-
Stand der
Technik
-
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Brennwert-Heizgeräte nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Derartige Wärmetauscher finden insbesondere
Anwendung in Heizgaszügen
von Brennwert-Heizkesseln. Brennwert-Heizkessel werden mit Öl- oder
Gasgebläsebrennern
in einer Brennkammer befeuert. In nachgeschalteten Heizgaszügen findet dann
der Wärmetausch
zwischen den Heizgasen und dem Kesselwasser dadurch statt, daß die Wärmetauscher
in dem Heizgaszug in dem Abgas des Brenners angeordnet sind. Die
Heizgase werden auf ein sehr niedriges Temperaturniveau unter den
Taupunkt abgekühlt,
um die latente im Abgas enthaltene Kondensationswärme zu nutzen.
Für einen
Wärmeübergang
bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Heizgas und Heizungswasser
sind große
Oberflächen
der Wärmetauscher
optimal.
-
Bei bekannten Gasthermen werden zur Übertragung
der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie
auf das Heizmedium, insbesondere auf Wasser des Heizkreises beispielsweise
sogenannte Rohrbündel-Wärmeübertrager
verwendet. Diese weisen eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden
von dem Heizmedium durchströmten
fluidisch miteinander verbundenen Rohren auf. Die Rohre wiederum
sind so im Abgasstrom angeordnet, daß das Abgas an ihnen vorbei
strömt.
Sehr oft sind die Rohre mit Lamellen versehen, die eine weitere
Optimierung des Wärmeeintrags
ermöglichen.
Derartige Rohrbündel-Wärmeübertrager weisen ein beträchtliches
Gewicht auf, es ist nur schwer möglich,
sie an beispielsweise gelkrümmte
Oberflächen
anzupassen, sie weisen darüber
hinaus auch ein Volumen von etwa 5 bis 15 Litern, also ein recht
großes
Bauvolumen auf.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher,
einen Wärmeübertrager
für Brennwert-Heizgeräte der gattungsgemäßen Art
zu vermitteln, der bei kleinem Eigengewicht und kleinem Bauvolumen
an beliebige, auch gelakrümmte
Oberflächen
anpaßbar
ist und so einen optimalen Wärmeeintrag
ermöglicht.
-
Darstellung
und Vorteile der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher
für Brennwert-Heizgeräte der eingangs
beschriebenen Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Durch die Ausbildung des Hohlkörpers als flaches, überall im
wesentlichen gleich dickes, auf zwei gegenüberliegenden Seiten von je
einer im Verhältnis
zur Dicke sehr ausgedehnten ebenen oder gekrümmten Fläche begrenztes Wärmetauscherelement,
welches eine Mehrzahl von über
die ausgedehnten Flächen
verteilten durchgängigen Öffnungen
und Einström-
und Ausströmöffnungen
für das Heizmedium
aufweist, durch die es mit einer Strömung des Heizmediums im wesentlichen
senkrecht zu den Öffnungen
beaufschlagbar ist, wird eine kompakte flache Bauform und gegenüber bekannten Wärmetauschern
eine erhebliche Reduktion des Eigengewichts erzielt. Derartige Wärmetauscher
können
beispielsweise mit Hilfe eines aus der
DE 199 10 985 A1 hervorgehenden
Verfahrens zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen, auf
das vorliegend Bezug genommen wird, hergestellt werden. Besonders
vorteilhaft ist es, daß sie eine
beliebige Form aufweisen können
und so an beliebige Oberflächen,
beispielsweise von Brennern angepaßt werden können.
-
Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, daß der
Hohlkörper
eine Mehrzahl derartiger, übereinander
angeordneter und miteinander fluidisch verbundener Wärmetauscherelemente
aufweist.
-
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die übereinanderliegenden
Wärmetauscherelemente
so angeordnet sind, daß die
durchgängigen Öffnungen
fluchten.
