DE2742839C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Es ist schon ein derartiger Wärmeübertrager be­ kannt (DE-GM 66 07 211), bei welchem die Heizwasserrohre und die in deren Innerem verlaufenden Abschnitte der Brauchwasserrohrschlange einstückig aus einem Strangpreßprofil gefertigt sind. Das ist teuer und insofern nachteilig, als die Verbindung nebeneinanderliegender Heizwasser- und Brauchwasserrohrabschnitte verhältnismäßig aufwendig ist. Den gleichen Nachteil weist eine aus der gleichen Veröffent­ lichung bekanntgewordene Ausführung auf, bei welcher jeder gerade, zwei Heizwasserkanäle und einen dazwischenliegenden Brauchwasser­ kanal bildende Strang aus zwei dicht miteinander verbundenen Scha­ lenhälften besteht. Um eine gute thermische Verbindung zwischen den Kanälen für das Heizwasser und das Brauchwasser zu erzielen, ist in der gleichen Druckschrift auch schon vorgeschlagen worden, an einem Brauchwasser-Rohrabschnitt diametral gegenüberliegend zwei rinnen­ förmige U-Profile anzulöten bzw. anzuschweißen, welche die Heizwas­ serkanäle bilden. Auch diese Ausführung ist aufwendig und für eine Mengenfertigung wenig geeignet.

Ferner ist ein Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei welchem die in den Heizwasserrohren sich erstreckenden geraden Abschnitte der Brauchwasserrohrschlange mit vier über den Umfang gleichmäßig verteilten längsverlaufenden Einwölbungen verse­ hen und mit den zwischen den Einwölbungen stehengebliebenen Umfangs­ abschnitten in den Heizwasserrohren geführt sind, welche einen kreisrunden Querschnitt haben. Diese Ausführung ist nachteilig, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Brauchwassers über den stark von der Kreisform abweichenden Rohrquerschnitt sehr unterschiedlich ist und es in den Zonen geringer Strömungsgeschwindigkeit zu verstärkten Kalkablagerungen kommt, welche den Durchflußwiderstand erhöhen, den Wärmeübergang vom Heizwasser zum Brauchwasser erschweren und die Wartungsintervalle des Wärmeübertragers verkürzen.

Ferner sind Wärmeübertrager in gasbeheizten Wassererhitzern bekannt, bei denen ein von den Verbrennungsgasen beaufschlagter zylindrischer Behälter von Heizwasser durchströmt ist und eine Brauchwasserrohr­ schlange als Ganzes umschließt (FR-PS 13 16 031). Bei dieser Ausfüh­ rung erfolgt zwar der Wärmeübergang auf das Brauchwasser ebenfalls über das Heizwasser, so daß ein eigener Wärmeübertrager für die Brauchwassererwärmung entfällt. Nachteilig erscheint bei einer sol­ chen Ausführung eines kombinierten Wärmeübertragers jedoch, daß Turbulenz erzeugende Mittel vorgesehen werden müssen, wenn das durchströmende Heizwasser in intensivem Wärmekontakt mit der Innenfläche des zylindrischen Be­ hälters und der Außenfläche der innenliegenden Rohrschlange kommen soll. Bei der bekannten Anordnung ist für diesen Zweck vorgesehen, daß auf den genannten Flächen Drähte in Form von Schraubenfedern aufgebracht sind, wodurch die Fertigung erschwert und der Wärmeüber­ trager verteuert wird.

