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Die
Erfindung betrifft ein Heizgerät
für mobile Anwendungen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem eingangs genannten
Heizgerät.
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Heizgeräte für mobile
Anwendungen, mit einem Brenner und einem Wärmeübertrager, werden als so genannte
Zusatz-Luftheizgeräte
oder Zusatz-Wasserheizgeräte
bei Fahrzeugen, wie beispielsweise Personenwagen, Nutzfahrzeugen,
Bussen, Eisenbahnwagons oder Schiffen, eingesetzt. Sie dienen in
der Regel zum Beheizen eines Fahrgastraumes oder zum Vorwärmen des
Kühlwassers eines
Verbrennungsmotors des Fahrzeugs.
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Bei
diesen Heizgeräten
wird im Brenner ein in der Regel flüssiger Brennstoff mit Luft
gemischt, gezündet
und in einem Brenner angeordneten Flammrohr verbrannt. Das Flammrohr
ist von dem eingangs genannten Wärmeübertrager
umgeben. Es führt
das bei der Verbrennung entstehende heiße Abgas zum Boden des Wärmeübertragers,
wo es von der Innenseite des Flammrohres an dessen Außenseite
umgelenkt wird. Das Abgas strömt
nachfolgend zwischen der Außenseite
des Flammrohres und einer an den Boden anschließenden im Wesentlichen rohrförmigen Wand
des Wärmeübertragers
in Richtung zum Brenner. Bei diesem Strömen im Wärmeübertrager gibt das Abgas seine
Wärmeenergie
an den Boden und die Wand ab.
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An
der Außenseite
der Wand des Wärmeübertragers
strömt
ein gasförmiger
oder flüssiger
Wärmeträger, wie
beispielsweise Heizluft für
einen Fahrgastraum oder Kühlflüssigkeit
eines Verbrennungsmotors. Dieser Wärmeträger wird vom Boden und von
der Wand des Wärmeübertragers
erwärmt.
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Bei
herkömmlichen
Wärmeübertragern
der oben beschriebenen Art, wie sie aus der
DE 196 13 759 A1 , der
DE 196 13 760 A1 ,
der
DE 199 09 395 A1 und
der
DE 199 26 264
A1 bekannt sind, ist die im wesentlichen rohrförmige Wand
des Wärmeübertragers
vom Brenner ausgehend bis zum Boden zylindrisch um eine Achse gestaltet.
An der Innenseite der Wand sind radial nach innenragend sich axial
erstreckende Rippen in regelmäßigen Abständen angeordnet.
Die Rippen beginnen an einem Ringkanal am Brenner und erstrecken
sich durchgehend bis zum Boden des Wärmeübertragers. Mit Hilfe der Rippen wird
der Wärmeübergang
vom Abgas auf die Wand verbessert.
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Aus
DE 197 34 814 C1 ist
ein Wärmeübertrager
bzw. Wärmetauscher
bekannt, an dessen Innenwand ebenfalls axiale Rippen vorstehen.
Auch diese Rippen erstrecken sich über die gesamte axiale Länge der
Wand des Wärmeübertragers.
Um den Wirkungsgrad des Wärmeübertragers
zu erhöhen,
sind die Rippen so gestaltet, dass ihre Höhe ausgehend von einer minimalen
Höhe am
Abgasaustritt in der Nähe
des Brenners zu einer maximalen Höhe am gegenüberliegenden Boden zunimmt.
Dieser Boden ist als zugespitztes Ende der Innenwand gestaltet.
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Wärmeübertrager,
wie sie oben beschrieben worden sind, werden in der Regel in einem
Druckgussverfahren hergestellt. Als Material wird insbesondere eine
Aluminiumlegierung verwendet.
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Wenn
nun die rohrförmige
Wand des Wärmeübertragers
eine beträchtliche
Länge aufweist, welche
eine Größenordnung
von ca. 300 mm übersteigt,
so tritt das Problem auf, dass die im Druckgussverfahren hergestellten
Wärmeübertrager
nur mit großer
Mühe aus
einer Druckgussform herausgelöst
werden können.
