DE4421671A1 - Wärmetauscher, insbesondere für einen gasbeheizten Heizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für einen gasbeheizten Heizkessel, mit einem von Heizgasen durchströmten Gehäuse, in dem sich ein heizmediumdurchfluteter Kanal in einer die Strömung der Heizgase kreuzender bzw. entgegengesetzter Ausrichtung befindet, dessen von Heizgasen umströmte Kanalwand außen oberflächenvergrößernde Vorsprünge aufweist.

Bei einem nach der EP-PS 0 287 142 bekannten Wärmetausch­ element ist der vom Heizmedium, z. B. Wasser, durchflutete Ka­ nal zwecks Vergrößerung der vom Wasser innerhalb des Wärme­ tauschers zurückzulegenden Wegstrecke kurvig ausgebildet. Da­ durch sollen kleinere Bauabmessungen für einen mit dem Wärme­ tauscher ausgerüsteten Kessel erreicht werden, ohne eine Lei­ stungsminderung in Kauf nehmen zu müssen. Ein Kessel bestimm­ ter Leistung erfordert einen Brenner, der eine vorbestimmte Heizgasmenge mit nutzbarem Wärmeinhalt zu liefern hat. Die Ausnutzung der Wärmeinhalte bedingt wiederum eine bestimmte Größenordnung der zur Verfügung stehenden Wärmetauscherfläche. Bei dem bekannten Wärmetauschelement ist die ausreichende Wär­ metauscherfläche durch eine relativ große Bauhöhe verwirk­ licht, wodurch das Wärmetauschelement ein in Strömungsrichtung der Heizgase langgestrecktes Teil ist, das in einen dadurch ebenfalls länglich werdenden Kessel eingebaut wird.

Das bekannte Wärmetauschelement ist aufgrund seiner wärme­ technischen Leistung vom Prinzip her geeignet, in einem soge­ nannten Brennwertkesseln betrieben zu werden. Aufgrund der langen Heizgaswege ergeben sich niedrige Abgastemperaturen, durch die sich sogenannte "Brennwertkessel" auszeichnen. Auf­ grund solcher niedrigen Abgastemperaturen ergibt sich für Brennwertkessel der Vorteil der Flexibilität hinsichtlich ih­ rer Installation. Dieser Vorteil ist bei einem mit den bekann­ ten Wärmetauschelement ausgerüsteten Heizaggregat aufgrund der sich ergebenden länglichen Bauform jedoch nicht optimal nutz­ bar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetau­ scher hinsichtlich einer kompakten Bauweise zu optimieren, da­ mit ein leistungsfähiges Heizaggregat mit Abmessungen bereit­ gestellt werden kann, das auch in z. B. Wohn- und Aufenthalts­ bereichen, Küchenschränken und dergleichen Einbauorten instal­ lierbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in das Gehäuse wenigstens ein zweiter heizmediumdurchfluteter Ka­ nal integriert ist.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist durch die mehrflu­ tige Bauweise besonders kompakt. In seinen Außenabmessungen ist eine Würfelform annähernd gegeben, die für flexible Installationen, z. B. in Küchenschränken vorteilhaft ist.

Der angestrebten kompakten Bauweise ist nach einer Weiter­ bildung förderlich, daß Gehäuse und Kanäle in Form eines ein­ teiligen Gußstückes vorliegen. Dadurch wird Bauraum für die Unterbringung entsprechender Montagemittel nicht benötigt.

Zu einer kompakten Bauweise trägt auch bei, daß jeder Ka­ nal in einem Tauscherblock mäanderähnlich verlaufend ausgebil­ det ist. Dabei können einfach Trennwände zwischen zueinander benachbart verlaufenden Kanälen ausreichen, die beim Guß des Wärmetauschers ausformbar sind. Die Kanäle befinden sich da­ durch in einer die Strömungsrichtung der Heizgase kreuzenden Ausrichtung. Selbstverständlich ist auch eine andere Ausrich­ tung möglich, z. B. entgegen oder mit der Strömungsrichtung.

Da die wärmetechnische Leistung eines Wärmetauschers von den an Wärmeübergängen beteiligten Flächen abhängt, kann eine kompakte Bauweise auch durch besondere Konstruktionsmaßnahmen erreicht werden, durch die sich die Tauscherleistung der be­ teiligten Flächen verbessern und somit die Flächen selbst ver­ kleinern lassen. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmetau­ scher dadurch erreicht, daß jeder Kanal an seiner Innenwandung die Innenoberfläche vergrößernde Vorsprünge aufweist. Auch da­ durch, daß die Höhe der außen an jeden Kanal angeformten Vor­ sprünge längs des Heizgasweges durch das Gehäuse anwächst, wird die im abströmenden Heizgas noch enthaltene Restwärme besser genutzt und an die Kanalwandungen bzw. an das im Kanal bzw. den Kanälen strömende Heizmedium abgegeben, wodurch wie­ derum die Kompaktheit der Bauform gesteigert wird.

