DE2918306C2

DE2918306C2 - Wärmetauscher für einen Heizkamin

Info

Publication number: DE2918306C2
Application number: DE2918306A
Authority: DE
Inventors: Walter Schaffhausen Bührer
Original assignee: FA ELMASS WALTER BUEHRER SCHAFFHAUSEN CH
Current assignee: FA ELMASS WALTER BUEHRER SCHAFFHAUSEN CH
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1979-05-07
Publication date: 1981-12-24
Also published as: CH634394A5; FR2425615A1; NO791490L; DE2918306A1; NO146757C; FR2425615B1; NO146757B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für einen Heizkamin nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige bekannte Wärmetauscher für einen Heiz kamin sind dazu vorgesehen, die beim Betrieb des Heizkamins normalerweise kurzzeitig und konzentriert auftretende Wärmemenge besser zu nutzen und dadurch die Gesamtwirischal'tlichkeit einer Raumhei zung, die gegebenenfalls eine weitere Heizungsanlage mit Heizungsradiatoien umfaßt, zu verbessern. Ohne einen solchen Wärmetauscher wird die in einem Heizkamin erzeugte Wärmemenge schlecht genutzt, weil ein erheblicher Teil der erzeugten Wärme wirkungslos durch den Kamin abströmt und weil außerdem die Wärmeabgabe aus dem Heizkamin konzentriert und während einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne an den zu heizenden Raum erfolgt. Mit den bekannten Wärmetauschern kann dagegen eine herkömmliche /eniralhei/'¹!!)' Jen R;,um in üblicher Weise oder gegebenenfalls mü vernrn.Trter Wärmeleistung beheizen, wiihrcnd der Heizkamin zusätzliche behagli ihe Wiimi'.'effckte 'τ/eiig; Durch die bekannte Einbeziehung <lcs Warnn-tausdir-s in dem I leizkamin in die übliche Sammelhciztingsanlagc· wird die Wirtschaftlichkeit iler Heizung dadurch verbessert, daß der Sammelhei/untrsanliiire von dem Heizkamin Wärme zugeführt werden kann, wenn der Heizkamin gerade viel Wärme abgibt, mit dem Resultat, daß die Gesamtwärmeabgabe in dem beheizten Raum gleichmäßiger gestaltet werden kann. — Allerdings wird mit bekannten Wärmetauschern in Heizkaminen diese Wirkung noch verhältnismäßig unvollkommen erzielt, während andererseits mit den horizontalen gelagerten Wasserrohren des Wärmetauschers, die sonst von einem konventionellen Rost vorgenommene Trennung des Brennmaterials von der Asche verschlechtert sein kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, sowohl die Wärmespeicherung der in den Heizkaminen einsetzbaren Wärmetauscher zu verbessern als auch die bei dieser Verwendung nicht zu vernachlässigende Funktion der Ascheabtrennung von dem Brennmaterial zu optimieren.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung des Wärmetauschers mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Wasserrohre wird die Wärmespeicherung, insbesondere durch das verhältnismäßig große Metallvolumen der Wasserrohre bzw. Wärmetauschrohre wesentlich verbessert, wobei gleichzeitig die Polygongestalt des Rohräußeren auf einfache Weise eine verbesserte Trennung von Asche und Brennmaferial ermöglicht. Aus der verbesserten Wärmespeicherung folgt nicht nur ein gleichmäßigerer Wärmetausch an das durch die Wasserrohre strömende Wasser, sondern auch eine gleichmäßigere Abgabe der Wärme an den umgebenden Raumbereich. Damit wird auch vermieden, daß dem Raumbereich außerhalb der eigentlichen Feuerstelle Wärme entzogen wird, wenn das anfänglich starke Feuer abklingt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Einbauschema eines Wärmetauschers,

F i g. 2 ein in F i g. I verwendbarer Wärmetauscher in perspektivischer Darstellungsweise,

Fig. 3 ein partieller Schnitt nach der Linie Ill-Ill in Fi g. 2 unter besonderer Berücksichtigung des Horizontal-Vertikal-Übergangsabschnittes des Wärmetauschers,

Fig.4 und 5 zwei Schaltungsschemas für die Wasserführung im Durchflußsystem eines Wärmetauschers,

F i g. 6 — 8 eine Einbaudarstellung (F i g. 6). Grundriß perspektive (F i g. 7) und eine Schnittdarstellung (F i g. 8, Schnitt VlίI-VIΠ in Fig. 7) eines Kamin-Wärmetauscherabschnitts.

