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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für eine mobile Heizeinrichtung, die einen Brenner aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine mobile Heizeinrichtung mit einem Brenner und einem Wärmeübertrager sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Heizeinrichtung.
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Mobile Heizeinrichtungen werden als zusätzliche Heizeinrichtungen in Fahrzeugen verwendet, um etwa Luft oder Wasser als Wärmerträgermedium zu erwärmen. Bekannte Einsatzgebiete sind das Beheizen eines Fahrgastraums oder das Vorwärmen von Kühlwasser eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs.
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Bei einem Brenner einer solchen mobilen Heizeinrichtung wird in der Regel ein beispielsweise aus einem Brennstofftank eines Fahrzeugs entnommener flüssiger Brennstoff mit Luft gemischt und gezündet. Bei der Verbrennung entstehende heiße Abgase werden durch einen Wärmeübertrager geleitet und erwärmen ein Wärmeträgermedium, das in einer das heiße Abgas umgebenden Führung des Wärmeträgermediums geführt ist. Als flüssiges Wärmeträgermedium findet häufig Wasser beziehungsweise ein Wassergemisch Verwendung, beispielsweise ein Gemisch aus 50% Wasser und 50% Glykol.
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In der Patentschrift
DE 102 03 116 B4 ist zum Beispiel ein derartiges Heizgerät mit einem becherförmigen Wärmeübertrager beschrieben, bei der sich eine im Wesentlichen rohrförmige Wand stufenförmig zu einem Brenner erstreckt. Durch einen Innenraum der rohrförmigen Wand strömt Abgas, welchen einen entlang der Außenseite der rohrförmigen Wand strömenden Wärmeträger erwärmt.
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Bei herkömmlichen Wärmeübertragern wird bereits ein großer Anteil der thermischen Energie des auch als Rauchgas bezeichneten Abgases des Brenners auf das Wärmeträgermedium übertragen, so dass sich Wirkungsgrade von bis zu 80 bis 85% ergeben können. Allerdings weist das nach der Energieabgabe aus dem Wärmeübertrager strömende Abgas häufig noch relativ hohe Geschwindigkeiten auf, wodurch sich eine Lärmbelästigung ergeben kann. Daher ist in der Regel einem solchen Wärmeübertrager eine Schalldämpferanordnung nachgeschaltet, welche einen nicht unerheblichen Platzbedarf aufweist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad eines Wärmeübertragers zu erhöhen, und eine kompaktere Bauweise zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung besteht in einem Wärmeübertrager für eine mobile Heizeinrichtung, die einen Brenner aufweist, mit einem Trägerkörper mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei die Innenseite als eine innere Abgasführung zum Führen von Abgas des Brenners ausgebildet ist, und einer zwischen der Innenseite und Außenseite des Trägerkörpers angeordneten Führung, die dazu ausgebildet ist, ein Wärmeträgermedium zu führen, wobei das Wärmeträgermedium über die Innenseite des Trägerkörpers in wärmeübertragendem Kontakt mit in der inneren Abgasführung strömendem Abgas steht, wobei an der Außenseite des Trägerkörpers eine äußere Abgasführung zum Führen von Abgas des Brenners vorgesehen ist und wobei das Wärmeträgermedium über die Außenseite des Trägerkörpers in wärmeübertragendem Kontakt mit in der äußeren Abgasführung strömendem Abgas steht. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass das Wärmeträgermedium nicht nur über eine Seite mit Abgas in wärmeübertragendem Kontakt steht, sondern sowohl über die Innenseite als auch über die Außenseite. Dadurch ergibt sich eine deutlich größere Wärmeübertragungsfläche, wodurch sich Wärmeenergie des Abgases noch effizienter auf das Wärmeträgermedium übertragen lässt. Somit lassen sich erfindungsgemäß beispielsweise thermische Wirkungsgrade von über 90% erreichen. Dadurch wird entweder eine höhere Heizleistung bei gleichen Energiekosten erzielt oder eine gewünschte Heizleistung mit niedrigeren Energiekosten erreicht. Es ergeben sich auch weitere Energieeinsparungsmöglichkeiten. Zum Beispiel kann eine Gebläseleistung zur Zuführung von Brennluft zu dem Brenner verringert werden, wodurch elektrische Energie eingespart wird. Dadurch können auch akustische Emissionen reduziert werden. Ferner werden Abgase noch weiter als gemäß dem Stand der Technik abgekühlt, wodurch die Abgasführung erleichtert wird. Insbesondere können neue, kostengünstigere Werkstoffe für die Abgasführung verwendet werden, die für höhere Abgastemperaturen zu empfindlich sind. Es kann gegebenenfalls sogar auf eine komplizierte Abgasführung verzichtet werden. Auch trägt