DE19510612A1 - Wärmeerzeuger mit Verdrängungskörper - Google Patents

Description

Wärmeerzeuger gemäß dem Oberbegriff werden in Heizungsanlagen und für Warmwasserbereitung eingesetzt. Das Heizwasser im Gehäuse des Wärmeerzeugers wird vorzugsweise von einem Öl- bzw. Gasgebläsebrenner erwärmt, wobei die Wärmeübertragungsflächen von der Brennraumwand und der zwischen Brennraum und Abgasleitung angeordneten Nachschaltheizfläche gebildet werden.

Die Nachschaltheizfläche kann entweder als Verlängerung des Brennraums ausgebildet oder versetzt zum Brennraum angeordnet sein. Auf dem Heizgasweg ist ein Verdrängungskörper so angeordnet, daß die Mantelfläche des Verdrängungskörpers und die Nachschaltheizfläche den Heizgasweg begrenzen. Dadurch wird das Heizgas gezwungen, möglichst nahe an der Nachschaltheizfläche entlangzuströmen, wodurch der Wärmeübergang vom Heizgas auf die Nachschaltheizfläche erhöht wird. Die Mantelfläche des Verdrängungskörpers wird ebenfalls vom Heizgas erhitzt und trägt als Strahlungsheizfläche zu einer Verbesserung des Wärmeübertragung vom Heizgas auf das Heizwasser bei.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeerzeuger mit Verdrängungskörper so zu gestalten, daß die Wärmeübertragung vom Heizgas auf das Heizwasser und damit der feuerungstechnische Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers verbessert wird.

Dies wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs erreicht, nämlich dadurch daß der Verdrängungskörper mehrere seine Mantelfläche bildende, rinnenartige Vertiefimgen und/oder mehrere von der Mantelfläche in den Heizgasweg ragende Störelemente aufweist. Der Verdrängungskörper weist durch diese erfinderischen Merkmale eine vergrößerte Oberfläche und damit eine wirkungsvollere Strahlungsheizfläche auf. Die rinnenartigen Vertiefungen können so angeordnet werden, daß die Mantelfläche des Verdrängungskörpers Kanäle und Sperrbereiche für Heizgas bildet. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Heizgases erhöht, was zu verbessertem Wärmeübergang sowohl auf die Mantelfläche des Verdrängungskörpers als auch auf die Nachschaltheizfläche führt. Diese Kanäle können parallel zur Achse des Verdrängungskörpers, sich schlängelnd oder spiralförmig am Mantel verlaufend ausgebildet sein. Am Umfang des Verdrängungskörpers angeordnete, und in den Heizgasweg ragende Störelemente erhöhen ebenfalls die Oberfläche und die damit verbundenen verbesserte Wirkung der Strahlungsfläche. Darüber hinaus erhöhen die Störelemente durch zusätzliche Verwirbelung der Strömung den Wärmeübergang auf die Nachschaltheizfläche und die Strahlungsheizfläche.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß der Querschnitt des Verdrängungskörpers eine Kontur mit nach außen weisenden Zacken aufweist. Die Kontur mit Zacken kann sowohl durch die Form der rinnenartigen Vertiefungen als auch durch die nach außen verjüngte Form der Störelemente gebildet werden. Insbesondere bei einer zickzackförmigen Kontur, bei der die Zacken bis an die Nachschaltheizfläche heranreichen, wird die Wirkung der Strahlungsheizfläche erheblich erhöht, wobei das Heizgas gleichzeitig in vorteilhafter Weise die gesamte Nachschaltheizfläche bestreichen kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß der Verdrängungskörper mehrere in Umfangsrichtung beabstandete und auf dem Heizgasweg seitlich versetzt angeordnete Störelemente aufweist. Die Störelemente weisen vorzugsweise schräg in den Heizgasweg ragende Flächen auf und können mit Abrißkanten für Heizgas versehen sein. Die Störelemente stören insbesondere durch erhöhte Wirbelbildung den Grenzschichtbereich des strömenden Heizgases und führen damit zu einem verbesserten Wärmeübergang. Die Störelemente sind derart seitlich versetzt angeordnet, daß das Heizgas zu Schlängelbewegungen nach links und rechts um die einzelnen Störelemente herum gezwungen wird. Dadurch wird einerseits der Heizgasweg gegenüber dem geraden Durchströmen verlängert und andererseits eine erhöhte Verwirbelung durch Abreißvorgänge hinter den Störelementen erreicht. Beides bewirkt eine effektive Steigerung der Wärmeübertragung vom Heizgas auf das Heizwasser.

