DE102011016565A1

DE102011016565A1 - Heat Exchanger and Method of Manufacturing such a Heat Exchanger

Info

Publication number: DE102011016565A1
Application number: DE102011016565A
Authority: DE
Inventors: Stefano Casiraghi
Original assignee: Riello SpA
Current assignee: Riello SpA
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-12-01
Also published as: ITMI20100589A1; IL212207A0; IL212207A; IT1399368B1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der ein längliches, hohles Element (3) umfasst, das derart spiralförmig um eine Achse (A) gewickelt ist, dass es eine Vielzahl an benachbarten Windungen (13) bildet, sieht vor: das Herstellen eines geraden, länglichen, hohlen Elements (3), dass eine Stützstruktur aus einem ersten Material und eine innere Beschichtung aus einem zweiten Material umfasst, das dazu geeignet ist, für Nutzwasser verwendet zu werden; und das spiralförmige Wickeln des länglichen, hohlen Elements (3) um die Achse (A).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager bzw. Wärmeaustauscher bzw. Wärmetauscher des Kondensationstyps zur Erzeugung von Brauchwarmwasser.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher, der ein Gehäuse umfasst; und ein längliches, hohles Element, das spiralförmig um eine Achse gewickelt ist und das derart bestimmt ist, dass es eine Vielzahl an benachbarten Windungen bildet, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Das spiralförmig gewickelte, längliche, hohle Element wird von einer Flüssigkeit durchlaufen, üblicherweise Wasser, während im Gehäuse Verbrennungsrauchgase fließen oder, allgemeiner, warme Gase, die Wasserdampf enthalten, um ihre Wärme der Flüssigkeit abzugeben. Die Windungen sind voneinander beabstandet, um einen Zwischenraum zu bilden, der von den Verbrennungsrauchgasen durchlaufen wird. Insbesondere ist der oben identifizierte Wärmetauscher dazu konfiguriert, einen Weg für die heißen Gase zu definieren, der zwischen den benachbarten Windungen verläuft, um somit den Wärmeaustausch zwischen den heißen Gasen und der Flüssigkeit zu optimieren. Diesbezüglich sind die Maße des länglichen, hohlen Elements, die Form des Querschnitts des länglichen, hohlen Elements und die Maße der Zwischenräume zwischen den benachbarten Windungen sehr relevante Entwurfsparameter zur Optimierung des Wärmeaustauschs.
Wärmetauscher des oben identifizierten Typs sind bekannt und werden oft im Bereich der Brennwertkessel verwendet. Insbesondere zeigen die Dokumente EP 1,627,190 B1 ; EP 1,600,708 A1 ; EP 1,750,070 A1 ; EP 1,750,069 A1 ; EP 1,752,718 A1 relevante Beispiele von Wärmetauschern für Brennwertkessel.
Durch das Dokument EP 1,627,190 B1 ist die Realisation eines Wärmetauschers für Brennwertkessel durch ein Verfahren bekannt, das Schritte der Realisation eines gerades, längliches, hohles Element aus Aluminium durch ein Extrusionsverfahren umfasst; des spiralförmigen Wickelns des länglichen, hohlen Elements um eine Achse, die derart bestimmt ist, dass eine Vielzahl an benachbarten Windungen entsteht; und der Anordnung von Abstandsstücken zwischen den benachbarten Windungen. Der oben identifizierte Wärmetauscher ist nicht dazu geeignet Nutz- bzw. Brauchwasser zu erzeugen, da das zur Herstellung des länglichen, hohlen Elements verwendete Material nicht die rechtlich geforderten hygienischen Voraussetzungen erfüllt und daher nicht unter die gesetzlich zugelassenen Materialien zur Erzeugung von Nutz- bzw. Brauchwarmwasser fällt. Falls der Gaskessel auch Nutz- bzw. Brauchwarmwasser erzeugen soll, muss der Kessel mit einem zusätzlichen Wärmetauscher für zwei flüssige Medien ausgestattet sein, was natürlich den Preis des Gaskessels erhöht und dessen Wirkungsgrad verringert. Diese Nachteile werden noch deutlicher wenn der Gaskessel ausschließlich zur Erzeugung von Brauchwasser, also als Warmwasserbereiter verwendet werden soll.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher des oben identifizierten Typs zu schaffen, der leicht und kostengünstig zu realisieren ist und der gleichzeitig die rechtlich geforderten Voraussetzungen zur Erzeugung von Nutz- bzw. Brauchwasser erfüllt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bereitzustellen, der dazu geeignet ist, einen hochgradigen Wärmeaustausch zu realisieren.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmeübertrager bzw. Wärmeaustauscher bzw. Wärmetauscher zur Erzeugung von Nutz- bzw. Brauchwarmwasser geschaffen, wobei der Wärmetauscher ein Gehäuse umfasst; und ein längliches, hohles Element, das spiralförmig derart um eine Achse gewickelt ist, dass es eine Vielzahl an benachbarten Windungen bildet, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind; wobei das längliche, hohle Element eine Stützstruktur umfasst, die aus einem ersten Material hergestellt ist, und eine innere Beschichtung bzw. Auskleidung, die aus einem zweiten Material hergestellt ist und dazu geeignet ist, mit Nutz- bzw. Brauchwasser in Kontakt gebracht zu werden.