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Bei
heutigen Heizgeräten
werden daher Wärmeübertrager
mit einer rohrförmigen
Wand von mehr als ca. 300 mm Länge
mehrteilig ausgebildet. Nur so können
die erforderliche Oberfläche,
die geforderte Mindestwanddicke und die notwendige Entformungsschräge eingehalten
werden.
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Mehrteilige
Wärmeübertrager
bedeuten aber einen erhöhten
Aufwand hinsichtlich der Montagelogistik, der Montagevorgänge und
nicht zuletzt der Abdichtung zwischen den einzelnen Teilen des Wärmeübertragers.
Damit ergeben sich höhere
Kosten und vermehrt Dichtungsprobleme.
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Aus
DE 44 01 800 C1 ist
einer Verdampferbrenner für
ein motorunabhängig
betreibbares Fahrzeug-Heizgerät
bekannt, bei dem ein becherförmiger Wärmetauscher
mit einer im wesentlichen rohrförmigen,
leicht konischen Wand und einem dem Brenner gegenüberliegenden
Boden ausgebildet ist. Der Boden ist mit einer im Querschnitt V-förmigen Vertiefung gestaltet.
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Aus
DE 39 14 611 C2 ist
ein Verdampferbrenner für
ein mit flüssigem
Brennstoff betriebenes Heizgerät
bekannt, bei dem ein äußeres Flammrohr mit
einer in
1 erkennbaren
Ausstülpung
gestaltet ist und eine näher
nicht zu erkennende Wand eine Stufe aufweist, mit der sie an dem
Gehäuse
des Heizgerätes
befestigt ist.
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Aus
DE 199 29 465 C1 ist
ein brennstoffbetriebenes Heizgerät mit optimierter Verbrennungsgasführung bekannt,
bei dem ein Flammrohr aufeinander folgend einen durchmessergrößeren Abschnitt und
einen durchmesserkleineren Abschnitt aufweist. Das Flammrohr ist
von einem Wärmeübertrager
mit einer rohrförmigen,
im Wesentlichen zylindrischen Wand umgeben, an der abwechselnd lange
gestufte und kurze ungestufte Rippen angeordnet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät zu schaffen,
bei dem die oben genannten Nachteile überwunden sind. Insbesondere
soll der Wärmeübertrager
kostengünstiger
bei der Herstellung und Wartung sein.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem
Heizgerät
gemäß Anspruch
1 und einem Fahrzeug gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Die
rohrförmige
Wand des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
ist also mit einer beliebigen Anzahl von Absätzen gestuft. Die Wand ist
dabei vom Brenner ausgehend bis zum Boden einteilig gestaltet.
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Durch
die erfindungsgemäße Gestaltung
der Wand kann der becherförmige
Wärmeübertrager leichter
aus einer Druckgussform gelöst
werden, als herkömmliche
Wärmeübertrager
mit einer durchgehend geraden Wand.
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Darüber hinaus
hat sich gezeigt, dass die gestufte Wand auch zu besseren Strömungsverhältnissen
für das
Abgas und unter Umständen
auch für
den Wärmeträger führt. An
der mindestens einen Stufe der Wand wird das Abgas zumindest teilweise
aufgestaut und damit ein stärkerer
Wärmeübergang
vom Abgas auf die Wand erzielt.
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Ferner
müssen
am Wärmeübertrager
keine die Wand verdickenden Abdichtungen vorgesehen werden. Der
Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
ist daher höher
als der von vergleichbaren herkömmlichen
Wärmeübertragern.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich
die im wesentlichen geraden Abschnitte parallel zu einer Achse und
die Wand ist im Bereich der Stufe etwa senkrecht zur Achse ausgerichtet.
An einer solchen Stufe an der Wand ist die oben beschriebene Abgas-Stauwirkung
besonders stark.