Die Störelemente können z. B. als Kegel ausgebildet sein, die mit Abstand und seitlich versetzt zueinander auf der Mantelfläche des Verdrängungskörpers angeordnet sind. Es können aber auch mit Zacken versehene, blendenartige Konturen mit Abstand und versetzt zueinander angeordnet sein. Bei Versatz der Störelemente auf Lücke wird das Heizgas zu einer besonders vorteilhaften, weil ausladenden Schlängelbewegung gezwungen.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erreicht, daß die freie Durchströmfläche für Heizgas auf dem Heizgasweges abnimmt. Damit wird der Tendenz entgegengewirkt, daß wegen der Volumenabnahme des abgekühlten Heizgases die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch der Wärmeübergang abnimmt. Durch den abnehmenden Durchströmquerschnitt wird die Strömungsgeschwindigkeit weniger stark abnehmen, bzw. sogar zunehmen, was zu besserem Wärmeübergang auf die Nachschaltheizfläche und die Strahlungsheizfläche im hinteren Bereich der Nachschaltheizfläche führt.

Die Abnahme der freien Durchströmfläche wird mit Vorteil durch eine Zunahme des Querschnitts des Verdrängungskörpers erreicht, sie kann aber auch durch einen sich auf dem Heizungsweg verjüngend ausgebildeten Heizgasraum erreicht werden. Bei einem verjüngend ausgebildeten Heizgasraum entsteht Vorteil dadurch, daß sich durch Hin- und Herschieben des Verdrängungskörpers eine einfache Anpassung von Wärmeübergang und Heizgaswiderstand für den Wärmeerzeuger erreichen läßt.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erreicht, daß die Anzahl der Störelemente pro Fläche auf dem Heizgasweg zunimmt. Die Verwirbelung des Heizgases wird dadurch vorteilhaft besonders in den Bereichen vergrößert, in denen die Temperaturdifferenz zwischen Heizgas und Heizwasser geringer ist.

Durch geeignete Wahl der Durchstömquerschnitte und der Anzahl der Störelemente kann der Verdrängungskörper an jeder Stelle des Heizgasweges optimal an die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeübertragung und des Heizgaswiderstandes angepaßt werden. Eine weitere Verbesserung läßt sich durch unterschiedliche Form und/oder Struktur von Oberseite und Unterseite des Verdrängungskörpers erreichen. So kann z. B. der Heizgaswiderstand der Unterseite verringert werden, um dadurch der Tendenz des Heizgases, bevorzugt den oberen Bereich zu durchströmen, entgegenzuwirken. Durch die Verschiebung von Heizgasströmen zur Unterseite des Verdrängungskörpers wird neben der Verbesserung des Wärmeübergangs auch eine Verbesserung bezüglich der Kondenswasserbildung erreicht.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erreicht, daß der Verdrängungskörper und die Störelemente einstückig, vorzugsweise als Faserformteil ausgebildet sind. Dadurch kann der Verdrängungskörper kostengünstig und paßgenau gefertigt werden und zwar mit verschiedenen, auch komplizierten Konturen. Insbesondere wenn die Oberfläche des Verdrängungskörpers durch die Fasern eine gewisse Rauhigkeit aufweist, wird die vom Verdrängungskörper aus dem Heizgas aufgenommene und damit auch die an die Nachschaltheizfläche abgestrahlte Wärmemenge vergrößert.

Darüber hinaus sind diese Faserwerkstoffe wegen ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, ihres geringen Gewichtes, ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit und ihrer geringen Wärmekapazität für die Anforderungen an den Verdrängungskörper besonders gut geeignet.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erreicht, daß der Verdrängungskörper aus hintereinander angeordneten Abschnitten zusammengesetzt ist. Die Abschnitte können so mit ihrer geometrischen Parametern leicht den Anforderungen hinsichtlich des am jeweiligen Abschnitt des Heizgasweges gewünschten Wärmeübergangs und des gewünschten Heizgaswiderstandes angepaßt werden. Es können so z. B. aus standardisierten Abschnitten Verdrängungskörper mit unterschiedlicher Länge und unterschiedlichen Eigenschaften zusammengestellt werden.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erreicht, daß der Verdrängungskörper mindestens einen mit dem Heizgasraum verbundenen Hohlraum aufweist. Der Hohlraum kann mit schalldämmendem Material ausgefüllt sein, so daß sich insbesondere in Verbindung mit einer rauhen Oberfläche des Verdrängungskörpers eine gute schallabsorbierende Wirkung ergibt.

