DE19749809A1

DE19749809A1 - Heizgerät mit optimiertem Wärmeträgerströmungsraum

Info

Publication number: DE19749809A1
Application number: DE1997149809
Authority: DE
Inventors: Ruediger Galtz
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2017-11-12
Also published as: DE19749809B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere ein Fahrzeugzusatzheizgerät, mit einem Brenner in einer Brennkammer, die von einem Wärmeübertrager umgeben ist, der ein allgemein topfförmiges Außenteil und ein unter Belassung eines Zwischenraums in diesen eingesetztes allgemein topfförmiges Innenteil aufweist, wobei dem Zwischenraum über einen Einlaßstutzen im Bodenbereich des Wärmeübertragers ein Wärmeträger zugeführt wird, der am axial gegenüberliegenden Ende des Wärmeübertragers über einen Auslaßstutzen ausgetragen wird.

Ein derartiges Heizgerät ist beispielsweise aus der DE 38 39 244 C2 bekannt. Es ist üblich, bei Wärmeübertragern derartiger Heizgeräte im Bodenteil des vom Wärmeträger durchströmten Zwischenraums sowie in dessen axial verlaufendem Ringteil Schikanen zu bilden, die dazu dienen, den Wärmeträger gleichmäßig, möglichst unter Verhinderung von Blasenbildung zwischen Ein- und Auslaßstutzen zu verteilen. Im axialen Ringteil des Zwischenraums sind diese Schikanen zumeist schrauben- bzw. spiralförmig gebildet.

Nachteilig ist dabei, daß aus bautechnischen Gründen nur eine begrenzte Anzahl von Schikanen vorgesehen werden können, so daß eine Blasenbildung im Wärmeträger nicht vollständig vermieden werden kann, insbesondere nicht beim Befüllen des Systems mit Wasser. Der durch Materialanhäufungen für die Schikanen bedingte dickere Wärmeträgermantel trägt zudem nur in einer dünnen, dem heißen Wärmeübertrager- Innenteil zugewandten Grenzschicht zur Wärmeabfuhr bei, während die an der Innenseite des Wärmeübertrager-Außenteils strömende Wasserschicht nicht genutzt wird. Die Strömungsverhältnisse sind wegen des großen Ringteilquerschnitts des Zwischenraums laminar, d. h. der Wärmeaustausch quer zur Strömungsrichtung ist unzureichend und begunstigt Dampfblasenbildung speziell bei geringen Wärmeträgerdurchflußmengen. Außerdem entstehen durch die längs angeordneten Schikanen höhere Werkzeug- und Teilekosten aufgrund zusätzlicher Schieber, die quer zur Entformungsrichtung erforderlich sind, und aufgrund größerer Taktzeiten. Da Luft- und Dampfblasen durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit nicht stets mitgerissen werden, kann es zu einer örtlichen Überhitzung des Wärmeübertragers kommen. Die Anordnung eines Überhitzungsschutzes ist jedoch relativ schwierig, da je nach Einbaulage das Ausbilden der Blasen an anderer Stelle erfolgen kann. Nicht zuletzt ist die Mindestwärmeträgermenge aufgrund einer Gefahr des Hängenbleibens von Blasen nach unten hin eingeschränkt.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, dessen Wärmeübertrager bei relativ geringen Werkzeugkosten und einfachem Werkzeugaufbau hergestellt werden kann, ohne daß die Gefahr einer Blasenbildung und einer damit verbundenen Überhitzung besteht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach besteht der Kern der Erfindung darin, daß der wärmeträgerführende Ringquerschnitt längs dem Innen- und Außenteil des Wärmeübertragers keinerlei Schikanen enthält, sondern lediglich bezüglich seines Querschnitts stark eingeengt ist, um die erwünschte Strömungsführung zu erzwingen, und zwar auf ein Maß, das in etwa dem Innenquerschnitt der Wärmeträger-Ein- und Auslaßstutzen entspricht. Diese überraschend einfache Maßnahme gewährleistet, daß eine Blasenbildung im Wärmeübertrager im Zwischenraum, und zwar im kritischen Ringspaltteil desselben weitestgehend vermieden wird, wobei insbesondere ein Hängenbleiben von Blasen zuverlässig vermieden wird. Außerdem kann auf diese Weise ein Überhitzungsschutz sicherer plaziert und ausgelegt werden. Die Baugröße des Wärmeübertragers wird minimiert, da der Wärmeübertragermantel im Ringteil des Zwischenraums "dünner" ist. Nicht zuletzt fallen geringere Werkzeugkosten durch einfacheren Werkzeugaufbau an, da im Gegensatz zum Stand der Technik keine Querschieber zur Herstellung von Schikanen erforderlich sind. Vielmehr sind die Wärmeübertrager-Innen- und Außenteile in einfacher Weise in Zugrichtung entformbar. Dies ist auch mit günstigeren Taktzeiten bei der Herstellung verbunden. Schließlich sind wesentliche geringere Wärmeträgerdurchflußmengen als bislang realisierbar, ohne daß mit Überhitzung zu rechnen wäre.