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Der
Effekt der erfindungsgemäßen Stufe
hinsichtlich des Herauslösens
und der Oberflächengüte beim
Druckgießen
ist besonders groß,
wenn die axiale Länge
des ersten im wesentlichen geraden Abschnitts mit der radialen Höhe der Stufe
ein Verhältnis
von etwa Sieben zu Eins bildet. Es hat sich gezeigt, dass auch Verhältnisse
in einem Bereich von Vier zu Eins bis Zehn zu Eins vorteilhaft sind.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit einem besonders
hohen Wirkungsgrad, ist an der Wand an der dem Brenner zugewandten
Seite mindestens eine Rippe ausgebildet. Diese mindestens eine Rippe
erstreckt sich in der Regel axial. In der Regel sind an der Innenseite
der Wand eine Vielzahl Rippen ausgebildet. Die radiale Höhe der Rippe
ist vorteilhaft im wesentlichen gleich der radialen Höhe der Stufe
der Wand. Die Rippe erstreckt sich bei dieser Gestaltung nur über einen
geraden Abschnitt der Wand. Nach der Stufe kann eine weitere Rippe
am nächsten
Abschnitt angeordnet sein. Die Rippen können in axialer Richtung hintereinander
stehen oder an der Stufe versetzt aufeinander folgen. Eine einzelne
verhältnismäßig kurze
Rippe, die sich nur über
die axiale Länge
eines geraden Abschnitts erstreckt, weist Abmessungen auf, die sich
mit einem Druckgießverfahren gut
verwirklichen lassen. Insbesondere können die erforderlichen Gussschrägen an der
erfindungsgemäß weitergebildeten
Rippe gut vorgesehen werden. Während
bei herkömmlichen
Wärmeübertragern
ca. 20 bis 25 solcher Rippen über
den Umfang verteilt ausgebildet sind, ermöglicht es die erfindungsgemäß gestufte
Wand, dass an ihr mehr Rippen ausgebildet sind. Bei einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
sind beispielsweise an einem geraden Abschnitt zwischen zirka 30
und 40 Rippen möglich.
Diese Rippen sind je kleiner als bei herkömmlichen Heizgeräten. Der
derart ausgebildete Wärmeübertrager
weist dadurch eine größere Wärmeübergangsfläche und einen
höheren
Wirkungsgrad auf.
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Die
erfindungsgemäßen Rippen
können
ferner an der Stufe selbst abgestuft sein. Besonders sinnvoll ist
eine Abstufung, die dazu führt,
das sich über
den einzelnen geraden Abschnitt je eine einzelne Rippe erstreckt.
Die Rippen gehen dann an der Stufe nicht ineinander über. Ausgehend
vom Brenner ist in Richtung zum Boden vor der Stufe eine erste Rippe
und hinter der Stufe eine separate zweite Rippe ausgebildet. In
diesem Fall kann für
jeden geraden Abschnitt unabhängig
von einem benachbarten Abschnitt die optimale Anzahl Rippen festgelegt
werden. Alternativ können
sich die Rippen über
die Stufe hinweg erstrecken. Der Abstand der Rippen und/oder ihre
Breite verringern sich dann vom Brenner ausgehend in Richtung zum
Boden.
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Um
einen über
die Fläche
des Wärmeübertragers
gleichmäßigen Wärmeübergang
zu schaffen, sind der im wesentlichen gerade erste und zweite Abschnitt
je im wesentlichen zylindrisch mit einem ersten Durchmesser bzw.
einem zweiten Durchmesser ausgebildet.
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Die
geraden Abschnitte und die Stufe sind dabei vorteilhaft so dimensioniert,
dass die beiden Durchmesser ein Verhältnis von zirka Acht zu Sieben bilden.
Es hat sich gezeigt, dass ansonsten ein Verhältnis der Durchmesser von Elf
zu Zehn bis Fünf
zu Vier gute Ergebnisse liefert.
