 die
gleiche Wärmeenergiemenge auf der Außenseite des
Wärmetauscherrohres 1 an das Medium, von dem das
Wärmetauscherrohr 1 umgeben ist, abgegeben wird.
Dieser Effekt wird durch die Kombination erreicht, dass der Wärmeenergieeintrag
in das Wärmetauscherrohr vom Wärmetauschereingang 3 zum
Wärmetauscherausgang 5 durch die Verringerung
der Wärmetauscherinnenfläche aufgrund der Veränderung
der Querschnittsform zunimmt und gleichzeitig die Außenfläche
des Wärmetauscherrohres 1 vom Wärmetauschereingang 3 zum
Wärmetauscherausgang 5 ebenfalls trotz der Verringerung
der Querschnittsform durch die Ausbildung der zweiten Oberflächenstruktur
zunimmt.
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In 2 ist
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
eines Wärmetauscherrohres 21 eines erfindungsgemäßen
Gargeräts dargestellt. Ähnlich dem Wärmetauscherrohr 1 weist das
Wärmetauscherrohr 21 im Wesentlichen eine elliptische
Querschnittsform auf, wobei im Bereich eines Wärmetauschereingangs 23 eine
Hauptachse der Ellipse eine Ausdehnung c und eine Nebenachse eine
Ausdehnung d aufweist. An einem Wärmetauscher ausgang 25 weist
die Ellipse eine Ausdehnung c' entlang einer Hauptachse und eine
Ausdehnung d' entlang einer Nebenachse auf.
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Wie 2 weiterhin
zu entnehmen ist, weist das Wärmetauscherrohr 21 Bereiche 27, 29, 31, 33 und 35 auf.
In den Bereichen 27, 29, 31, 33 und 35 sind
jeweils unterschiedliche erste Oberflächenstrukturen ausgebildet.
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In 2 ist
eine Innenfläche des Wärmetauscherrohres 21 schematisch
dargestellt. Im Bereich 27 des Wärmetauscherrohres 21 ist
eine erste Oberflächenstruktur in Form von Stegen 37 ausgebildet. Dabei
verlaufen die Stege 37 im Wesentlichen senkrecht zu einer
Längsrichtung L' des Wärmetauscherrohres 21.
Im Bereich 29 ist eine erste Oberflächenstruktur
in Form einer Wabenstruktur 39 ausgebildet, während
im Bereich 31 eine erste Oberflächenstruktur in
Form einer „Golfballstruktur” ausgebildet ist. Hierbei
wird die „Golfballstruktur” durch eine Vielzahl von
Erhebungen 43 gebildet. Dem Bereich 31 schließt
sich der Bereich 33 an, in dem als erste Oberflächenstruktur
eine Drallstruktur 45 ausgebildet ist. Die Drallstruktur 45 wird
durch Stege 47, die geneigt zur Längsrichtung
L' des Wärmetauscherrohres 21 ausgebildet sind,
gebildet. Dem Bereich 33 schließt sich der Bereich 35,
in dem eine erste Oberflächenstruktur in Form einer Kreuzdrallstruktur 49 ausgebildet
ist, an. Die Kreuzdrallstruktur 49 ist ebenfalls durch
Stege 51, 53 gebildet, die jeweils gegensinnig
geneigt zur Längsrichtung L' des Wärmetauscherrohres 21 ausgebildet
sind.
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Durch
die unterschiedliche Ausbildung der ersten Oberflächenstruktur
in den Bereichen 27, 29, 31, 33, 35 wird
erreicht, dass der Wärmeenergieeintrag von einer Innenseite
des Wärmetauscherrohres 21 in eine Wandung 55 des
Wärmetauscherrohres 21 vom Wärmetauschereingang 23 zum
Wärmetauscherausgang 25 zunimmt. Dies erfolgt
einerseits durch eine Vergrößerung einer Kontaktfläche
zwischen den Verbrennungsgasen und der Wandung 55 und einer
besseren Durchmischung der Verbrennungsgasen, was beides durch die
erste Oberflächenstruktur bewirkt wird. Dadurch wird der
sich in dem Wärmetauscherrohr 21 bildende Tempe raturgradient
der Verbrennungsgase teilweise ausgeglichen und durch die Veränderung
der Oberflächengröße des Wärmetauscherrohres 21 auf
einer Außenseite durch die Veränderung der Querschnittsform
des Wärmetauscherrohrs 21 wird erreicht, dass die
an das Wärmetauscherrohr 21 umgebende Medium abgegebene
Wärmeenergie pro Längeneinheit des Wärmetauscherrohrs 21 bzw.
