DE102015108059A1

DE102015108059A1 - Heizgerät

Info

Publication number: DE102015108059A1
Application number: DE102015108059.1A
Authority: DE
Inventors: Norbert Volkmann; Ulas Sahin; Denis Lange; Alexander Guhl
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-11-24
Also published as: PL3096093T3; EP3096093A1; EP3096093B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, umfassend eine Brennkammer (1) und einen zur Führung von heißem, in der Brennkammer (1) erzeugtem Abgas ausgebildeten Heizgaszug (2), wobei dieser einen Eintrittsbereich (2.1) und einen Austrittsbereich (2.2) aufweist und mit der Brennkammer (1) über den Eintrittsbereich (2.1) verbunden ausgebildet ist und wobei im Heizgaszug (2) zur Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf den Heizgaszug (2) zueinander beabstandete, eine Wandstärke aufweisende Wärmeübertragungsrippen (3) angeordnet sind. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass auf Seiten des Eintrittsbereichs (2.1) wahlweise die Wandstärke der Wärmeübertragungsrippen (3) und/oder die Abstände der Wärmeübertragungsrippen (3) zueinander größer als auf Seiten des Austrittsbereichs (2.2) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Heizgerät der eingangs genannten Art ist aus dem Patentdokument EP 0 632 239 A1 bekannt. Dieses Heizgerät besteht aus einer Brennkammer und einem zur Führung von heißem, in der Brennkammer erzeugtem Abgas ausgebildeten Heizgaszug, wobei dieser einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich aufweist und mit der Brennkammer über den Eintrittsbereich verbunden ausgebildet ist und wobei im Heizgaszug zur Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf den Heizgaszug zueinander beabstandete, eine Wandstärke aufweisende Wärmeübertragungsrippen angeordnet sind. Diese Wärmetauscherrippen, die zum Beispiel als Aluminiumstrangpressprofil oder auch aus einem gefalteten Blech gebildet sein können, erstrecken sich dabei im Querschnitt unverändert vom Eintrittsbereich bis zum Austrittsbereich. Der Heizgaszug selbst ist außen in bekannter Weise von das Heizgerät durchströmenden Heizkreiswasser umgeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll ein Heizgerät mit einer weiter verbesserten Wärmeübertragung im Bereich des Heizgaszuges vom Abgas auf das Heizkreiswaser geschaffen werden.
Diese Aufgabe ist mit einem Heizgerät der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass auf Seiten des Eintrittsbereichs wahlweise die Wandstärke der Wärmeübertragungsrippen und/oder die Abstände der Wärmeübertragungsrippen zueinander größer als auf Seiten des Austrittsbereichs ausgebildet sind.
Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung somit dadurch aus, dass am Heizgaszug bauliche Maßnahmen ergriffen werden, die einer sich zwischen dem Eintritts- und Austrittsbereich abkühlenden Abgasströmung Rechnung tragen. Auf Seiten des Eintrittsbereichs, also dort wo die Temperatur des Abgases noch vergleichsweise hoch ist, wird dabei wahlweise eine dickwandigere Wärmeübertragungsrippe als am Austrittsbereich eingesetzt und/oder mit Blick auf das größere Gasvolumen bei höheren Temperaturen am Eintrittsbereich ein größerer Abstand zwischen den Wärmeübertragungsrippe als am Austrittsbereich gewählt. Diese Maßnahmen führen insbesondere in Kombination miteinander, was unten noch genauer erläutert wird, zu einem an die jeweilige Temperatur des sich im Heizgaszugverlauf abkühlenden Abgases optimal angepassten Heizgaszug.
Die bezüglich der Variation der Wandstärke auf der Hand liegende alternative Lösung, nämlich einfach seitens des Eintrittsbereichs ein temperaturbeständigeres Material als am Austrittsbereich vorzusehen, ist dabei für die Lösung der gestellten Aufgabe insofern nicht zielführend, als die Verarbeitung unterschiedlicher Materialen im Verlauf des Heizgaszuges aufwändig und absehbar mit Problemen wegen unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der unterschiedlichen Materialen verbunden wäre.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Das erfindungsgemäße Heizgerät einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt
1 schematisch das erfindungsgemäße Heizgerät mit einer Brennkammer, mit vier von Heizkreiswasser umschlossenenen Heizgaszügen und mit einer Abgassammelkammer;
2 schematisch im Schnitt die vier Heizgaszüge gemäß 1 auf Höhe des Eintrittsbereiches (Schnitt A-A);
3 schematisch im Schnitt die vier Heizgaszüge gemäß 1 auf Höhe des Austrittsbereiches (Schnitt B-B);
4 perspektivisch einen zum besseren Verständnis halb geöffneten Heizgaszug mit insgesamt drei Zonen;
5 eine Ausschnittsvergrößerung zum Ausführungsbeispiel gemäß 4; und
6 ebenfalls vergrößert (und auch halb geöffnet) eine weitere Ausführungsform mit Stegen zwischen den eintrittsbereichsseitigen Wärmeübertragungsrippen.