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Das
in dem Wärmetauscher
angeordnete Flammrohr ist bei einem weitergebildeten Wärmeübertrager
entsprechend der Wand bzw. der darin ausgebildeten mindestens einen
Rippe gestuft gestaltet. Die Abstufung des Flammrohres ist also
an die der Wand angepasst. Zwischen dem Flammrohr und der Wand kann
so ein Zwischenraum mit konstanter axialer Höhe geschaffen werden. Die Höhe ist im
wesentlichen gleich der Höhe
der mindestens einen Rippe. Im Verhältnis zu bekannten Wärmeübertragern ist
diese Höhe
des Zwischenraums kleiner und, wie oben erläutert, mit mehr Rippen gefüllt. Die
Wärmeübergangsfläche ist
daher größer. Es
kann daher eine pro Zeiteinheit große Menge Brennluft bzw. Abgas durch
den Wärmeübertrager
gefördert
werden.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Heizgerätes anhand
der beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
Halbschnitt eines Wärmeübertragers
und eines Flammrohres des Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Heizgerätes, und
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2 die
Ansicht II in 1.
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Ein
in 1 und 2 dargestellter becherförmige Wärmeübertrager 10 eines
weiter nicht dargestellten Heizgerätes für mobile Anwendungen weist
als wesentliches Bauelement einen Boden 12 und eine daran
anschließende
im wesentlichen rohrförmigen
Wand 14 auf. Die rohrförmige
Wand 14 weist also ein vom Boden 12 verschlossenes
Ende 14a und ein offenes Ende 14b auf.
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Der
Wärmeübertrager 10 ist
bei dem Heizgerät
an einen nicht dargestellten Brenner angebracht. Dabei ist das offene
Ende 14b dem Brenner zugewandt. Vom Brenner ausgehend ragt
ein Flammrohr 16 durch das offene Ende 14b der
rohrförmigen Wand 14 in
den becherförmigen
Wärmeübertrager 10.
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Im
Flammrohr 16 brennt im Betrieb des Brenners eine Flamme,
deren Abgas durch das Flammrohr zum Boden 12 strömt. Am Boden 12 wird
das Abgas von der Innenseite des Flammrohres 16 an dessen
Außenseite
umgelenkt. Das Abgas strömt weiter
zwischen der Außenseite
des Flammrohres 16 und der Innenseite der rohrförmigen Wand 14.
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Die
rohrförmige
Wand 14 trennt das Abgas von einem nicht dargestellten
flüssigen
Wärmeträger, der
an der Außenseite
der rohrförmigen
Wand 14 an dieser entlang strömt. Der flüssige Wärmeträger nimmt Wärme auf, die vom Abgas auf
die Wand 14 übertragen
worden ist.
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An
der Innenseite der rohrförmigen
Wand 14 sind Rippen 18 ausgebildet, mit Hilfe
derer die Oberfläche
an der Innenseite der rohrförmigen
Wand 14 vergrößert und
damit ein guter Wärmeübergang
zwischen dem Abgas und der rohrförmigen
Wand 14 erzielt ist.
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Die
rohrförmige
Wand 14 ist aus einer gut wärmeleitenden Aluminiumlegierung
in einem Druckgussverfahren hergestellt. Bei einer verhältnismäßig langen
rohrförmigen
Wand 14 ergibt sich beim Druckgießen das Problem, dass an der
Wand 14 die erforderlichen Gussschrägen zu einer wärmetechnisch und
strömungsmechanisch
nicht befriedigenden Gestalt der Wand 14 führen. Damit
ein ausreichend guter Wirkungsgrad erzielt werden kann, ist bei
bekannten Wärmeübertragern
die rohrförmige
Wand mehrteilig gestaltet. Diese Gestaltung bringt jedoch neue Nachteile
mit sich, weil beispielsweise das Montieren und Abdichten aufwendig
und unter Umständen
fehlerbehaftet ist.