Nach der vorliegenden Erfindung können zwei unterschiedliche Materialien gewählt werden, die jeweils eigene Eigenschaften und Spezifitäten aufweisen, sodass sie zur Heizung von Nutz- bzw. Brauchwasser verwendet werden können und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit optimieren und die Produktionskosten senken.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bereitzustellen, der einfach, praktisch und kostengünstig ist.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bereitgestellt, der ein Gehäuse umfasst und ein längliches, hohles Element, das spiralförmig derart um eine Achse gewickelt ist, dass es eine Vielzahl an benachbarten Windungen bildet, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind; wobei das Verfahren die Schritte des Herstellens des länglichen, hohlen Elements umfasst, das mit einer inneren Beschichtung bzw. Auskleidung versehen ist, die dazu geeignet ist, mit Nutz- bzw. Brauchwasser in Kontakt gebracht zu werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht das Verfahren vor, eine Stützstruktur zu realisieren, die ein erstes Rohr aus einem ersten Material umfasst, und die Anbringung der inneren Beschichtung bzw. Auskleidung aus einem zweiten, zum Kontakt mit Nutz- bzw. Brauchwasser geeigneten Material an das erste Rohr.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht das Verfahren vor, die Stützstruktur zu extrudieren; ein zweites Rohr innerhalb des ersten Rohrs einzusetzen; die Stützstruktur und das zweite Rohr spiralförmig zu wickeln, und das zweite Rohr in Richtung des spiralförmig gewickelten ersten Rohrs zu deformieren, vorzugsweise durch hydroplastische Verformung, sodass das zweite Rohr am ersten Rohr jeweils entlang der Innenfläche des ersten Rohrs und der Außenfläche des zweiten Rohrs eng anliegt.
Auf diese Weise kann die Stärke des zweiten Rohrs auf ein Minimum reduziert werden, da das Risiko seiner Beschädigung während der spiralförmigen Wicklung ausfällt.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der weiteren Beschreibung der nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele unter Berücksichtigung der Figuren in den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei:
– die 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise als Explosionszeichnung und zur Verdeutlichung mit weggelassenen Teilen, des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zeigt;
– die 2 eine perspektivische Ansicht, zur Verdeutlichung mit weggelassenen Teilen und in vergrößertem Maßstab, einer Stützstruktur des länglichen, hohlen Elements zeigt, das zur Realisation des Wärmetauschers nach 1 verwendet wird;
– die 3 eine Schnittansicht, zur Verdeutlichung mit weggelassenen Teilen und in vergrößertem Maßstab des länglichen, hohlen Elements zeigt;
– die 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht in vergrößertem Maßstab und zur Verdeutlichung mit weggelassenen Teilen des spiralförmig gewickelten, länglichen, hohlen Elements nach 3 zeigt;
– die 5 eine perspektivische Ansicht, zur Verdeutlichung mit weggelassenen Teilen, einer Realisationsphase der inneren Beschichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
– die 6 eine perspektivische Ansicht, zur Verdeutlichung mit weggelassenen Teilen, einer Realisationsphase der inneren Beschichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Mit Bezug auf 1 wird mit 1 die Gesamtheit eines Wärmetauschers bezeichnet, der im vorliegenden Fall ein Kondensations-Wärmetauscher bzw. -Wärmeaustauscher bzw. Wärmeübertrager (scambiatore di calore a condensazione) eines Gaskessels zur Erzeugung von Nutz- bzw. Brauchwasser, das heißt, ein Warmwasserbereiter ist. Im dargestellten Fall umfasst der Wärmetauscher 1 ein zylindrisches Gehäuse 2 und ein längliches, hohles Element 3, das spiralförmig um eine Achse A gewickelt ist und im Gehäuse 2 aufgenommen ist.
