DE4141136A1 - HEAT EXCHANGE SYSTEM FOR HEATING HOT AND WATER WATER - Google Patents

HEAT EXCHANGE SYSTEM FOR HEATING HOT AND WATER WATER

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Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a heat exchange system according to the Preamble of claim 1.

Mit Gas beheizte Geräte zur Erwärmung von Wasser sind seit langem bekannt. Ein Wärmeaustauschsystem der genannten Art (etwa nach der EP-PS 01 46 976) weist einen zylindrischen Brenner mit einem wendelförmig gewickelten Rippenrohrwär­ meaustauscher auf. Dieses Wärmeaustauschsystem weist auf­ grund seiner Bauweise bereits gute Abgaswerte auf, es ist allerdings entweder nur zur Heizwasser- oder nur zur Brauch­ wasserbereitung geeignet. Sollen Heiz- und Brauchwasser gleichzeitig erwärmt werden, so müßte die Wärmeübertragung zwischen Heiz- und Brauchwasser durch beispielsweise einen separaten Wärmeübertrager in oder an einem Speicher erfol­ gen.Gas-heated devices for heating water have been around known for a long time. A heat exchange system of the type mentioned (approximately according to EP-PS 01 46 976) has a cylindrical Burner with a helically wound finned tube heat exchanger on. This heat exchange system has due to its design, it already has good exhaust gas values however either only for heating water or only for use suitable for water preparation. Should be heating and service water be heated at the same time, so the heat transfer would have to between heating and service water by, for example, a separate heat exchanger in or on a storage device gene.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärme­ austauschsystem der genannten Art so auszubilden, daß bei einfachem und kompaktem Aufbau die gleichzeitige Heiz- und Brauchwassererwärmung möglich ist.The invention is therefore based on the object of heat exchange system of the type mentioned so that at simple and compact construction the simultaneous heating and Hot water heating is possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Rippenrohr ein Innenrohr angeordnet ist, wobei im Innenrohr Brauchwasser und im Ringraum Heizwasser geführt ist. Nach bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der rotati­ onssymmetrisch (zylindrisch bzw. kegelförmig) ausgebildete Brenner von einem wendelförmig bzw. kegelförmig gewickelten Wärmeaustauscher umgeben. The object is achieved in that in Finned tube an inner tube is arranged, being in the inner tube Domestic water and heating water in the annulus. To preferred embodiments of the invention is the rotati formed asymmetrically (cylindrical or conical) Burner from a helically or conically wound Surround heat exchanger.  

Es ist zwar bereits ein gasbeheiztes Wärmeaustauschsystem mit einem Kombinationswärmeaustauscher für Heiz- und Brauch­ wasser bekannt, bei dem jeweils in hochberippte Rohre ein Innenrohr eingeschoben wird (vgl. beispielsweise DE-GM 89 11 236), dort sind jedoch die hochberippten Rohre gerade ausgeführt. Um die notwendigen Leistungen zu erzielen, müssen dort im Normalfall mehrere solcher Koaxialrohre parallel geschaltet werden, was mit erheblichem schaltungs­ technischen Aufwand verbunden ist.It is already a gas heated heat exchange system with a combination heat exchanger for heating and use known water, in each case in high finned pipes Inner tube is inserted (see, for example, DE-GM 89 11 236), but the high finned tubes are straight there executed. In order to achieve the necessary services, usually have several such coaxial tubes there can be connected in parallel, which with considerable circuitry technical effort is connected.

Zur Erzielung guter Wärmeübertragungsleistungen weist das Rippenrohr auf der Außenseite vorzugsweise 5 bis 20 schrau­ benlinienförmig umlaufende Rippen/Zoll mit einer Rippen­ höhe HR = 1,5-15 mm auf.In order to achieve good heat transfer performance, the finned tube preferably has 5 to 20 ribs / inch circumferential on the outside in the form of a screw line with a fin height H R = 1.5-15 mm.

Um die Wärmeübertragung am Rippenrohr weiter zu verbessern, wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Rippen gekerbt, geschlitzt oder abgekröpft sind.To further improve the heat transfer on the finned tube, it is further suggested that the ribs should be notched, slotted or bent.

Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauschsystem wird gleich­ zeitig die Teilaufgabe gelöst, durch konsequenten und ständigen Brennwertbetrieb den Energieverbrauch zu minimie­ ren (unter Brennwertbetrieb ist hierbei - wie allgemein üblich - die Nutzung der Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes durch ausreichend kalte Wärmeaustauschoberflächen zu verstehen). Um einen konsequenten Brennwertbetrieb zu ermöglichen, werden die wärmeaustauschenden Flächen erfindungsgemäß so gestaltet, daß die Oberflächentemperatur auf der berippten Außenseite des Außenrohres so zu liegen kommt, daß der im Abgas ent­ haltene Wasserdampf an dieser Fläche kondensieren kann, so daß die Kondensationswärme nutzbringend gewonnen wird. Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, mindestens zwei der drei Wärmeübertragungsflächen (Außenrohr/Heizwasser, Heizwasser/Innen­ rohr, Innenrohr/Brauchwasser) zu strukturieren bzw. zu berippen. Dabei empfiehlt es sich, das Rippenrohr und/oder Innenrohr jeweils auf der Innenseite mit 5 bis 20 Wellen/Zoll zu wellen bei einer Welltiefe w1/w2= 0,07- 0,7 mm. Nach einer erfindungsgemäßen Alternative weisen das Rippenrohr und/oder das Innenrohr jeweils auf der Innenseite schraubenlinienförmig umlaufende Innenrippen auf. Dabei sind vorzugsweise 0,5-5 Innenrippen pro mm Rohrinnendurchmesser vorgesehen, die eine Rippenhöhe e = 0,1-0,6 mm und einen Drallwinkel (bezogen auf die Rohrlängsachse) von 15-45° aufweisen. Hinsichtlich der Außenseite des Innenrohres empfehlen sich 5 bis 20 schraubenlinienförmig umlaufende Rippen/Zoll mit einer Rippenhöhe hR = 0,3-3,0 mm. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Innen­ rohr auf der Außenseite eine Einfach- oder Kreuzrändel­ struktur bei einer Rändelhöhe von 0,3 bis 1,5 mm aufweisen.With the heat exchange system according to the invention, the subtask is at the same time solved by consistent and constant condensing operation to minimize energy consumption (condensing operation is - as is generally the case - the use of the heat of condensation of the steam generated during combustion by means of sufficiently cold heat exchange surfaces). In order to enable consistent condensing operation, the heat-exchanging surfaces are designed according to the invention in such a way that the surface temperature comes to lie on the finned outside of the outer tube in such a way that the water vapor contained in the exhaust gas can condense on this surface, so that the condensation heat is usefully obtained. For this purpose, it is proposed according to the invention to structure or rib at least two of the three heat transfer surfaces (outer tube / heating water, heating water / inner tube, inner tube / process water). It is advisable to corrugate the finned tube and / or the inner tube with 5 to 20 waves / inch on the inside at a corrugation depth w 1 / w 2 = 0.07-0.7 mm. According to an alternative according to the invention, the finned tube and / or the inner tube each have inner fins that run helically around the inside. In this case, preferably 0.5-5 inner fins per mm inner pipe diameter are provided, which have a fin height e = 0.1-0.6 mm and a swirl angle (based on the pipe longitudinal axis) of 15-45 °. With regard to the outside of the inner tube, 5 to 20 ribs / inch running in a helical shape with a rib height h R = 0.3-3.0 mm are recommended. According to a further embodiment of the invention, the inner tube can have a single or cross knurled structure on the outside with a knurled height of 0.3 to 1.5 mm.

Nach einer erfindungsgemäßen Alternative können Rippenrohr und/oder Innenrohr durch ein Wellrohr (Rohr mit konstanter Wanddicke) ersetzt werden.According to an alternative according to the invention, finned tube and / or inner tube through a corrugated tube (tube with constant Wall thickness) to be replaced.

Um die vom zentralen Brenner ausgehende und zwischen den Außenrippen des Rippenrohres durchtretende Strahlung auf den Wärmeaustauscher zurückzuwerfen, wird vorzugsweise auf der brennerabgewandten Seite des Rippenrohres eine reflektie­ rende Wand installiert.To the outgoing from the central burner and between the Radiation passing through the outer fins of the finned tube onto the Throwing back heat exchanger is preferably on the side of the finned tube facing away from the burner wall installed.

Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauschsy­ stem ein spezifisch sehr leistungsfähiger Kombinationswär­ meaustauscher zur Verfügung gestellt, der zudem kompakt ist und preiswert herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Wärmeaustauschers liegt darin, daß er bei entsprechender Konzeption des Wärmeaustauschsystems mit wenigen Handgriffen aus- und eingebaut werden kann, was sowohl der Reinigung wie einem eventuell erforderlichen Austausch nach einem Schadensfall entgegenkommt.Overall, with the heat exchange system according to the invention stem a specifically very powerful combination heat provided exchanger, which is also compact and is inexpensive to manufacture. Another advantage of proposed heat exchanger is that it is appropriate design of the heat exchange system what can be removed and installed in just a few steps both cleaning and any necessary Exchange after a damage occurs.