Vorteilhafterweise ist der axiale Abstand zwischen den Böden der Wärmeübertrager-Innen- und Außenteile im Bereich des größten Durchmessers des Innenteils ebenfalls stark verringert, und zwar bevorzugt auf dem Querschnitt des Ringspaltraums.

Ferner sind vorteilhafterweise auf der Wärmeträger-Ein- und Austrittsseite Wassersammelräume vorgesehen, deren Querschnitte dem Zwei- bis Dreifachen des wärmeträgermittelführenden Ringspaltquerschnitts entsprechen. Im Bodenbereich ist dieser Wassersammelraum innerhalb eines Rings verringerten Querschnitts gebildet. Um den Wärmeträgereintritt in diesen Sammelraum zu gewährleisten muß besagter Ring im Bereich des Wärmeträger-Einlaßstutzens unterbrochen sein. Um die Wärmeabfuhr des hoch belasteten Bodens in diesem Sammelraum zu verbessern, können hier Rippen oder Stifte angeordnet sein.

Der Wärmeträger-Sammelraum auf der Wärmeträger-Austrittsseite wird durch einen querschnittsvergrößerten Teil des Zwischenraum-Ringspaltteils gebildet und hat in etwa die Breite des Auslaßstutzen.

Um in Umfangsrichtung einen möglichst gleichmäßigen Spalt des Ringspaltteils zu gewährleisten, sind dort mehrere Zentrierrippen, zumindest jedoch drei derartige Rippen vorgesehen. Diese übernehmen außerdem die Aufgabe einer in Umfangsrichtung gleichmäßigen Verteilung der aus dem bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraum und dem sich daran anschließenden Ringspaltteil des Zwischenraums austretenden Wassermenge.

Die beiden vorstehend genannten Wärmeträger-Sammelräume weisen einen strömungstechnisch deutlich geringeren Druckverlust auf als der Ringspaltteil des Zwischenraums, so daß der Wärmeträgerstrom zwischen den beiden Sammelräumen gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt wird.

Zusätzlich kann vorteilhafterweise im einlaßstutzen- bzw. bodenseitigen Sammelraum eine Rippenstruktur zur Strömungsverteilung des über den Einlaßstutzen zuströmenden Wärmeträgers in den Ringraumteil vorgesehen sein, so daß der radial in den Sammelraum eingeleitete Wärmeträger umfangsmäßig zumindest im wesentlichen gleichmäßig verteilt in den Ringspaltteil eintritt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Wärmeübertrager eines Heizgeräts,

Fig. 2 einen Querschnitt des Heizgeräts von Fig. 1 im Bodenbereich durch den bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraum in Richtung auf den Wärmeträger- Auslaßstutzen gesehen,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht des Heizgeräts von Fig. 3 im Bodenbereich und

Fig. 4 eine Längsschnittansicht des Heizgeräts von Fig. 1 im Bereich des auslaß stutzenseitigen Wärmeträger-Sammelraums.

In Fig. 1 ist der Wärmeübertrager eines Heizgeräts gezeigt, bei dem es sich insbesondere um ein Fahrzeugzusatzheizgerät mit flüssigem Wärmeträger handeln kann. Von diesem Heizgerät ist ausschließlich der Wärmeübertrager dargestellt, in dessen Innenseite ein nicht dargestellter Brenner in eine nicht dargestellte Brennkammer ragt, die von einem ebenfalls nicht dargestellten Brennrohr gebildet ist. Die Brennkammer verläuft koaxial zu dem Wärmeübertrager 1 vom Druckgußtyp. Der Wärmeübertrager 1 besteht aus einem topfförmigen Außenteil 2 und einem Innenteil 3, das unter Belassung eines Zwischenraums in das Außenteil eingesetzt ist. Dieser Zwischenraum besteht aus einem sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Wärmeübertragers erstreckendes Ringspaltteil 4 zwischen den beispielsweise zylindrischen Wandungen der topfförmigen Innen- und Außenteile 2, 3 und einem bodenseitigen Teil 5 zwischen dem Boden 6 des Innenteils 3 und dem Boden 7 des Außenteils 2. Die Innenseite des Innenteils 3 ist mit Rippen versehen, die bei der vorliegenden Erfindung keine Rolle spielen und deshalb bezüglich ihrer Struktur nicht näher erläutert werden.