Das Gehäuse 2 umfasst eine zylindrische Wandung 4, die vorzugsweise aus einem metallischen Material, wie zum Beispiel Aluminium oder aus Kunststoff hergestellt ist; und zwei kopfseitige Wandungen 5 und 6, die mit der zylindrischen Wandung 4 derart gekoppelt bzw. gepaart sind, dass sie eine Umlaufkammer für die Verbrennungsrauchgase bilden. Im vorliegenden Fall ist die kopfseitige Wandung 5 an einen zylindrischen Brenner 7 gebunden, der, im Betrieb, im Innenraum der Umlaufkammer der Verbrennungsrauchgase angeordnet ist, und einen Ventilator 8 zur Versorgung des Brenners 7 mit Verbrennungsluft. Die kopfseitige Wandung 6 umfasst einen Sammler (collettore) 9, der mit einer Auslassöffnung 10 versehen ist, die dazu geeignet ist, mit einem Rauchabzug 11 verbunden zu werden, der in der 1 gestrichelt dargestellt ist.
Das längliche, hohle Element 3 umfasst zwei Endanschlüsse 12 – von denen nur einer in der 1 dargestellt ist – um das längliche, hohle Element 3 an einen restlichen Teil eines Nutz- bzw. Brauchwasserkreislaufs anzuschließen, der in den beigelegten Figuren nicht dargestellt ist und der teilweise entlang des länglichen, hohlen Elements 3 und teilweise entlang von Leitungen verläuft, die in den beigelegten Figuren nicht dargestellt sind.
Die Maße der Wicklungsspirale des länglichen, hohlen Elements 3 sind derart gewählt, dass ein Zwischenraum zwischen dem länglichen, hohlen Element 3 und der zylindrischen Wandung 4 gebildet wird. Das längliche, hohle Element 3 bildet eine Vielzahl von Windungen 13, die derart untereinander beabstandet sind, dass ein Zwischenraum gebildet wird, um den Durchgang der Verbrennungsrauchgase zwischen benachbarten Windungen 13 zu ermöglichen. Um den Durchgang der Verbrennungsrauchgase zwischen den benachbarten Windungen 13 zu begünstigen, können in den beigefügten Figuren nicht dargestellte Verschlüsse eingefügt werden, um einen vorgeschriebenen Weg für die Verbrennungsrauchgase innerhalb des Gehäuses 2 zu definieren, wie es im Patent EP 1,627,190 B1 beschrieben wird.
Mit Bezug auf die 3 umfasst das längliche, hohle Element 3 eine Stützstruktur 14, die aus einem ersten Material hergestellt wird; und eine innere Beschichtung bzw. Auskleidung 15, die aus einem zweiten Material hergestellt ist und dazu geeignet ist, mit Nutz- bzw. Brauchwasser in Kontakt gebracht zu werden. Die Stützstruktur 14 umfasst ein Rohr 16; und vorzugsweise Flügel 17, die zum Rohr 16 parallel sind und außerhalb des Rohres 16 verlaufen.
Mit Bezug auf die 2 weist das Rohr 16 einen vorzugsweise elliptischen oder ovalen Querschnitt auf und weist eine Hauptachse X und eine Nebenachse Y auf. Die Flügel 17, die im dargestellten Fall sechs sind, sind in zwei Gruppen 18 und 19 mit jeweils drei Flügel 17 aufgeteilt. Die zwei Gruppen 18 und 19 sind bezüglich der Achse Y auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet.
