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Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher
gemäß den Merkmalen
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiger Wärmeaustauscher zählt durch
die "Installations-
und Bedienungsanleitung Energy Mini Nox" der Cooperative Inkoopvereniging "Coopra-Rotterdam" N.V., Haringvliet
72, NL-3011 TG Rotterdam, 10/98-1, S. 6 zum Stand der Technik. Er
dient zur Bereitstellung von Warmwasser. Dieser Wärmeaustauscher
weist ein in wendelförmiger
Konfiguration in ein Gehäuse
eingegliedertes Rohr mit einzelnen Querrippen auf, das mit seinem
oberen Ende an eine Kaltwasserzufuhr und mit dem unteren Ende an
einen Verbraucher für
Warmwasser angeschlossen ist. Das gewendelte Rohr weist über seine gesamte
Höhe einen
identischen Durchmesser auf. In das Rohr ist im unteren Höhenbereich
ein zylindrischer Verdrängungskörper eingegliedert,
an den sich nach oben ein Gasbrenner anschließt. Durch die äußere Form
des Verdrängungskörpers und
die innere Oberfläche
des Gehäuses
wird im unteren Höhenbereich
ein Kanal mit ringförmigem
Querschnitt gebildet, an den eine Kondensatableitung in Form einer Wanne
angeschlossen ist. Die Austrittsdüsen des Gasbrenners sind radial
gerichtet und liegen im Abstand zu dem oberen Höhenbereich des Rohrs.
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Das das Rohr, den Verdrängungskörper und den
Gasbrenner aufnehmende Gehäuse
ist mit weiteren Regel- und Steuerelementen in einen Kasten integriert,
der insbesondere im Haushalt an einer Wand befestigt wird.
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Im Hinblick auf den Sachverhalt,
daß der Kasten
zumeist vergleichsweise hoch aufgehängt wird, ist der Zugang zum
Gasbrenner für
Wartungs- und Reparaturarbeiten relativ kompliziert. Es muß nicht
nur die Verkleidung des Kastens geöffnet, sondern in der Regel
der gesamte Kasten von der Wand abgenommen werden, um von oben an
den Gasbrenner gelangen zu können.
Der hiermit verbundene Aufwand ist somit hoch.
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Des weiteren ist zu der bekannten
Bauart zu bemerken, daß die
Gasdruckverhältnisse
im Wärmeaustauscher
hinsichtlich des den Gasbrenner aufnehmenden Primärabschnitts
in Relation zu dem den Verdrängungskörper aufnehmenden
Sekundärabschnitt
nicht einwandfrei definiert werden können. Eine saubere Trennung
der Heißgasausnutzung
im Primärabschnitt
von der Kondensation im Sekundärabschnitt
ist nicht möglich.
Dadurch wird der Gasbrenner ungleichmäßig belastet. Letztlich führt die bekannte
Anordnung zu verschlechterten Wärmeaustauschbedingungen.
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Der Erfindung liegt – ausgehend
vom Stand der Technik – die
Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher,
insbesondere zur Warmwasserbereitung im Haushalt, bereit zu stellen,
der wartungsfreundlicher ist und bei welchem die Wärmeaustauschbedingungen
erheblich verbessert sind.
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Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung
besteht darin, daß nunmehr
das gewendelte Rohr in zwei fluidtechnisch miteinander verbundene
Längenabschnitte
gegliedert ist, von denen ein Primärabschnitt eine horizontale
Mittelachse besitzt und den Gasbrenner mit Abstand umschließt, während der
den Verdrängungskörper umschließende Sekundärabschnitt
des Rohrs eine vertikale Mittelachse aufweist.
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Durch diese Anordnung der Längenabschnitte
des Rohrs wird die Voraussetzung dafür geschalten, daß der Gasbrenner
ohne weiteres von der Frontseite her zugänglich ist, so daß nach Abnahme mindestens
von Teilen der Kastenverkleidung der Monteur keine Probleme hat,
Reparatur- und Wartungsarbeiten am Gasbrenner durchführen zu
können.
