DE19614492A1

DE19614492A1 - Wärmetauschereinrichtung

Info

Publication number: DE19614492A1
Application number: DE19614492A
Authority: DE
Inventors: Heinz Abegglen
Original assignee: VERITHERM VERTRIEBS AG
Current assignee: VERITHERM VERTRIEBS AG
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1997-10-16

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauschereinrich tung mit einem Kanalsystem für Verbrennungsluft und Heizgas bildenden Kunststoffelementen, einer Verbrennungsluftein trittsöffnung, einer Verbrennungsluftaustrittsöffnung, einer Heizgaseintrittsöffnung und einer Heizgasaustrittsöffnung, wobei die Verbrennungsluft und das Heizgas infolge Vorbei strömens an Tauscherflächen erwärmt beziehungsweise abgekühlt werden. Der Einsatz einer derartigen Wärmetauschereinrichtung geschieht zum Zwecke der Temperaturreduktion der Heizgase ei nes Gas- oder Heizöl-Wärmeerzeugers.

STAND DER TECHNIK

Die oben genannte Wärmetauschereinrichtung wird bevorzugt in einem Heizsystem eingesetzt, das im Bereich der Brennwert technik arbeitet. Der Brennwert wird dann erreicht, wenn die Heizgase in den Wärmetauscherflächen unter den Taupunkt abge kühlt werden. Der Taupunkt des verdampften Schwefels der Heizölflamme kondensiert bei ca. 125°C. Der Wasserdampf dage gen erst bei etwas über 40°C. Dieser Taupunkt ist deshalb so tief, weil bei der Verbrennung mehr (trockene) Luft zugeführt werden muß als die Flamme benötigt, weil sonst Ruß ausfällt. Die Abkühlung der Heizgase wird hierbei in einem ersten, in der Regel aus Stahl bestehenden, Wärmetauscher oberhalb des Wassertaupunktes durchgeführt. Die Abkühlung zur Kondensation erfolgt in einem zweiten, aus Kunststoff gebauten Wärmetau scher, in welchem aber nicht Heizwasser, sondern die Verbren nungsluft für den Gas- oder Ölbrenner vorgewärmt wird.

Eine derartige zweite Wärmetauschereinrichtung der eingangs genannten Art ist bekannt und wurde bisher ausschließlich aus Kunststoff gefertigt. Die Verwendung von Kunststoff ist bei diesem Verfahren teilweise unabdingbar notwendig, weil die Kondensation von Heizungsheizgasen eine aggressive Flüssig keit ergibt (bei Heizöl SO2, SO3), welche Metallteile korro dieren läßt. Verbrennungsluft und Heizgas wurden bisher in einem sogenannten Kreuzstromverfahren aneinander entlang von Wärmetauscherflächen vorbeigeführt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe, beziehungsweise das technische Problem zugrunde, ausgehend von dem genannten Stand der Technik eine verbesserte Wärmetauschereinrichtung anzugehen, die eine erhöhte Auskondensierung der Heizgase ermöglicht, einen konstruktiv einfachen Aufbau beibehält und insgesamt gesehen eine erhöhte Wärmenutzung gewährleistet und somit einen hohen Wirkungsgrad erzielt.

Die erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung zeichnet sich demgemäß dadurch aus, daß im Bereich des Eintritts des Heiz gases eine Tauscherfläche mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit an geordnet ist, wobei diese Tauscherfläche bevorzugt als Me tallfläche ausgebildet ist.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß das Kanalsystem durch übereinander angeordnete Kunststoffelemente gebildet wird und die Tauscherfläche mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit durch die Oberseite des obersten Kunststoffelements gebildet wird.

Hinsichtlich sehr guter Wärmetauschereigenschaften hat es sich als günstig herausgestellt, die Tauscherfläche mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit als zweiwandige Kanaleinheit aus zubilden, die bevorzugt den oberen Bereich des obersten Kunststoffelementes einnimmt.

Die erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung geht von dem Gedanken aus, im Temperaturbereich über ca. 46°C eine Tau scherfläche mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit anzuordnen, wobei diese aus Metall sein kann, ohne daß es in diesem Bereich zu einer Kondensation und damit zu einem Anfall von aggressiven Flüssigkeiten kommt. Im weiteren Verlauf, das heißt im tiefe ren Temperaturbereich, ist das Kanalsystem aus Kunststoff gefertigt.

