-
Wärmetauscher Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere
zur Erhitzung von Wasser, mit einer Brennkammer, einer an diese angrenzenden Wärmetauscheinrichtung
mit FUhrungen ftlr das Heizmedium und mit im Bereich der WSrmetauscheinrichtung
vorgesehenen Leitungen ftlr das zu erhitzende Medium.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Wärmetauscher dieser
Art so auszubilden, daß bei kleinen Abmessungen ein hoher Wirkungsgrad erreicht
wird.
-
Dies wird bei einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art gemäß
der Erfindung dadurch erreicht, daß die Brennkammer von der etwa achsgleich liegenden
Wärmetauscheinrichtung umgeben wird und daß die FUhrungen für das Heizmedium etwa
radial zu der Achse der Brennkammer und der Wärmetauscheinrichtung liegen.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Wärmetauscheinrichtung
eine die Brennkammer wenigstens auf einem Teil von deren Axialerstreckung umgebende
Wärmetauschkammer auf, wobei zwischen den Mänteln beider Kammern die mit Wärmetauschgliedern,
beispielsweise Lamellen versehenen Leitungen fur das zu erhitzende Medium liegen,
so daß ein besonders guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Zweckmäßig sind die
Leitungen für das zu erhitzende Medium etwa achsparallel zu den Kammern angeordnet
und vorzugsweise
gleichmäßig um die Kammerachse verteilt, so daß
sich ein verhältnismäßig geringer Wasserinhalt des Wärmetauschers ergibt und schon
kurze Zeit nach Inbetriebnahme des Wärmetauschers warmes bzw. heißes Wasser entnommen
werden kann, das als Brauchwasser oder als Umlaufheizwasser verwendet werden kann.
-
In weiterer Ausbildung der Erfindung liegen die Wärmetauschglieder
mit Abstand von dem Brennkammermantel und/oder dem Mantel der Wärmetauschkammer,
so daß sie mit diesem nicht in unmittelbarer wärmeleitender Verbindung stehen und
somit nur durch das Heizmedium, also beispielsweise die Abgase des Brenners mit
Wärme beaufschlagt werden.
-
Zweckmäßig ist dabei der Abstand der Wärmetauschglieder vom Brennkammermantel
größer als vom Mantel der Wärmetauschkammer, so daß sich zwischen den Wärmetauschgliedern
und dem Brennkammermantel ein verhältnismäßig grober Störmungsquerschnitt ergibt.
-
Zur weiteren Erhdhung des Wirkungsgrades umgeben die WErmetauschglieder
die Leitungen für das zu erhitzende Medium, wobei sie vorzugsweise in zu diesen
Leitungen rechtwinkligen Ebenen liegen. Stoßen die Seitenkanten der, vorzugsweise
trapezförmigen, Wärmetauschglieder benachbarter Leitungen aneinander, so bilden
sie in Axialansicht einen um die Brennerachse angeordneten Lamellenblock od.dgl.;
bei radialer Durchströmung dieses Lamellenblockes od.dgl. wird inrolge der Abkühlung
der heißen Abgase und somit infolge der sich dadurch ergebenden Volumenverkleinerung
die Störung durch die radiale Querschnittserweiterung noch zusätzlich verzögert,
was eine längere Verweilzeit im Lamellenblock und beim Austritt einen noch wesentlich
geringeren Stoßverlust zur Folge hat.
-
Die Leitungen für das zu erhitzende Medium kÖnnen unmittelbar miteinander,
vorzugsweise an zwei sich gegenüberliegenden Seiten außerhalb der WäMaetauschkammer
über Rohrkrümmer od.dgl. miteinander verbunden ain und einen gemeinsamen Zulauf
sowie einen gemeinsamen Ablauf aufweisen, so daß ein sehr einfaches Anschließen
des Wärmetauschers sichergestellt ist.
-
Nach einem weiteren Vorschlag gemäß der Erfindung steht die Brennkammer
über eine Stirnwand der Wärmetauschkammer vor, wobei sie vorzugsweise an dieser
Seite den Brennstoff-eintritt und/oder im Mantel Selcundärlurt-Eintritts-Öffnungen
aufweist, so daß die Brennkammerwand im Innern durch drallförmig geführte Sekundärluft
gekühlt werden kann, die so ausreichend bemessen ist, daß die außen die Brennkammer
umströmenden heißen Gase keine Uberhitzung der Brennkammerwand bewirken; dadurch
kann die Brennkammerwand aus nicht sehr hochwertigen Werkstoffen hergestellt werden.