-
Bei einer anderen sehr vorteilhaften
Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die übereinanderliegenden
Wärmetauscherelemente
so versetzt zueinander angeordnet sind, daß die durchgängigen Öffnungen
jeweils übereinanderliegender
Wärmetauscherelemente
nicht fluchten. Durch derart übereinander
versetzt angeordnete Wärmeübertauscherelemente
wird der Wärmeübergang
stark erhöht.
-
Vorzugsweise variiert dabei der Querschnitt der Öffnungen übereinander
angeordneter Wärmetauscherelemente.
Insbesondere im kondensierenden Wärmeübertragerbereich wird der Querschnitt der Öffnungen
so gewählt,
daß die Öffnungen
nicht unter dem Einfluß der
Gasströmung
durch Kondensattropfen "verstopf' werden. Nur so kann
der vorgeschriebene Grenzwert für
den gasseitigen Druckabfall eingehalten werden.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, daß der
Querschnitt der Öffnungen
jeweils übereinander
angeordneter Wärmeübertragerelemente
und damit von Ebene zu Ebene der Wärmeübertragerelemente in Richtung
des Abgasstromes vergrößert wird,
da mit fallender Abgastemperatur an den Wärmeübertragerebenen zunehmend mehr
Kondensat anfällt.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform
werden die vorbeschriebenen Wärmeübertragerelemente
mit einem Rohrbündel-Wärmeübertrager
durch Anordnung Wärmeübertragerelemente
benachbart zu einem solchen Rohrbündel-Wärmeübertrager kombiniert. Hierbei
sind die Rohre des Rohrbündel-Wärmeübertragers
vorteilhafterweise aus der horizontalen Ebene gekippt angeordnet,
so daß das
Kondensat aufgrund der Schwerkraft zu einer Seite fließen und anschließend leicht
abfließen
kann. Eine solche Kombination wird insbesondere im stark kondensierenden
Wärmeübertragerbereich
eingesetzt, um die anfallende große Kondensatmenge sicher abtransportieren
zu können.
-
Zeichnung
-
Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der
zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
-
In der Zeichnung zeigen:
-
1 schematisch
einen von der Erfindung Gebrauch machenden Wärmeübertrager;
-
2 eine
Kombination des in 1 gezeigten
Wärmeübertragers
mit einem Rohrbündel-Wärmeübertrager
und
-
3 schematisch
die Ausrichtung des Rohrbündel-Wärmeübertragers.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Ein Wärmeübertrager 10, dargestellt
in 1, umfaßt eine
Einströmöffnung 20 für ein Heizmedium,
insbesondere für
Wasser, sowie eine Ausströmöffnung 30 für das Heizmedium.
Die Einströmöffnung 20 mündet beispielsweise
in einen Sammelraum 22. Entsprechend mündet die Ausströmöffnung in
einen Sammelraum 32. Die Strömungsrichtung des Wassers ist
durch Pfeile 21 und 31 angedeutet. Zwischen dem
Sammelraum 22 und dem Sammelraum 32 ist ein flaches, überall im
wesentlichen gleich dickes, auf zwei gegenüberliegenden Seiten von je
einer im Verhältnis
zur Dicke sehr ausgedehnten ebenen Fläche begrenztes Wärmeübertragerelement 40 angeordnet,
in dem eine Mehrzahl von über die
ausgedehnte Fläche
verteilt angeordneten durchgängigen Öffnungen 42 vorgesehen
sind. Statt der lochplattenförmigen
ebenen Gestalt des Wärmeübertragerelementes 40 können auch
beliebig gekrümmte
Wärmeübertragerelemente 40 vorgesehen
sein, beispielsweise kugelförmig
gekrümmte
Wärmeübertragerelemente
oder zylindermantelförmig
gekrümmte
Wärmeübertragerelemente
und dergleichen (nicht dargestellt). Auf diese Weise können die
Wärmeübertragerelemente 40 an
beliebige Oberflächen,
beispielsweise an Heizgeräte-Brenner-Oberflächen, angepaßt werden.