Insbesondere die Ausbildung eines doppelten Stahlbleches, d. h. einer Stahlkanaleinheit, auf der obersten Wärmetau scheroberfläche anstelle von Kunststoff, durch die das Heiz gas geführt wird, ergibt eine ca. 20-fache Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeaustauschfähigkeit gegenüber von Kunststoff, die zu einer verbesserten Auskondensierung der Heizgase und dadurch zu einer erhöhten Wärmenutzung führt.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherein richtung, die erhöhte Wärmeaustauschfähigkeiten besitzt, zeichnet sich dadurch aus, daß innerhalb des obersten Kunst stoffelements eine Wärmeleiteinheit angeordnet ist, die zumindest bereichsweise mit der Tauscherfläche in Kontakt steht.

Eine in der Konstruktion besonders einfache, aber eine erhöh te Wärmenutzung fördernde, bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kunststoffelemente als beabstandet über einander angeordnete hohle Plattenelemente ausgebildet sind, die untereinander in Strömungsverbindung, insbesondere für die Verbrennungsluft, stehen, wobei die Strömungsverbindung der Kunststoffelemente als hohle Plattenelemente untereinan der jeweils am in Strömungsrichtung gesehen gegenüberliegen den Endbereich der jeweiligen Plattenelemente angeordnet ist, wodurch ein zick-zack förmiger Strömungsweg von oben nach unten beziehungsweise von unten nach oben erzielt wird.

Bei der bekannten Wärmetauschereinrichtung wird durch die spezielle Kanalanordnung eine konsequente Kreuzströmung erzielt, d. h. daß sich der Verbrennungsluftstrom und Heiz gasluftstrom in weiten Bereichen kreuzen. Eine erfindungsge mäße Weiterentwicklung geht von diesem Prinzip ab und zeich net sich dadurch aus, daß innerhalb der Einrichtung die Kunststoffelemente so angeordnet und ausgebildet sind, daß die Verbrennungsluft und das Heizgas nach dem Gegenstromprin zip an den jeweiligen Tauscherflächen aneinander vorbeiströ men.

Dieses Prinzip kann auch unabhängig von den oben beschriebe nen Merkmalen betreffend einen Bereich erhöhter Wärmetausch fähigkeit umgesetzt werden.

Um die Wärmeaustauschfähigkeit weiter zu erhöhen, zeichnet sich eine besonders bevorzugte Ausgestaltung dadurch aus, daß die Verbrennungslufteintrittsöffnung und die Verbrennungs luftaustrittsöffnung, insbesondere bei aufeinander angeordne ten Kunststoffelementen, in einer Draufsicht gesehen diagonal gegenüberliegend angeordnet sind.

In die gleiche Richtung zielt eine bevorzugte Weiterbildung, die sich dadurch auszeichnet, daß innerhalb der Plattenele mente Leitelemente vorhanden sind, die das strömende Medium, insbesondere die Verbrennungsluft, im wesentlichen auf die gesamte Breite des jeweiligen Plattenelements zumindest bereichsweise verteilen.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den Ansprüchen ferner aufgeführten Merkmale sowie durch die nachstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Die Merkmale der Ansprüche können in beliebiger Weise mitein ander kombiniert werden, insoweit sie sich nicht offensicht lich gegenseitig ausschließen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Wei terbildungen derselben werden im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entneh menden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Seitenansicht einer Wärmetauscherein richtung aus Kunststoffelementen und oberseitig ange ordneten Stahlblechelementen

Fig. 2 schematische Frontansicht der Einrichtung gemäß Fig. 1 in Einbaulage für einen Gas- oder Heizöl-Wärme erzeuger,

Fig. 3 Detailperspektive des obersten Tauscherelements mit daneben dargestelltem, einsetzbarem Wärmeleitelement,

Fig. 4 stark schematisierte, prinzipielle Strömung der Ver brennungsluft (rechts) und der Heizgase (links) der Wärmetauschereinrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 und in auseinandergezogener Darstellung

Fig. 5 stark schematisierte Darstellung eines Brennwertheiz kessels mit zwei Wärmetauschereinrichtungen.

WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Die in Fig. 5 schematisch dargestellte Heizkesseleinrichtung 50 ist mit einem Öl- oder Gasgebläsebrenner 52 bestückt. Die in der Brennkammer 54 der Heizkesseleinrichtung 50 entstehen den heiße Verbrennungsgase A werden an zwei Wärmetauscherein richtungen 60, 10 vorbeigeführt.