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Bei
dem dargestellten Wärmeübertrager 10 ist
die rohrförmige
Wand 14 einteilig gestaltet. Um dennoch die erforderlichen
Guss- bzw. Formschrägen
realisieren zu können,
ist die Wand 14 gestuft ausgebildet. Sie weist einen im
wesentlichen zylindrischen ersten geraden Abschnitt 20 auf,
an den sich eine erste Stufe 22, ein zylindrischer zweiter
gerader Abschnitt 24, eine zweite Stufe 26 und
schließlich
ein zylindrischer dritter gerader Abschnitt 28 anschließen. Die
geraden Abschnitte 20, 24 und 26 sind
nicht völlig
zylindrisch gestaltet, denn sie weisen eine geringe konische Form
auf, welche durch die zum Druckgießen erforderlichen Formschrägen bedingt ist.
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Die
Durchmesser der drei geraden Abschnitte 20, 24 und 28 nehmen
vom Brenner ausgehend in Richtung des Bodens 12 von einem
ersten Durchmesser D1 von ca. 240 mm auf einen zweiten Durchmesser
D2 von ca. 210 mm und schließlich
einem dritten Durchmesser D3 von ca. 180 mm ab. Der Boden 12 weist
also an seiner Innenseite ebenfalls einen Durchmesser von ca. 180
mm auf. Die rohrförmige
Wand 14 verjüngt
sich demnach in zwei Schritten, wobei das Verhältnis der Durchmesser D1 zu
D2 gleich Acht zu Sieben und das Verhältnis der Durchmesser D2 zu
D3 gleich Sieben zu Sechs ist.
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Die
rohrförmige
Wand 14 erstreckt sich mit ihren geraden Abschnitten 20, 24 und 28 längs einer Achse 30.
Die zu dieser Achse 30 senkrecht gemessenen radialen Höhen H1 bzw.
H2 der ersten und zweiten Stufe 22 und 26 betragen
je ca. 15 mm. Der erste gerade Abschnitt 20 weist in axialer
Richtung gemessen eine Länge
L1 von ca. 105 mm auf. Die Länge
L2 des zweiten geraden Abschnitts 24 ist ca. 90 mm und
die Länge
L3 des dritten geraden Abschnitts 28 schließlich ca.
75 mm. Damit ergeben sich hinsichtlich der Abstufung folgende Größenverhältnisse:
Das Verhältnis
von der axialen Länge
L1 des ersten geraden Abschnitts 20 zur radialen Höhe H1 der
ersten Stufe 22 beträgt
Sieben zu Eins. Das Verhältnis
der axialen Länge
L2 des zweiten geraden Abschnitts 24 zur radialen Höhe H2 der
zweiten Stufe 26 beträgt
Sechs zu Eins. Das Verhältnis
der axialen Länge
L3 zur
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Höhe H2 dieser
Stufe 26 beträgt
hingegen nur Fünf
zu Eins. Die Steilheit der Abstufung und damit der Grad der Verjüngung der
rohrförmigen
Wand 14 nimmt also mit zunehmender Entfernung vom Brenner
zu.
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Die
Stufen 22 und 26 der rohrförmigen Wand 14 sind
je als Wandabschnitte ausgebildet, die sich im wesentlichen radial
erstrecken. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Wandabschnitte
mit einem Winkel zur Achse 30 von ca. 35° bis 85°, insbesondere
von 45° bis
75° oder besonders
bevorzugt von ca. 55° bis
65° ausgebildet. Eine
derart schräge
Stufe steigt vom Brenner ausgehend in Richtung zum Boden an. Sie
bildet sozusagen einen „fließenden" Übergang zwischen den jeweils
geraden Abschnitten. Um Turbulenzen am Übergang zwischen Stufe und
geradem Abschnitt zu vermeiden kann dieser abgerundet gestaltet
sein.
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Die
Stufen 22 und 26 können aber auch gezielt so gestaltet
sein, dass an ihnen Abgas aufgestaut wird. So kann die Strömung des
Abgases im Wärmeübertrager 10 verzögert und
ein erhöhter Wärmeübergang
vom Abgas auf die Wand 14 erzielt werden.