In Abströmrichtung wird jeder Kanal enger, und zwar nimmt der Querschnitt längs des Strömungsweges auf 50% bis 70%, vorzugsweise 64% des anfänglichen Querschnittes ab. Entspre­ chend der Querschnittsverengung nimmt die Strömungsgeschwin­ digkeit in den Kanälen zu. Der Wärmübergang wird dadurch ver­ bessert und gleichzeitig eine örtliche Überhitzung vermieden, weil die Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen in ihren dem Brenner eines Heizkessels zugekehrten Bereichen am höchsten ist.

Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Wärmeübergänge, die zur Erreichung einer kompakten Bauweise ebenfalls bei­ trägt, sieht vor, daß der Abstand zwischen zueinander benach­ barten Außenvorsprüngen längs des Heizgasströmungsweges durch das Gehäuse abnimmt.

Jeder Außenvorsprung ist als zylinderischer Stift ausge­ bildet. Diese Formgebung kommt der Herstellung des Wärmetau­ schers als einteiliges Gußstück entgegen und ermöglicht eine wärmetechnisch wirkungsvolle Umsetzung des Merkmals abnehmen­ der Abstände durch eine konstruktiv einfache Lösung.

Bei einem Stiftdurchmesser von 10 mm kann der Abstand zwi­ schen den Stiften z. B. von 15 mm auf 12 mm, jeweils bezogen auf die Stiftmitte, abnehmen. Demzufolge werden bereits etwas ab­ gekühlte Heizgase mit einer größeren Anzahl von enger stehen­ den Stiften konfrontiert, d. h. die nutzbare Wärmetauscherflä­ che ist auf einfachste Weise vergrößert, wobei sich dies auf die angestrebte kompakte Bauweise des Wärmetauschers wiederum vorteilhaft auswirkt.

Bei einer optimalen Wärmeübertragung weist der derart aus­ gestaltete Wärmetauscher durch die Länge des Strömungsweges der Heizgase vom Brenner bis zur Austrittsseite aus dem Wärme­ tauscher weniger Bauhöhe auf, was schließlich auch zu einer gewünschten, weil vorteilhaften Gewichtsverminderung führt.

Nach einer anderen wärmetechnisch vorteilhaften Weiterbil­ dung ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher vorgesehen, daß die mit Vorsprüngen versehene Kanalaußenwand als wellige Fläche ausgeformt ist.

Eine wellige Grundfläche, von der die Vorsprünge, z. B. die Stifte, abstehen, erhöht die Turbulenz an den Wärmeübergangs­ flächen und damit auch die nutzbare Wärmeübertragung. Bei gleicher Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers können seine Abmessungen geringer ausfallen.

Durch die Kombination sämtlicher wärmetechnisch vorteil­ hafter Maßnahmen bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher wer­ den geringere und damit wünschenswert kompakte Bauabmessungen erreicht.

Dadurch, daß an wenigstens eine Gehäusewand Verteilerwege für die Zu- bzw. Ableitung von Heizmedium in bzw. aus den durchfluteten Kanälen der Tauscherblöcke, Stutzen für den An­ schluß von Heizungsvorlauf und -rücklauf und Anschlüsse für Meßwertgeber, z. B. Fühler, angeformt sind, sind die notwendi­ gen heizwasserseitigen Teile, die für die Funktion des Wärme­ tauschers in einem Kessel erforderlich sind, von vornherein in fertiger Anschlußsituation in den Wärmetauscher integriert. Zusätzliche Nachbearbeitung für die betriebsbereite Ausrüstung des Wärmetauschers können im wesentlichen entfallen. Die noch erforderliche Nachmontage ist vorteilhaft verringert. Besonders vorteilhaft ist jedoch die dadurch erreichbare Ver­ kleinerung der Baugröße, die durch in den Gußkörper eingear­ beitete Anschlüsse gewährleistet ist, weil diese nicht in bau­ raumbeanspruchender Weise angesetzt sind.

An das Gehäuse ist ferner ein Halterahmen für eine Kon­ denswasserauffangwanne und ein Anschlußrahmen für den die Heizgasquelle darstellenden Brenner angeformt. Dies wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die angestrebte Kompaktheit der Bau­ weise des Wärmetauschers bzw. des damit ausgerüsteten Kessels aus. Der Abstand (Ausbrandhöhe) zwischen der von Heizgasen an­ geströmten Oberkante der Tauscherblöcke und dem Brennerhalte­ rahmen beträgt etwa 60 bis 80 mm, vorzugsweise 70 mm.