Eine Abnahme des Kastens von der Wand ist nicht mehr erforderlich.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
wird darin gesehen, daß durch
die eindeutige Trennung der Heißgasausnutzung
im Primärabschnitt
mit horizontaler Mittelachse und der Kondensierung im Sekundärabschnitt
mit vertikaler Mittelachse der Gasbrenner einer gleichmäßigen Belastung
unterworfen ist, was die Wärmeaustauschverhältnisse
wesentlich verbessert.
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Ferner wird durch diese Anordnung
gewährleistet,
daß im
Primärabschnitt
des Wärmeaustauschers
die Verbrennungsgase so stark abgekühlt werden, daß eine besondere
Isolierung des Gehäuses
entfallen kann. Hierdurch wird der Aufwand weiter verringert.
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Im Sekundärabschnitt mit senkrechter
Mittelachse werden die Verbrennungsgase dann so weit abgekühlt, daß bei Rücklauftemperaturen
unter dem Taupunkt des Verbrennungsgases Kondensat entsteht, das
am unteren Ende des Sekundärabschnitts abgeleitet
wird.
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Im Primärabschnitt kann das Rohr unberippt sein.
Der Sekundärabschnitt
des Rohrs ist jedoch berippt. Hier sind dann in erfindungsgemäßer Ausgestaltung
zwei in Richtung zur Kondensatableitung weisende segmentartige Umfangsbereiche
jeder Rippe entlang zur Strömungsrichtung
des Verbrennungsgases schräg
verlaufender Knicklinien zueinander V-förmig um etwa 90° aus der
Rippenebene abgekantet. Dadurch wird zwischen diesen Umfangsbereichen
ein Spalt gebildet. Mit dieser Gestaltung der Rippen wird ein gezieltes
enges Umströmen des
Rohrs durch die Verbrennungsgase erreicht, wobei die hierdurch hervor
gerufene höhere
Strömungsgeschwindigkeit
die bei der Kondensation entstehenden Tröpfchen mitreißt und in
die Kondensatableitung überführt. Die
Wärmeübertragungsleistung
wird noch weiter verbessert.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der
Erfindung sieht gemäß Patentanspruch
2 vor, daß zwei
in Strömungsrichtung
des Verbrennungsgases neben dem Rohr diametral einander gegenüber liegende
segmentartige Umfangsbereiche jeder Rippe des im Kanal liegenden
Sekundärabschnitts
des Rohrs entlang zur Strömungsrichtung
des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien um 90° aus der
Rippenebene abgekantet und zwischen zwei in Umfangsrichtung der
Rippen aufeinander folgenden abgekanteten Umfangsbereichen Spalte
vorgesehen sind. Auf diese Weise wird die Strömungsführung der Verbrennungsgase
im Ringkanal umfangsseitig des Verbrennungskörpers noch weiter verbessert,
das heißt, zusammen
mit den V-förmig
abgekanteten Umfangsbereichen wird dafür Sorge getragen, daß die Verbrennungsgase
eng an das Rohr heran gebracht werden, um die Wärmeaustauschbedingungen noch weiter
zu verbessern.
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Entsprechend den Merkmalen im Patentanspruch
3 kann aber auch der von dem Gasbrenner durchsetzte Primärabschnitt
des Rohrs mit im parallelen Abstand zueinander angeordneten, im
Ausgangszustand runden Rippen bestückt sein. Hierbei sind dann
in vorteilhafter Weise ebenfalls zwei in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases
vorne liegende Umfangsbereiche jeder Rippe entlang zur Strömungsrichtung
des Verbrennungsgases schräg verlaufender
Knicklinien zueinander V-förmig
um etwa 90° aus
der Rippenebene abgekantet, so daß zwischen den Umfangsbereichen
ein Spalt gebildet wird. Diese Form bedeutet ebenfalls wieder eine enge
Heranführung
der Verbrennungsgase an das Rohr im Primärabschnitt im Hinblick auf
eine intensive Erwärmung
des Wassers im Rohr.
