DE3014506C2

DE3014506C2 - Wärmeaustauscher mit einem spiralenförmigen Raum für den Wärmeaustausch zwischen wenigstens zwei Medien

Info

Publication number: DE3014506C2
Application number: DE3014506A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Saint-Germainen-Laye Fillios
Original assignee: Chaffoteaux et Maury SAS
Current assignee: Chaffoteaux et Maury SAS
Priority date: 1979-04-26
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1985-10-31
Also published as: IT1175394B; BR8002561A; NL8002250A; BE882920A; IT8009414A0; DE3014506A1; GB2048452B; ATA202980A; LU82393A1; AT369533B; GB2048452A; PT71112A; ES490766A0; CH635922A5; ES8100724A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für mindestens zwei Medien, der aus einer aus wenigstens zw?i parallelen Wandungen gebildeten Hohlwand besteht, die an ihren Kanten miteinander verbunden sind, wobei die Hohlwand um eine senkrechte Achse zu einer Spira-Ie aufgewickelt ist und Abdeckungen vorgesehen sind, die die spiralförmig verlaufenden Durchgänge in der Hohlwand und den Zwischenraum zwischen zwei Wänden oben und unten abdecken.

Ein derartiger Wärmetauscher, der in der Hauptsache als Ölkühler für Fahrzeuge benutzt werden soll, ist aus der DE-OS 21 53 278 bekannt.

In der DE-PS 6 66 910, die ebenfalls einen Wärmetauscher mit einer aus wenigstens zwei parallelen Wandungen gebildeten Hohlwand betrifft, die um eine senkrechte Achse zu einer Spirale aufgewickelt ist, werden Ausführungsformen beschrieben, bei denen ein zentrales Heizelement benutzt wird. Die beiden Medien, die am Wärmeaustausch teilnehmen, strömen jeweils durch eine Hälfte der Spirale, nämlich einmal im Bereich der Achse und zum anderen im Bereich des Umfangs. Dabei handelt es sich um ein und dasselbe Medium. Die Wärme wird bei der bekannten Einrichtung durch ein mittleres Heizelement erzeugt, das die Form einer Stange hat. Die Benutzung eines Brenners mit einer Flamme oder eines warmen Gasstromes wird nicht in Betracht gezogen.

Bei dem aus der DE-PS 22 52 405 bekanntgeworde- ' nen Wärmetauscher durchlaufen die warmen Gase den Wärmetauscher in senkrechter Richtung von unten nach oben und nicht spiralförmig, wobei sich die Brennkammer über die gesamte untere Fläche des Austauschers erstreckt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der in Rede stehenden Gattung so auszubilden, daß er als Warmwasserbereiter öder Durchlauferhitzer geeignet ist, wobei die Abgase radial abgeleitet werden sollen und das aufzuheizende Wasser gegenüber dem Abgas im Gegenstrom geführt wird.

Ausgehend von einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art wird die Erfindung in den Merkmalen gesehen, die den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches bilden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Vorteile des Wärmetauschers gemäß vorliegender Erfindung, bei dem das an sich bekannte Prinzip zur Erzeugung von Warmwasser mit einem zentral angeordneten Brenner benutzt wird, sind insbesondere darin zu sehen, daß bei Verwendung eines spiralförmigen Wärmetauschers für ein gegebenes Volumen eine Austauschleistung erzielt wird, die mehrfach höher ist als bei bekannten Austauschern dieser Art Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Verhältnis zwischen der Austauschfläche und dem Gesamtvolumen des Austauschers erhöht wird. Ei wurde ferner festgestellt, daß der Druckverlust, der durch den Umlauf der Flüssigkeit in der doppelten oder dreifachen Wandung hervorgerufen wird, bemerkenswert gering bleibt da scharfe Krümmungen oder Rückstoßpunkte infolge der Spiralform nicht vorhanden sind. Der Wärmetauscher eignet sich wegen des geringen Platzbedarfes für die Ausstattung moderner Küchen. Trotz eines erheblichen Bedarfes für dieses Anwendungsgebiet wurden spiralförmige Wärmeaustauscher, die an sich seit vielen Jahrzehnten bekannt sind, bisher nicht als Heißwassererzeuger ausgebildet.