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Die
zur Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehenen
Rippen 18 verlaufen axial und sind so gestaltet, dass sich
eine einzelne Rippe 18 je über einen geraden Abschnitt 20, 24 bzw. 28 erstreckt.
Die radiale Höhe
der Rippen 18 beträgt,
wie die Höhe
der Stufen 22 und 26, je ca. 15 mm. Damit reicht
eine Rippe 18 je bis an die Oberkante der Stufe 22 bzw. 26.
Die Rippen 18 erstrecken sich also nicht über die Stufen 22 und 26 hinweg.
Auf jedem geraden Abschnitt 20, 24 und 26 sind
einzelne Rippen gestaltet. So kann eine verhältnismäßig große Anzahl an Rippen 18 insbesondere
auf dem ersten geraden Abschnitt 20 und dem zweiten geraden
Abschnitt 24 angeordnet werden.
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Am
ersten Abschnitt 20 sind an dessen Innenseite über den
gesamten Umfang ca. 76 Rippen 18 und am zweien Abschnitt
ca. 64 Rippen 18 in regelmäßigen Abständen verteilt radial nach innen
gerichtet ausgebildet. Am dritten geraden Abschnitt 28 sind
es schließlich
noch ca. 60 Rippen 18.
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Bei
einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich
eine einzelne Rippe je vom ersten geraden Abschnitt ausgehend über die
beiden Stufen bis über
den dritten geraden Abschnitt. Die Rippe ist dabei im Bereich des
ersten geraden Abschnitts breiter und/oder höher als im dritten geraden
Abschnitt. Die Wand des Wärmeübertragers kann
auch insgesamt gefaltet gestaltet sein. Eine Falte kann dann im
Bereich des ersten geraden Abschnitts breiter ausgebildet sein als
im dritten geraden Abschnitt. Am dritten geraden Abschnitt können sich
die Hälften
der Falte auch zu einer Rippe verbinden.
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Das
in dem becherförmigen
Wärmeübertrager 10 angeordnete
Flammrohr 16 ist, wie die Wand 14, ebenfalls gestuft
gestaltet. Die Abstufung des Flammrohres 16 ist so ausgebildet,
dass dieses zu den radial nach innen gerichteten Rändern 18a der Rippen 18 einen
geringen Abstand aufweist. An den Stufen 22 und 26 ist
das Flammrohr 16 von den axial zum Brenner gerichteten
Rändern 18b der
Rippen 18 so weit entfernt, dass das Abgas wie gewünscht über die
jeweilige Stufe 22 und 26 strömen kann.
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Mit
dem Abstand der Stufen des Flammrohres 16 zu den axial
zum Brenner gerichteten Rändern 18b der
Rippen 18 kann auf besonders einfache Weise der Strömungswiderstand
des Abgases zwischen der Außenseite
des Flammrohres und der Innenseite der rohrförmigen Wand verändert und
auf einen gewünschten
Wert eingestellt werden.
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- 10
- Wärmeübertrager
- 12
- Boden
- 14
- rohrförmige Wand
- 14a
- verschlossenes
Ende der rohrförmigen Wand
- 14b
- offenes
Ende der rohrförmigen
Wand
- 16
- Flammrohr
- 18
- Rippe
- 18a
- radial
nach innen gerichteter Rand einer Rippe
- 18b
- axial
zum Brenner gerichteter Rand einer Rippe
- 20
- erster
gerader Abschnitt
- 22
- erste
Stufe
- 24
- zweiter
gerader Abschnitt
- 26
- zweite
Stufe
- 28
- dritter
gerader Abschnitt
- 30
- Achse
- D1
- Durchmesser
des ersten geraden Abschnitts
- D2
- Durchmesser
des zweiten geraden Abschnitts
- D3
- Durchmesser
des dritten geraden Abschnitts
- H1
- Höhe der ersten
Stufe
- H2
- Höhe der zweiten
Stufe
- L1
- Länge des
ersten geraden Abschnitts
- L2
- Länge des
zweiten geraden Abschnitts
- L3
- Länge des
dritten geraden Abschnitts