Das in den Figuren dargestellte Heizgerät besteht in an sich bekannter Weise aus einer Brennkammer 1 und einem zur Führung von heißem, in der Brennkammer 1 mit einem nicht extra dargestellten Brenner erzeugtem Abgas ausgebildeten Heizgaszug 2, wobei dieser einen Eintrittsbereich 2.1 und einen Austrittsbereich 2.2 aufweist und mit der Brennkammer 1 über den Eintrittsbereich 2.1 verbunden ausgebildet ist und wobei im Heizgaszug 2 zur Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf den Heizgaszug 2 zueinander beabstandete, eine Wandstärke aufweisende Wärmeübertragungsrippen 3 aus einem metallischen Material angeordnet sind.
Wie beim eingangs genannten Stand der Technik ist auch beim erfindungsgemäßen Heizgerät, um eine ausreichende Abgasmenge aus der Brennkammer 1 abführen zu können, vorgesehen, dass die Brennkammer 1 mit mehreren (hier vier), parallel vom Abgas durchströmten Heizgaszügen 2 verbunden ausgebildet ist. Der Heizgaszug 2 selbst weist dabei eine (etwa) rechteckige Querschnittsfläche mit einer Länge und mit einer Breite auf, wobei die Länge einem Vielfachen der Breite entspricht.
Außerdem ist in an sich bekannter Weise vorgesehen, dass der Heizgaszug 2 über den Austrittsbereich 2.2 mit einer Abgassammelkammer 4 verbunden ausgebildet ist. Dabei ist weiterhin die Brennkammer 1 oberhalb des Heizgaszuges 2 und dieser oberhalb der Abgassammelkammer 4 angeordnet. Die Abgassammelkammer 4 ist ihrerseits in bekannter Weise (und daher nicht extra dargestellt) mit einem Kamin eines Gebäudes oder dergleichen verbunden.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Heizgerät ist nun, dass auf Seiten des Eintrittsbereichs 2.1 wahlweise die Wandstärke der Wärmeübertragungsrippen 3 und/oder die Abstände der Wärmeübertragungsrippen 3 zueinander größer als auf Seiten des Austrittsbereichs 2.2 ausgebildet sind.
Wie eingangs erläutert, führen diese Maßgaben zu einem Heizgerät, bei dem einerseits die Wärmeübertragungsrippen 3 im Eintrittsbereich 2.1 den noch hohen Temperaturen des Abgases gut standhalten können und bei dem andererseits mit Hilfe von dünnwandigen Wärmeübertragungsrippen 3 im Austrittsbereich 2.2 für eine besonders gute Wärmeübertragung gesorgt ist.
In den Figuren ist dabei ein Heizgaszug 2 mit zwei verschiedenen Zonen dargestellt. 2 zeigt die noch vergleichsweise dickwandigen und mit vergleichweise großer Distanz zueinander angeordneten Wärmeübertragungsrippen 3 im Eintrittsbereich 2.1 (Schnitt A-A). 3 zeigt dagegen die vergleichsweise dünnwandigen und mit vergleichsweise kleiner Distanz zueinander angeordneten Wärmeübertragungsrippen 3 im Austrittsbereich 2.2 (Schnitt B-B).
Wie ohne weiteres verständlich zeigen die 1 bis 3 somit eine Grundkonstellation. Zu Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung können aber auch Heizgaszüge 2 mit mehr als zwei Zonen vorgesehen sein. Um einerseits den Temperaturbelastungen und andererseits der Abnahme des Volumens des Abgases mit zunehmender Distanz von der Brennkammer 1 gerecht zu werden, ist somit, nochmals in anderen Worten ausgedrückt, erfindungsgemäß vorgesehen, dass a) die Wandstärke der Wärmeübertragungsrippe 3 mit zunehmendem Abstand von der Brennkammer 1 kleiner werdend ausgebildet ist und/oder dass b) der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsrippen 3 mit zunehmendem Abstand von der Brennkammer 1 kleiner werdend ausgebildet ist. Die genannte Veränderung von Zone zu Zone kann dabei kontinuierlich oder auch, was konstruktiv einfacher ist, stufenweise erfolgen.