Die Erfindung wird an Hand des folgenden Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated in the following embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 1 schematisch den Brennraum eines gasbeheizten Wärmaustauschsystems, Fig. 1 shows schematically the combustion chamber of a gas-heated Wärmaustauschsystems,

Fig. 2a einen Längsschnitt durch den (gestreckt gedachten) Wärmeaustauscher und Fig. 2a shows a longitudinal section through the (stretched) heat exchanger and

Fig. 2b einen Querschnitt durch den Wärmeaustauscher. Fig. 2b shows a cross section through the heat exchanger.

In Fig. 1 ist schematisch der Teil eines gasbeheizten Wärme­ austauschsystems 1 gezeigt, in dessen Brennraum 2 ein zylindrischer Brenner 3 von einem Wärmeaustauscher 4 in Form eines wendelförmig gewickelten, auf der Außenseite berippten Rippenrohres 5 umgeben ist. Die austretenden Abgase sind mit 3′ bezeichnet. Der Aufbau des Wärmeaustauschers 4 im einzelnen ist in Fig. 2a/2b gezeigt. Im Rippenrohr 5 ist hier ein konzentrisches Innenrohr 6 angeordnet, so daß ein Ringraum 7 gebildet wird. Im Innenrohr 6 wird Brauchwasser (BW) geführt, während der Ringraum 7 vom Heizwasser (HW) im Gleich- oder Gegenstrom durchflossen wird. Um einen konse­ quenten Brennwertbetrieb zu ermöglichen, sind sowohl die Wärmeübertragungsfläche Abgas/Rippenrohr 5 als auch die übrigen drei Wärmeübertragungsflächen (Rippenrohr 5/Heizwasser (HW), Heizwasser (HW)/Innenrohr 6, Innenrohr 6/Brauchwasser (BW)) strukturiert. So weist das Rippenrohr 5 auf der Außenseite schraubenlinienförmig umlaufende Rippen 8 der Rippenhöhe HR auf, die Innenseite ist gewellt (Welltiefe w1).In Fig. 1 the part of a gas-heated heat exchange system 1 is shown schematically, in the combustion chamber 2, a cylindrical burner 3 is surrounded by a heat exchanger 4 in the form of a helically wound finned tube 5 with ribs on the outside. The emerging exhaust gases are designated 3 '. The structure of the heat exchanger 4 in detail is shown in Fig. 2a / 2b. In the finned tube 5 , a concentric inner tube 6 is arranged here, so that an annular space 7 is formed. Process water (BW) is guided in the inner tube 6 , while the annular space 7 is flowed through by the heating water (HW) in cocurrent or countercurrent. In order to enable consistent condensing operation, both the heat transfer surface flue gas / finned tube 5 and the other three heat transfer surfaces (finned tube 5 / heating water (HW), heating water (HW) / inner tube 6 , inner tube 6 / process water (BW)) are structured. The finned tube 5 has, on the outside, helical ribs 8 of the height R R , the inside is corrugated (corrugation depth w 1 ).

Das Innenrohr 6 ist hier ebenfalls mit schraubenlinienförmig umlaufenden Außenrippen 9 der Rippenhöhe hR dargestellt. Die Innenrippen des Innenrohres 6 sind mit 10 beziffert (Rippen­ höhe e). Alternativ kann die Innenseite mit der Welltiefe w2 gewellt sein (nicht dargestellt).The inner tube 6 is also shown here with helical outer ribs 9 of the rib height h R. The inner ribs of the inner tube 6 are numbered 10 (rib height e). Alternatively, the inside can be corrugated with the corrugation depth w 2 (not shown).

Zur besseren Ausnutzung der zwischen den Außenrippen 8 des Rippenrohres 5 hindurchtretenden Strahlung ist auf der brennerabgewandten Seite des Rippenrohres 5 eine reflektie­ rende Wand 11 installiert. Diese kann sich direkt hinter dem Rippenrohr 5 und in Kontakt mit diesem befinden wie auch in einigem Abstand und als Brennraumwand ausgebildet sein.For better utilization of the radiation passing between the outer fins 8 of the finned tube 5 , a reflective wall 11 is installed on the side of the finned tube 5 facing away from the burner. This can be located directly behind the finned tube 5 and in contact with it, as well as at some distance and can be designed as a combustion chamber wall.