Das Material und die Wandungsstärken des Rohrs 16 und der Flügel 17 sind derart gewählt, dass die Stützstruktur 14 dadurch eine Steifigkeit erlangt, durch die das längliche, hohle Element 3 hinsichtlich der im Betrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen im Wesentlichen selbsttragend ist. Im Allgemeinen wird das erste Material zwischen Aluminium und Aluminiumlegierungen gewählt, weil diese Materialien physikalische und mechanische Eigenschaften aufweisen, die dazu geeignet sind, einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten, eine gute Steifigkeit der Struktur, eine gute Verarbeitbarkeit im Sinne der Verformbarkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber sauren Stoffen (das Kondensat der Verbrennungsrauchgase) und nicht sonderlich hohe Kosten zu garantieren.
Dank der mechanischen Eigenschaften des ersten Materials wird die Stützstruktur 14 (2) durch Extrusion realisiert. Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Stützstruktur 14 zunächst spiralförmig gewickelt und danach mit der inneren Beschichtung bzw. Auskleidung 15 (4) versehen. In der Praxis ist es vorzuziehen die innere Beschichtung 15 nach der spiralförmigen Wicklung der Stützstruktur 14 (4) anzubringen, um zu verhindern, dass die innere Beschichtung 15 in der Wicklungsphase beschädigt werde.
Danach wird die innere Beschichtung 15 auf die Stützstruktur 14 aufgebracht, sodass das längliche, hohle Element 3 gebildet wird, das in der Folge derart spiralförmig gewickelt wird, dass seine Nebenachse Y im Wesentlichen parallel zur Achse A bleibt, wie in der 4 dargestellt. Auf diese Weise ist die Gruppe 18 der Flügel 17 außerhalb der Wendel angeordnet, während die Gruppe 19 der Flügel 17 im Inneren der Wendel angeordnet ist.
Ein erstes Verfahren zur Herstellung der inneren Beschichtung 15 besteht darin, im Inneren des Rohrs 16 der Stützstruktur 14 ein gerades Rohr 20 aus einem Material einzufügen, das dazu geeignet ist, mit Nutz- bzw. Brauchwasser in Kontakt gebracht zu werden, entsprechend der Darstellung in der 5. Das Einfügen des Rohrs 20 in die Stützstruktur wird vorgenommen, wenn sich die Stützstruktur 14 in ihrer geraden Konfiguration befindet. In einer darauffolgenden Phase wird die Stützstruktur 14 zusammen mit dem Rohr 20 spiralförmig gewickelt, das in der Folge deformiert wird und mit der Wandung des Rohrs 16 derart in Kontakt gebracht, dass es gänzlich an der Innenfläche des Rohrs 16 eng anliegt. Vorzugsweise wird das Rohr 20 durch eine unter Druck stehende Flüssigkeit verformt, die in den Innenraum des Rohrs 20, entsprechend einem Hydroformverfahren mit relativ geringem Druck, eingeleitet wird. Die Wandungsstärke des Rohrs 16 ist gegenüber der Wandungsstärke des Rohrs 20 mindestens vier mal größer. Das Rohr 20 weist gegenüber dem Rohr 16 eine größere oder gleiche Länge auf.
Mit Bezug auf die 3 besteht ein zweites Verfahren zur Herstellung des länglichen, hohlen Elements 3 in der gleichzeitigen Extrusion der Stützstruktur 14 und der inneren Beschichtung 15. Nach diesem Herstellungsverfahren wird die spiralförmige Wicklung am länglichen, hohlen Element 3 vorgenommen, das mit der inneren Beschichtung 15 schon versehen ist.
Zur Herstellung der inneren Beschichtung 15 gemäß der erfindungsgemäßen ersten und zweiten Ausführungsform wird das zweite Material vorzugsweise zwischen Kupfer und Kupferlegierungen gewählt, da diese Materialien eine gute thermische Leitfähigkeit und eine gute Verformbarkeit aufweisen und dazu geeignet sind, mit Nutz- bzw. Brauchwasser in Kontakt gebracht zu werden.