Das topfförmige Außenteil 2 ist axial kürzer gebildet als das topfförmige Innenteil 3, an dessen bodenfernem Rand radial beabstandet ein Ring 8 gebildet ist, der zwischen seiner Innenseite und der Außenseite des Innenteils 3 einen Ringraum 14 festlegt, auf den nachfolgend im einzelnen eingegangen wird. Der Ring 8 umgreift den bodenfernen Rand des Außenteils 2 und ist gegenüber diesem mittels einer O-Ring-Dichtung 9 abgedichtet, der dort im radialen Dichtsitz vorgesehen ist.

Mit dem Innenraum des Innenteils 3 steht ein Abgasstutzen 10 in Verbindung, der in diesen Raum über eine Öffnung 11 mündet, mit dem Innenteil 3 fest verbunden ist und den Ringraumteil zwischen dem Ring 8 und dem Innenteil 3 sowie den Ring 8 durchsetzt.

Ein Wärmeträger-Einlaßstutzen 12 ist radial vorspringend am Außenumfang des Außenteils 2 einstückig mit diesem in seinem Bodenbereich gebildet. Der Einlaßstutzen 12 steht in Verbindung mit dem Zwischenraum 4, 5 und dem vorstehend genannten Ringraum 14 im Bereich des Rings 8. Außerdem ist ein in Fig. 1 nicht dargestellter, in Fig. 2 gezeigter Wärmeträger-Auslaßstutzen 13 vorgesehen, der an den Ring 8 angeformt ist und sich in tangentialer Richtung auswärts (senkrecht zur Papierebene von Fig. 1) erstreckt. Dieser Auslaßstutzen 13 mündet in den vom Ring 8 umschlossenen Ringraum 14, der in den Zwischenraum-Ringspaltteil 4 übergeht.

Während Wärmeübertrager von herkömmlichen Heizgeräten der in Rede stehenden Art mit Strömungsschikanen im Bereich des Zwischenraums zwischen Innen- und Außenteils des Wärmeübertragers versehen sind, ist erfindungsgemäß dieser Zwischenraum, nämlich der Ringspaltteil 4 des Zwischenraums frei von Schikanen gebildet. Um in diesem Zwischenraumteil das gewünschte Strömungsverhalten für den Wärmeträger gewährleisten zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Zwischenraum-Ringspaltteil 4 mit sehr geringem Querschnitt zu bilden, nämlich mit einem Querschnitt, der im wesentlichen nicht größer ist als der Innenquerschnitt der Ein- und Auslaßstutzen 12 bzw. 13, bzw. der Wasser-/Kühlmittelleitungen. Der längenbezogene Druckverlust im Ringspalt des Wärmeübertragers soll etwa gleich dem in den Kühlmittelleitungen sein.