die niedrigere Abgastemperatur und eine damit verbundene niedrigere Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bei Verlassen der Wärmeübertragers zu einer Verringerung des durch die Abgase erzeugten Lärms bei. Dadurch kann eventuell auf den Einbau eines Schalldämpfers verzichtet werden, was zu einer kompakteren Bauweise führt. In der Regel sind die Innenseite und die Außenseite des Trägerkörpers flächenmäßig deutlich größer ausgebildet als gegebenenfalls zusätzlich vorhandene Querseiten. Es kann vorgesehen sein, dass die Innenseite die dem Brenner der Heizeinrichtung zugewandte Seite des Trägerkörpers ist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Abgasstrom aus dem Brenner teilweise oder vollständig in die Innenseite strömt. Die Außenseite kann dabei zur äußeren Umgebung des Trägerkörpers gerichtet sein, in der sich beispielsweise weitere in einem Kraftfahrzeug angeordnete Komponenten befinden können. Zwischen einer Innenwand und einer Außenwand des Trägerkörpers kann ein Strömungsraum für Wärmeträgermedium vorgesehen sein. Es ist vorteilhaft, zur Führung des Wärmeträgermediums Führungselemente, wie beispielsweise Rippen, in diesem Strömungsraum vorzusehen, um eine gut definierte Strömung des Wärmeträgermediums zu ermöglichen. Auch können Wärmeaustauschrippen zum Vergrößern der Wärmeaustauschfläche an der Innenwand zum Abgasstrom gerichtet und/oder an der Innenwand zum Strom des Wärmeträgermediums gerichtet vorgesehen sein. Es ist ebenfalls möglich, derartige Wärmeaustauschrippen zusätzlich oder alternativ an der Außenwand zum Abgasstrom gerichtet und/oder an der Außenwand zum Strom des Wärmeträgermediums gerichtet anzuordnen. Wärmeaustauschrippen in Kontakt mit dem Abgasstrom oder dem Strom des Wärmeträgermediums können neben ihrer Wärmeaustauschfunktion auch zur Führung des jeweiligen Stroms dienen. Der Trägerkörper kann sowohl einstückig als auch mehrstückig ausgebildet sein. Besonders zweckmäßig ist es, den Trägerkörper im Wesentlichen zylindrisch oder rohrförmig auszubilden. Ein Ende des Trägerkörpers kann durch einen Boden verschlossen sein. Ein derartiger Boden kann besonders leicht einstückig mit einem rohrförmigen Teil des Trägerkörpers hergestellt wird und sorgt für einen gasdichten Abschluss der Innenseite des Trägerkörpers an seinem Ende. An einer Öffnung am anderen Ende des Trägerkörpers kann beispielsweise abdichtend ein Brenner vorgesehen sein, dem über eine oder mehrere Leitungen Brennluft und Brennstoff zugeführt werden. Als Wärmeträgermedium beziehungsweise Wärmeträger können sowohl gasförmige als auch flüssige Medien Verwendung finden, wie etwa Luft oder Wasser. Ein besonders geeignetes Wärmeträgermedium ist eine Mischung aus Glykol und Wasser. Zweckmäßigerweise weist der Trägerkörper mindestens einen Einlass für Wärmeträgermedium und einen Auslass für Wärmeträgermedium auf.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager eine die innere Abgasführung und die äußere Abgasführung verbindende Abgasleitung umfasst. Dadurch lässt sich Abgas von der Innenseite zur Außenseite oder umgekehrt lenken.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager derart eingerichtet ist, das Abgas durch die innere Abgasführung strömt, bevor es durch die äußere Abgasführung strömt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Brenner im Inneren des Trägerkörpers eingerichtet ist oder derart angeordnet ist, dass die Brennerabgase zuerst in die Innenseite strömen, bevor sie zur Außenseite strömen. Somit ist auf der Außenseite strömendes Abgas schon durch vorherigen wärmeübertragenden Kontakt mit Wärmeträgermedium im Inneren des Trägerkörpers abgekühlt, und die Wärmebelastung außerhalb des Wärmeträgers angeordneter Komponenten wie beispielsweise Fahrzeugbauteilen wird gering gehalten. Die äußere Abgasführung kann weiterhin einen oder mehrere Abgaseinlässe und einen oder mehrere Abgasauslässe aufweisen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist in der äußeren Abgasführung ein Schalldämpfer vorgesehen. Somit lässt sich eine Lärmbelästigung durch den Wärmeübertrager verringern, ohne dass eine zusätzliche externe Schalldämpfereinrichtung vorgesehen sein muss. Da durch die verbesserte Energieabgabe von dem Abgas an das Wärmeträgermedium das Abgas in der äußeren Abgasführung schon sehr weit heruntergekühlt sein kann, lässt sich die Schalldämpfereinrichtung verhältnismäßig klein ausbilden. Dadurch steht insgesamt ein kompakteres System zur Verfügung.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Schalldämpfer Steinwolle umfasst. Dies bietet eine einfache und preisgünstige Möglichkeit, einen Schalldämpfer in der äußeren Abgasführung anzuordnen.