Die zur Kühlung herangezogene Sekundärluft kann sich am Brennkammeraustritt während
der Umlenkung infolge größerer Massen-dichte mit den heißen Brenngasen vermischen,
so daß eine fast vollkommene Ausbrennung, also eine Erzeugung eines sauberen Verbrennungsgases
erfolgt. Die drallfdrmige Führung der Sekundärluft kann beispielsweise dadurch erreicht
werden, daß der Brennstoffeintritt von einer durch eine Dralleinrichtung gebildeten
Primärluftzuführung umgeben ist.
-
Zur günstigen FUhrung der heißen Ab- bzw. Verbrennungsgase liegt ein,
vorzugsweise ein konisch verengtes Mundstück bildendes, offenes Ende der Brennkammer
innerhalb der Wärmetauschkammer mit Abstand von der gegenUberliegenden Stirnwand
der Wärmetauschkammer. Dabei ergibt sich eine besonders vorteilhafte Wirkungsweise,
wenn dem offenen Ende der Brennkammer mit Abstand gegenüberliegend ein Brennkammerboden
vorgesehen
ist, der vorzugsweise durch ein mit der gegenüberliegenden Stirnwand der Wärmetauschkammer
verbundenes Teil gebildet ist und der Umlenkung der aus der Brennkammer austretenden
Abgase dient. Damit der Brennkammerboden gut gekühlt werden kann, steht er nach
außen Uber den benachbarten Bereich der zugehörigen Stirnwand der Wärmetauschkammer
vor.
-
Eine sehrsntingsgünstige Umlenkung der Abgase ergibt sich , wenn der
Brennkammerboden durch eine in der Brennkammerachse liegende Ringrinne gebildet
ist, deren Außendurchmesser etwa so groß wie der Durchmesser ist, auf welchem die
radial inneren Kanten der Wärmetauschglieder liegen und deren Innendurchmesser kleiner
als das offene Ende der Brennkammer ist, wobei die Ringrinne im Querschnitt tel'-
insbesondere etwa halbkreisförmig sein kann. Um Strömungsverluste zu/vermeiden,
ist an der Innenkante der Ringrinne ein in der Brennkammerachse liegender, zur Brennkammer
sich verjüngender Leitkegel vorgesehen, der vorzugsweise annähernd bis an das offene
R:de der Brennkammer reicht. Die, vorzugsweise durch ein Blechteil gebildete Ringrinne
kann in einracher Weise an der Außenseite der zugehörigen Stitnwand der Wärmetauschkammer
befestigt sein.
-
Eine sehr homogene Beaufschlagung aller Wärmetauschglieder mit dem
Heizmedium ergibt sich, wenn die Wärmetauschkammer, vorzugsweise benachbart zu der
vom offenen Brennkammerende weiter entfernt liegenden Stirnwand eine etwa radial
liegende Auslaßöffnung für das Heizmedium aufweist.
-
Damit der erfindungsgemäße Wärmetauscher nach außen nur wenig Wärme
abstrahlt, sind die Wärmetauschkammer und die Brennkammer von einer Kühlkammer mit
einer Lufteintrittsöffnung
umgeben, die vorzugsweise benachbart
zu der Stirnseite der KUhlkammer liegt, welche weiter entfernt von den Sekundärluftöffnungen
der Brennkammer sind, 80 daß die in die Kühlkammer eintretende Luft zunächst die
Wärmetauschkammer kühlt und dadurch erwärmt wird, wonach sie als Primär- und/oder
Sekundärluft in die Brennkammer eintritt.
-
Die Brennkammer und/oder die Wärmetauschkammer und/oder die Kütilkammer
können etwa zylindrisch sein, so daß sich über den ganzen Umfang gleichmäßige Verhältnisse
ergeben.
-
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Achse der WErmetauschkammer
und damit auch diejenige der Brennkammer und der KUhlkammer vertikal vorgesehen
ist, Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert;
die Zeichnungen geben ein AusfUhrungsbeispiel mit den für die Erfindung wesentlichen
Teilen annähernd maßstabgerecht wieder. Diese Teile werden, soweit Se den Zeichnungen
nicht ohne weiteres zu entnehmen sind, anhand der Zeichnungen erläutert.
-
Es sind dargestellt in: Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher
im vertikalen Axialschnitt, Fig. 2 ein Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1.
-
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen weist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher
eine im wesentlichen zylindrische, durch einen Blechkörper gebildete Brennkammer
1 aur, deren zylindrischer Mantel 2 mit vertikaler Achse vorgesehen ist.