Wie der Vergleich der 2 und 3 zeigt, ist weiterhin besonders bevorzugt vorgesehen, dass eine senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases im Heizgaszug 2 orientierte Durchlassfläche 2.3 für das Abgas im Eintrittsbereich 2.1 größer als im Austrittsbereich 2.2 ausgebildet ist.
Bezüglich der Dimensionierung der Bauteile des erfindungsgemäßen Heizgerätes, bei dem außerdem, wie oben bereits erwähnt, der Heizgaszug 2 einerseits vom Abgas durchströmt und andererseits von Wasser (insbesondere Heizkreiswasser) umgeben ausgebildet ist, ist ferner für eine besonders gute Wärmeübertragung bevorzugt vorgesehen, dass eine zwischen dem Abgas und dem Wasser angeordnete Wandung des Heizgaszuges 2 eine Wandstärke aufweist, die kleiner als die kleinste Wandstärke der Wärmeübertragungsrippe 3 ausgebildet ist. Hierzu ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die Wandung des Heizgaszuges 2 aus einem metallischen Blechmaterial gebildet ist.
Noch etwas genauer betrachtet, ist bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät, bei dem außerdem eine Wandung des Heizgaszuges 2 und die Wärmeübertragungsrippen 3 als separate Bauteile ausgebildet sind, besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Wärmeübertragungsrippen 3 als Abstützung der Wandung des Heizgaszuges 2 gegen den von außen anstehenden Wasserdruck ausgebildet sind.
Im Unterschied zum vorgenannten Stand der Technik ist darüber hinaus zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung im Heizgaszug 2 für einen direkten Kontakt des Abgases mit einer Wandung des Heizgaszuges 2 ein von den Wärmeübertragungsrippen 3 freigelassener Wandbereich 2.4 am Heizgaszug 2 vorgesehen. Es gibt somit im Heizgaszug 2 einerseits direkt mit den Wärmeübertragungsrippen 3 in Kontakt stehende und diese abstützende Wandbereiche 2.5 und andererseits entsprechend frei gelassende Wandbereiche 2.4. Dabei sind, wie die Figuren zeigen, die Wärmeübertragungsrippen 3 vorzugsweise in ein- (siehe insbesondere 2) oder mehrreihiger (siehe insbesondere 3) und vielfacher S-Form im Heizgaszug 2 angeordnet, wobei die Maßgabe ”vielfach” dabei einfach bedeutet, dass mehrere S-Formen in Längsrichtung aneinander gereiht angeordnet sind.
Da das erfindungsgemäße Heizgerät zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades als so genanntes Brennwertgerät betrieben werden soll, ist ferner besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Heizgaszug 2 und/oder die Wärmeübertragungsrippen 3 aus einem einem aus dem Abgas resultierenden Kondensat widerstehenden Material gebildet ist bzw. sind.
In den 4 und 5 ist ferner ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Heizgaszug dargestellt. Dieser Heizgaszug zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmeübertragungsrippen 3 in einem – bezogen auf eine Strömung des heißen Abgases – Zentralbereich des Heizgaszuges 2 mehr Abstand zum Eintrittsbereich 2.1 des Heizgaszuges 2 als an einem Randbereich des Heizgaszuges 2 aufweisen. Nochmals mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit am Eintrittsbereich eine Ausklinkung im mittleren Bereich der Wärmeübertragungsrippen 3 vorgesehen.
Diese Maßgabe bringt den Vorteil mit sich, dass sich das heiße, insbesondere im Zentralbereich in den Heizgaszug einströmende Abgas zunächst etwas abkühlen kann, bevor es mit den Wärmeübertragungsrippe 3 in Kontakt kommt. Gleichzeitig ist aber durch die im weniger mit heißem Abgas beaufschlagten Randbereich etwas verlängerte Ausbildung der Wärmeübertragungsrippen 3 nach wie vor für eine ausreichende Abstützung der Wandung des Heizgaszuges 2 gesorgt.