Auf der Zeichnung sind Au?führu-;.£sbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers,

F i g. 2 ebenfalls perspektivisch einen hohlen Wandabschnitt des auf F i g. 1 dargestellten Wärmetauschers,

F i g. 3 einen Teilschnitt durch die hohle Wandung für 5 einen Anwendungsfall, bei dem ein Wärmeaustausch zwischen drei Medien erfolgen soll,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers für einen Anwendungsfall, bei dem ein Wärmeaustausch zwischen drei Medien erfolgen soll, wobei der Wärmetauscher mit einem zentral angeordneten Brenner und einem Abzugsventilator versehen ist

F i g. 5 einen senkrechten, durch die Achse des Ventilators geführten Teilschnitt durch den auf F i g. 4 dargestellten Wärmetauscher und

F i g. 6 einen waagerechten Teilschnitt durch die hohle Wandung des auf F i g. 4 dargestellten Wärmetauschers, der die Verbindung mit den Rohren für den Austritt der Medien zeigt

Auf F i g. 1 ist ein Wärmetauscher für den Wärmeaustausch zwischen zwei Medien dargestellt die mit den Buchstaben A und B bezeichnet sind und deren Strömungsrichtung sich aus den eingezeichneten Pfeilen ergibt. Das Medium A ist beispielsweise Warmluft, das Medium B Wasser. Der Wärmetauscher besteht im wesentlichen aus einer hohlen, spiralförmig aufgerollten Doppelwand 101, die senkrecht aufgestellt ist und deren Wandungen mit 101a und 1016 (Figuren 1 und 2) be-

zeichnet sind. Eine solche Wand erhält man, indem zwei Bleche 101a und 101Z? aus rostfreiem Stahl aufeinandergelegt und an einer Reihe von Schweißpunkten 102 miteinander verschweißt werden. Die Bleche sind entweder eben oder vorher geprägt Die Schweißungen werden vorzugsweise durch Widerstandsschweißung mit programmierten Prägeeinrichtungen durchgeführt Beim Schweißen der Ränder werden über die Schweißstellen hinaus nicht geschweißte Streifen belassen, die zu einem späteren Zeitpunkt nach der Verformung zur Bildung des Hohlraumes zwischen den Wandungen die weiter unten beschrieben wird, durch Stumpfschweißen verbunden werden.

Durch Anlegen eines hohen Druckes zwischen den beiden Blechen, der beispielsweise hydraulisch aufgebracht werden kann, erhält man Ausbuchtungen an den nicht verschweißten Stellen, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist Die so gebiidete hohle, aus den beiden Wandungen 101a und iOlö bestehende Wand enthält eine Anzahl von Punkten, an denen die beiden Wandungen miteinander verschv/eißt sind. Zur Bildung der Spirale füllt man zunächst den Raum zwischen den beiden Blechen mit einem Stoff, der wieder entfernt werden ^ann, beispielsweise einem löslichen oder sublimierberen Salz. Wenn man diese Maßnahme nicht vorsieht besteht die Gefahr, daß sich die Bleche während des Biegens plattdrücken. Nach dem Biegen wird das Salz durch Auflösen oder Sublimieren entfernt Die hohle, spiralförmig gebogene, auf diese Weise hergestellte Wandung enthält Durchgänge 103 mit Schikanen für eins der Medien, beispielsweise das Medium B.

Eine andere Methode zur Herstellung einer hohlen, spiralenförmigen Wand ohne die Verwendung eines Salzes besteht darin, die Bleche nach dem Schweißen zu verformen, indem man sie einer Zugbelastung während des Aufwickeins unterwirft Dieser Zug verhindert das Zusammendrücken des Bleches, das den kleinsten Radius hat. Das Aufblähen wird dann nach der Herstellung der Bleche, eventuell nach dem Glühen, vorgenommen.