Die schematische Darstellung nach F i g. 1 zeigt einen teilweise im Schnitt gezeichneten Heizkamin mit einem nach Fig. 2 gestalteten Wärmetauscher 1. Sein einen Rost 2 bildender Horizontalabschnitt ist im Feuerungsraum 3 des Heizkamins angeordnet, und sein eine Rückwand 2 bildender Vertikalschnitt erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Kamin-Rückwand 5. Heizwnsserrüek- und -vorlauf β, 7 führen zu einer an sich konventionellen, dicht gezeigten Sammclncizungsanlagc. Kin durch I )istanziei mittel 8 unter dem Kost 2 im I ctierungsraum 3 ausgesparter Kaum dient als Aschenriium T'. Der durch Distanziermittel 9 festgelegte Spalt 10 /wischen der Kaminrückwand 5 und der Rückwand 4 rles Wärmetauschers 1 wird zweckmäßig als Abzugs-

spalt für die in später beschriebener Weise zwischen den Rohrelementen dieses Abschnittes abströmenden Rauch- und Heizgasen dimensioniert. Weitere längs einer Kamin-Seitenwand 12 am Wärmetauscher 1 vorhandene Seitenwand-Wasserrohre 13 werden im gleichen Abstand von der benachbarten Wand geführt.

Wie aus den F i g. 2 und 3 hervorgeht, sind zwischen horizontalen Sammelrohren 14 und 15 Wasserrohre 16 und 16' (Fig.3) angeordnet. In gleicher oder ähnlicher Weise sind zwischen vertikalen Sammelrohren 17, 18 Wasserrohre 19 vorhanden. Die Sammelrohre 14, 17 und 15, 18 sind im wesentlichen senkrecht zueinander stehende, dicht verschweißte Rahmenschenkel aus Vierkantrohr, die wie geneigt, als L-förmige Bauteile oder als strömungsmäßig miteinander verbundene Einzelabschnitte gestaltet sein können. Die vertikalen Sammelrohre 17, 18 sind wie gezeigt, über ein obenliegendes ebenfalls aus Vierkantrohr bestehendes Abschiußrohr 20 miteinander verbunden. Der Heizwasser-Rück- und -Vorlauf 6,7 sind — wie gezeigt — nur im gleichen Sammelrohr angeordnet, sie können aber auch teils im einen und teils im anderen Sanmelrohr angeordnet sein.

Die Wasserrohre 16, 16' des Wärmetauschers 1 dienen neben ihrer eigentlichen Wärmetauscherfunktion auch als Rost 2 für das darüberliegende Brennmaterial 21. Zu diesem Zweck besitzen sie einen polygonalen Querschnitt, vorzugsweise einen fünf- bis achteckigen Querschnitt, wobei die eine Polygonseite des gezeigten Sechseck-Querschnittes parallel zur Oberfläche der horizontalen Sammelrohre 14, 15 liegt. Die an diese obenliegende Polygonseite angrenzenden seitlichen Polygonseiten bilden zusammen mit der jeweils spiegelbildlich gegenüberliegenden Polygonseite des Nachbarrohres einen in Fallrichtung konvergierenden Durchgangsspalt 22 für beispielsweise durch Abbrand zerkleinertes Brennmaterial, das dann solange oberhalb der Engstelle 23 zwischen den Polygonkanten verbleibt, bis es als Asche oder Brennstoffgries in den Aschenraum 3' herunterfällt. Dadurch kann ein optimal langer Aufenthalt von glühenden Brennstoffpartikeln in unmittelbarem engem Kontakt mit den Wasserrohren 16,16' erzielt werden.