-
An der oberen Stirnseite weist der Brennkammermantel 2 einen kegelstumpfrörmigen
Stirnteil 3 auf, an dessen oberer StSnseite in der Brennkammerachse eine den Brennstoffeintritt
bildende Brennstoffdüse 4 vorgesehen ist. Um die Brennstoffdüse 4 sind in der oberen
Stirnseite des Stirnteiles 3 Primärlurteintrittsöffnungen 5 vorgesehen, in deren
Bereich schräge Leitbleche 6 angeordnet sind, die eine Dralleinrichtung bilden,
derart, daß die Primärluft mit einem Drall um die Brennkammerachse in die Brennkammer
eintritt. Am kegelförmigen Abschnitt des Stirnteiles 3 ist eine in die Brennkammer
ragende Zündkerze 7 vorgesehen.
-
Unterhalb des Stirnteiles 3 sind im Brennkammermantel 2 gleichmäßig
über deren Umfang verteilte Eintrittsöffnungen 8 fur> Sekundärluft vorgesehen,
die an den Innenseiten des Brennkammermantels 2 entlang stUrmt und diesen somit
kühlt.
-
Das untere Ende des Brennkammermantels 2 weist einen spitzwinklig
kegelstumpffÖrmig verjüngten Randbereich 9 auf, der das untere offene Ende der Brennkammer
1 bildet.
-
Um die Brennkammer 1 ist eine Wärmetauschkammer 10 angeordnet, deren
Achse in der Achse der Brennkammer 1 liegt und die einen zylindrischen Mantel 11
sowie eine obere ebene Stirnwand 12 aufweist, welche derart unterhalb der Sekundärluftöffnungen
8 den Brennkammermantel 2 dicht umgibt, daß die Se'ün<i'&rluftÖffnungen 8
etwa in der Mitte der Höhe zwischen der Stirnwand 12 und dem Stirnteil 3 vorgesehen
sind. Die untere Sttnwand der Wärmetauschkammer 10 weist einen äusseren, an den
Mantel 11 anschließenden ringscheibenförmigen Teil 13 und einen radial inneren Teil
14 auf, welcher einen Brennkammerboden bildet, der dem offenen Ende 9 der Brennkammer
1 gegenüberliegt. Der Brennkammerboden 14 weist eine im Querschnitt annähernd halbkreisfÖrmige,
in der Brennkammerachse liegende Ringrinne 15 aur, deren Innenumfang in einen sich
zur Brennkammer 1 hin verjüngenden Leitkegel 16 übergeht, welcher annähernd bis
zum offenen Brennkammerende 9 reicht. Die Ringrinne 15
liegt unterhalb
des ringscheibenförmigen Bodens 13 der Wärmetauschkammer 10 und ist ebenso wie der
Leitkegel 16 durch ein Blechteil gebildet, das somit von der Unter seite her wirksam
gekühlt werden kann. Der Brennkammerboden 14 ist mit einem außenliegenden ringscheibenförmigen
Rand an der Unterseite der Bodenseitigen Stirnwand 13 der Wärmetauschkammer 10 befestigt.
-
Um die Brennkammer 1 sind in der Wärmetauschkammer 10 vertikale Rohrleitungen
17 vorgesehen, die gleichmäßig um die Achse der Brennkammer 1 angeordnet sind und
von deren Mantel 2 einen geringfügig kleineren Abstand als vom Mantel 11 der Wärmetauschkammer
10 haben. Benachbarte Leitungen 17 sind ober- und unterhalb der Wärmetauschkammer
10 über Rohrkrümmer 18 miteinander leitungsverbunden, wobei alle Leitungen 17 einen
gemeinsamen Zulauf 19 und einen gemeinsamen Ablauf 20 aufweisen; der Zulauf 19 und
der Ablauf 20 sind durch nach unten gerichtete parallel nebeneinander liegende Rohre
gebildet.
-
Jede Leitung 17 ist innerhalb der Wärmetauschkammer 10 mit aufgesteckten
und gut wäreleitend mit ihr verbundenen übereinander liegenden Lamellen 21 versehen,
wobei alle Lamellen 21 des Wärmetauschers gleiche Form, nämlich in Draufsicht gemäß
Fig. 2 Trapezform haben. Benachbarte Lamellen 21 benachbarter Leitungen 17 stoßen
- in Draufsicht gemäß Fig. 2 - mit ihren Trapezkantenseiten 22 aneinander, so daß
ein in Draufsicht gemäß Fig. 2 vieleckförmiger, den Brennkammermantel 2 uimgebender
Lamellenblock gebildet ist, der annähernd bis zu beiden Stirnwandungen 12, 13 der
Wärmetauschkammer 10 reicht. Die radial inneren Kanten 23 der Lamellen 21 liegen
näher bei der jeweils zugehörigen Leitung 17 als die radial außen liegenden Kanten
24, wobei der Abstand der radial
innen liegenden Kanten 23 vom Brennkammermantel
2 größer als der Abstand der radial außen liegenden Kanten 24 vom Mantel 11 des
Wärmetauschers 10 ist und die radial außen liegenden Ecken der Lamellen 21 annähernd
bis zur Innenfläche des Mantels 11 der Wärinetauschkammer 10 reichen. Die radial
innen liegenden Kanten 23 der Lamellen 21 liegen auf einem Durchmesser, der nur
geringfügig größer als der Außendurchmesser der Ringrinne 15 ist. Benachbarte, Ubereinanderliegende
Lamellen 21 bilden flachschlitzförmige Gasfuhrungen 25 für die Abgase der Brennkammer
1, wobei sich der Strörnungsquerschnitt im Bereich dieser Gasführungen 25 - bezogen
auf die Brennkammerachse - radial nach außen erweitert. Zwischen dem Lamellenblock
und dem Brennkammermantel 2 ist ein Ringkanal 26 gebildet, ebenso wie zwischen dem
Iamellenblock und dem Mantel 11 der Wärmetauschkammer 10 ein schmaler Ringkanal
27 gebildet ist. Unmittelbar unterhalb der oberen Stirnwand 12 weist die Wärmetauschkammer
10 an ihrem Mantel 11 einen radial nach außen gerichteten Rohrstutzen 28 als Auspuff
auf.
