DE4102314A1 - Waermetauscher zur warmwassererzeugung mit oel- oder gasbrennern - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher zur Warmwassererzeugung mit Öl- oder Gasbrennern, wobei zwei­ lagig konisch gewickelte Rohrlagen in horizontaler Anordnung vorgesehen sind und hierbei der Flammkegel von einer Seite des Wärmetauschers in den Bereich der Rohrlagen eingebracht wird. Ein derartiger Wärmetauscher ist bekannt geworden. Bei der bekanntgewordenen Ausführung ist an der dem Brenner gegenüber­ liegenden Seite ein Flammtopf angeordnet und der Brenner arbeitet mit seiner Flamme in den Innenraum dieses zylindrisch gewickelten Rohrwärmetauschers (Heizschlange).

Die Heizschlange war hierbei von Wasser durchflossen und das hierdurch erwärmte Wasser wurde für einen Hochdruckreiniger verwendet.

Bei dem bisher bekannten Wärmetauscher bestand der Nachteil, daß der zylindrisch gewickelte Rohrwärmetauscher in Verbindung mit dem Pralltopf hohen thermischen Belastungen ausgesetzt war. Der Pralltopf war hierbei über Schweißstellen mit dem Außenumfang des Wärmetauschers verbunden, was mit dem Nachteil behaftet war, daß bei Betrieb aufgrund der unterschiedlichen Wärmespannungen der Pralltopf aufriß. Derartige Rißschäden wurden neben der Schweißnaht festgestellt.

Im übrigen bestand der weitere Nachteil, daß sich am Innenumfang des Pralltopfes und an der Innenseite des Wärmetauschers korrosives Medium festsetzte, bestehend aus schwefelhaltigem Kondensat, Rußpartikeln und sonstigen Feststoffen. Dieses stark korrodierende Medium griff auch die Rohrwendel des Rohrwärmetau­ schers an und führte zu einem schnelleren Verschleiß (Korrosions­ schäden).

Weiterer Nachteil der bisher bekannten Konstruktion war, daß bei einem zweilagig gewickelten Rohrwärmetauscher die Verbindung zwischen der inneren Rohrlage und der äußeren problematisch war. Bisher hatte man ein Querrohr an der einen Stirnseite verwendet und dieses Querrohr zwischen der inneren Rohrschicht und der äußeren Rohrschicht eingeschweißt, so daß die beiden Rohrwendeln miteinander verbunden wurden. Auch diese Verbindung durch Schweißen war problematisch und starken Wärmespannungen ausgesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Rohrwärmetauscher der eingangs genannten Art so weiterzu­ bilden, daß er bei gleichbleibendem oder höherem Wärmewirkungs­ grad eine wesentlich längere Lebensdauer aufweist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem zweilagig gewickelten Rohrwärmetauscher die Verbindung zwischen dem Innen- und dem Außenrohr über eine schneckenartig ausgebildete Scheibe erfolgt, die im Zentrum eine Durchgangsbohrung hat, über welche die Innenrohrwendel des Rohrwärmetauschers flüssigkeitsdicht mit der Außenrohrwendel verbunden ist.

Hierbei wird es bevorzugt, wenn durch die Innenscheibe ein Verbindungsnippel ragt, welcher an der Innenrohrwendel ange­ schweißt ist; dieser Verbindungsnippel widerum ist mit einer Dichtkante nach Art einer Schneidringsverschraubungslösung ausgeführt. Die selbe Schneidringkante ist auf der gegenüber­ liegenden Seite an der Mutter ausgebildet, so daß keine zusätzliche Abdichtung erforderlich ist. Eine solche Verschraubung einer solchen Verbindung hat auch den Vorteil daß bei eventuellen Korrosionsschäden, die nach einer längeren Zeit auftreten können, sowohl die Innenrohrwendel als auch die Außenrohrwendel auf eine einfache Art getrennt werden können. Dies war bei der bisherigen Ausführung nicht möglich, weil eine Schweißverbindung vorlag.

Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist also daß der vorher vorhandene Pralltopf nun entfällt und stattdessen eine stirnseitig angebrachte spiralig ausgebildete Scheibe vorgesehen ist, welche zur flüssigkeitsdichten Verbindung zwischen der Innenwendel und der Außenwendel bestimmt ist. Diese schneckenartig ausgebildete Scheibe dient gleichzeitig für den Durchfluß des Wassers von der Innenwicklung zur Außenwicklung und ist gleich­ zeitig auch Zentrierscheibe für die Innenrohrwendel zur Außenrohr­ wendel. Diese spiralig ausgebildete Platte wird also von der Flamme des Brenners beaufschlagt und wird dadurch hoch erwärmt, es kommt hierbei jedoch nicht zu thermischen Spannungen, weil eben die besagte Verbindung zwischen der Innen- und der Außen­ wendel über Schneidringverbindungen ausgeführt sind; Schweiß­ verbindungen werden in diesem Zusammenhang vermieden. Im übrigen wird der Wärmeübertragungsgrad wesentlich verbessert, weil eben diese spiralige Scheibe unmittelbar von der Flamme beauf­ schlagt wird ebenso wie die vertikale Rohrwendel, die ja in diesem Bereich stirnseitig praktisch geschlossen ist, so daß also die Flamme sowohl die spiralige Scheibe berührt, als auch die stirnseitige Rohrwendel. Dadurch wird ein wesentlich höherer Wirkungsgrad erreicht. Die Schraubverbindung zwischen Innenrohr­ wendel und Außenrohrwendel bietet den weiteren Vorteil, daß ein verlängerter Gewindezapfen gleichzeitig zur Aufnahme des Brennermantels dient. Diese Scheibe dient also gleichzeitig zur Zentrierung des Brennermantels und zur Aufnahme und Befestigung des kompletten Wärmetauschers.

Für die Erfindung ist im übrigen noch wesentlich, daß der gesamte Wärmetauscher nicht zylindrisch, sondern konisch ausgebildet ist, das heißt die Rohrwindungen der Innen- und der Außenwicklung sind auf einen konischen Kern aufgewickelt mit dem Ziel, daß eine leichtere Entformung dieser Rohrwendel (Heizschlangen) von dem konisch ausgebildeten Wickeldorn möglich ist.

Es soll hier also die Abdrückkraft, die erforderlich ist, um diese Rohrwendel vom Dorn abzudrücken, möglichst klein gehalten werden.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen - einschließlich der Zusammenfassung - offenbarten Angaben und Merkmale, inbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungweg darstellende Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfin­ dungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigt:

Fig. 1 den Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Wärme­ tauscher;

Fig. 2 die Ansicht des Wärmetauschers von der Stirnseite her in das Innere des Wärmetauschers hinein, mit Blick auf die stirnseitige spiralige Scheibe;

In Fig. 1 besteht der Wärmetauscher nach der Erfindung aus einem Brennerschutzmantel 1, der zylindrisch das gesamte Außen­ gehäuse bildet.

An der einen Stirnseite ist eine Frontplatte 2, die mit Abwink­ lungen 3 in den Innenumfang des Schutzmantels 1 eingreift, wobei an der Frontplatte 2 Bolzen 5 vorhanden sind, an denen der Ölgebläsebrenner angeflanscht ist.

Über weitere zwei Bolzen 4 ist der Wärmetauscher in einem Aufnahme bügel gehalten, wobei die Halterung im Bereich eines Langloches erfolgt.

Die Frontplatte weist im übrigen in ihrem oberen Teil eine Reinigungsöffnung 6 auf, die von außen her durch zwei Flansch­ platten 7 verschlossen ist, wobei die Verbindung über Schrauben 8 hergestellt wird.

An der Rückseite ist ebenfalls eine Reinigungsöffnung 9 vorhanden, die durch ebensolche Flanschplatten 10 abgeschlossen ist, wobei zwei Schrauben 11 der Befestigung dieser Flanschplatte dienen.

An der Innenseite der Frontplatte 2 ist ein Flammrohr 12 ange­ ordnet, welches sich in den vorderen Teil des Wärmetauschers hinein erstreckt.

Der Wärmetauscher selbst besteht aus einer Innenrohrwendel 13 und einer Außenrohrwendel 14. Die beiden Wendeln 13, 14, d. h. Innen- und Außenrohrwendel sind sehr eng gewickelt und berühren sich aneinander, wobei wichtig ist, daß der Spalt zwischen den einander anliegenden Rohren nicht größer ist als 1/10 mm.

Wichtig ist ferner, daß die nebeneinanderliegenden Rohre durch Schweißstellen 15 miteinander verbunden sind, wobei die Schweiß­ stellen 15 sich in Längsrichtung des Wärmetauschers erstrecken und in einem Durchmesserumfang von 120° verteilt am Umfang jeweils angeordnet sind.

Wichtig hierbei ist ferner daß im unteren inneren Bereich des Wärmetauschers keinerlei Schweißstellen angeordnet sind, weil hier korrosive Medien anfallen, welche die Schweißstellen beeinträ­ chtigen könnten.