Bei Wärmeübertragern mit mehreren neben- bzw. übereinanderliegenden, von den Verbrennungsgasen quer angeströmten Wasserrohren ist es fer­ ner bekannt, eine sämtliche Wasserrohre umschließende Umhüllung zu deren thermischen Koppelung vorzusehen (FR-PS 14 60 169). Ein die Wasserrohre umschließender, selbst von Heizwasser eines weiteren Heizkreises durchströmter und den Verbrennungsgasen ausgesetzter Be­ hälter ist bei dieser Ausführung nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ übertrager der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich ohne zusätzliche, Turbulenz erzeugende Mittel an den Wänden der Heizwasserrohre und der Brauchwasserrohrschlange ein guter Wärme­ übergang von den Verbrennungsgasen auf das Heizwasser und von diesem auf das Brauchwasser ergibt.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Wegen der Doppelanordnung der Brauchwasserrohrteile in den Heizrohren ergibt sich für den Strö­ mungsweg des Heizwassers ein für den Wärmeübergang günstiges Ver­ hältnis von Strömungsquerschnitt zu benetzter Wandfläche. Wegen des kreisrunden Querschnitts der Brauchwasserrohre herrscht in diesen eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit starker Turbulenz über den gesamten Querschnitt, wodurch sich eine in Umfangsrichtung gleich­ mäßig niedrige Wandtemperatur ergibt. Dadurch wird die Verkalkungs­ geschwindigkeit der Brauchwasserrohre erheblich herabgesetzt, was in Verbindung mit dem verhältnismäßig großen Wärmeübertragungsflächen einen guten Wärmeübergang auf das Brauchwasser und bei dem gegebenen hohen Wirkungsgrad des Wärmeübertragers eine geringe wirksame Tempe­ raturdifferenz zwischen Umlauf- und Brauchwasser ergibt. Durch die Zusammenfassung der in einer Ebene liegenden Abschnitte der Brauch­ wasserrohrschlange mit ihren Krümmern zu einem eingangsseitigen ersten Strang und der in der anderen Ebene liegenden Abschnitte zu einem ausgangsseitigen zweiten Strang läßt sich die Brauchwasser­ rohrschlange fertigungsgerecht herstellen und erreichen, daß ihre beiden Anschlußenden nebeneinander liegen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Wärmeübertragers möglich.

Mit Rücksicht auf eine möglichst geringe Verkalkung ist es vor­ teilhaft, wenn der erste Strang der Brauchwasserrohrschlange in der näher an der Wärmequelle liegenden Ebene angeordnet ist, so daß im Bereich des höheren Wärmeangebots eine noch niedrigere Wandtemperatur vorhanden ist. Versuche haben ergeben, daß bis zur Brauchwasser-Umlenkung in den in der oberen Ebene liegenden zweiten Strang das Brauchwasser erst etwa ²/₃ seiner Endtempe­ ratur erreicht hat.

Die Strömungsrichtungen bzw. Führungen des Brauchwassers und des Heizwassers werden zweckmäßig so gewählt, daß in der wei­ ter von der Wärmequelle entfernten Ebene der Brauchwasserrohr­ schlange (zweiter Strang) mehr Abschnitte im Gegenstrom als im Gleichstrom zum Heizwasser durchströmt werden. Dadurch er­ gibt sich der Vorteil, daß bei kleinerer, wirksamer Tempera­ turdifferenz in dieser Ebene durch überwiegenden Gegenstrom­ betrieb sich noch ein verbesserter Wärmeübergang einstellt.

Der Wärmeübergang auf das Brauchwasser erfordert bei geringst­ möglicher Temperaturdifferenz zum Heizwasser eine größtmög­ liche Wärmeübertragungsfläche, die in den Heizwasserrohren untergebracht werden muß. Dabei darf der Brauchwasser-Druck­ verlust einen bestimmten Wert nicht überschreiten, wodurch ein Mindest-Durchgangsquerschnitt für das Brauchwasser fest­ gelegt ist. Andererseits ist aber auch der Druckverlust des Heizwassers begrenzt, so daß auch für dieses ein bestimmter Mindest-Durchgangsquerschnitt zur Verfügung gestellt werden muß. Es ist also eine genaue Abstimmung aller dieser Anfor­ derungen notwendig, wobei noch darauf zu achten ist, daß auch der gesamte Durchtrittsquerschnitt für die Verbrennungs­ gase im Lamellenblock im vorgeschriebenen Wertebereich liegt.

Der Druckverlust im Heizwasserrohrsystem kann klein gehalten werden, wenn mindestens ein Heizwasserrohr parallel zu einem anderen an das Heiz­ wasserrohrsystem angeschlossen und vom Heizwasser durchströmt ist. Im vorliegenden Fall ist es mit Rücksicht auf den er­ wünschten Gleich- und Gegenstrombetrieb des Brauchwassers zum Heizwasser vorteilhaft, nebeneinanderliegende Heizwasser­ rohre zu parallel durchströmten Bündeln zusammenzufassen. Da­ bei können zweckmäßig an den Stirnseiten des Lamellenblockes die Heizrohre eines Bündels überdeckende Zu- und Ablaufkammern und die Heizrohre zweier benachbarter Bündel überdeckende Um­ lenkkammern gebildet sein.