-
Sowohl die Wärmetauschkammer 10 als auch die Brennkammer 1 sind von
einer Kühlkammer 29 umgeben, deren zylindrischer Mantel 30 einen verhältnismäßig
kleinen Abstand vom Mantel 11 der Wärmetauschkammer 10 hat, derart, daß ein schmaler
Ringkanal 31 gebildet ist. Die Bodenwand 32 der Kühlkammer liegtmit Abstand unterhalb
des Brennerbodens 14 und ist eben ausgebildet, während die Deckwand 33 sich nach
oben verjüngt und die Brennerdüse 4 sowie die Zündkerze 7 trägt.
-
Unmittelbar oberhalb des Bodens 32 ist im Mantel 30 der Kühlkammer
29 ein nach außen gerichteter radialer Rohrstutzen 34 für den Lufteintritt vorgesehen,
wobei der Stutzen 34 unterhalb des Stutzens 28 liegt. Der Stutzen 34 reicht bis
oberhalb der Bodenwand 13 der Wärmetauschkammer 10.
-
Die durch den Stutzen 34 in die KUhlkammer 29 eintretende Luft gelangt
teilweise unter den Boden der Wärmetauschkammer 10,
so daß dieser
Boden 13 sowie der Brennerboden 14 geiwillt werden. Diese Luft sowie von dem Stutzen
34 unmittelbar nach oben steigende Luft gelangt in den Ringkanal 31, so daß die
Wärmetauschkammer 10 gekühlt wird. Die Luft steigt in dem Ringkanal 31 nach oben,
wo sie it fiererch der Lufteintrittsöffnungen 5, 8 gelangt, durch die sie als vorgewärmte
Verbrennungsluft in die Brennkammer 1 störmt. Die Leitbleche 6 bilden eine Dralleinrichtung,
die mit ihrem dünneren Durchmesser bis unmittelbar an den Brennstoffkegel reicht,
so daß der Brennstoff vom Luftdrall der Primärluft erfaßt und auf Spiralbahnen nach
außen geschleudert wird, derart, daß in der Brennerachse eine heftige Rückzirkulation
entsteht und sich somit eine stehende Wirbelwalze um die Düse legt. Diese Wirbelwalze
bringt laufend aktive Zündkeryie, die mit Peroxyden angereichert sind, in die Nähe
der Brennstoffdüse zurück und dient einerseits als Halteflamme und andererseits
als Zündbeschleuniger. Die wirbelwalzenfrmige Aufbereitung zu einem Gas-Luftgemisch
in freier Turbulenz ohne Wandberührung mit etwa 60%iger Rückzirkulation ergibt einen
idealen Blaubrenner, wie er sonst nur bei Gasflammen bekannt ist. Dabei ist darauf
zu achten, daß in der RUckzirkulationszone außerhalb des Flammenwirbels die Temperatur
etwa 3000C im Gas-Luftgemisch nicht übersteigt. Dies wird durch die beschriebene
Lufterwärmung erreicht. Da der Blaubrenner nur bei nahe =1, also mit fast keinem
Luftüberschuß richtig brennt, sind die Sekundärluftdffnungen 8 vorgesehen, die eine
dosierte zusätzliche Verbrennungsluft einströmen lassen. Durch die beschriebene
Ausbildung ergibt sich ein sehr hoher Flammenwirkungsgrad.
-
Die zugeführte Sekundärluft ist so ausreichend bemessen, daß die heißen
Abgase keine Uberhitzung der Brennkammerwand bewirken. Die zur Kühlung herangezogene
Sekundärluft vermischt