Die Wasserrohre 19 in der Rückwand 4 des Wärmetauschers 1 sind ebenfalls Fünf- bis Achtkantrohre. Bei dem gezeigten Sechskantrchr liegt die eine Polygonseite wieder parallel zur Oberfläche der vertikalen Sammelrohre 17,18. Die an diese vornliegende Polygonseite angrenzenden Polygonseiten bilden zusammen mit der jeweils gegenüberliegenden Polygonseite des Nachbarrohrs einen Durchgangsspalt 24 für Rauch- oder Heizgase, die in Richtung des Pfeiles A in den Spalt 10 abströmen und dabei in optimalen Oberflächenkontakt mit den Wasserrohren 19 gelangen. Im nicht in Pfeilrichamg A abströmenden, sondern längs den vornliegenden Polygonseiten der Wasserrohre 19 aufwärts fließenden Rauchgas entstehen im Bereich der Durchgangsspalte 24 Wirbel, so daß auch in diesem Fall z. B. durch längeres Verweilen der f'auchgase in Rohrnähe eine optimale Wärmeabgabe an die Wasserrohre 19 erfolgt.

Um die Wärmeaufnahme- und Wärmcspcicherkapazität der Wasserrohre 16, 16' und 19 optimal zu gestalten, werden sie aus einem Material mit guten Wärmeleitfähigkeitseigenschiiften hergestellt, wie /. Ii. Kupfer, Messing (MS 58), oder einer warrnfesten Aluminiumlegierung. Vorzugsweise bestehen auch clic Sammelrohre 14. 15. 17. 18 und das Abschlußrohr 20 aus dem gleichen Material.

Wie aus F i g. 3 ersichtlich, sind die lichten Rohrquerschnitte dund D im Verhältnis zur »Schlüsselweite« der Sechskant-Wasserrohre relativ klein. Der Grund hierfür liegt in der Absicht, in den Rohrwänden eine relativ große Wärmemenge zu speichern, um möglichst viel von der in einem Heizkamin auf meist unrationelle Weise erzeugten Wärmemenge beispielsweise der im Gebäude vorhandenen konventionellen Sammelheizungs- und/oder Warmwasserbereitungsanlage zuführen zu können. Versuche haben ergeben, daß das Verhältnis

Q Profil

q Öffnung

d. h. von Rohr-Vollquerschnitt zum Durchlaßquerschnitt vorteilhaft folgende Werte aufweist:

a) für Kunferrohre3—10

b) für Rohre aus Messing 2,5 —5

c) für Rohre aus Aluminiumlsgierungän 2,5 — 3

d) für Stahlrohre 1,2—1,6 (nur für vertikale Seitenwand- Wärmeaustaujchrohre 13).

In diesen Zahlen sind auch die Festigkeitsansprüche des Ros:os berücksichtigt. Obschon in F i g. 3 die Rohre im Rost 2 gleich groß gezeigt sind, braucht dies in der Praxis nicht der Fall zu sein. Zweckmäßig v/ird man dem (Voll-)Querschnitt für die Qärmetiuscherrohre des Rostes 2 eher größer wählen als für diejenigen der Rückwand 4. Die Wahl der Querschnittsgröße des Rohrprofils kann indessen auch von ästhetischen Gesichtspunkten abhängig sein.

Zu beachten ist ferner, daß der Gesamtdurchflußquerschnitt des Wärmetauscher; ca. 10% kleiner ist als der Durchflußquerschnitt der Rück- und der Vorlaufleitung 6, 7. Dies gestattet, bei Rohrparallelschaltungen beispielsweise nach Fig. 4, kleinere Rohrprofilquerschnitte zu verwenden als bei einer Serienschaltung der Wasserrohre, wie sie Fig. 5 zeigt. Wesentlich ist auch, daß die Strömung in den Sammelrohren 14, 15, 17 und 18 möglichst turbulenzarm ist. Es erweist sich als vorteilhaft, zu diesem Zweck den lichten Querschnitt dieser Rohrabschnitte um mindestens 40% höher zu wählen als die Querschnitte der daran angeschlossenen Wasserrohre. Dasselbe gilt für die Anschlußbereiche der Rück- und Vorlaufleitungen 6, 7 unmittelbar an den Sammelrohren. Damit kann nicht nur die Turbulenzerzeugung im Bereich der diversen Rohrabschlüsse und Abzweigungen, sondern auch die Gefahr der Erzeugung von Dampfblasen im Inneren der Wasserrohre wesentlich reduziert werden.

Der erfindungsgemäfj gestaltete Wärmetauscher k3in .'ur Parallel- oder Serienbetrieb geschaltet sein. Die F i g. 4 und 5 zeigen in einem Fall (F i g. 4) eine rf ine Parallelschaltung, während in F i g. 5 eine reii.e Serienschaltung dargestellt ist.