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In Anlehnung an die Ausbildung der
Rippen im Sekundärabschnitt
ist es gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 4 möglich,
daß in
Strömungsrichtung
des Verbrennungsgases neben dem Rohr im vom Gasbrenner durchsetzten
Primärabschnitt liegende
segmentartige Umfangsbereiche jeder Rippe entlang zur Strömungsrichtung
des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien um 90° zur Rippenebene
abgekantet und zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rippe aufeinander
folgenden Umfangsbereichen Spalte vorgesehen sind. Hierdurch werden
die Wärmeaustauschbedingungen ebenfalls
noch weiter verbessert.
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Die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers
wird dann noch erhöht,
wenn nach Patentanspruch 5 das Rohr und die Rippen aus einem gegen
das Verbrennungsgas und dessen Kondensat beständigen Werkstoff bestehen.
Je nach Einsatzfall kann dieser Werkstoff insbesondere Aluminium
oder Edelstahl sein. Aber auch andere Werkstoffe, selbst in Kombination,
sind im Einzelfall denkbar.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand
eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
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1 im
schematischen vertikalen Längsschnitt
einen Wärmeaustauscher
für einen
Warmwasserbereiter;
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2 in
vergrößertem Maßstab den
Ausschnitt II der 1;
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3 ebenfalls
in vergrößertem Maßstab den
Ausschnitt III der 1;
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4 in
vergrößertem Maßstab eine
Seitenansicht auf einen Längenabschnitt
eines wendelförmigen
Rohrs gemäß dem Pfeil
IV der 1 und
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5 eine
Draufsicht auf die Darstellung der 4 gemäß dem Pfeil
V.
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Mit 1 ist in der 1 ein Gehäuse eines
Wärmeaustauschers
WAT bezeichnet, das neben nicht näher dargestellten Steuer- und
Regeleinheiten in einen ebenfalls nicht näher dargestellten Kasten integriert
ist, der insgesamt als Warmwasserbereiter in einem Haushalt an einer
Wand aufgehängt
werden kann.
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In das Gehäuse 1 ist ein gewendeltes
Rohr 2 eingegliedert, das sich aus zwei Längenabschnitten 3, 4 zusammensetzt.
Das eine Ende 5 des Rohrs 2 ist an eine nur schematisch
veranschaulichte Kaltwasserzufuhr 6 und das andere Ende 7 an
einen ebenfalls nur schematisch veranschaulichten Verbraucher 8 für Warmwasser
angeschlossen.
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Der im oberen Höhenbereich 9 des Gehäuses 1 liegende
Primärabschnitt 3 des
Rohrs 2 weist eine horizontale Mittelachse 10 und
der im unteren Höhenbereich 11 liegende
Sekundärabschnitt 4 eine vertikale
Mittelachse 12 auf.
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In den Primärabschnitt 3 ist ein
Gasbrenner 13 mit radial gerichteten Austrittsdüsen 14 angeordnet.
Die Gaszufuhr ist nicht näher
veranschaulicht.
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Der Sekundärabschnitt 4 des Rohrs 2 befindet
sich in einem Kanal 15 mit kreisringförmigem Querschnitt, der einerseits
durch die innere Oberfläche 16 des
Gehäuses 1 und
andererseits durch die äußere Oberfläche 17 eines
umfangsseitig geschlossenen Verdrängungskörpers 18 gebildet
ist. Der Kanal 15 ist in nicht näher dargestellter Weise an
eine Kondensatableitung 19 angeschlossen.
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Das Rohr 2 ist sowohl im
Primärabschnitt 3 als
auch im Sekundärabschnitt 4 mit
im Ausgangszustand runden, im Abstand zueinander angeordneten Rippen 20 versehen.