Der Verdrängungskörpers kann auch mehrere Hohlräume aufweisen, die mit entsprechenden Verbindungsöffnungen versehen als Resonanzschalldämpfer zur Schalldämpfung beitragen. Der Hohlraum kann mit Vorteil auch als Heizgas-Bypasskanal ausgebildet sein, z. B. dadurch, daß der nach hinten offene Hohlraum des Verdrängungskörpers über eine Überströmöffnung mit dem stromauf vom Verdrängungskörper gelegenen Heizgasraum verbunden ist. Durch Drosseln der Überströmöffnung kann der Volumenstrom im Heizgas-Bypasskanal eingestellt werden, so daß der Wärmeerzeuger sowohl hinsichtlich des Wärmeübergangs als auch bezüglich des Heizgaswiderstandes in einfacher Weise an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden kann. Die Drosselung kann auch mit Vorteil nach der Abgastemperatur gesteuert sein. So kann beim Anfahren aus dem kalten Zustand die Überströmöffnung geöffnet sein, um so den Anfahrwiderstand beim Zünden der Brenners gering zu halten. Bei steigender Abgastemperatur kann z. B. durch eine selbsttätig wirkende Bimetallklappe der Volumenstrom in der Heizgas-Bypassleitung wieder gedrosselt werden.

Generell wirkt der Verdrängungskörper auch vorteilhaft beim Abtrocknen von evtl. entstandenem Kondenswasser. Die während des Brennerbetriebes aufgeheizten Strahlungsflächen des Verdrängungskörpers können nach dem Abschalten des Brenners zu einer raschen Verdunstung von evtl. noch auf der Nachschaltheizfläche vorhandenem Kondenswasser beitragen und so die Gefahr von Korrosion für die Heizflächen verringern.

In Praxis lassen sich die erfinderischen Verdrängungskörper besonders vorteilhaft für Wärmeerzeuger mit einflutiger, röhrenförmiger Nachschaltheizfläche einsetzen. Bei der einflutigen Anordnung kann sich das Heizgas hinter dem Verdrängungskörper sammeln, so daß gegenüber der üblichen Anordnung mit mehreren, parallel angeordneten Heiztaschen auf eine gesonderte Abgassammelvorrichtung verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil der einflutigen Anordnung ergibt sich dadurch, daß nach Herausziehen des Verdrängungskörpers die gesamte Nachschaltheizfläche und der Abgasstutzen auf einfache Weise von vorne gereinigt werden können.

Als vorteilhaft hat sich auch erwiesen, wenn der Querschnitt des Verdrängungskörpers etwa dem des Brennraums entspricht, wodurch ein ausgewogenes Verhältnis von direkt flammenberührter Heizfläche und Nachschaltheizfläche erreicht wird. Die Grundform der röhrenförmigen Nachschaltheizfläche und die Grundform des Verdrängungskörpers sind mit Vorteil passend zueinander so zu wählen, daß ein ringartiger Durchströmquerschnitt entsteht. Als vorteilhaft für Verdrängungskörper haben sich hohle zylinderförmige, hohle halbzylinderförmige, und hohle kegelstumpfförmige Grundformen erwiesen.

Von besonderem Vorteil für die Niedertemperaturtauglichkeit des Wärmeerzeugers hat sich eine Anordnung der Nachschaltheizfläche direkt oberhalb des Brennraums erwiesen, weil bei dieser Anordnung die Nachschaltheizfläche wasserseitig überall von dem durch die Brennraumheizfläche erwärmten Heizwasser umspült wird.

Ebenfalls von Vorteil für die NT-Tauglichkeit ist es, wenn das kalte Rücklaufwasser im oberen Bereich des Heizwasserraumes zugemischt wird, während gleichzeitig Heizwasser aus dem unteren Bereich des Heizwasserraumes in die Vorlaufleitung gefördert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei möglichen Ausführungsformen beschrieben, woraus sich weitere erfinderische Merkmale ergeben.

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine Ausführungsform des Wärmeerzeugers

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des Verdrängungskörpers

Fig. 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des Verdrängungskörpers

Fig. 4 zeigt die Vorderansicht der zweiten Ausführungsform des Verdrängungskörpers
In Fig. 1 bis Fig. 4 haben gleiche Teile gleiche Bezugszahlen.