Ein weiterer Vorteil, der ebenfalls die Kompaktheit des Wärmetauschers steigert, ergibt sich dadurch, daß an eine Ge­ häusewand ein erhabenes plattenförmiges Feld angeformt ist, an das elektrische Funktionsteile zur Brennerüberwachung als komplette Einheit montierbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Wärmetauschers,

Fig. 2 eine Ansicht des Wärmetauschers im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Wärmetauschers im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 3 mit an den Wärmetauscher angesetztem Brenner und unterer Kon­ denswasserauffangwanne,

Fig. 5 eine Draufsicht des Wärmetauschers,

Fig. 6 eine Fig. 2 entsprechend Ansicht des Wärmetau­ schers im Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 und

Fig. 7 die Ansicht der Einzelheit X in Fig. 1.

in Fig. 1 ist ein Wärmetauscher in einer Seitenansicht dargestellt. Sichtbar ist die Seitenwand 1 des Gehäuses 2 des Wärmetauschers mit oberem Gehäuserand 3, an den ein hier nicht weiter dargestellter Brenner montierbar ist. Unten hat das Ge­ häuse 2 einen angeformten Halterahmen 4 für die Anbringung ei­ ner hier ebenfalls nicht weiter dargestellten Kondenswasser­ auffangwanne.

An die Seitenwand 1 des Gehäuses 2 sind der Stutzen 6 für den Heizwasserrücklauf und der Stutzen 5 für den Heizwasser­ vorlauf angeformt. Daneben vorhandene weitere Stutzen 7 dienen dem Anschluß von z. B. Meßfühlern und dergleichen oder dienen als mit Blindstopfen verschließbaren Öffnungen, aus denen das für die Herstellung des als Gußteil ausgeformten Wärmetau­ schers erforderliche Kernmaterial ausschüttelbar ist.

In Fig. 2 ist der Wärmetauscher in einer Ansicht gezeigt, die einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 ent­ spricht. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen be­ zeichnet. In dem Gehäuse 2 des Wärmetauschers sind wasserfüh­ rende Kanäle ausgeformt, von denen hier lediglich ein Kanal zu sehen ist. In diesen tritt das kühlere Rücklaufwasser über den Stutzen 6 ein und durchflutet den aufgrund der Trennwände 8 mäanderförmig verlaufenden Kanal bis zum Austritt aus den Wär­ metauscher durch den als Anschluß des Heizungsvorlaufs dienen­ den Stutzen 5.

Innenseitig befindet sich hinter den Stutzen 5 und 6 je­ weils ein hier durch halbkreisförmige Linien angedeuteter Ver­ teilerweg 9 und 10. Die Verteilerwege 9 und 10 verteilen das durch den Rücklaufstutzen 6 zuströmende kalte Heizwasser auf die Kanäle des mehrflutigen Wärmetauschers bzw. sammeln das erwärmte Heizwasser, bevor es durch den oberen Vorlaufstutzen 5 in den Heizkreislauf eingespeist wird.

In Fig. 2 ist auch verdeutlicht, daß die Querschnitte der wasserführenden Kanäle längs des Strömungsweges des durchflu­ tenden Heizmediums auf etwa 64% des anfänglichen Querschnitts abnehmen.

Im Bereich des oberen Gehäuserandes 3 ist ein Anschlußrah­ men 11 für einen hier nicht weiter dargestellten Brenner ange­ formt.

Die an der linken Gehäusewand befindlichen Durchbrüche sind mit Blindstopfen verschließbar. Die Durchbrüche dienen dem Ausschütten von Kernmaterial bei der Entformung des als einstückigen Gußteil vorliegenden Wärmetauschers.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Wärmetauschers im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2. Fig. 3 verdeut­ licht, daß in dem Gehäuse 2, das von oben nach unten von Heiz­ gasen durchströmt wird, zwei Tauscherblöcke 12 und 13 in einer quer zur Strömung der Heizgase durch das Gehäuse ausgerichte­ ten Ebene nebeneinander im Gehäuse ausgeformt sind.

Die wasserführenden Kanäle sind deutlich sichtbar und durch ihre in Fig. 2 mit 8 bezeichneten Trennwände voneinander getrennt, so daß jeder Tauscherblock 12,13 mäanderförmig durchströmt wird.

Jeder Kanal weist an seiner Innenwandung die Innenoberflä­ che vergrößernde Vorsprünge 14 auf. Die von den Heizgasen um­ strömten Kanalwände weisen außen oberflächenvergrößernde Vor­ sprünge auf, die hier als konische Stifte 15 ausgebildet sind.

Die Höhe bzw. Länge der an jeden Kanal außen angeformten Vor­ sprünge bzw. Stifte wächst längs des Heizgasweges durch das Gehäuse 2 an. Dies ist bei den oberen Stiften 15′ bzw. 15′′, die sich in dem Brenner unmittelbar benachbarten Bereich be­ finden, deutlich zu sehen. Die Seitenwände des Gehäuses 2, die Stifte 15 und die Tauscherblöcke 12, 13 sind als einstückiges Gußteil ausgebildet.