Ein drittes Verfahren zur Herstellung des länglichen, hohlen Elements 3 besteht darin, die innere Beschichtung 15 aus einem Polymer herzustellen, der zum Beispiel zwischen PE-RT, C-PVC und PEX-c und verschiedenen Typen von PEX-a und PEX-b gewählt wird, die im flüssigen Zustand aufgebracht werden können, zum Beispiel sprühend, mittels einer mit Düsen 22 versehenen Leitung 21 entsprechend der 6. Alternativ können Polymere dadurch aufgebracht werden, dass eine Polymere enthaltende Lösung in Umlauf gebracht wird, wobei diese an der Innenfläche des Rohrs 16 haften bleiben.
Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung verändert und variiert werden, ohne deshalb den geschützten Rahmen zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1627190 B1 [0003, 0004, 0024]
EP 1600708 A1 [0003]
EP 1750070 A1 [0003]
EP 1750069 A1 [0003]
EP 1752718 A1 [0003]

Claims

Wärmetauscher zur Erzeugung von Nutzwarmwasser, wobei der Wärmetauscher (1) ein Gehäuse (2); und ein längliches, hohles Element (3) umfasst, das spiralförmig derart um eine Achse (A) gewickelt ist, dass es eine Vielzahl an benachbarten Windungen (13) bildet, die innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind; wobei das längliche, hohle Element (3) eine Stützstruktur (14), die aus einem ersten Material hergestellt ist; und eine innere Beschichtung (15) aufweist, die aus einem zweiten Material hergestellt ist, das dazu geeignet ist, mit dem Nutzwasser in Kontakt gebracht zu werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Stützstruktur (14) ein erstes Rohr (16) und vorzugsweise Flügel (17) umfasst, die außerhalb des ersten Rohres (16) verlaufen; wobei die genannte innere Beschichtung (15) gänzlich an der Innenfläche des ersten Rohrs (16) eng anliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Stärke des ersten Rohres (16) mindestens vier mal größer als die Stärke der inneren Beschichtung (15) ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material aus Aluminium; und einer Aluminiumlegierung gewählt wird.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material aus Kupfer für den Sanitärbereich; Kupferlegierungen für den Sanitärbereich; und Polymeren für den Sanitärbereich gewählt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der ein Gehäuse (2); und ein längliches, hohles Element (3) umfasst, das spiralförmig derart um eine Achse (A) gewickelt ist, dass es eine Vielzahl an benachbarten Windungen (13) bildet, die innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind; wobei das Verfahren den Schritt umfasst: Herstellen des länglichen, hohlen Elements (3), der mit einer inneren Beschichtung (15) versehen ist, die dazu geeignet ist, mit dem Nutzwasser in Kontakt gebracht zu werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt zur Herstellung des länglichen, hohlen Elements (3) Folgendes vorsieht: Herstellen einer Stützstruktur (14), die ein erstes Rohr (16) aus einem ersten Material umfasst; und Anbringen bzw. Anwenden auf das erste Rohr (16) der inneren Beschichtung (15) aus einem zweiten Material, das dazu geeignet ist, mit dem Nutzwasser in Kontakt gebracht zu werden, an das erste Rohr (16).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Stützstruktur (14) und die innere Beschichtung (15) gleichzeitig durch ein Coextrusionsverfahren hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, das den Schritt des spiralförmigen Wickelns der Stützstruktur (14) umfasst, bevor die innere Beschichtung (15) an das erste Rohr (16) angebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, das die Schritte umfasst: Extrudieren der Stützstruktur (14); Einsetzen eines zweiten Rohrs (20) in den Innenraum des ersten Rohrs (16); spiralförmiges Wickeln der Stützstruktur (14) und des zweiten Rohrs (20); und Verformen, vorzugsweise durch hydroplastische Verformung, des zweiten Rohrs (20) gegen das spiralförmig gewickelte erste Rohr (16), sodass das zweite Rohr (20) am ersten Rohr (16) jeweils entlang der Innenfläche des ersten Rohrs (16) und der Außenfläche des zweiten Rohrs (20) eng anliegt.