der Wandung 55 zunimmt, da die Oberfläche einer
Wandung 55 des Wärmetauscherrohres 21 auf
der Außenseite zunimmt, so dass über die Länge
des Wärmetauscherrohres 21 ein konstanter Wärmeenergieübertrag
an ein Medium erreicht wird.
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In 3 ist
eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die durch ein
Wärmetauscherrohr 61 realisiert ist, dargestellt.
Das Wärmetauscherrohr 61 weist einen Wärmetauschereingang 63 und
eine Wärmetauscherausgang 65 auf, wobei der elliptische Querschnitt
des Wärmetauscherrohres 61 von dem Wärmetauschereingang 63,
in dem die Ellipse in einer Hauptachse einer Ausdehnung e aufweist
und eine Nebenachse eine Ausdehnung f aufweist, zum Wärmetauscherausgang 65 sich
derartig verändert, dass die Hauptachse im Bereich des
Wärmetauscherausgangs 65 eine Ausdehnung e' aufweist, während
die Ausdehnung in der Nebenachse f' beträgt. In 3 ist
im Gegensatz der 2 jedoch eine Außenseite
des Wärmetauscherrohres 61 schematisch dargestellt.
Das Wärmetauscherrohr 61 weist einen Bereich 67 und
einen Bereich 69 auf, wobei sowohl im Bereich 67 als
auch im Bereich 69 eine zweite Oberflächenstruktur
auf einer Außenseite einer Wandung 71 des Wärmetauscherrohres 61 ausgebildet
ist. Sowohl im Bereich 67 als auch im Bereich 69 ist
die zweite Oberflächenstruktur durch Stege 73, 75 ausgebildet.
Allerdings nimmt die Profilierungsstärke vom Bereich 67 zum
Bereich 69 kontinuierlich zu. So weist der Steg 75 eine
größere Dimension als der Steg 73 auf
und auch der Abstand der Stege nimmt über die Längsrichtung
L'' des Wärmetauscherrohres 61 ab, die Periode
der zweiten Oberflächenstruktur also zu.
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Durch
die Veränderung der Konfiguration des Wärmetauscherrohres 61 entlang
der Längsrichtung L'' derartig, dass die Querschnittsform
vom Wärmetauschereingang 63 zum Wärmetauscherausgang 65 verändert
wird und gleichzeitig ein Profilierungsgrad einer zweiten Ober flächenstruktur
vom Wärmetauscherausgang 63 zum Wärmetauscherausgang 65 verändert
wird, wird sichergestellt, dass trotz der Ausbildung eines Temperaturgradienten
in den durch das Wärmetauscherrohr 61 geleiteten
Verbrennungsgasen vom Wärmetauschereingang 63 zum
Wärmetauscherausgang 65 eine gleichmäßige Wärmeenergieübertragung
an ein Medium, von dem das Wärmetauscherrohr 61 umgeben
wird, erreicht wird. So führt die Profilierungsänderung
des Wärmetauscherrohres 61 vom Wärmetauschereingang 63 zum
Wärmetauscherausgang 65 dazu, dass im Bereich
des Wärmetauschereingangs 63 eine vergleichsweise
große Wärmetauscherinnenfläche vorhanden
ist, während am Wärmetauscherausgang 65 eine
vergleichsweise kleinere Wärmetauscherinnenfläche
vorhanden ist. Hierdurch wird erreicht, dass im Bereich des Wärmetauschereingangs 63 ein
geringerer Wärmeenergieeintrag in die Wandung 71 erfolgt.
Gleichzeitig wird durch die vergleichsweise größere
Profilierung auf einer Außenfläche der Wandung 71 im
Bereich 69 die in die Wandung 71 gelangte Wärmeenergie
auf eine größere Fläche verteilt, obwohl
die Querschnittsfläche des Wärmetauscherrohres 61 abnimmt
und so die Umfangsfläche der Wandung 71 abnimmt,
indem die zweite Oberflächenstruktur bereitgestellt wird.