Auf der Wärmeträger-Ein- und Austrittsseite, d. h. im Bereich des Einlaßstutzens 12 und des Auslaßstutzens 13 sind ferner Wärmeträger-Sammelräume gebildet. Bei diesen Räumen handelt es sich im Bereich des Einlaßstutzens 12 um den Bodenteil 5 des vom Wärmeträger durchsetzten Zwischenraums, während es sich im Bereich des Auslaßstutzens 13 bei dem Sammelraum um den Ringraum 14 handelt, der durch den Ring 8, der Außenseite des Wärmeübertrager-Innenteils 3 und den Ringrand des Wärmeübertrager- Außenteils 2 begrenzt ist, ab welchem dieser Zwischenraumteil in Richtung auf den Boden des Heizgeräts 1 in den erfindungsgemäß verengten Zwischenraum-Ringspaltteil 4 übergeht. Erfindungsgemäß sind die Querschnitte dieser Wärmeträger-Sammelräume 5 und 14 mit größerem Querschnitt gebildet als der Zwischenraum-Ringspaltteil 4. Insbesondere beträgt der Querschnitt der Sammelräume 5, 14 das Mehrfache des Querschnitts des Ringraumteils 4, vor allem dem Zwei- bzw. dem Dreifachen dieses Querschnitts. Dadurch wird erreicht, daß die beiden Wärmeträger-Sammelräume 5 und 14 einen strömungstechnisch deutlich geringeren Druckverlust aufweisen als der Ringspaltteil 4 des Zwischenraums. Dadurch wird der Wärmeträgerstrom zwischen diesen beiden Wärmeträger-Sammelräumen 5 und 14 gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt. Durch den engen Spalt im Teil 4 des Zwischenraums können sich aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers in diesem Teil Blasen nicht halten und werden mitgerissen. Eine entsprechende Entlüftung erfolgt damit zuverlässiger wie beim Stand der Technik, der in diesem Bereich Schikanen vorsieht.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist der bodenseitige Wärmeträger-Sammelraum 5 in seinem zentralen Teil mit vorstehend genanntem Querschnitt gebildet, während dieser Sammelraum im Bereich seines größten Durchmessers auf eine Spaltbreite verringert ist, die dem Spalt im Ringspaltteil 4 des Zwischenraums entspricht. Diese Besonderheit entspricht einem Boden-Ringspaltbereich des Wärmeübertragers 1, der dort mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet ist. Erreicht wird dieser Bodenringspalt 15 durch eine entsprechende Ausgestaltung des Bodens 6 des Wärmeübertrager-Innenteils 3, welcher Boden 6 im zentralen Teil unter relativ großem Abstand zum Boden 7 des Wärmeübertrager-Außenteils 2 verläuft, während dieser Boden 6 im Bereich größten Durchmessers axial in Richtung auf den Boden 7 vorspringt. Wie in Fig. 3 strichliert gezeigt und mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet, kann der Wärmeträger-Sammelraum 5 im Bodenbereich des Wärmeübertragers 1 dadurch vergrößert sein, daß dieser Boden 6 im zentralen Teil nur einwärts oder ein- und auswärts gewölbt ist.

Um den Wassereintritt in den bodenseitigen Sammelraum 5 zu gewährleisten, ist der den Bodenringspalt 15 festlegende Bodenbereich größten Durchmessers des Bodens 6 im Bereich des Einlaßstutzens 12 unterbrochen. Um die Wärmeabfuhr des hoch belasteten Bodens 6 im Sammelraum zu verbessern, können hier Rippen oder Stifte angeordnet sein.

Um in Umfangsrichtung einen möglichst gleichmäßigen Spalt für den Ringspaltteil 4 des Zwischenraums zu gewährleisten, sind beispielsweise innen am Wärmeübertrager- Außenteil 2 Zentrierrippen 17, 17', 17'', 17''' und 17'''' vorgesehen, auf denen der Wärmeübertrager-Innenteil 3 ruht. Diese Zentrierrippen übernehmen außerdem die Aufgabe einer in Umfangsrichtung gleichmäßigen Verteilung der aus dem bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraum 5 austretenden Wassermenge.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Wärmeträger-Sammelraums in Gestalt des Ringraums 14 radial einwärts vom Ring 8. Die axiale Breite dieses Sammelraums entspricht in etwa dem Außendurchmesser des Auslaßstutzens 13. Dieser ringförmige Wärmeträger-Sammelraum 14 ist glattwandig gebildet. Der andere Wärmeträger-Sammelraum entsprechend dem Bodenteil des Wärmeträger-Sammelraums 5 kann ebenfalls glattwandig gebildet sein. Er ist jedoch bevorzugt mit einer Rippenstruktur in diesem Bereich versehen, wie in Fig. 2 gezeigt. Diese Rippenstruktur ist im Zentrum des Bodenbereichs angeordnet und umfaßt vier Rippen 18, 19, 20, 21, die sich ausgehend von dem gewölbten Bodenteil 16 des Wärmeübertrager-Innenteils 3 gekrümmt in Richtung auf den Einlaßstutzen 12 erstrecken und dafür sorgen, daß der über den Stutzen 12 eintretende Wärmeträger nicht direkt im Kurzschluß zu dem dem Einlaßstutzen gegenüberliegenden Wandteil des Wärmeübertrager-Außenteils 2 strömt und damit bevorzugt dort in den Ringspaltteil 4 des Zwischenraums eintritt, was aus Gründen eines optimalen Wirkungsgrads des Wärmeübertragers nicht erwünscht ist. Vielmehr wird durch die Rippen 18, 19, 20, 21 der über den Einlaßstutzen 12 zuströmende Wärmeträger derart verteilt, daß er nahezu gleichmäßig über den gesamten Umfang des Wärmeübertrager-Innenteils 3 in den Ringspaltteil 4 des Zwischenraums gelangt. Zu diesem Zweck ist bei der dargestellten Ausführungsform eine weitere Rippe 22 zusätzlich vorgesehen, die das im wesentlichen kreisförmige gewölbte Bodenteil 16 teilt und parallel zur Längsmittenlinie des Einlaßstutzens 12 verläuft.