Fig. 4 zeigt noch einmal eine Fig. 3 entsprechende An­ sicht, jedoch mit angesetztem Brenner 16 und unten ange­ flanschter Kondenswasserauffangwanne 17. Das Kondenswasser wird durch einen Ablauf 18 und das Abgas durch einen Abgas­ stutzen 19 abgeleitet.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht des mehrflutigen Wärmetau­ schers und verdeutlicht noch einmal die kompakte Bauweise in Form eines einstückigen Gußteils.

In Fig. 6 ist ein Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 dargestellt, wobei noch einmal die an die Gehäusewand 1 an­ geformten Verteilerwege und die Anordnung der in den Heizgas­ strom vorragenden Stifte 15 bzw. 15′ und 15′′ verdeutlicht ist. Der Abstand zwischen den Stiften kann in Richtung des Strömungsweges der Heizgase abnehmen, womit bereits etwas ab­ gekühlte Heizgase eine entsprechend höhere Anzahl von Stiften umströmen.

Fig. 7 zeigt die Einzelheit X in Fig. 1. An eine Gehäuse­ wand 1′ ist ein erhabenes plattenförmiges Feld 20 angeformt, an das elektrische Funktionsteile zur Brennerüberwachung als komplette Einheit montierbar sind. Dazu werden entsprechende Durchbrüche in dem plattenförmigen Feld durch spanabhebende Bearbeitung angebracht.

Claims (17)

1. Wärmetauscher, insbesondere für einen gasbeheizten Heizkessel, mit einem von Heizgasen durchströmten Gehäuse, in dem sich ein heizmediumdurchfluteter Kanal in einer die Strömung der Heizgase kreuzender bzw. entgegengesetzter Aus­ richtung befindet, dessen von Heizgasen umströmte Kanalwand außen oberflächenvergrößernde Vorsprünge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse (2) wenigstens ein zweiter heizmediumdurch­ fluteter Kanal integriert ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse (2) und Kanal in Form eines einteiligen Gußstückes vorliegen.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal in einem Tauscherblock (12, 13) mäanderähnlich verlaufend ausgebildet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere Tauscherblöcke (12, 13) in einer zur Strömung der Heizgase durch das Gehäuse (2) ausgerichteten Ebene neben­ einander im Gehäuse (2) befinden.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal an seiner Innenwandung die In­ nenoberfläche vergrößernde Vorsprünge (14) aufweist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der außen an jedem Kanal angeformten Vorsprünge längs des Heizgasweges durch das Gehäu­ se (2) anwächst.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder durchflutete Kanal in Abströmrich­ tung enger wird.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jedes Kanals längs des Strömungsweges des durchflutenden Heizmediums auf 50 bis 70%, vorzugsweise 64% des anfänglichen Querschnitts abnimmt.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zueinander benachbarten Außenvorsprüngen längs des Heizgasströmungsweges durch das Gehäuse abnimmt.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Außenvorsprung als zylinderischer Stift (15, 15′, 15′′) ausgebildet ist.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 und 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Stiften (15) längs des Heizgasströmungsweges bei einem Stiftdurchmesser von 10 mm von 15 mm Abstand auf 12 mm Abstand, jeweils bezogen auf die Stiftmitte, abnimmt.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , da­ durch gekennzeichnet, daß die mit Vorsprüngen (Stifte 15) versehene Kanalaußenwand als wellige Fläche ausgeformt ist.

13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer Gehäusewand (1) Verteilerwege (9, 10) für die Zu- bzw. Ableitung von Heizmedium in bzw. aus den durchfluteten Kanälen der Tauscherblöcke (12, 13), Stutzen (5, 6) für den Anschluß von Heizungsvorlauf und -rücklauf und Anschlüsse für Meßwertgeber, z. B. Fühler, angeformt sind.

14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß an das Gehäuse (2) ein Halterahmen (4) für eine Kondenswasserauffangwanne angeformt ist.

15. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an das Gehäuse (2) ein Anschluß­ rahmen (11) für den die Heizgasquelle darstellenden Brenner angeformt ist.

16. Wärmetauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Ausbrandhöhe) zwischen der von Heizgasen an­ geströmten Oberkante der Tauscherblöcke (12, 13) und dem Brenneranschlußrahmen (11) etwa 60 bis 80 mm, vorzugsweise 70 mm, ist.

17. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Gehäusewand ein erhabenes plattenförmiges Feld (20) angeformt ist, an das elektrische Funktionsteile zur Brennerüberwachung als komplette Einheit montierbar sind.