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Wie die 2, 4 und 5 im einzelnen erkennen lassen,
sind bei den Rippen 20 im Sekundärteil 4 zwei
in Richtung zur Kondensatableitung 19 weisende segmentartige
Umfangsbereiche 21 entlang zur Strömungsrichtung STR des Verbrennungsgases schräg verlaufender
Knicklinien 22 zueinander V-förmig um etwa 90° aus der
Rippenebene RE abgekantet. Auf diese Weise wird zwischen diesen
Umfangsbereichen 21 ein Spalt 23 gebildet. Ferner
zeigen die 2, 4 und 5, daß auch zwei in Strömungsrichtung STR
des Verbrennungsgases neben dem Rohr 2 diametral gegenüber liegende
segmentartige Umfangsbereiche 24 jeder Rippe 2 des
Sekundärabschnitts 4 entlang
zur Strömungsrichtung
STR des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien 25 um
90° aus
der Rippenebene RE abgekantet sind. Dadurch werden zwischen zwei
in Umfangsrichtung UR der Rippe 20 aufeinander folgenden
abgekanteten Umfangsbereichen 21, 24 Spalte 26 gebildet.
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Die Bildung der abgekanteten Umfangsbereiche 21, 24 führt dazu,
daß die
Verbrennungsgase im Kanal 15 eng an das Rohr 2 herangeführt werden, so
daß die
Wärmeübergangsbedingungen
erheblich verbessert werden.
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Auch bei den Rippen 20 im
Primärabschnitt 3 sind
zwei in Strömungsrichtung
STR 1 des Verbrennungsgases jeweils vorne liegende Umfangsbereiche 27 jeder
Rippe 20 entlang zur Strömungsrichtung STR 1 des
Verbrennungsgases schräg
verlaufender Knicklinien 28 zueinander V-förmig um
etwa 90° aus der
Rippenebene RE abgekantet (1 und 3 sowie in entsprechender
Angleichung die 4 und 5). Zwischen den Umfangsbereichen 27 ist
ein Spalt 19 gebildet. Des weiteren zeigen die 1 und 3 sowie in entsprechender Angleichung
die 4 und 5, daß in Strömungsrichtung STR 1 des
Verbrennungsgases neben dem Rohr 2 im Primärabschnitt 3 liegende segmentartige
Umfangsbereiche 30 jeder Rippe 20 entlang zur
Strömungsrichtung
STR 1 des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien 31 um 90° zur Rippenebene
RE abgekantet sind. Hierdurch und durch die V-förmig abgekanteten Umfangsbereiche 27 werden
zwischen zwei in Umfangsrichtung UR aufeinander folgenden Umfangsbereichen 27, 30 Spalte 32 gebildet.
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Die aus den Austrittsdüsen 14 des
Gasbrenners 13 tretenden Verbrennungsgase werden mithin exakt
radial nach außen
gelenkt und dabei eng an das Rohr 2 herangebracht, so daß auch hier
die Wärmeaustauschbedingungen
deutlich verbessert werden. Anschließend gelangen die Gase entsprechend den
Pfeilen 32 in den Kanal 15 und werden auch hier, wie
vorstehend geschildert, eng um das Rohr 2 im Sekundärabschnitt
geführt.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Rohr
- 3
- Primärabschnitt
v. 2
- 4
- Sekundärabschnitt
v. 2
- 5
- Ende
v. 2
- 6
- Kaltwasserzufuhr
- 7
- Ende
v. 2
- 8
- Verbraucher
- 9
- oberer
Höhenbereich
v. 1
- 10
- Mittelachse
v. 3
- 11
- unterer
Höhenbereich
v. 1
- 12
- Mittelachse
v. 4
- 13
- Gasbrenner
- 14
- Austrittsdüse v. 13
- 15
- Kanal
- 16
- innere
Oberfläche
v. 1
- 17
- äußere Oberfläche v. 1
- 18
- Verdrängungskörper
- 19
- Kondensatableitung
- 20
- Rippen
- 21
- Umfangsbereiche
v. 20
- 22
- Knicklinien
v. 21
- 23
- Spalte
zw. 21
- 24
- Umfangsbereiche
v. 20
- 25
- Knicklinien
v. 24
- 26
- Spalte
zw. 21 u. 24
- 27
- Umfangsbereiche
v. 20
- 28
- Knicklinien
v. 27
- 29
- Spalt
zw. 27
- 30
- Umfangsbereiche
v. 20
- 31
- Knicklinien
v. 30
- 32
- Pfeile
- RE
- Rippenebene
- STR
- Strömungsrichtung
- UR
- Umfangsrichtung
v. 20
- WAT
- Wärmeaustauscher