Eine mit Rücksicht auf herkömmliche Abmessungen des Wärme­ übertragers und einen guten Wärmeübergang auf das Brauch­ wasser vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn die Heiz­ wasserrohre zu einem drei Rohre umfassenden Einlaufbündel und einem dieselbe Anzahl Rohre umfassenden Auslaufbündel zusammengefaßt sind. Dabei kommen die beiden Heizwasseran­ schlüsse auf ein- und dieselbe Seite des Lamellenblockes zu liegen, was auch aus Platz- oder Montagegründen erwünscht sein kann.

Einen besonders guten Wärmeübergang vom Heizwasser auf das Brauchwasser erzielt man, wenn die Krümmer der Brauchwasser­ rohrschlange innerhalb der Kammern für die Zu- und Ableitung und die Umlenkung des Heizwassers liegen. Dadurch ist er­ reicht, daß auch im Bereich der Krümmer ein Wärmeübergang auf das Brauchwasser stattfindet, der dort wegen der hohen Turbulenz des Heizwassers und des Brauchwassers besonders intensiv ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des Wärmeüber­ tragers und

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1.

Der Wärmeübertrager hat einen Lamellenblock 10, durch den sechs im Querschnitt ovale Heizwasserrohre 11 hindurchgeführt sind. Die einzelnen Lamellen des Lamellenblocks 10 sind an den Durchführungslöchern mit Kragen 12 versehen, mit denen sie an den Heizwasserrohren 11 angelötet sind. Die Enden der Heizwas­ serrohre 11 sind an beiden Stirnseiten des Lamellenblocks 10 in je eine Bodenplatte 13 eingelötet, die als gezogenes Blech­ teil mit hochgestelltem Flanschrand 14 ausgeführt ist. Die Bodenplatten 13 beider Lamellenblockseiten haben die gleiche Form, wodurch die Fertigung und Lagerhaltung vereinfacht wird. Auf die in Fig. 1 linke Bodenplatte 13 ist eine Deckelplatte 16 aufgesetzt, die ebenfalls als gezogenes Blechteil mit Flanschrand 17 ausgeführt und an diesem mit der Bodenplatte 13 dicht verschweißt ist. Die Deckelplatte 16 hat eine sickenförmige Vertiefung 18, die an einer kleinen Erhöhung 19 der Bodenplatte 13 unter Spannung, je­ doch ohne feste Verbindung, anliegt und mit dieser Erhöhung 19 eine Labyrinthdichtung zwischen zwei Kammern 20 und 21 bildet. In die Kammer 20 münden die in Fig. 1 oberen drei Heizwasserrohre 11 ein, während die Kammer 21 die Mündun­ gen der unteren drei Heizwasserrohre 11 umschließt. Die in der Zeichnung rechts liegende Bodenplatte 13 bildet mit einer Deckelplatte 22 eine Kammer 23, in die alle sechs Heizwasserrohre 11 einmünden. Die Kammer 20 ist mit einem Anschlußstutzen 24 (Fig. 1) für eine Heizungsvorlauflei­ tung und die Kammer 21 mit einem Anschlußstutzen 25 für eine Heizungsrücklaufleitung versehen. Beide Stutzen 24 und 25 sind an der unteren Randseite 26 der Deckelplatte 16 angebracht, so daß die daran anzuschließenden Nippel die Einbaulänge des Wärmeübertragers nicht vergrößern. In der Kammer 23 wird das über die Kammer 21 zugeführte und in die unteren drei Heizwasserrohre 11 geleitete Heizwasser umgelenkt in die oberen drei Heizwasserrohre 11, von wo das Wasser über die Kammer 20 in die Heizungsvorlauflei­ tung gelangt.