Durch diese gegenläufigen Effekte der Querschnittsveränderung
des Wärmetauscherrohres 61 und der Profilierungsänderung
einer Außenfläche des Wärmetauscherrohrs 61 wird
erreicht, dass an ein das Wärmetauscherrohr 61 umgebendes
Medium eine gleichmäßige Energie pro Längeneinheit
des Wärmetauscherrohres 61 abgegeben wird.
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In 4 ist
eine vierte Ausführungsform der Erfindung in Form eines
Wärmetauscherrohres 81 dargestellt. Im Gegensatz
zu den zuvor dargestellten Wärmetauscherrohren 1, 21, 61 weist
das Wärmetauscherrohr 81 eine flügelförmige
Querschnittsform auf, die sich von einem Wärmetauschereingang 83 zu
einem Wärmetauscherausgang 85 entlang einer Längsrichtung
L''' derartig verändert, dass eine Ausdehnung g vom Wärmetauschereingang 83 bis
zu einem Wärmetauscherausgang 85 auf g' abnimmt. Weiterhin
weist das Wärmetauscherrohr 81 Bereiche 87, 89 auf.
Die Bereiche 87, 89 unterscheiden sich derart,
dass eine Wärmeleitfähigkeit einer Wandung 91 des
Wärmetauscherrohrs 81 im Bereich 87 geringer
ist, als im Bereich 89.
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Dadurch
wird bewirkt, dass im Bereich 87 eine geringere Wärmemenge
von einer Innenseite des Wärmetauscherrohrs 81 auf
eine Außenfläche des Wärmetauscherrohrs 81 gefördert
wird und im Bereich 89 ein vergleichsweise schnellerer
Wärmeenergietransport auf eine Oberfläche des
Wärmetauscherrohrs 81 erfolgt. Dadurch wird erreicht,
dass die Wärmeenergieabgabe im Bereich 87 auf
eine Außenfläche des Wärmetauscherrohres 81 geringer
ist, als im Bereich 89 auf der Außenfläche
des Wärmetauscherrohres 81. Durch die gleichzeitige
Veränderung der Größe der Innenfläche
des Wärmetauscherrohres 81 vom Wärmetauschereingang 83 und
Wärmetauscherausgang 85 aufgrund der Veränderung der
Querschnittsform wird erreicht, dass auch bei dem in 4 dargestellten
Wärmetauscherrohr 81 an ein das Wärmetauscherrohr 81 umgebendes
Medium eine konstante Wärmeenergiemenge pro Längeneinheit
von einem Wärmetauscherausgang 83 zu einem Wärmetauscherausgang 85 abgegeben
wird.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie
in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln
auch als in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung
in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
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- 1
- Wärmetauscherrohr
- 3
- Wärmetauschereingang
- 5
- Wärmetauscherausgang
- 6
- Wandung
- 7
- Bereich
- 9
- Bereich
- 11
- Steg
- 21
- Wärmetauscherrohr
- 23
- Wärmetauschereingang
- 25
- Wärmetauscherausgang
- 27
- Bereich
- 29
- Bereich
- 31
- Bereich
- 33
- Bereich
- 35
- Bereich
- 37
- Steg
- 39
- Wabenstruktur
- 41
- Golfballstruktur
- 43
- Erhebung
- 45
- Drallstruktur
- 47
- Steg
- 49
- Kreuzdrallstruktur
- 51
- Steg
- 53
- Steg
- 55
- Wandung
- 61
- Wärmetauscherrohr
- 63
- Wärmetauschereingang
- 65
- Wärmetauscherausgang
- 67
- Bereich
- 69
- Bereich
- 71
- Wandung
- 73
- Steg
- 75
- Steg
- 81
- Wärmtauscherrohr
- 83
- Wärmetauschereingang
- 85
- Wärmetauscherausgang
- 87
- Bereich
- 89
- Bereich
- 91
- Wandung
- a,
a', b, b'
- Ausdehnung
- c,
c', d, d'
- Ausdehnung
- e,
e', f, f'
- Ausdehnung
- g,
g'
- Ausdehnung
- L,
L', L'', L'''
- Längsrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202007015821
U1 [0004]
- - US 5165889 A [0005]