DE1501612A1 - Waermetauscher,insbesondere zur Heisswassererzeugung - Google Patents

Description

Jeder Heißwassererzeuger kann als ein mit einem Brenner versehener Wärmetauscher angesehen werden, in dem die Gase, die durch die Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoffträger erzeugt werden, ein Strömungsmedium darstellen, das Wärme dem Wasserkreislauf übermittelt, wobei das Wasser das zweite Strömungsmittel ist, das diese Wärme aufnehmen soll.

Grundsätzlich ist bei der Konstruktion eines solchen Wärmetauschers der Preiswettbewerb zu beachten, der den Konstrukteur zum Entwickeln preiswerter Wärmeerzeuger zwingt, wenn das gesetzte Ziel erreicht werden soll. Das Material muß zu diesem Zweck ein höchstes Maß an Leistungsfähigkeit aufweisen, bei dem die Wärmeübertragung des Strömungsmediums "Gas" zum Strömungsmedium "Flüssigkeit" möglichst vollständig ist, und bei dem schließlich der Wärmeaustausch pro Quadratmeter benetzter Oberfläche so groß wie möglich ist, ohne daß die Lebensdauer des Materiales beeinträchtigt wird. Außerdem wird eine verhältnismäßig einfache Herstellungsweise angestrebt.

Damit der Wärmeaustausch so hoch wie möglich liegt, muß folgenden physikalischen Gesetzen Genüge getan werden:

1. Die Strömungsmedien müssen in Gegenströmung zirkulieren, d.h. die Richtungen ihrer Bewegungen relativ zueinander müssen entgegengesetzt liegen.

2. Die einzelnen Bestandteile der Strömungsmedien müssen so lange wie möglich in direktem Kontakt miteinander stehen, d.h. auf einem möglichst langen Weg.

3. Die Geschwindigkeiten der Strömungsmedien müssen möglichst hoch sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft entsprechend den vorstehenden Ausführungen einen Wärmetauscher, insbesondere zur Heißwasserbereitung, der im wesentlichen aus vorzugsweise horizontal angeordneten, konzentrischen Röhren besteht, zwischen denen das zu beheizende Wasser o. dgl. und das Rauchgas geführt werden. Die Erfindung ist für solche Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Röhren Verbindungen vorgesehen sind, die derart ausgebildet sind, daß das gesamte durchströmende Wasser sich selbst mantelnd und im Gegenstrom zu dem Rauchgas geführt ist. Diese Ausgestaltung gewährleistet einen hohen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad. Einerseits kann dadurch nämlich die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers erhöht werden und zum anderen wird in jedem Querschnitt senkrecht zur Achse des Wärmetauschers ein Gegenstromprinzip verwirklicht.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung stehen die konzentrischen Röhren des Wasserkreislaufes unter sich durch Verbindungskammern in Verbindung, die das eintretende Wasser zuerst in die innere Röhre führen, die den Verbrennungsraum begrenzt, dann nacheinander in die Zwischen- und in die Außenröhren, so daß das Wasser auch noch einen möglichst langen Weg durchläuft, wobei es die Kurzschlüsse umgeht. Die Richtung des Wasserkreislaufes zur Abkühlung zurück zum Ausgang ist gänzlich in entgegengesetzter Richtung zum Abzug der Verbrennungsgase. Dieses wird durch das Vorhandensein der inneren Röhren möglich gemacht.

Vorteilhaft liegt der Rückfluß des Wärmetauschers, der die zurückfließenden Wassermengen der Heizungsanlage auffängt, in entgegengesetzter Richtung zur ersten Ausbreitung der Verbrennungsgase. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung erstreckt sich ebenfalls auf die nachfolgenden Merkmale und auf ihre verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten, wobei ein Heißwassererzeuger gemäß der Erfindung als Beispiel auf den hier beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher, der eine Ausführung zeigt, bei der die Verbrennungsgase in abnehmenden ringförmigen Abteilungen geführt werden.

Gemäß der Erfindung hat der Wärmetauscher eine zylindrische Form und umfaßt drei konzentrische Ummantelungen, die den Feuerraum und die Abwege der Gase begrenzen, wobei der Feuerraum auf seiner Rückseite durch eine Wand, die den Wasserrückfluß der Installation enthält und auf seiner Vorderseite durch eine Tür mit einem Wasserkreislauf, auf welcher der Brenner angebracht ist, abgeschlossen ist. Diese bewegliche Tür erlaubt es außerdem, die Oberflächen des Wärmetauschers zu reinigen, wobei die Beseitigung des Rußes andererseits durch zwei hintere Drehtüren erleichtert wird. Die äußere Ummantelung enthält den Anschlußstutzen für das Wasser an die Installation sowie auch den Sammler zum Abzug der Gase.