Der Wärmeübertrager ist ferner mit einer Brauchwasserrohr­ schlange 30 versehen, deren gerade Abschnitte 31 sich innerhalb der Heizwasserrohre 11 erstrecken. Die geraden Abschnitte 31 sind außerhalb der Heizwasserrohre 11 durch Krümmer 32 und 33 verbunden, welche innerhalb der Kammern 20, 21, 23 angeordnet und dadurch vom Heizwasser umspült sind. Die Krümmer 33 sind einstückig an die geraden Ab­ schnitte 31 der Brauchwasserrohrschlange angeformt, während die Krümmer 32 an diese Abschnitte angelötet sind. Die Brauchwasserrohrschlange 30 ist zweilagig ausgeführt, d. h. sie hat einen eingangsseitigen ersten Strang 34, der in Fig. 1 als linke senkrechte Rohrreihe erscheint und einen ausgangsseitigen zweiten Strang 35, der in Fig. 2 oben liegt und dort den ersten Strang 34 verdeckt. Die beiden Stränge 34 und 35 liegen unmittelbar aufeinander auf, sie haben kreisförmigen Querschnitt und sind zur Lagesicherung in den Heizwasserrohren 11 am Außenumfang mit einzelnen Noppen 36 (Fig. 1) versehen, welche die Innenwand der Heizwasser­ rohre 11 berühren. Die Anschlußenden 37 und 38 der beiden Stränge 34 und 35 sind so abgekröpft und so lang ausgeführt, daß sie die Deckelplatte 16 mit Abstand durchsetzen und eine einwandfreie Lötung ermöglichen. Im Bereich der Anschlußen­ den 37 und 38 hat die Deckelplatte 16 an ihrer Kopfseite 41 einen vertieften Abschnitt 42 zum platzsparenden Unterbrin­ gen von Anschlüssen 43 und 44, welche an den Anschlußenden 37 und 38 angelötet sind. Die gegenüberliegenden, in der Kammer 20 liegenden Enden der beiden Stränge 34 und 35 der Brauchwasser­ rohrschlange 30 sind ebenfalls auseinandergekröpft und über einen 180°-Krümmer 45 miteinander verbunden, der ebenfalls vom Heiz­ wasser umspült ist.

An die Wand der Kammer 20 ist ein Stutzen 48 (Fig. 1) mit einer Bohrung 50 ( Fig. 2) angeformt, die zur Aufnahme eines als NTC- Widerstand ausgebildeten Vorlauftemperaturfühler dient. Durch die gewählte Lage der Bohrung 50 taucht der Fühler in den zwi­ schen den Krümmern 32 und 45 liegenden Raum der Kammer 20 ein, wodurch sich eine besonders günstige Umspülung und damit ein trägheitsarmes Erfassen der Temperaturänderungen ergibt.

Der Zusammenbau des Wärmeübertragers geht einfach so vor sich, daß zunächst die Lamellen und die Bodenplatten 13 mit den Heizwasser­ rohren 11 verlötet und dann die über die Krümmer 33 paarweise ver­ bundenen geraden Abschnitte 31 der Brauchwasserrohrschlange 30 von der Seite der Umlenkkammer 23 her in die Heizwasserrohre 11 eingeschoben werden. Danach werden die Krümmer 32 und 45 an die freien Enden der Abschnitte 31 angelötet und die Deckelplatte 16 und 22 auf die Bodenplatten 13 aufgesetzt und mit diesen am Rande verschweißt. Dabei kommt die Vertiefung 18 in der Deckelplatte 16 zur Anlage an die Erhöhung 19 der Bodenplatte 13, so daß ohne zu­ sätzliche Maßnahmen die beiden Kammern 20 und 21 gebildet und ausreichend gegeneinander abgedichtet werden. Zum Schluß werden jeweils in einem Arbeitsgang die Abschlußenden 37 und 38 der Brauchwasserrohrschlange 30 mit der Deckelplatte 16 und den Anschlüssen 43 und 44 verlötet. Dabei sorgt die Deckelplatte 22 dafür, daß die Anschlußenden 37 und 38 nicht gegen den Lamellenblock 10 hin ausweichen können.

Der beschriebene Wärmeübertrager zeichnet sich durch einen guten Wärmeübergang auf das Brauchwasser aus. Die Temperaturdifferenz zwischen Heizwasser- und Brauchwasser-Auslauftemperatur beträgt bei einem ausgeführten Muster nur etwa 11°C, während diese Temperaturdifferenz bei einem untersuchten bekannten Gerät ca. 30°C beträgt. Das bedeutet, daß der neue Wärmeübertrager, be­ zogen auf eine bestimmte Leistung, geringere Wandtemperaturen aufweist und weniger zum Verkalken als das untersuchte bekannte Gerät neigt. Dies wird vornehmlich durch die zweilagige Ausbil­ dung der Brauchwasserrohrschlange in den ovalen Heizwasserrohren und dem kreisrunden Querschnitt der in den Heizwasserrohren stec­ kenden geraden Abschnitte der Brauchwasserrohrschlange erzielt. Unterstützt wird diese vorteilhafte Wirkung durch die erfindungs­ gemäße Führung des Brauchwassers gegenüber dem Heizwasser. Das höhere Wärmeangebot am kälteren Brauchwasser-Einlaufstrang er­ gibt trotz hoher Übertragungsleistung nur mäßige Wandtemperatu­ ren dieses Strangs. In dem von der Heizquelle abgekehrten zwei­ ten Strang 35 laufen vier gerade Abschnitte 31 der Brauchwasser­ rohrschlange 30 im Gegenstrom und nur zwei Abschnitte 31 im Gleichstrom zum Heizwasser, so daß in diesem Strang trotz ge­ ringerer Temperaturdifferenz zu den Verbrennungsgasen noch ein möglichst guter Wärmeübergang erfolgt. Die Anordnung von jeweils zwei Brauchwasserrohren in einem Heizwasserrohr ergibt eine große Wärmeübertragungsfläche, ohne daß die Strömung in den Brauchwasserrohren bezüglich der unvermeidlichen Verkalkung nachteilig beeinflußt wird. Die damit verbundene Verringerung des Durchflußquerschnittes für das Heizwasser wird durch die be­ schriebene Parallelschaltung und Bündelung der Heizwasserrohre ausgeglichen und sogar überkompensiert. Gleichzeitig ergibt sich der schon beschriebene vorteilhafte Wechsel von Gleichstrom und Gegenstrom im Betrieb des Brauchwassers gegenüber dem Heizwasser.