Es versteht sich, daß auch Kombinationen dieser beiden Schaltungsarten am gleichen Wärmetauscher möglich sind, Erwähnt sei, daß die oben diskutierten QiicTsThnittsprnnlpmc sinnpemäl' bei aü'.'n Schaltiingsartcn gelten.

Uci der reinen Parallelschaltung nach F i g. ί ist es /ur Erzielung etwa gleicher Heizwassermengen durch alle Wasserrohre 25 vorteilhaft, den Anschluß tier Rücklauf leitung 6 in einen mittleren Sammclrohrbcreich /u legen, wie in F i g. 4 gezeigt. Da bei der Parallelschaltung in unmittelbarer Nähe des Riicklaufanschlusses h ein

29 18 30b

größerer Druck als in einiger hntfernung davon herrscht, is! es \orteilh.ift. die lichten Rohrquerschnitte </ in den anschliißnahen Wasserrohren etwas geringer zu wählen als hei den weiter entfernten Rohren. Dies ist in [■" i g. 5 dargestellt, wo die drei Wasserrohre 16' dos Rostes 2 und die beiden Rohre 19 der Rückwand 4 mit kleineren lichten Rohrquerschnitten c/ ids die weiter entfernten Wasserrohre 16 (0 D) versehen sind. Der Gesamt-Durcliflußquerschnitt der an die .Sammelrohre 14, 15 und 17, 18 angeschlossenen Wasserrohre braucht jeweils nicht der gleiche /ti sein.

Bei der reinen Sericnschaltung nach F i g. 5 tritt das Heizwasser durch die Rücklaufleitung 6 in ein Eintritts-Sammelrohr 26 in den Wärmetauscher ein und durchströmt die Wasserrohre 27. Die Schenkel 28 — 31 der beidseitigen Sammelrohre sind durch in ihre Durchlaßöffnungen eingesetzte Trennplatten 32, von welchen nur einzelne bezeichnet sind, in jeweils zwei

Wassprrnhransrhluisp pnthaltpnHp Ahsrhnittp iintpr-

möglich, wenn, wie in I i g. b dargestellt, die nicht über die Rückwand- und Seitenwand-Wasserrohre, abströmenden, sondern direkt dem Kamin zustrebenden heißen Rauchgase einen weiteren, im Bereich des Kammcininttcs unterhalb der schematisch dargestellten Kaminhaube ^ angeordneten Wärmetauscherabschnitt 36 passieren. Dieser Warmctaiischerabschnitt besitzt, wie aus I- i g. 7 hervorgeht, einen im Prinzip U-förmigcn .Stützrahmen 57 aus Vierkantrohr, dessen einer Schenkel 37.1 als Hinlaufkammer gestaltet und mit einem /ulaiifstutzcn 38 versehen ist. Der andere Schenkel 37.2 dient als Auslaufkammer und steht in .Strömungsverbindung mit dem U-Rahmen-Steg 37.3, an dem ein Ablaufstutzen 39 montiert ist. Zwischen den Schenkeln 37.1, 37.2 sind Wasserrohre 40 eingebaut, deren Art im wesentlichen mit den Wasserrohren 19 übereinstimmt. Um einesteils den Durchtritt der Rauchgase durch den Kamin-Wärmetauscherabschnitt 3β nicht sHzu s?hr hu hemmen, und 2ndcr^prs?it^c die

teilt. um den Wasserdurchfluß gemäß den Richtungspfeilen zu erzielen. Da in der in Fig. 5 gezeigten Schaltungsanordnung in jedem der Wasserrohre 27 und auch in dem Abschlußrohr 20 die gleiche Wassermenge strömt, sind die Dirchfluß-Querschnitte im Prinzip überall gleich zu wählen. Eine Differenzierung ist jedoch dann sinnvoll, wenn durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten örtlich unterschiedliche Wärmeübertragungsverhältnisse erzielt werden sollen.

