DE2503933A1 - Zentralheizungskessel mit mehreren gleichen waermeaustauschelementen - Google Patents

Description

IDtAL-bTANüARD GMBH
Bonn-Enden ich, Euskirchener Straße BO

Zentralheizungskessel mit mehreren gleichen Wärmeaustauschelementen

Die Erfindung betrifft einen Zentralheizungskessel mit mehreren gleichen Wärmeaustauschelementen, welche in ihrem unteren Bereich einen Raum für einen Brenner aufweisen und miteinander Kanäle für den Durchgang von heissen Brenngasen begrenzen.

Der Wirkungsgrad von Kesseln dieses Typs ist stark von der Form der einzelnen Wärmeaustauschelemente abhängig, insbesondere von der Form der Kammern, Hohlräume und Leitungen, welche durch die Verbindung benachbarter Wärmeaustauschelemente entstehen.

Der Wärmeübergang zwischen dem heissen Gas und der Überfläche der Elemente hängt weitgehend von der Geschwindigkeit des Gases sowie vom Zeitraum ab, während welchem sich das Gas in Berührung mit den Oberflächen befindet.

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□er Koeffizient des Wärmeüberganges zwischen einem Strom von heissnm Gas und einer Oberfläche hängt unter anderem von der Form der Bewegung des Gases in der Nachbarschaft der Oberfläche ab. Optimale Bedingungen des Wärmeüberganges entstehen, wenn die Strömung, welche die Oberfläche bestreicht, turbulent ist. Der Koeffizient des Wärmeüberganges sinkt hingege-n stark, wenn die Bewegung laminar wird.

Sobald eine Strömung beschleunigt wird, erhöht sich ihre Tendenz zur Bildung einer turbulenten Bewegung. Umgekehrt können bei einer Verlangsamung der Strömung laminare Strömungsverhältnisse entstehen. Eine übermässige Turbulenz ist jedoch unerwünscht, da mit ihr ein grosser Druckabfall verbunden ist.

Gegenwärtig werden beim Entwurf von Wärmeaustauschelementen und ihrer äusseren Form zwei verschiedene Tendenzen befolgt. So wird die heisse Gasströmung dadurch verlangsamt, daß die Aussenfläche der Wärmeaustauschelemente mit Vorsprüngen versehen wird, welche im Gasstrom eine geeignete Turbulenz bilden. Dadurch wird der Verlauf der Strömung beeinflußt und die Dauer der Berührung mit der Wärmeaustauschfläche vergrößert. Zusätzlich wird die Geschwindigkeit des Heissgasstromes möglichst erhöht, insbe-

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sondere am Ausgang des Wärmeaustauschers, wo sonst wegen der teilweistin Abkühlung eine Tendenz zur Verminderung der Geschwindigkeit und zur Bildung von laminaren Strömungsverhältnissen besteht, weicht?, den W-irmRULmrgangskoeffizienten stark vermindern wurden.

Bei den bekannten Wärmeaustauschern war es bisher nicht möglich, die einander entgegengerichteten Anforderungen einer langen Berührungsdauer des Gases und der Wärmeaustauschfläche zusammen mit : einer turbulenten Strömung, welche hohe Gasgeschwindigkeiten erfordert, zu vereinigen, zum Nachteil des gesamten Wirkungsgrades des Kessels.

Bei den üblichen Kesseln entsteht als bekannte Erscheinung trotz der turbulenten Strömung an den von der Gasströmung best.ichenen Oberflächen eine zusammenhängende Grenzschicht, welche den Wärmeübergangskoeffizienten stark beeinflusst.

Die Erfindung hat die Schaffung eines Wärmeaustauschelementes für einen Zentralheizungskessel der erwähnten Art zum Ziel, bei welchem die parallelen Aussenflachen so ausgebildet sind, daß, wenn sie gleichen Wänden benachbarter Elemente zugewandt sind, ein Leitungskanal entsteht, in "

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welchem der■-Heissgasstrom in drei Schichten unterteilt ist, von denen in den beiden an die Elemente angrenzenden Schichten eine turbulente Strömung mit kleinem Druckabfall entsteht. Die Zwischenschicht weist dabei eine hohe Turbulenz auf, durch welche ohne Beeinflussung der Charakteristiken

j der Strömung der an die Elemente' angrenzenden Schichten ihre Geschwindigkeit möglichst begrenzt, und die Berührungszeit zwischen dem Gas und dem Wärmeaustauscher vergrössert wird. Die so gebildeten Wärmeaustauschelemente begrenzen miteinander Strömungskanäle für das heisse Gas, in welchen das Gas versc-hiedene Strömungsbedingungen aufweist und eine kleine Geschwindigkeit hat, so daß der Druckabfall klein gehalten wird und die Berührungszeit mit dem Wärmeaustauscher vergrößert wird, während eine turbulente Strömung entlang der Wände besteht. Ein weiteres und ebenfalls wichtiges Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Elementen, die, wenn sie miteinander verbunden sind, Strömungskanäle für die heissen Gase begrenzen, die zur Reinigung leicht zugänglich sind.