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Ferner kann der Schalldämpfer zusätzlich oder alternativ zu Steinwolle eine oder mehrere Kundt'sche Röhren umfassen. Die eine oder mehreren Kundt'sche Röhren sind dabei zweckmäßigerweise auf eine oder mehrere im Betrieb des Wärmeüberträgers beziehungsweise der Heizung erzeugte Frequenzen eingestellt. Dadurch lässt sich auf einfache und effiziente Weise eine Schalldämpfung erreichen.
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Es ist vorteilhaft, wenn in der äußeren Abgasführung Führungsrippen zum Führen des Abgases vorgesehen sind. Über derartige Führungsrippen lässt sich der Abgasstrom leicht führen beziehungsweise leiten.
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In der äußeren Abgasführung kann ein Labyrinth zum Führen des Abgases vorgesehen sein. Somit lässt sich ein gewünschter Wärmeaustausch zwischen Wärmeträgermedium und Abgas erreichen. Zur Bildung des Labyrinths können insbesondere Führungsrippen vorgesehen sein.
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Es ist besonders zweckmäßig, wenn die äußere Abgasführung eine Ummantelung des Trägerkörpers aufweist, die insbesondere eine Ummantelung einer Außenwand des Trägerkörpers sein kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen der Ummantelung des Trägerkörpers und dem Trägerkörper ein Abgasströmungsraum vorgesehen ist, in dem beispielsweise Führungsrippen oder ein Labyrinth angeordnet sein können. Dabei kann vorgesehen sein, dass die äußere Abgasführung beziehungsweise die Ummantelung den Trägerkörper radial und/oder in Längsrichtung teilweise umgibt. So lässt sich beispielsweise Raum für zusätzliche Komponenten bereitstellen, wie etwa Temperatursensoren zum Messen der Temperatur des Wärmeträgermediums. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die äußere Abgasführung oder deren Ummantelung den Trägerkörper radial und/oder in Längsrichtung im Wesentlichen vollständig umgibt. Dadurch lässt sich ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreichen. Die Ummantelung kann aus wärmeisolierendem Material hergestellt sein, um zu verhindern, dass Abgaswärme nach außen dringt.
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Es kann auch ein Abgasstromverteiler vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, einen Abgasstrom von dem Brenner auf mindestens zwei separate Teilströme zu verteilen. Der Abgasstromverteiler ist ferner dazu eingerichtet, jeweils mindestens einen Teilstrom der inneren Abgasführung und einen Teilstrom der äußeren Abgasführung zuzuführen. Somit lässt sich erreichen, dass das in der Führung des Wärmeträgermediums geführte Wärmeträgermedium von beiden Seiten durch Abgas mit gleicher Temperatur erwärmt wird, wodurch sich eine gleichmäßigere Erwärmung und gleichmäßigere Strömung des Wärmeträgermediums ergibt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine mobile Heizeinrichtung mit einem Brenner und einem Wärmeübertrager wie oben beschrieben. Eine derartige Heizeinrichtung ist als Zusatzheizgerät, Standheizung oder Zuheizer für ein Fahrzeug geeignet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Brenner innerhalb der inneren Abgasführung angeordnet ist, beziehungsweise derart, dass Brennerabgase direkt nach Verlassen des Brenners auf einer Innenseite des Trägerkörpers in wärmeleitenden Kontakt mit einem Wärmeträgermedium beziehungsweise einer Innenwand des Trägerkörpers gelangen können. Die Heizeinrichtung kann ein Abgasgebläse aufweisen, um die Strömung des Abgases zu unterstützen. Das Abgasgebläse kann insbesondere stromabwärts eines Abgasauslasses der äußeren Abgasführung vorgesehen sein und dazu ausgelegt sein, Abgas anzusaugen.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen mobilen Heizeinrichtung.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch ein Beispiel für einen Wärmeübertrager gemäß dem Stand der Technik in einer Schnittansicht;
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2 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers mit einer äußeren Abgasführung in einer Schnittansicht;
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3 eine weitere schematische Darstellung eines Wärmeübertragers mit einer äußeren Abgasführung in einer Sicht von unten; und
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4 eine weitere schematische Darstellung eines Wärmeübertrages mit einer äußeren Abgasführung in einer Draufsicht.