Bezugszeichenliste

1

Wärmeübertrager

2

Außenteil (von

1

)

3

Innenteil (von

1

)

4

Ringspaltteil des Wärmeträger-Sammelraums

5

Bodenteil des Wärmeträger-Sammelraums

6

Boden

7

Boden

8

Ring

9

O-Ring-Dichtung

10

Abgasstutzen

11

Öffnung

12

Wärmeträger-Einlaßstutzen

13

Wärmeträger-Auslaßstutzen

14

Ringraum

15

Bodenringspalt

16

gewölbter Bodenteil

17

Zentrierrippen

18

Rippe

19

Rippe

20

Rippe

21

Rippe

22

Rippe

Claims

1. Heizgerät, insbesondere Fahrzeugzusatzheizgerät, mit einem Brenner in einer Brennkammer, die von einem Wärmeübertrager (1) umgeben ist, der ein allgemein topfförmiges Außenteil (2) und ein unter Belassung eines Zwischenraums (4, 5) in dieses eingesetztes allgemein topfförmiges Innenteil (3) aufweist, wobei dem Zwischenraum (4, 5) über einen Einlaßstutzen (12) im Bodenbereich des Wärmeübertragers (1) ein Wärmeträger zugeführt wird, der am axial gegenüberliegenden Ende des Wärmeübertragers (1) über einen Auslaßstutzen (13) ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der axial zwischen dem Einlaß- und Auslaßstutzen (12, 13) verlaufenden Ringspaltteil (4) des Zwischenraums schikanenfrei ist und einen Querschnitt aufweist, der in etwa dem Innenquerschnitt der Ein- und Auslaßstutzen (12, 13) entspricht.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wärmeübertrager-Innen- und Außenteilen (2, 3) Zentrierrippen bzw. -vorsprünge (17) vorgesehen sind.

3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bodenseitige Teil (5) des Zwischenraums (4, 5) zwischen den Böden (6, 7) der Wärmeübertrager-Innen- und Außenteile (2, 3) im Bereich des größten Durchmessers des Innenteilteils (3) auf einen Querschnitt verengt ist, der im wesentlichen demjenigen des Ringspaltteils (4) entspricht.

4. Heizgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am ein- und auslaßstutzenseitigen Ende des Wärmeübertragers (1) die Zwischenräume (5) bzw. Ringspaltteile (14) als Wärmeträger-Sammelräume (5, 14) vorgesehen sind, deren Querschnitte dem Mehrfachen des Querschnitts des Ringspaltteils (4) des Zwischenraums entspricht.

5. Heizgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Wärmeträger-Sammelräume (5, 14) dem Zwei- bis Dreifachen des Ringspaltteil- Querschnitts entspricht.

6. Heizgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einlaßstutzenseitige Wärmeträger-Sammelraum (5) zwischen den Böden (6, 7) der Wärmeübertrager-Innen- und Außenteile (2, 3) gebildet ist.

7. Heizgerät nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auslaßstutzenseitige Wärmeträger-Sammelraum (14) ein querschnittsverbreiterter Teil des Ringspaltteils (4) ist.

8. Heizgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im einlaßstutzen- bzw. bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraum (5) eine Rippenstruktur (18 bis 22) zur Strömungsverteilung der über den Einlaßstutzen (12) zuströmenden Wärmeträgers in den Ringspaltteil (4) derart vorhanden ist, daß der radial in diesen Wärmeträger-Sammelraum (5) eingeleitete Wärmeträger umfangsmäßig zumindest im wesentlichen gleichmäßig verteilt in den Ringspaltteil (4) eintritt.

9. Heizgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenstruktur (18 bis 23) im Zentrum des bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraums (5) quer zum Einlaßstutzen (12) verlaufende Rippen auf dem Boden (6) des Wärmeträger- Innenteils (3) aufweist.

10. Heizgerät nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (6) eine ein- oder auswärts gerichtete Wölbung aufweist.