Der erfindungsgemässe Zentralheizungskessel, durch welchen dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal für die heissen Brenngase durch zwei parallele Wände begrenzt ist, auf

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welchen zueinander parallele, wellenförmige Rippen ausgebildet sind, wobei die Rippen einer Wand antisymmetrisch zu den Rippen der entgegengesetzten Wand des gleichen Kanales verlaufen, und jede Rippe mit einer Reihe von in gleichen Abständen angeordneten Dornen versehen ist, deren Höhe so gewählt ist, daß sich ihre Enden in Abstand von den Endender Dorne der entgegengesetzten Wand befinden»

Wenn die Elemente nebeneinander angeordnet werden, um einen Kessel zu bilden, greifen die Dorne, welche sich von den Flächen beider Elemente erstrecken, nicht ineinander. Ihre Enden sind in einem Abstand voneinander angeordnet. Die Dorne sind antisymmetrisch ausgerichtet und■verursachen eine Art von Kreuzströmung des Heizmittels, welches durch den mittleren Bereich zwischen den Elementen strömt.

Es ist ersichtlich, daß der Bereich der grössten Turbulenz auf den mittleren Zwischenbereich zwischen den beiden Elementen begrenzt ist und nur teilweise die beiden Zonen beeinflusst, die sich an die Elemente anschließen und in welchen der Gasstrom kontinuierlich durch die Rippen geführt wird. Dadurch entsteht in diesen Strömen eine

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Turbulenz, welche die Grenzschicht beeinflußt, die die Wand des Elementes berührt. Auf diese Weise wird der Wärmeübergang verbessert, ohne daß ein übermässiger Druckabfall entsteht.

Der wellenförmige Verlauf der Rippen hat zur Folge, daß der vom Gas zurückgelegte Weg bedeutend verlängert wird. Auf diese Weise wird eine ausreichend -lange Berührung des Gases mit dem Element erhalten, trotz seiner Geschwindigkeit, die zur Verhinderung einer laminaren Strömung ausreicht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine räumliche Darstellung mit Teilschnitteines Kessels des Typs, auf welchen sich die Erfindung bezieht,

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Wärmeaustauschelementes, wobei die auf der Rückseite befindlichen Vorsprünge mit gestrichelten Linien dargestellt sind,

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Fig. 3 einen horizontalen Schnitt durch zwei miteinander verbundene Wärmeaustauschelemente nach der Linie IV-IV in der Figur 5,

Fig. 4 einen horizontalen Schnitt durch zwei miteinander verbundene Wärmeaustauschelemente nach der· Linie III-III in der Figur 5,

Fig. 5 einen vertikalen Schnitt durch zwei miteinander verbundene Elemente nach der Linie V-V in der Figur 2 und

Fig. B eine räumliche Darstellung eines Wärmeaustausch· elementes, das zur Bildung des Kessels dient.

Entsprechend der Darstellung in der Figur 1 enthält der erfindungsgemässe Kessel mehrere miteinander verbundene Wärmeaustauschelemente A, die in einem Gehäuse B eingeschlossen sind, aus welchem ein Kamin C nach aussen führt, und in welchem an der vorderen Seite ein Brenner D angeordnet ist. Der Brenner D befindet sich in einer Kammer, die durch eine Folge von koaxialen Hohlräumen begrenzt wird, die in den Elementen A ausgebildet sind.

In der Figur 1 ist noch eine Gasleitung E dargestellt, eine Regelvorrichtung F, die sich an der vorderen Seite des Kessels befindet, und eine Verteilleitung H für Wasser. Die Sammelleitung für die Entnahme von Wasser ist in der Figur nicht dargestellt.

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Aus den Figuren 2 bis 6 ist ersichtlich, daß die Elemente A, auf welche sich die Erfindung besonders bezieht, im wesentlichen ringförmige Kammern mit rechteckiger Aussenforrn bilden, wobei der obere horizontale Bereich der einzelnen Elemente einen inneren Querschnitt hat, welcher viel größer ist als die anderen Bereiche des Ringes. Die Kammer 1 begrenzt innen einen Hohlraum 3, welcher zusammen mit gleichen Hohlräumen benachbarter Kammern 1 einen Raum zur Aufnahme des Brenners bildet.

Die beiden seitlichen Vertikalteile der ringförmigen Kammer weisen zwei Vorsprünge 4 und 5 auf, welche, wenn sie mit den Vorsprüngen der benachbarten Wärmeaustauschelemente zusammenwirken, eine Verteilleitung für kaltes Wasser und eine Sammelleitung für heisses Wasser bilden.

Die beiden grösseren parallelen Wände des oberen Bereiches 2 mit grösserem Querschnitt enthalten jede eine Anordnung von Rippen mit im wesentlichen wellenförmigem Verlauf.