Das Aufwickeln der Wand zu einer Spirale erfolgt so. daß die Windungen dicht beieinanderliegen wobei in der Mitte eine öffnung 104 verbleibt von der weiter unten noch gesprochen wird. Zwischen den Windungen bleibt ein Raum 105 frei, in dem das andere Medium, beispielsweise das Medium A, zirkuliert. Das obere Ende wird mit einem Deckel Q, das untere Ende mit einem Boden C2 verschlossen.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 ist ein schematisch dargestellter, zentral angeordneter Brenner 106 vorgesehen, der dazu dient, Warmluft zwischen den Windungen hindurchzuleiten, während das Medium B, beispielsweise Wasser, durch die Durchgänge 103 strömt, denen es über ein Eintrittsrohr 107 zugeleitet und aus denen es über das Austrittsrohr 108 abgeleitet wird. Selbstverständlich sind übliche Druck- oder Saugeinrichtungen erforderlich, um die Zirkulation der Medien zu ermöglichen; diese sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Der Strömungsweg der beiden Medien durch den Wärmetauscher ist weder vollkommen rechtwinklig noch spiralförmig. Darüber hinaus verursachen die zahlreichen Schweißpunkte für den Durchgang 103 eine Strömung mit Schikanen. Die Schweißpunkte bilden darüber hinaus an den äußeren Oberflächen der hohlen Wandung Unebenheiten und Hohlräume, so daß in dem Raum 105 ebenfdia Wirbel beim Umlauf des Mediums A hervorgerufen werden. Diese für beide Medien gleichzeitig auftretende Wirkung hat sich als äußerst günstig für den Wärmeaustausch erwiesen.

Das Konstruktionsprinzip der hohlen Wand ermöglicht die Bildung mehrerer Durchgänge im Inneren der Wand. Figur 3 zeigt eine Wand mit zwei Durchgängen, wobei ein zweiter Durchgang 109 mit einem dritten Blech 101c gebildet wurde, das praktisch eben ist und deren Schweißpunkte mit dem Blech 101a beispielsweise doppelt so nah aneinanderliegen wie die Schweißpunkte des Durchganges 103. Wenn das Medium B Wasser ist besteht die Möglichkeit gleichzeitig Heizungswasser und Wasser mit einer weniger hohen Temperatur für sanitäre Zwecke zu erhalten.

Die F i g. 4 und 5 zeigen einen Wärmetauscher, bei dem die hohle Wandung zwei Durchgänge aufweist Den beiden Rohren 107, 108, die den entsprechenden Rohren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entsprechen, wurden zwei weitere Rohre 110,111 für den Durchgang 109 hinzugefügt F i g. 6 zeigt, wie die Rohre 108 und 111 an die Durchgänge 103 und 109 angeschlossen sind. Der mit einem zentral angeordneten Brenner 106 versehene Wärmet/ -scher enthält einen Ventilator 112, der von einem Mcior 113 angetrieben wird und am unteren Teil einer Blecnwandung 114 befestigt ist, die den spiralenförmigen Raum seitlich abschließt und einen Austrittsraum außerhalb der Spirale bildet Der Ventilator saugt über die Öffnung 115 an. Die Medien in den Durchgängen 103 und 109 werden durch nicht dargestellte Umwälzpumpen gefördert, die an die Rohre 107,110 oder 108,111 angeschlossen sind.

Der Ventilator 112 fördert nicht nur das gasförmige Medium, sondern auch kondensierte Flüssigkeit und/ oder Nebel im unteren Teil der Vorrichtung. Das Kondensat wird über ein Rohr 116 abgezogen, das mit einem nicht dargestellten, auswechselbaren Verschluß versehen ist. Mit dem Bezugszeichen 117 ist ein Rohr angedeutet, das an die Öffnung 155 des Ventilators eine Wärmeströmung liefert, die aus dem spiralenförmigen Raum kommt, um die gesättigten Dämpfe zu erhitzen, die in den Ventilator eintreten.