Der Feuerraum (Fig. 1) ist in der Form einer Ummantelung ausgebildet, die durch eine konzentrisch angeordnete Röhre 1 gebildet ist, die auf ihrer Rückseite durch eine gewölbte Wand 2 abgeschlossen ist und axial in einer zweiten äußeren Röhre 3 angeordnet ist, wobei der Weg des Wassers durch eine Röhre 22 kanalisiert ist. Ein hinteres Blech 4 wirkt als Querstrebe und gestattet ein Anbringen des Wasserrücklaufes 5, der nach unten versetzt ist. Das Blech 4 bildet eine wichtige Wasserwand, die weitgehend die Ummantelung darstellt.

Nach außen wird das zu erhitzende Wasser durch Verbindungskammern 6 und Öffnungen abgeführt, die sinnvoll angeordnet sind.

Die symmetrisch angeordneten Öffnungen 7 bestimmen den Weg der Brenngase vom Feuerraum zum Wärmetauscher. Die Austrittsgänge der Gase werden gebildet durch:

1. eine Zwischenummantelung, die zwei konzentrische Röhren 8 und 9 enthält, in welchen sich zur Führung des Wassers eine dritte innere Röhre 23 befindet, die aus den von dem Feuerraum kommenden Kammern 6 gespeist und über die Verbindungskammern 10 wieder entleert wird. Durch diese ringförmige Ummantelung, die kürzer als die des Feuerraumes ist, ist somit ein natürlicher Weg auf der vorderen Seite des Wärmetauschers gebildet, um den Weg der Gase zu gewährleisten.

2. Eine äußere Ummantelung, die aus zwei Röhren 11 und 12 zusammengesetzt ist und aus den Kammern 10 versorgt wird sowie den Ausgang 13 zur Heizungsinstallation enthält; auf der Rückseite sind zwei Öffnungen 14 in den Röhren angebracht, um die Gase entweichen zu lassen und um sie durch zwei ringförmige Kanäle 15 zur Gasaustrittsöffnung 16 zu leiten, wo die Gase sich im Kamin vereinigen.

Der Wärmetauscher ist auf seiner Vorderseite durch eine bewegliche Tür abgegrenzt, die sich aus zwei gewölbten Böden 16 und 17, die eine luftdichte Kammer mit dem Blech 18 bilden, zusammensetzt. Diese Tür enthält in ihrer Mitte eine Öffnung 19, die als Durchgang für den Kopf des Brenners gedacht ist. Diese Tür ist weiterhin durch einen Wasserkreislauf gekühlt, der mittels zweier flexibler Rohrverbindungen 20 und 21, die an den Kesselkörper angeschlossen sind, herbeigeführt wird. Um schließlich das Zusammendrücken des Dichtungsgefüges der Tür auszugleichen, sind zusätzliche Verriegelungsmittel vorgesehen.

Auf der rückwärtigen Seite des Wärmetauschers gewährleisten zwei Türen 24 und 24' die Dichtheit der Röhren und erlauben eine leichtere Entfernung des Rußes bei der Reinigung, sowie auch die Absperrung bzw. Verbindung der Gasröhren.

Eine Sicherheitstür 25 ist auf dem Kanal der Gase angebracht, um als Sicherheitsventil zu dienen.

Der Kreislauf des Wassers ist in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt, und man kann seinen Verlauf anhand der Pfeile Fl verfolgen. Das Rücklaufwasser, das die für die Heizungsanlage nötige Hitze über Konvektoren abgegeben hat, kommt zum Wärmetauscher durch den Anschluß 5 zurück. Das Wasser verteilt sich auf der hinteren Wand des Feuerraumes, ergießt sich in die erste Ummantelung und, geführt von der inneren Röhre 22 und von Umlenkflächen, kommt es durch die Kammern 6 zu der Zwischenummantelung, wo es, immer noch durch die Röhre 23 geführt, in die äußere Ummantelung durch die Kammern 10 eintritt und schließlich durch den Ausgangsanschluß 13 zu der Installation kommt. Die Anlage der Verbindungsanschlüsse erlaubt gleichermaßen, daß sich das strömende Wasser günstig verteilt, wobei eine möglichst lange ringförmige Zirkulation gewährleistet ist.

Die vordere Tür wird direkt von der Kehrung an durch das flexible Rohr 20 versorgt und leert sich über das flexible Rohr 21 in den Ausgangsanschluß 13. Der Weg der Gase, der wie beschrieben angelegt ist, zeigt einen wesentlichen Vorteil durch einen abnehmenden Querschnitt, wobei die Brenngase beim Austritt aus dem Feuerraum auf rationelle Weise in den Röhren des Wärmetauschers geführt werden. Diese Besonderheit ist ganz besonders vorteilhaft, damit Stöße und Rückprall beim Beschleunigen der Gase während des Anzündens des Brenners vermieden werden, wobei geringere Drucke in dem Feuerraum erlaubt werden, indem der innere Widerstand des Kessels gesenkt wird, aber gleichzeitig eine erhöhte Geschwindigkeit der Verbrennungsgase beibehalten wird, was für den optimalen Wärmeaustausch günstig ist.