Claims (13)

1. Wärmeaustauschsystem (1), das in einem Brennraum (2) einen Brenner (3) aufweist, der seinerseits von einem wasserführenden Wärmeaustauscher (4) in Form eines gewickelten, auf der Außenseite berippten Rippenrohres (5) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Rippenrohr (5) ein Innenrohr (6) angeordnet ist, wobei im Innenrohr (6) Brauchwasser (BW) und im Ring­ raum (7) Heizwasser (HW) geführt ist.1. Heat exchange system ( 1 ) which has a burner ( 3 ) in a combustion chamber ( 2 ), which in turn is surrounded by a water-carrying heat exchanger ( 4 ) in the form of a wound finned tube ( 5 ) with ribs on the outside, characterized in that in the finned tube ( 5 ) an inner tube ( 6 ) is arranged, in the inner tube ( 6 ) process water (BW) and in the annular space ( 7 ) heating water (HW) is guided. 2. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zylindrisch ausgebildete Brenner (3) von einem wendelförmig bzw. kegelförmig gewickelten Wärmeaustau­ scher (4) umgeben ist.2. Heat exchange system according to claim 1, characterized in that the cylindrical burner ( 3 ) is surrounded by a helically or conically wound heat exchanger shear ( 4 ). 3. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der kegelförmig ausgebildete Brenner (3) von einem wendelförmig bzw. kegelförmig gewickelten Wärmeaustau­ scher (4) umgeben ist.3. Heat exchange system according to claim 1, characterized in that the conical burner ( 3 ) is surrounded by a helically or conically wound heat exchanger shear ( 4 ). 4. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenrohr (5) auf der Außenseite 5 bis 20 schraubenlinienförmig umlaufende Rippen (8)/Zoll mit einer Rippenhöhe HR = 1,5-15 mm aufweist. 4. Heat exchange system according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the finned tube ( 5 ) on the outside has 5 to 20 helically surrounding ribs ( 8 ) / inch with a fin height H R = 1.5-15 mm. 5. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rippen (8) gekerbt, geschlitzt oder abgekröpft sind.5. Heat exchange system according to claim 4, characterized in that the ribs ( 8 ) are notched, slotted or bent. 6. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der drei Wärmeübertragungsflächen (Rippenrohr (5)/Heizwasser (HW), Heizwasser (HW)/Innen­ rohr (6), Innenrohr (6)/Brauchwasser (BW) strukturiert bzw. berippt sind.6. Heat exchange system according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that at least two of the three heat transfer surfaces (finned tube ( 5 ) / heating water (HW), heating water (HW) / inner tube ( 6 ), inner tube ( 6 ) / service water (BW) are structured or ribbed. 7. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rippenrohr (5) und/oder das Innenrohr (6) jeweils auf der Innenseite gewellt sind mit 5 bis 20 Wellen/Zoll bei einer Welltiefe w1/w2= 0,07-0,7 mm.7. Heat exchange system according to claim 6, characterized in that the finned tube ( 5 ) and / or the inner tube ( 6 ) are each corrugated on the inside with 5 to 20 waves / inch at a corrugation depth w 1 / w 2 = 0.07 -0.7 mm. 8. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rippenrohr (5) und/oder das Innenrohr (6) jeweils auf der Innenseite schraubenlinienförmig umlaufende Innenrippen (10) aufweisen.8. Heat exchange system according to claim 6, characterized in that the finned tube ( 5 ) and / or the inner tube ( 6 ) each have helical circumferential inner fins ( 10 ) on the inside. 9. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß 0,5-5 Innenrippen (10) pro mm Rohrinnendurchmesser vorgesehen sind, die eine Rippenhöhe e = 0,1-0,6 mm und einen Drallwinkel von 15-45° aufweisen.9. Heat exchange system according to claim 8, characterized in that 0.5-5 inner ribs ( 10 ) are provided per mm inner tube diameter, which have a rib height e = 0.1-0.6 mm and a swirl angle of 15-45 °. 10. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (6) auf der Außenseite 5 bis 20 schraubenlinienförmig umlaufende Rippen (9)/Zoll mit einer Rippenhöhe hR = 0,3-3,0 mm aufweist. 10. Heat exchange system according to one or more of claims 6 to 9, characterized in that the inner tube ( 6 ) on the outside 5 to 20 helical ribs ( 9 ) / inch with a rib height h R = 0.3-3.0 mm having. 11. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (6) auf der Außenseite eine Einfach- oder Kreuzrändelstruktur aufweist bei einer Rändelhöhe von 0,3 bis 1,5 mm.11. Heat exchange system according to one or more of claims 6 to 9, characterized in that the inner tube ( 6 ) on the outside has a single or cross knurled structure with a knurled height of 0.3 to 1.5 mm. 12. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenrohr (5) und/oder das Innenrohr (6) als Wellrohr ausgebildet sind.12. Heat exchange system according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the finned tube ( 5 ) and / or the inner tube ( 6 ) are designed as a corrugated tube. 13. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf der brennerabgewandten Seite des Rippenrohres (5) eine reflektierende Wand (11) angeordnet ist.13. Heat exchange system according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that a reflective wall ( 11 ) is arranged on the side of the finned tube ( 5 ) remote from the burner.
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