Wie bei der auf F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Deckel Q am oberen Ende des Wärmetausch „rs vorgesehen: der obere und untere Abschluß kann jedoch auch in einer anderen auf F i g. 5 dargestellten Weise erfolgen. Dabei sind die sich gegenüberliegenden Wandungen 1016und iOlcde- Wand verlängert, umgebogen und zusammengeführt; sie werden an ihivn oberen und unteren Enden verschweißt oder geklammert.

Die Bleche 101a, 101 b und 101c aus rostfreiem Stahl, die an den Punkten 102 verschweißt sind, haben beispielsweise eine Stärke von 0.3 bis 0.8 mm, vorzugsweise von 0,4 mm, während der Abstand der Punkte 102 zwischen 15 und 50 mm, vorzjgsweise bei etwa 35 mm für den Durchgang von Heizjngswasser liegt; die Atizahl der Windungen des Wärmetauschers kann zwischen 2 und 10, vorzugsweise bei etwa 4 oder 5 liegen; der Abstand der Wandungen beträgt etwa JO bis 30 mm: der hydraulische Druck, der ;:um Aufblähen der Wandungen, d. h. zur Bildung der Durchgänge für das Medium B in der hohlen Wand benutzt und nach dem Schweißen aufgebracht wird, liegt zwischen 20 und 40 bar für den Fall, daß die geschweißten Bleche nicht vorher geprägt, d. h. durch Anbringen von Eindrücken an den späteren Schweißpunkten verformt siild.

Selbstverständlich können anstelle der Ansaugeinrichtungen Druckfördereinrichtungen verwendet werden. Auch das Aufrollen des Wärmetauschers zu einer Spirale könnte veränderbar erfolgen, um den Wärme-' austausch durch Vergrößerung des Druckverlustes um-

gekehrt proportional zu dem Temperaturgefälle des die Wärme liefernden Mediums zu optimieren. Auch der Abstand der Schweißpunkte kann verändert werden, um den Austausch durch Turbulenz je nach der Verringerung des Temperaturgefälles des Mediums, das zwi- 5 sehen den Windungen der hohlen Wandung umläuft, zu vergrößern.

Ferner besteht die Möglichkeit der aufgewickelten Spirale eine konische Form zu geben, wobei die Spitze .nach oben zeigt, damit der spiralenförmige Innenraum 10 und die hohle Wand schräg zur Horizontalen verlaufen, um die Kondensation der Medien und das Abziehen des Kondensats zu erleichtern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 15

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Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für mindestens zwei Medien, der aus einer aus wenigstens zwei parallelen Wandüngen gebildeten Hohlwand besteht, die an ihren Kanten miteinander verbunden sind, wobei die Hohlwand um eine senkrechte Achse zu einer Spirale aufgewickelt ist und Abdeckungen vorgesehen sind, die die spiralförmig verlaufenden Durchgänge in der Hohlwand und den Zwischenraum zwischen zwei Wänden oben und unten abdecken, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher als mit einer Flamme aufheizbarer Warmwasserbereiter ausgebildet ist, wobei im Innenraum der Spirale eine mittlere Öffnung (104) angeordnet ist, die eine mit einem Brenner {106) versehene Brennkammer bildet und das aufzuheizende Wasser (B) durch die Durchgänge (103) der Hohlwand (101) geleitet ist, während die Brenngase (A) durch die Zwischenräume (ίΟ5) zwischen zwei spiralförmig aufgewickelten Hohlwänden strömen und die beiden Medien spiralförmig im Gegenstrom zueinander geführt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmig gebogene Wand (101) mit einer Wandung (114) verschlossen ist und daß die Wandung am unteren Teil mit einer Absaugvorrichtung (112) versehen ist, die zum Abzug von Kondensat und/oder Nebel zum unteren Abschnitt der Vorrichtung dient

3. Wärme: iuscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere und der untere Abschluß der Wandung in der Weise erfolgt, daß an den beiden Enden »orgesehene Verlängerungen der Wandungen (101s, 1016) miteinander verbunden werden.