Die Verbindung der beiden Rohrwendel 13, 14 über die Schweiß­ stellen 15 und 16 dient also zur Sicherung der Lagen der Rohr­ wendeln 13 und 14. Diese Schweißstellen werden während des Wickelvorganges angebracht. Wenn eine Rohrwendung gewickelt wurde, wird während des Wickelvorganges die nebeneinander­ liegenden Wendeln sofort verschweißt, damit wird sichergestellt, daß die Durchmessergenauigkeit gewährleistet ist.

Die äußere Rohrwendel 14 geht über in eine stirnseitige Rohr­ wendel 17, wobei wichtig ist, daß zu Beginn des Wickelvorganges zunächst eine Schneckenscheibe (Spiralscheibe) 18 vorhanden ist, die zunächst auf den Wickeldorn aufgespannt wird. Diese Schneckenscheibe weist einen oberen Flansch 19 auf, über den eine Schweißung 20 gelegt ist, welche Schweißung die erste Rohrlage 21 mit dieser Scheibe flüssigkeitsdicht verbindet. Das Medium läuft also in den Innenraum 22 hinein.

Von einem Kaltwasserzulauf 23, der zwischen 10° und 20° Celsius betragen kann, läuft das Wasser durch die Außenwendel 14 hindurch in den schneckenartig ausgebildeten Hohlraum 22, von dieser schneckenartigen Scheibe (18) über den Verbindungsnippel 24 und über den Rohrnippel 25 in die Rohrleitung 26 der Innenrohr­ wendel 13.

Hierbei ist das Rohr 25 in den Verbindungsnippel 24 direkt eingeschweißt (Schweißstelle 27).

Das Rohr 25 ist um 90° angebogen und geht ganz übergangslos ohne Schweißung spiralförmig in die Innenrohrwendel über. Das Wasser geht also in Fallrichtung 28 in den Verbindungsnippel 24 mit der Querbohrung hinein, strömt dort in Fallrichtung 29 und gelangt dann in Richtung 30 in den Rohranschluß 26.

Wichtig hierbei ist, daß an dem Verbindungsnippel 24 welcher die Scheibe 18 durchsetzt, Schneidkanten 31 vorhanden sind; es handelt sich hierbei um selbstdichtende Verschraubungen. Diese Schneid­ kanten 31 widerum drücken sich auf der Planfläche 32 der schnec­ kenartig ausgebildeten Scheibe 18 und sorgen somit für eine Selbstabdichtung. Dieselbe Ausbildung ist auf der gegenüber­ liegenden Seite angebracht, wobei die Mutter 33, die ebenfalls mit einer Schneidkante versehen ist, für die Abdichtung bürgt. Die Mutter 33 ist hierbei auf den ein Außengewinde 34 aufweisenden Verbindungsnippel 24 aufgeschraubt.

Die Mutter 33 ist stirnseitig mit einem Gewindezapfen 35 verbunden, der widerum den Brennermantel 36 zentriert, wobei dieser Brenner­ mantel 36 ein topfartiges Gehäuse ist, welches in diesem Bereiche ein Bohrung 37 aufweist.

Der Brennermantel 36 erstreckt sich bis nach vorne hin in Richtung zur Frontplatte 2, wobei eine Dichtscheibe 38 vorhanden ist und der Brennermantel mit seiner Stirnseite 39 auf diese Dicht­ scheibe 38 dadurch axial aufgepreßt wird, daß der Wärmetauscher einerseits mit der Mutter 40 an dem Zulauf 23 befestigt und andererseits mit der Mutter 41 an dem Gewindebolzen 35.

Hierdurch wird also die Frontplatte 2 in axialer Richtung auf den topfförmigen Brennermantel 36 aufgepreßt.

Auf der Zeichnung ist nicht sichtbar, daß auch der Warmwasseraus­ lauf auf der Ebene nach Fig. 1 erfolgt, daß heißt die beiden Verschraubungen liegen nebeneinander, es sind dann also auch zwei Muttern 40 vorgesehen. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 ist hierbei der Kaltwassereinlauf 23 dargestellt und der Warmwasserauslauf 45.

Wichtig ist ferner, daß der Brennermantel 36 im unteren Bereich doppelwandig ausgeführt ist, wie dies aus Fig. 1 zu entnehmen ist. Das heißt er überlappt sich in diesem Bereich um einen bestimmten Überlappungsweg, und es ist ein Kondensatablauf 46 angeordnet, um das entstehende Kondensat nach unten ablaufen zu lassen.

Der Flammkegel 47 erstreckt sich also in den Innenraum des Wärmetauschers hinein und trifft dann auf die spiralig ausgebil­ dete Scheibe 18 und die stirnseitig angeordnete vertikale Rohr­ wendel 17 auf.