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1 zeigt schematisch ein Beispiel für einen Wärmeübertrager 10 gemäß dem Stand der Technik. Der Wärmeübertrager 10 umfasst einen Trägerkörper 12, der becherförmig ausgebildet ist und eine Innenseite 14 sowie eine Außenseite 15 aufweist. Der Trägerkörper 12 weist weiterhin innenseitig eine Innenwand 16 und außenseitig eine diese umgebende Außenwand 18 auf, zwischen denen ein Strömungsraum 20 für ein Wärmeträgermedium ausgebildet ist. Am Trägerkörper 12 auf bekannte Art befestigt ist ein Trägerring 22, welcher über einen Einlass für das Wärmeträgermedium 24 und einen nicht gezeigten Auslass für das Wärmeträgermedium verfügt und einen Zufluss und Abfluss von Wärmeträgermedium in den Strömungsraum 20 erlaubt. Am Trägerring 22 kann eine Abdichtung vorgesehen sein, um den Trägerkörper 12 gasdicht zu verschließen. Die Innenwand 16 und die Außenwand 18 sind aus wärmeleitendem Material gebildet, wie zum Beispiel einer Aluminium- oder Stahllegierung. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung und zum Leiten eines Abgasstromes sind an der Innenwand 16 auf der Innenseite 14 nicht gezeigte Rippen vorgesehen. Der Abgasstrom stammt dabei von einem nicht gezeigten innerhalb des innenseitig gebildeten Raums angeordneten Brenner und wird von dem Brenner in diesen auf der Innenseite 14 des Trägerkörpers 12 gebildeten Raum gespeist. Auf der Innenseite 14 ist der Abgasstrom von der Innenwand 16 umgeben, die Innenseite 14 ist also als eine innere Abgasführung ausgebildet. Ferner ist ein Abgasauslass 26 vorgesehen, durch den Abgas von der Innenseite 14 des Wärmeübertragers 10 abgeführt wird, nachdem es über die Innenwand 16 einen Großteil seines Wärmegehaltes an das Wärmeträgermedium abgegeben hat. In diesem Beispiel wird als Wärmeträgermedium ein Gemisch aus 50% Wasser und 50% Glykol eingesetzt. Das erwärmte Wärmeträgermedium kann über den Auslass für das Wärmeträgermedium einem nicht gezeigten äußeren Heizungskreislauf zugeführt werden und über den Einlass für das Wärmeträgermedium 24 wieder in den Strömungsraum 20 zirkulieren, um erneut erwärmt zu werden.
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2 zeigt schematisch eine der Ansicht in 1 entsprechende Ansicht eines weiteren Wärmeübertragers 100, der sich im Wesentlichen durch das Vorhandensein einer äußeren Abgasführung 102 auf der Außenseite 15 von dem in 1 gezeigten Wärmeübertrager 100 unterscheidet. Zu Vereinfachung werden im Folgenden für gleiche oder ähnliche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Die äußere Abgasführung 102 weist einen Abgaseinlass 105 auf, der über eine schematisch dargestellte Abgasleitung 104 mit dem Abgasauslass 26 verbunden ist, so dass Abgas von der Abgasführung auf der Innenseite 14 über den Abgasauslass 26, die Abgasleitung 104 und den Abgaseinlass 105 in die äußere Abgasführung 102 gelangen kann. Die äußere Abgasführung 102 umfasst eine Ummantelung 106, die derart angeordnet ist, dass zwischen der Außenwand 18 und der Ummantelung 106 ein Abgasströmungsraum 108 ausgebildet ist. In diesem Beispiel strömt Abgas auf der Innenseite 14 in wärmeleitendem Kontakt mit der Innenwand 16 und gibt Wärme an das Wärmeträgermedium im Strömungsraum 20 ab. Dann wird das schon abgekühlte Abgas zur äußeren Abgasführung 102 geleitet und umströmt den Strömungsraum 20 von außen. Über die aus wärmeleitendem Material hergestellte Außenwand 18, die beispielsweise nicht gezeigte Führungsrippen beziehungsweise Wärmeaustauschrippen aufweisen kann, steht das Abgas dabei in wärmeleitendem Kontakt mit dem Wärmeträgermedium im Strömungsraum 20 und gibt weiterhin Wärme an das Wärmeträgermedium ab. Die Ummantelung 106 erstreckt sich in Längsrichtung nicht vollständig um den Trägerkörper 12. Dadurch können beispielsweise Sensoren zum Überwachen der Temperatur des Wärmeträgermediums oder Brennluft- beziehungsweise Brennstoffzuleitungen am Trägerkörper angeordnet sein, ohne dass Leitungen durch die Ummantelung 106 durchgeführt werden müssen. Die Ummantelung 106 umgibt allerdings in diesem Beispiel den Trägerkörper 12 radial vollständig, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