Der Wärmetauscher hat ein relativ kleines Wasserfassungsvermögen und ist so ausgelegt, daß das strömende Medium einen langen Weg durchlaufen muß, wobei es die Oberflächen des Wärmetauschers eine nach der anderen überstreift, ohne eine Möglichkeit zu einem bevorzugten Kreislauf zu haben.

Die Tatsache einer großen Wärmeabgabe, die aus einem geringen Wasservolumen erschöpft werden muß, führt zu einer entsprechenden Zirkulationsgeschwindigkeit.

Um außerdem noch einen besseren Strömungsverlauf der Verbrennungsgase zu gewährleisten, die auf diese Weise zwischen den Ummantelungen angelegt sind, sieht eine andere Ausführung zwei äußere Röhren 8 und 9 vor, die leicht konisch (Fig. 3) sind, um einen insgesamt kleiner werdenden Abschnitt auf dem ganzen Weg dieser Gase und somit dauernd gleichbleibende Geschwindigkeiten zu erhalten, die besonders günstig sind, um den inneren Widerstand des Kessels zu verringern und zudem eine strömungsfreie Inbetriebsetzung der Anzündung zu gewährleisten.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt, für die man andere Varianten oder andere Ausführungen vorsehen könnte, ohne jedoch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

In Bezug auf die Herstellung oder auf den Anschaffungspreis kann man die Disposition von bestimmten Elementen leicht modifizieren, z.B. kann die vollständige Gegenströmung verringert werden, indem man die Verbindungskammern 6 von hinten nach vorne verlagert, wobei alle anderen Vorteile beibehalten werden und die Konstruktion des Wärmetauschers erleichtert wird.

Es ist zu beachten, daß der Feuerraum keine feuerfeste Ausstaffierung benötigt, höchstens, um die Flamme zu erhitzen, kann er mit einer Verkleidung auf seiner Vorderseite versehen werden.

Durch eine solche Gestaltung eines Wärmetauschers kann keine Gefahr seitens des Taupunkts bestehen, da sich der Rücklauf 5 am aktivsten Teil des Feuerraumes befindet, der der direkten Ausstrahlung ausgesetzt ist, und da das Wasser sich dann allmählich durch Wärmeaufnahme von den Gasen erhitzt, ohne eine Möglichkeit für Kurzschlüsse zu bieten.

Claims (6)

1. Wärmetauscher, insbesondere zur Heißwassererzeugung, der im wesentlichen aus vorzugsweise horizontal angeordneten, konzentrischen Röhren besteht, zwischen denen das zu beheizende Wasser o. dgl. und das Rauchgas geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Röhren Verbindungen vorgesehen sind, die derart ausgebildet sind, daß das gesamte durchströmende Wasser sich selbst mantelnd und im Gegenstrom zu dem Rauchgas geführt ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Röhren des Wasserkreislaufes unter sich durch Verbindungsräume verbunden sind, die das eintretende Wasser zuerst in die innere Röhre führen, die den Verbrennungsraum begrenzt, dann nacheinander in die Zwischenröhren, dann in die Außenröhren, so daß insgesamt ein möglichst langer Weg durchströmt wird.

3. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserrücklauf des Wärmetauschers, der die Rücklaufwassermengen der Heizungsanlage auffängt, der ersten Ausbreitungsrichtung der Verbrennungsgase entgegengesetzt und der Symmetrieachse des Feuerraumes benachbart ist.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerraum und der Wärmetauscher völlig abgedichtet sind, damit besonders ein Überdruck erreicht wird, der die Zirkulationsgeschwindigkeit des Gases hervorbringt.

5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher auf seiner hinteren Seite durch einen Boden abgeschlossen ist, der den Rücklauf (5) des Wassers von der Heizungsanlage enthält und zwei Türen

(24 und 24') für die Reinigung und Rückgewinnung des Rußes besitzt, während seine vordere Seite eine bewegliche Türe (16) mit einem Wasserkreislauf aufweist, die auch den Brenner enthält.

6. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Röhren (8 und 9) des Wärmetauschers leicht konisch geformt und gebildet sind, damit für das strömende Gas im Ganzen abnehmende Abschnitte erreicht werden, so daß gleichbleibende Gasgeschwindigkeiten während der Inbetriebnahme der Feuerung erhalten werden, die frei von Störungen sind.