Die Brennergase gehen dann in Pfeilrichtung 48 in den Innenraum zwischen der Innenwendel 13 und der Außenwendel 14 hindurch, werden in dem Raum 49 umgelenkt in Pfeilrichtung 50 und verlassen dann in dieser Pfeilrichtung den Kamin 51 nach oben.

Auf der unteren Seite gelangen diese Brennergase in den vorderen stirnseitigen Raum 52 und gelangen dann ebenfalls in den Kamin 51.

Wichtig ist, daß also die Rohrwendeln 13, 14 von allen Seiten von den Brennergasen berührt werden und daß im übrigen die Flamme 47 unmittelbar auf die Spiralscheibe 18 auftrifft, wo­ durch ein ausgezeichneter Wärmeübergang gewährleistet ist.

Zur unteren Abdeckung des Kamins 51 ist eine Scheibe 53 vorge­ sehen, die an einem Flansch 54 vernietet ist, welcher Flansch 54 nicht am Wärmetauscher befestigt ist, sondern am Brennermantel 36. Diese Scheibe dient zur Verminderung des Strömungsquer­ schnittes in Kamin 51, um eine optimale Durchströmung mit den Brennergasen zu gewährleisten.

Im übrigen dient diese Scheibe als Sichtschutz. Der Schutzmantel 1 ist am Kamin 51 und an dem Kondensatablauf 46 axial zentriert. Er wird also um den Brennermantel gewickelt und an der Unterseite vernietet, daß heißt es handelt sich um ein Wickelrohr, welches dann an einer bestimmten Stelle über seine gesamte axiale Länge durch Nietungen in sich geschlossen ist.

Im Innenraum des Brennermantels 36 ist noch ein Segment 55 angeschweißt, um zu verhindern, daß eventuell sich an der Innen­ seite des Brennerrohrs 36 bildendes Kondensat in Richtung auf die Dichtung 38 fließt.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, daß der Pralltopf entfernt ist, der früher erhöhte Abgastemperaturen gebracht hatte, was nachteilig ist. Erfindungsgemäß werden jetzt die Abgastemperaturen gesenkt, weil eben die spiralig ausgebildete Scheibe 18 unmittelbar in dem Flüssigkeitsfluß des Wärmetauschers eingeschaltet ist und direkt von der Brennerflamme 47, bzw. den Brennergasen, getroffen wird. Der Brennerwirkungsgrad wird also jetzt wesentlich erhöht, weil eben die Abgastemperatur gesenkt ist.

Hieraus ergibt sich, daß die Abgasverluste direkt proportional der Abgastemperatur sind und weil jetzt die Abgastemperatur gesenkt wurde, sind auch die Abgasverluste entsprechend weniger.

Bei einer Nennwärmeleistung von 50 bis 120 kW müssen die Abgas­ verluste 10% und kleiner sein, was mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ohne weiteres erfüllt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Befestigung des Rohrwärmebündels 13, 14 in dem Brennermantel 36 wird auch eine leichte Austausch­ barkeit gewährleistet. Bei Korrosionsschäden muß nicht die komplette Heizschlange ersetzt werden; auf eine einfache Art kann sowohl die Innenrohrwendel 13 als auch die Außenrohrwendel 14 ausgetauscht werden, weil eben die erfindungsgemäße Schneid­ ringverschraubung über die Spiralscheibe 18 und den Quernippel 24 in Verbindung mit der Mutter 33 erfolgt. Reparaturen können deshalb sehr kostengünstig durchgeführt werden.

Aufgrund der Konstruktion ist der Rohrwärmetauscher im übrigen sehr reinigungsfreundlich, weil neben den vorgesehenen Reinigungs­ öffnungen 6 und 9 noch der Rohrwärmetauscher auf die beschriebene Art sehr leicht zerlegbar ist und deshalb dann gründlich gereinigt werden kann.

Von der Fertigungsseite her ist wichtig, daß an der Stirnseite wo die Schneidringverschraubung mit der Platte 18 angeordnet ist, keine besondere Zentrierung notwendig ist, die Rohrwendeln 13, 14 müssen nur an der gegenüberliegenden Seite zentriert werden und hierbei sind Stifte 56 vorgesehen, die auf einem Blech 57 geschweißt sind, hierbei ist das Blech 57 jeweils am Außenumfang der inneren Rohrwendel 13 aufgeschweißt und trägt einen Stift 56, der sich am Innenumfang der äußeren Rohr­ wendel 14 anlegt. Es ist dort lediglich eine Berührungsbindung vorhanden.