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3 zeigt schematisch eine Ansicht eines Wärmeübertragers 100 von unten. In dieser Figur sind in dem Abgasströmungsraum 108 angeordnete Rippen 110 zu erkennen, die den Abgasstrom in der äußeren Abgasführung 102 wie gewünscht lenken, um einen möglichst hohen Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium über die Außenwand 18 zu erreichen. Dazu wird in diesem Beispiel der Abgasstrom im Wesentlichen in jeweils aufeinanderfolgenden parallelen Bahnen jeweils in Gegenrichtung geführt. Ferner ist ein äußerer Abgasauslass 112 gezeigt, durch den abgekühltes Abgas die äußere Abgasführung verlassen kann. Es ist zu erkennen, dass die Ummantelung 106 die Außenwand 18 in Längsrichtung nicht vollständig überdeckt. Zwischen dem Abgaseinlass 105 und dem äußeren Abgasauslass 112 kann eine beliebige Anzahl von Rippen 110 vorgesehen sein, die von den gewünschten Strömungsverhältnissen abhängt. Der Abgasauslass 26 muss nicht notwendigerweise am Trägerkörper 12 angeordnet sein, er kann auch beispielsweise in einem Trägerring 22 vorgesehen sein, wie es in 3 ohne Darstellung des Trägerrings angedeutet ist.
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In 4 ist eine weitere schematische Ansicht eines Wärmeübertragers 100 von oben gezeigt, bei dem es sich um einen Wärmeübertrager 100 wie in 3 gezeigt handeln kann. In dieser Ansicht sind einige zusätzliche, außen am Trägerkörper 12 angebrachte Elemente dargestellt. Insbesondere ist ein Trägerring 22 gezeigt, an dem ein Einlass für das Wärmeträgermedium 24 und ein Auslass für das Wärmeträgermedium 25 vorgesehen sind. Auch in 4 ist ein äußerer Bereich der Außenwand 18 gezeigt, der nicht von Ummantelung 106 oder Trägerring 22 bedeckt ist und in dem Abgas nur auf der Innenseite 14 strömt. Ferner ist ein dem Abgasströmungsraum 108 entsprechender Bereich zu erkennen. In diesem Bereich strömt Abgas sowohl auf der Außenseite des Trägerkörpers 12, nämlich im Abgasströmungsraum 108, als auch auf der Innenseite 14 und steht dabei in wärmeübertragendem Kontakt mit Wärmeträgermedium im dazwischen liegenden Strömungsraum 20 für das Wärmeträgermedium. In dieser Ansicht sind die Innenseite 14 und der Strömungsraum 20 allerdings nicht zu sehen. Über einen Teil der Ummantelung 106 und einen Teil der von der Ummantelung 106 nicht umgebenen Außenwand 18 erstreckt sich ein Fortsatz 114. Alternativ kann die Ummantelung 106 auch derart angeordnet sein, dass sie nicht unterhalb des Fortsatzes 114 verläuft, sondern um ihn herum. Am Fortsatz 114 können beispielsweise Sensoren, Anschlüsse für elektrische oder elektronische Komponenten oder Anschlüsse für Brennluft beziehungsweise Brennstoff zum Betreiben eines Brenners vorgesehen sein.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmeübertrager
- 12
- Trägerkörper
- 14
- Innenseite
- 15
- Außenseite
- 16
- Innenwand
- 18
- Außenwand
- 20
- Strömungsraum
- 22
- Trägerring
- 24
- Einlass für das Wärmeträgermedium
- 25
- Auslass für das Wärmeträgermedium
- 26
- Abgasauslass
- 100
- Wärmeübertrager
- 102
- äußere Abgasführung
- 104
- Abgasleitung
- 105
- Abgaseinlass
- 106
- Ummantelung
- 108
- Abgasströmungsraum
- 110
- Rippen
- 112
- Abgasauslass
- 114
- Fortsatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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