Die erste Ausführungsform des Wärmeerzeugers ist in Fig. 1 im Schnitt dargestellt. Der Wärmeerzeuger weist einen Heizwasserraum (18) auf, der von einem zylindrischen Außenmantel (17), der Vorderwand (19) und der Rückwand (20) begrenzt ist, und in den die Heizwasseranschlußleitungen (11, 12) für einen Heizkreis münden. Im Heizwasserraum (18) sind der röhrenförmige Brennraum (16) und ein oberhalb des Brennraums (16) und von der Nachschaltheizfläche (10) begrenzter Heizgasraum (2) angeordnet. Der Heizgasraum (2) und der Brennraum (16) weisen jeweils etwa halbkreisförmige Querschnittsform auf. Heizgasseitig ist der Wärmeerzeuger durch eine Tür (13) mit Türisolierstein (14) abgeschlossen. Die Öffnung (15) ist für einen hier nicht gezeichneten Gebläsebrenner vorgesehen. Im Heizgasraum (2) ist der Verdrängungskörper (1) eingeschoben, der aus mehreren Abschnitten (5, 6, 7, 8) zusammengesetzt ist und nach außen weisende Störelemente (3, 4) aufweist.

Die Störelemente (3, 4) sind als asymmetrische Kegel ausgebildet, die mit ihren Spitzen bis nahe an die Nachschaltheizfläche (10) heranreichen. Die Querschnittsflächen der hinteren Abschnitte (7, 8) sind größer als die der vorderen Abschnitte (5, 6), so daß der Durchströmquerschnitt für Heizgas von vorne nach hinten abnimmt.

Fig. 2 zeigt in der Draufsicht des Verdrängungskörpers (1) die auf Lücke versetzt angeordneten Störelemente (3, 4). Die Anzahl der am Umfang des Verdrängungskörpers (1) angeordneten Störelemente nimmt längs des Abgasweges zu, so daß im Bereich der hinteren Abschnitte (7, 8) die Wirbelbildung im Heizgas verstärkt wird.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine zweite Ausführungsform des Verdrängungskörpers (27).

In Fig. 4 erkennt man die rinnenartigen Vertiefungen, die durch Heizgasleitflächen (23, 24, 25, 26) gebildet werden. Alle Heizgasleitflächen (23, 24, 25, 26) sind nach hinten leicht angestellt, so daß die Querschnittsfläche auf dem Heizgasweg zunimmt. Die Heizgasleitflächen (25) und (26) beginnen vorne im Schnittpunkt der Heizgasleitflächen (23) und (24) und bilden hinten eine Zacke zwischen den beiden Heizgasleitflächen (23) und (24). So entsteht eine Verdrängungskörper (27), dessen Querschnittskontur für jeden Bereich des Verdrängungskörpers unterschiedlich ist, wobei seine Querschnittsfläche nach hinten zunimmt. Der nach hinten offene Hohlraum (28) weist leichte Schrägen auf, so daß der Verdrängungskörper (27) bei einer Fertigung als einstückiges Formteil leicht ausgeformt werden kann.

Claims (9)

1. Wärmeerzeuger mit einem in einem Gehäuse angeordneten Heizwasserraum, einem Brennraum und einem auf dem Heizgasweg zwischen Brennraum und Abgasleitung angeordneten, von einer Nachschaltheizfläche und der Mantelfläche eines Verdrängungskörper begrenzten Heizgasweg, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (1, 27) mehrere seine Mantelfläche bildende, rinnenartige Vertiefungen und/oder mehrere von der Mantelfläche in den Heizgasweg ragende Störelemente (3, 4) aufweist.

2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Verdrängungskörpers (1, 27) eine Kontur mit nach außen weisenden Zacken aufweist.

3. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (1, 27) mehrere in Umfangsrichtung beabstandete und auf dem Heizgasweg seitlich versetzt angeordnete Störelemente (3, 4) aufweist.

4. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Durchströmfläche für Heizgas längs des Heizgasweges abnimmt.

5. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Störelemente (3, 4) pro Fläche längs des Heizgasweges zunimmt.

6. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite und die Oberseite des Verdrängungskörpers (1, 27) eine unterschiedliche Kontur und/oder eine unterschiedliche Anordnung der Störelemente (3, 4) aufweisen.

7. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (1, 27) als einstückiges Formteil, vorzugsweise als Faserformteil ausgebildet ist.

8. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (1, 27) aus hintereinander angeordneten Abschnitten (5, 6, 7, 8) zusammengesetzt ist.

9. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (1, 27) mindestens einen mit dem Heizgasraum (2) verbundenen Hohlraum (9, 28) aufweist.