Für den Fall, daß neben Wasserrohren 16, 16' und 19 (Fig. 3) als Wärmetauscherrohre im Rost- und im Rückwandbereich auch solche an einer Seitenwand erwünscht sind, kann dies wie bereits anhand der F i g. 2 mit den Wasserrohren 13 gezeigt, durch vertikale Rohre erfolgen, die zwischen dem Rost-Sammelrohr 15 und einem Abzweigrohr 33 am vertikalen Kollektorabschnitt 18 eingesetzt sind. Es versteht sich, daß eine identische Anordnung von Wasserrohren zusätzlich oder wahlweise auch auf der gegenüberliegenden Sammelrohrseite vorgesehen werden kann. Desgleichen besteht die Möglichkeit, unter entsprechender Anordnung der Sammelrohre, auch horizontal orientierte Seitenwand-Wasserrohre vorzusehen. Diese Rohre können Rundrohre sein oder die gleiche Querschnittsform wie die übrigen Wasserrohre des Wärmetauschers besitzen.

Eine weiterhin verbesserte Ausnützung der beim Betrieb eines Heizkamins anfallenden Wärme ist Rauchgase zur Aufrechterhaltung eines angemessenen Kaminzuges nicht zu stark zu kühlen, sind zwischen den Wasserrohren 40 Abstände von mindestens 15 mm vorgesehen. Um ferner eine über die ganze Wärmetauscherfläche gleichmäßige Wärmeaufnahme bzw. -Ableitung zu erzielen, sind die lichten Rohrquerschnitte d (F i g. 8) in der Nähe des Zulaufstutzens 38 etwas kleiner gewählt als die lichten Rohrquerschnitte D der von diesem .-ieiter entfernten Wasserrohre des Wärmetauschers. Sofern der Kamin-Wärmetauscherabschnitt 36 strömungsmäßig in Serie zum Rost- und Rückwandtauscher geschaltet is!, entspricht die Summe der lichten Rohrquerschnitte derjenigen der Summe der lichten Rohrquerschnitte im Rost- und Rückwandwärmetauscher, um in beiden Tauschaggregaten etwa den gleichen Durchflußwiderstand zu erzielen. Bei Parallelschaltung des Wärmetauscherabschnittes 36 mit einem anderen der im Wärmetauscher verwendeten Wärmetauscherabschnitte ist demnach der Gesamt-Durchfliißquerschnitt so zu wählen, daß die Wärmetauschkapazität in einem gewünschten, der Gesamtanlage angepaßten gegenseitigen Verhältnis stehen.

Durch die genannten Wärmetauscherabschnitte und die Wahl eines Wärme gut leitenden und speichernden Materials für die Wärmetauscherrohre ist eine optimale Wärmerückgewinnung bzw. ein optimaler Wärmetauscheffekt erzielbar.

Hierzu 2 Blatt /.oiclinunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für einen Heizkamin, mit einer Brennkammer, in der zwischen einender gegenüberliegenden horizontalen und vertikalen Sammelrohren, einen Rost sowie eine Rückwand bildende Wasserrohre angeordnet sind, wobei die Wasserrohre strömungsmäßig miteinander verbunden und über eine Zu- und Ableitung an eine Heizungs- und/oder Brauchwasserbereitungs-Anlage anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die den Rost (2) bildenden Wasserrohre (16, 16') einen Polygonquerschnitt aufweisen, wobei eine Polygonseite nach oben und in einer Ebene angeordnet ist und die die Rückwand (4) bildenden Wasserrohre (19) einen Polygonquerschnitt aufweisen, wobei eine Polygonseite nach vorne und in einer Ebene vorgesehen ist, und daß die Wasserrohre (16, 16', 19) aus einem wärmeleitenden und wärmespeichernden Material bestehen und das Verhältnis von Rohr-Vollquerschnitt zu lichtem Rohrquerschnitt ca. 2,5 bis 10 beträgt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserrohre (16, 16', 19) einen fünf- bis achteckigen Querschnitt aufweisen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserrohre (16, 16', 19) aus Kupfer, Messing oder einer Aluminium- Legierung bestehen und das Verhältnis von Rohr-Vollquerschnitt zu lichtem Rohrquerschnitt bei Kupfer ca. 3 bis 10, bei Messing ca. 2.5 bis 5 und bei Aluminium-Legierungevi ca. 2,5 jis 3 beträgt.

4. Wärmetauscher ns.Jh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der licht Querschnitt der Sammelrohre (14, 15, 17, 18) wenigstens 40% höher als die Summe der lichten Querschnitte der jeweils daran angeschlossenen Wasserrohre (16,16', 19) ist.