Die Rippen 6 einer Wand sind antisymmetrisch bezüglich der Rippen 66 der anderen Wand. Die wellenförmigen Rippen 6 einer Wand des Elementes A haben dabei eine im wesentlichen entgegengesetzte Phase

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gegenüber den Rippen 66 d.er anderen Wand. Die Rippen 6 und 66 verlaufen vertikal über die ganze Höhe des Bereiches 2 mit grösserem Querschnitt und sind entlang ihrer Länge mit vorstehenden Dornen 7 und 77 versehen, die in gleichmässigen Abständen voneinander angeordnet sind. Die Dorne 7 und 77 sind alle gleich hoch und befinden sich auf der ganzen Länge der Rippen 6 und 66.

Wenn zwei Elemente A und A¹ nebeneinander angeordnet werden, besteht zwischen ihnen eine Kammer, welche einen vertikalen Strömungskanal für die heissen Brenngase bildet und wegen der entgegengesetzten Phase des wellenförmigen Verlaufes der Rippen 6 und 66 und der Dorne 7 und 77 in drei Zonen unterteilt ist (siehe Figuren 3 und 4). Es sind dies:

Eine Zone von parallelen Kanälen mit Wellenform anschliessend an' das Element A, begrenzt durch die Rippen 6. · . "

Eine Zone von parallelen Kanälen mit Wellenform, die antisymmetrisch zur ersten Zone,verlaufen, sich anschliessend an das Element A' befinden und durch die Rippen 66 begrenzt,sind.

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Eine zentrale Zone, in welche die Farne 7 und 77 eingreifen, die gegenseitig symmetrisch in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind.

Bei der aufsteigenden Bewegung der Brenngasse entstehen auf diese Weise zwei Zonen mit sehr ge-.ringer Turbulenz, welche entlang der beiden Elemente verlaufen, die den Kanal bilden. Diese Zonen erstrecken sich zwischen den Rippen 6 und 66. Außerdem entsteht eine mittlere Zone mit grösserer Turbulenz, welche den Dornen 7 und 77 zugeordnet ist. Da die Dorne 7 und 77 an beiden Elementen entgegengesetzt orientiert sind, da eine Phasenverschiebung zwischen dem Verlauf der Rippen 6 und 66 der.Elemente besteht, entsteht eine turbulente Querströmung, die zu einem kontinuierlichen Austausch der heissen Gase zwischen der zentralen Zone und den innersten Schichten der beiden Zonen mit kleinerer Turbulenz anschliessend an die Wärmeaustauschelement führt.

Der Kessel kann außerdem auf die Weise leicht gereinigt werden, daB eine Bürste schräg nach der Darstellung in der Figur 2 zwischen die beiden Elemente eingeführt wird.

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Die Erfindung ist nicht auf die als Beispiel dargestellte Ausführungsform begrenzt, die im Rahmen der Erfindung abgeändert oder verbessert werden kann.

Ansprüche - 12 -

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Claims (3)

Anspruch a

1.))Zentralheizungskessel mit mehreren gleichen Wärmeaustauschelementen, welche in ihrem unteren Bereich einen Raum für einen Brenner aufweisen und miteinander Kanäle für den Durchgang von heissen Brenngasen begrenzen, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Kanal für die heissen Brenngase durch zwei parallele Wände begrenzt ist, auf welchen zueinander parallele, wellenförmige Rippen (6,66) ausgebildet sind, wobei die Rippen einer Wand antisymmetrisch zu den Rippen der entgegengesetzten Wand des gleichen Kanales verlaufen und jede Rippe (6,66) mit einer Reihe von in gleichen Abständen angeordneten Dornen (7,77) versehen ist, deren Höhe so gewählt ist, daß sich ihre Enden in Abstand von den Enden der Dorne (7,77) der entgegengesetzten Wand befinden.

2.) Wärmeaustauschelement für einen Kessel nach Anspruch 1 mit einem ringförmigen Körper mit konstanter Dicke und rechteckiger Außenform, gekennzeichnet durch zwei Vorsprünge (4,5), die an entgegengesetzten Seitenrändern ausgebildet sind, und die zusammen mit Vorsprüngen benachbarter Elemente zur Bildung von Sammelleitungen für die Zufuhr und die Entnahme von Wasser

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dienen, wobei ein Seit'enbereich (2) des Körpers (1) einen wesentlich größeren Querschnitt als die übrigen drei Seitenbereiche aufweist, und die entgegengesetzten Flächen des größeren Bereiches (2) mit parallelen, wellenförmigen Rippen (6,t5B) versehen sind, ν/ο η welchen sich in gleichen Abständen Dorne (7,77) erstrecken, die gleich geformt sind, wie die sie tragende Rippe (6,6Ü).

3.) Wärmeaustauschelement nach Anspruch 2, d a durch gekennzeichnet, daß die an einer Seite 'des Elementes befindlichen Rippen C6,66) und Dorne {7,77) einen antisymmetrischen Verlauf bezüglich der Rippen und Dorne der anderen Seite aufweisen.

Bonn, den 30. Januar 1975
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