Teile 56, 57 sind widerum gleichmäßig im Abstand von 120° am Umfang verteilt angeordnet, wobei wichtig ist, daß der Stift 56 als Verschleißteil ausgebildet ist, so daß bei unterschiedlichen Längendehnungen keine Scheuerstelle an der Außenrohrwendel ent­ steht.

Im übrigen ist dieses Teil 56, 57 im Umfang von 120° angeordnet, so daß also im unteren Teil des Wärmetauschers eine derartige Verbindung nicht vorliegt und deshalb nicht korrosionsgefährdet ist.

Für diese besondere Zentrierung mit einem an der Innenwendel 13 angeschweißten Blech 57 und einem darauf befestigten Stift 56 zur Zentrierung der Außenrohrwendel, wird gesonderter Schutz beansprucht.

Alle bisher bekannten Techniken verwenden eine feste Verbindung zwischen der Innenrohrwendel und der Außenrohrwendel, was nach der vorliegenden Erfindung vermieden wird.

Im übrigen bilden sich aufgrund dieser Ausbildung keine Nester wo sich ein aggressives Medium festsetzen kann, wodurch die Lebensdauer wesentlich erhöht wird. Es wird noch darauf hinge­ wiesen, daß auch derartige Schweißungen an der vertikal ver­ laufenden Wendel 17 vorhanden sind, wobei die Wendeln 17 eben­ falls im Winkel von 120° miteinander verschweißt sein können.

Zeichnungs-Legende

 1 Brennerschutzmantel
 2 Frontplatte
 3 Abwinklung
 4 Bolzen
 5 Bolzen
 6 Reinigungsöffnung
 7 Flanschplatten
 8 Schraube
 9 Reinigungsöffnung
10 Flanschplatte
11 Schraube
12 Flammrohr
13 Innenrohrwendel
14 Außenrohrwendel
15 Schweißstelle
16 Schweißstelle
17 stirnseitige Rohrwendel
18 Schneckenscheibe
19 Flansch
20 Schweißung
21 erste Rohrlage
22 Innenraum
23 Kaltwasserzulauf
24 Verbindungsnippel
25 Rohr
26 Rohrleitung
27 Schweißstelle
28 Fallrichtung
29 Fallrichtung
30 Fallrichtung
31 Schneidkanten
32 Planfläche
33 Mutter
34 Außengewinde
35 Gewindezapfen
36 Brennermantel
37 Bohrung
38 Dichtscheibe
39 Stirnseite
40 Mutter
41 Mutter
45 Warmwasserauslauf
46 Kondensatablauf
47 Flammkegel
48 Pfeilrichtung
49 Raum
50 Pfeilrichtung
51 Kamin
52 Raum
53 Scheibe
54 Flansch
55 Segment
56 Stift
57 Blech

Claims (9)

1. Wärmetauscher zur Warmwassererzeugung mit Öl- oder Gasbrennern, wobei zweilagig gewickelte Rohrlagen in vertikaler Anordnung vorgesehen sind und hierbei der Flammkegel von einer Seite des Wärmetauschers in den Bereich der Rohrlagen eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Innen- und der Außenrohrwendel (13, 14) über schneckenartig ausgebildete Scheibe (18) erfolgt, die im Zentrum eine Durchgangsbohrung aufweist, über welche die Innenrohrwendel (13) flüssigkeitsdicht mit der Außenrohr­ wendel (14) verbunden ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheibe (18) von einem Verbindungs­ nippel (24) durchsetzt ist, welcher in Verbindung mit einer Mutter (33) eine Schneidringverschraubung mit Schneidkanten (31) aufweist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Anschluß an die schneckenartige Scheibe (18) die stirnseitige Rohrwendel (17) ebenfalls schneckenartig aufgewickelt und mit der Außenrohrwendel (14) verbunden ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mutter (33) einen Gewindezapfen (35) aufweist, an dem der Brennermantel (36) befestigt ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Innen- und Außenrohrwendel (13, 14) konisch gewickelt sind.

6. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verbindungsnippel (24) einen um 90° abgebogenen angeschweißten Rohrnippel (25) aufweist, welcher den Wasserablauf darstellt.

7. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermantel (36) front­ seitig auf eine Dichtscheibe (38) aufgepreßt ist, wobei eine Befestigung am Zulauf (23) und Auslauf (45) vorliegt und gleich­ zeitig mit axialer Pressung der Brennermantel (36) mit der Mutter (41) am gegenüberliegenden Ende verspannt ist.

8. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermantel (36) im unteren Bereich doppelwandig ausgeführt ist, wobei ein Kondensat­ ablauf (46) ausgebildet ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenrohrwendel (13) zur Zentrierung der Außenrohrwendel (14) ein angeschweißtes Blech (57) mit einem Stift (56) aufweist.