Claims (10)

1. Wärmeübertrager für einen gas- oder ölbeheizten Durch­ lauf-Wassererhitzer, bestehend aus einem Lamellenblock, mehreren den Lamellenblock durchsetzenden Heizwasserrohren und einer Brauchwasserrohrschlange, die im Inneren des Heizwasserrohrsystems verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwasserrohre (11) einen ovalen Querschnitt haben und in jedem Heizwasserrohr (11) zwei gerade Ab­ schnitte (31) der Brauchwasserrohrschlange (30) über- bzw. nebeneinanderliegend angeordnet sind, die einen kreis­ runden Querschnitt aufweisen, daß die in einer senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsgase aus­ gerichteten Ebene liegenden geraden Abschnitte (31) der Brauch­ wasserrohrschlange (30) mit ihren Krümmern (32, 33) zu einem eingangsseitigen ersten Strang (34) und die in der anderen Ebene liegenden geraden Abschnitte (31) mit ihren Krümmern zu einem ausgangsseitigen zweiten Strang (35) der Brauch­ wasserrohrschlange zusammengefaßt sind.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Strang (34) der Brauchwasser­ rohrschlange (30) in der näher an der Wärmequelle liegenden Ebene angeordnet ist.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweils die beiden in dem Heizwasser­ rohr (11) steckenden geraden Abschnitte (31) der Brauch­ wasserrohrschlange (30) aufeinander aufliegen und im Abstand zur Wandung der Heizwasserrohre (11) angeordnet sind.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden geraden Abschnitte (31) der Brauchwasserrohrschlange (30) durch am Umfang angeordnete Noppen (36) im Abstand zu den gekrümmten Wandabschnitten der Heizwasserrohre (11) gehalten sind.

5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem von der Wärmequelle abgekehrten zweiten Strang (35) der Brauchwasserrohrschlange (30) mehr gerade Abschnitte (31) im Gegen­ strom als im Gleichstrom zum Heizwasser durchströmt sind.

6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­ wasserrohre (11) parallel zueinander an das Heizwasserrohr­ system angeschlossen und vom Heizwasser durchströmt sind.

7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nebeneinanderliegende Heizwasserrohre (11) zu parallel durchströmten Bündeln zusammengefaßt sind und daß an den Stirnseiten des Lamellenblocks (10) die Heizwasserrohre (11) eines Bündels überdeckende Zulauf- und Ablaufkammern (21, 20) und die Heizwasserrohre (11) zweier benachbarter Bündel überdeckende Umlenkkammern (23) gebildet sind.

8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizwasserrohre (11) zu einem Ein­ laufbündel und einem Auslaufbündel zusammengefaßt sind, und daß an der einen Stirnseite des Lamellenblocks (10) eine Zulaufkammer (21) und eine Ablaufkammer (20) und an der anderen Stirnseite eine einzige Umlenkkammer ( 21) vorgesehen ist.

9. Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Heizwasserrohr-Bündel aus drei nebeneinanderliegenden Heizwasserrohren (11) besteht und daß nebeneinanderliegende Anschlüsse (43, 44) der Brauchwasserrohrschlange (30) auf jener Stirnseite des Lamellenblockes (10) angeordnet sind, an der auch die Heizwasser-Anschlüsse (24, 25) vorgesehen sind.

10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmer (32, 33) der Brauchwasserrohrschlange (30) innerhalb der Kammern (20, 21, 23) für die Zu- und Ableitung und die Umlenkung des Heizwassers liegen.