In 4 ist im übrigen gut erkennbar, dass dieser Heizgaszug 2 insgesamt drei verschiedene Zonen aufweist. Im vorderen Bildbereich sind die eintrittsbereichsseitigen Wärmeübertragungsrippen 3 dargestellt, die, um dem heißen Abgas gut widerstehen zu können, entsprechend dickwandig ausgebildet und mit vergleichsweise großem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Wärmeübertragungsrippen 3 im mittleren und austrittsseitigen Bereich sind deutlich dünnwandiger und mit geringerem Abstand zueinander angeordnet.
Außerdem ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 vorgesehen, dass die Wärmeübertragungsrippen 3 einer Zone (also in einem Bereich, in dem sich die Wandstärke und der Abstand der Wärmeübertragungsrippen 3 nicht ändert) aus zwei, in Strömungsrichtung des heißen Abgases gesehen hintereinander angeordneten Abschnitten 3.1, 3.2 gebildet sind, wobei zwischen den Abschnitten 3.1, 3.2 ein Spalt vorgesehen ist und die Abschnitte 3.1, 3.2 vorzugsweise mit Versatz zueinander angeordnet sind. Diese Maßgabe dient dazu, die Strömung in dieser Zone zu verwirbeln, um die Wärmeübertragung nochmals zu steigern.
Mit Verweis auf 6 ist schließlich bevorzugt vorgesehen, dass zwischen den Wärmeübertragungsrippe 3, und zwar insbesondere in einem – bezogen auf eine Strömung des heißen Abgases – Zentralbereich des Heizgaszuges 2, Stege 3.3 vorgesehen sind. Auch diese Maßgabe dient nochmals zur Verbesserung der Wärmeübertragung.
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: Heizgaszug
2.1: Eintrittsbereich
2.2: Austrittsbereich
2.3: Durchlassfläche
2.4: Wandbereich
2.5: Wandbereich
3: Wärmeübertragungsrippe
3.1: Abschnitt
3.2: Abschnitt
3.3: Steg
4: Abgassammelkammer

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 0632239 A1 [0002]

Claims

Heizgerät, umfassend eine Brennkammer (1) und einen zur Führung von heißem, in der Brennkammer (1) erzeugtem Abgas ausgebildeten Heizgaszug (2), wobei dieser einen Eintrittsbereich (2.1) und einen Austrittsbereich (2.2) aufweist und mit der Brennkammer (1) über den Eintrittsbereich (2.1) verbunden ausgebildet ist und wobei im Heizgaszug (2) zur Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf den Heizgaszug (2) zueinander beabstandete, eine Wandstärke aufweisende Wärmeübertragungsrippen (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf Seiten des Eintrittsbereichs (2.1) wahlweise die Wandstärke der Wärmeübertragungsrippen (3) und/oder die Abstände der Wärmeübertragungsrippen (3) zueinander größer als auf Seiten des Austrittsbereichs (2.2) ausgebildet sind.
Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases im Heizgaszug (2) orientierte Durchlassfläche (2.3) für das Abgas im Eintrittsbereich (2.1) größer als im Austrittsbereich (2.2) ausgebildet ist.
Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Wärmeübertragungsrippe (3) mit zunehmendem Abstand von der Brennkammer (1) kleiner werdend ausgebildet ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsrippen (3) mit zunehmendem Abstand von der Brennkammer (1) kleiner werdend ausgebildet ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Heizgaszug (2) einerseits vom Abgas durchströmt und andererseits von Wasser umgeben ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen dem Abgas und dem Wasser angeordnete Wandung des Heizgaszuges (2) eine Wandstärke aufweist, die kleiner als die kleinste Wandstärke der Wärmeübertragungsrippe (3) ausgebildet ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Wandung des Heizgaszuges (2) und die Wärmeübertragungsrippen (3) als separate Bauteile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsrippen (3) als Abstützmittel zur Druckstabilisierung der Wandung des Heizgaszuges (2) ausgebildet sind.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizgaszug (2) für einen Kontakt des Abgases mit einer Wandung des Heizgaszuges (2) ein von den Wärmeübertragungsrippen (3) freigelassener Wandbereich (2.4) am Heizgaszug (2) vorgesehen ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizgaszug (2) und/oder die Wärmeübertragungsrippen (3) aus einem einem aus dem Abgas resultierenden Kondensat widerstehenden Material gebildet ist bzw. sind.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsrippen (3) in ein- oder mehrreihiger und vielfacher S-Form im Heizgaszug (2) angeordnet sind.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizgaszug (2) eine rechteckige Querschnittsfläche mit einer Länge und mit einer Breite aufweist, wobei die Länge vorzugsweise einem Vielfachen der Breite entspricht.