Die obere Wärmetauschereinrichtung wird vom Wasser des übli chen Heizkreises durchflossen (Rücklauf RL, Vorlauf VL).

Die Rauchgase A werden im Gegenstromprinzip in dieser Wärme tauschereinrichtung 60 nach unten geführt und auf eine Kesselrücklauftemperatur von ca. 60°C abgekühlt.

In der darunter befindlichen Wärmetauscheinrichtung 10, die in weiten Teilen aus Kunststoff besteht, werden die Rauchgase A bis auf ca. 30°C abgekühlt und damit gleichzeitig die Ver brennungsluft V für den Brenner 52 vorgewärmt. Die bis auf ca. 30°C abgekühlten Heizgase A werden über einen Kamin ins Freie geleitet. Eine nicht dargestellte Ventilatoreinheit sorgt für die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des Heizgases A.

Die Steuerung der Anlage übernimmt eine im oberen Bereich schematisch dargestellte Kesselsteuerung 56.

Die Wärmetauschereinrichtung 10 weist mehrere, übereinander angeordnete, mehr oder minder identische Kunststoffelemente 12 auf, in welchen die Verbrennungsluft V in konsequenter Gegenstromrichtung zu den Heizgasen A, welche um die Elemente 12 herumgeleitet werden, erwärmt wird. Die Wärmetauscherein richtung 10 besitzt eine Verbrennungslufteintrittsöffnung 14 und eine Verbrennungsluftaustrittsöffnung 16. Das oberste Kunststoffelement 22 weicht von den übrigen Kunststoffelemen ten 12 dahingehend ab, daß die Oberseite abgefräst ist und an deren Stelle zwei Tauscherflächen 30.1, 30.2 beabstandet zueinander angeordnet sind, so daß eine Kanaleinheit 32 gebil det wird, welche direkt an die Heizgaseintrittsöffnung 18 anschließt. Durch diese Kanaleinheit 34 wird das Heizgas in die Wärmetauschereinrichtung 10 eingeleitet.

Als Kunststoff wird für die Kunststoffelemente 12, 22 Poly propylen mit besonders hoher Thermostabilität eingesetzt.

Die Kunststoffelemente 12, 22 sind im wesentlichen als hohle Plattenelemente ausgebildet, wobei der Lufteintritt 14 und Luftaustritt 16 der Verbrennungsluft seitlich und in einer Draufsicht diagonal gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Verbrennungsluft zick-zack förmig durch die Kunststoff plattenelemente 12, 22 geführt wird und gleichzeitig nicht dargestellte Leitelemente innerhalb der Kunststoffelemente 12, 22 angeordnet sind, die dafür sorgen, daß die in das Innere des jeweiligen Kunststoffelements 12, 22 eintretende Verbrennungsluft auf nahezu die gesamte Breite der Kunst stoffelemente 12, 22 verteilt beziehungsweise verwirbelt wird, wodurch sich ein besonders effektiver Wärmeaustausch effekt erzielen läßt.

Die Strömungsverhältnisse der Verbrennungsluft sind in Fig. 4 schematisch durch gestrichelte Linien angegeben. Die vergrö ßerten Kommunikationskanäle der Kunststoffelemente 12, 22 sind ebenfalls in Längsrichtung mit Ablenk-Plättchen ver sehen, welche den Luftstrom in die Elementmitte drängen.

Die Kanaleinheit 32, die auf dem obersten Kunststoffelement 22 angeordnet ist, bildet den Durchgang für die Heizgase A, welche vorne von oben eingeführt werden. Die erfindungsgemäße Materialkombination Metall (Kanaleinheit 32) und Kunststoff (Elemente 12, 22) bezweckt, daß die Heizgase A oberhalb der Taupunkttemperatur (ca. 46°C) im wesentlichen im Bereich der Kanaleinheit 32 auf kurzem Wege abkühlen. Die Heizgastempera tur wird beim Eintritt so geregelt, daß keine dauernde Tau punktunterschreitung im Bereich der Kanaleinheit erfolgen kann, so daß die Bildung von aggressiven Medien, die die Tau scherflächen 30.1, 30.2 der Kanaleinheit 32 angreifen könn ten, zuverlässig verhindert wird.

Zur Verbesserung der Luftführung und der Wärmeübertragung wird im Lufthohlraum des obersten Elements 22 eine Leit elementeinheit 24 eingelegt, die als dünnes Metall-Leitblech ausgebildet ist. Dieses Leitblech liegt an der Tauscherfläche 30.1 bereichsweise flächenmäßig an, so daß eine erhöhte Wärmetauscherfunktion gegeben ist.