-
Derartige Wärmeübertragerelemente
40 können beispielsweise
auf galvanischem Wege hergestellt werden. Hierzu wird Bezug genommen
auf die
DE 199 10
985 A1 , welche ein Verfahren zur Erzeugung metallischer
Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen offenbart, das auch zur Herstellung
vorbeschriebene Wärmeübertragerelemente
40 eingesetzt werden
kann. Zur galvanischen Herstellung eines solchen Wärmeübertragers
kann beispielsweise Zinn als Trägerstruktur
verwendet werden. Die Trägerstruktur
wird galvanisch zum Beispiel mit Kupfer, Chrom oder einer anderen
Substanz beschichtet. Anschließend
wird das bei einer niedrigen Temperatur schmelzende Zinn durch Erhitzen über dessen Schmelztemperatur
herausgelöst.
-
Durch die sehr flache, plattenförmige Ausbildung
des Wärmeübertragerelements 40 weisen
solche Wärmeübertrager 10 ein
sehr kleines Volumen und damit ein sehr kleines Eigengewicht auf.
Gleichzeitig wird durch einen derartigen Wärmeübertrager 10 ein gasseitiger
Druckabfall kleiner 2 mbar und ein wasserseitiger Druckabfall kleiner
50 mbar erreicht, die für
eine möglichst
geringe elektrische Leistungsaufnahme einer Gastherme erforderlich
sind.
-
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, daß mehrere
der in 1 dargestellten
Wärmeübertragerelemente 40 übereinander
versetzt angeordnet sind. Hierdurch kann der Wärmeübergang stark erhöht werden.
Das Abgas strömt
hierbei im wesentlichen senkrecht zu der Lochebene in Richtung eines
in 1 mit 60 gekennzeichneten Pfeils.
Durch eine derartige Anordnung kann das Volumen gegenüber konventionellen,
beispielsweise Rohrbündel-Wärmeübertragern
halbiert werden. Das Gewicht derartiger Wärmeübertrager kann um einen Faktor 2 verringert
werden. Durch die parallele Durchströmung der Ebenen übereinanderliegend
angeordneter Wärmeübertragerelemente 40 wird
außerdem
der geforderte wasserseitige Druckabfall auch bei kleinen wasserseitigen
Strömungsquerschnitten
eingehalten.
-
Der Querschnitt der Öffnungen 42 muß im kondensierenden
Wärmeübertragerbereich
so gewählt
werden, daß die Öffnungen 42 nicht
unter dem Einfluß der
Gasströmung
durch Kondensattropfen verstopft werden. Nur so kann der Grenzwert
für den gasseitigen
Druckabfall eingehalten werden. Vorteilhafterweise wird daher die
Lochgröße von Ebene
zu Ebene übereinanderliegender
Wärmeübertragerelemente 40 in
Richtung des Ab gasstromes vergrößert, da
mit fallender Abgastemperatur an den Wärmeübertragerelementen zunehmend
mehr Kondensat anfällt.
-
Darüber hinaus kann bei einem Ausführungsbeispiel
vorgesehen sein, den vorbeschriebenen "Lochblech"-Wärmeübertrager 10 mit
einem an sich bekannten Rohrbündel-Wärmeübertrager 70 zu kombinieren,
wie es in 2 schematisch
dargestellt ist. Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager 70 ist
insbesondere für
einen schnellen Kondensatabfluß von Vorteil.
Hierzu werden die nahezu horizontal angeordneten Rohre 72 leicht
gekippt ausgerichtet, so daß das
Kondensat aufgrund der Schwerkraft zur Seite fließt und anschließend leicht
abfließen
kann. Derartige Kombinationen können
insbesondere im stark kondensierenden Wärmeübertragerbereich eingesetzt
werden, um den Grenzwert des gasseitigen Druckabfalls einzuhalten.