Durch die im konsequenten Gegenstromprinzip ausgebildete Luft- und Gasführung zwischen den diagonal angeordneten Anschlüssen der Luftführung wird erreicht, daß die zu erwär mende Verbrennungsluft und die zu kühlenden Heizgase an jedem Punkt der Wärmetauschereinrichtung den besten Wärmeaustausch effekt erzielen. Durch die Verwendung der Kanaleinheit 32 bei Heizgaseintritt 18 und Verbrennungsluftaustritt wird ein sehr hoher Wärmeaustausch erzielt, und die Heizgase werden auf relativ kurzem Weg bis zur Taupunktsgrenze abgekühlt.

Die erfindungsgemäße Wärmetauschereinheit erbringt durch die Abkühlung und Auskondensierung der Heizgase eine erhebliche Verbesserung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades, wobei die Heizgase teilweise ausgewaschen werden, was zu einer Re duktion der Umweltbelastung führt. Dadurch, daß die "Abkühl strecke" verkürzt werden kann, kann gegenüber den bekannten Wärmetauschereinrichtungen eine verminderte Anzahl an Kunst stoffelementen eingesetzt werden, was sich positiv auf den Gesamtwiderstand der Tauschereinheit auswirkt. Die metallenen Tauscherflächen werden nur im "trockenen Bereich" über ca. 46°C eingesetzt, wodurch eine Korrosion und damit auch das Einbringen von metallenen Schadstoffen ins Abwasser zuverläs sig verhindert wird. Die Wärmeaustauschung im Gegenstromprin zip mit diagonal angeordneten Anschlüssen erbringt den best möglichen Wirkungsgrad.

Claims

1. Wärmetauschereinrichtung (10) mit

- einem Kanalsystem für Verbrennungsluft (V) und Heizgas (A) bildenden Kunststoffelementen (12, 22),
- einer Verbrennungslufteintrittsöffnung (14),
- einer Verbrennungsluftaustrittsöffnung (16),
- einer Heizgaseintrittsöffnung (18) und
- einer Heizgasaustrittsöffnung (20), wobei
- die Verbrennungsluft (V) und das Heizgas (A) infolge Vorbeiströmens an Tauscherflächen erwärmt beziehungsweise abgekühlt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Eintritts des Heizgases (A) eine Tauscher fläche (30) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauscherfläche (30) als Metallfläche, insbesondere aus nichtrostendem Stahl, ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem durch übereinander angeordnete Kunst stoffelemente (12, 22) gebildet wird und

- die Tauscherfläche (30) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit durch die Oberseite des obersten Kunststoffelements (22) gebildet wird.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauscherfläche (30.1, 30.2) mit erhöhter Wärmeleit fähigkeit als zweiwandige Kanaleinheit (32) ausgebildet ist und das Heizgas durch das Innere dieser Kanaleinheit (32) strömt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des obersten Kunststoffelements (22) eine Wär meleiteinheit (24) angeordnet ist, die zumindest bereichsweise mit der Tauscherfläche (30.1) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit in Kontakt steht.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffelemente (12, 22) als beabstandet überein ander angeordnete hohle Plattenelemente ausgebildet sind, die untereinander in Strömungsverbindung für die Verbren nungsluft (V) stehen und das Heizgas bereichsweise um die Plattenelemente herumgeführt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverbindung der Kunststoffelemente (12, 22) als hohle Plattenelemente untereinander jeweils am in Strömungsrichtung gesehen gegenüberliegenden Endbereich der jeweiligen Plattenelemente angeordnet ist, wodurch ein zick-zack förmiger Strömungsweg gegeben ist.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Einrichtung (10) die Kunststoffelemente (12, 22) so angeordnet und ausgebildet sind, daß die Ver brennungsluft (V) und das Heizgas (A) nach dem Gegen stromprinzip an den jeweiligen Tauscherflächen aneinander vorbeiströmen.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungslufteintrittsöffnung (14) und die Ver brennungsluftaustrittsöffnung (16), insbesondere bei auf einander angeordneten Kunststoffelementen (12, 22), in einer Draufsicht gesehen diagonal gegenüberliegend ange ordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Plattenelemente Leitelemente vorhanden sind, die das strömende Medium, insbesondere die Verbren nungsluft (V), im wesentlichen auf die gesamte Breite des jeweiligen Plattenelements zumindest bereichsweise verteilen.