Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Rauchgasaustauscher, der Folienkarten umfasst, die sich
von einem ersten Ende bis zu einem zweiten Ende eines Mantels den Mantel entlang
und in dem Mantel erstrecken, und die in Blöcke angeordnet sind.
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DE 88 82 55 beschreibt einen Rauchgasaustauscher, der eine Kammer mit einem mit
Querrippen versehenen Rohr umfasst, das sich die Kammer entlang erstreckt. Das mit
Querrippen versehene Rohr umfasst Rippen, die auf einer länglichen Achse der
Kammer senkrecht stehen. Die Rippen sind mit Einläßen und Ausläßen für das Rauchgas
versehen. Die Ein- und Ausläße bestehen aus Kreisabschnitten, die eine abnehmende
oder zunehmende Höhe haben. Ein Kühlmedium erstreckt sich durch ein zentrales
Rohrleitungssystem des mit Querrippen versehenen Rohrs.
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Der in der obenerwähnten Schrift beschriebene Rauchgasaustauscher besitzt einige
Nachteile. Es ist mit hohen Kosten verbunden, ein mit Querrippen versehenes Rohr
herzustellen gleichzeitig damit daß die Herstellung zu einer spezifischen
Dimensionierung des Rauchgasaustauschers durchgeführt werden muß. Darüberhinaus hat ein
Rauchgasaustauscher mit einem mit Querrippen versehenen Rohr der obenerwähnten
Art mit Ein- und Ausläßen, die aus Kreisabschnitten bestehen, eine begrenzte
Kapazität. Das Rauchgas wird zu einem Zentrum des Mantels zugeführt und das Abkühlen
der Rippen muß durch Mittel des zentralen Rohrleitungssystems stattfinden, das eine
begrenzte Überfläche hat. Außerdem ist der Rippenwirkungsgrad schlecht in einem
mit äußeren Rippen versehenen Rohr. Schließlich hat ein Rohr, dessen Querrippen mit
Kreisabschnitten versehen sind, einen gewissen Strömungswiderstand für das
Rauchgas.
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JP,A,59-56089 beschreibt einen Wärmeaustauscher mit ring- und plattenförmigen
kühlenden Durchflußmitteln, die in ein ringförmiges Zwischenraum angebracht sind,
so daß sie in einer wärmeleitenden Weise zu der äußeren Wand des
wärmeüberführen
den Rohrs verbunden sind und an der inneren Wand eines äußeren Rohrs anliegen.
Jedes ring- und plattenförmige Durchflußmittel ist durch Laminierung einer Anzahl
von ihnen in vertikaler Richtung so angeordnet, daß sie eine Anzahl von ringförmigen
Durchflüßen formen können, während in dem ringförmigen Durchfluß die
ringförmigen Platten vorgesehen sind, die mit Flanschen mit kleineren Durchmessern als den
äußeren Durchmessern der ringförmigen Platten und gleich den inneren Durchmessern
von diesen versehen sind.
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Dieser Wärmeaustauscher hat den Nachteil daß der Durchfluß von Rauchgas durch
den Wärmeaustauscher sehr begrenzt ist wobei die Kapazität reduziert wird. Deshalb
beträgt der Bereich von Ein- und Ausläßen in den Durchflußmitteln ein sehr kleines
Vielfache der Größe eines Querschnittes von Kanälen zwischen angrenzenden
Durchflußmitteln. Außerdem hat der Wärmeaustauscher sowohl eigentliche Durchflußmittel
als auch ringförmige Platten ohne Ein- und Ausläße. Dies begrenzt noch den
Durchfluß von Rauchgas durch den Wärmeaustauscher und hierbei die Kapazität des
Wärmeaustauschers und gibt einen anderen Durchfluß von Rauchgas als z. B. mit DE 888
255 verglichen.
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Deshalb liegt es der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Rauchgasaustauscher anzugeben, der nicht die obenerwähnten Nachteile besitzt und
der deshalb die Möglichkeit von Abkühlen des Rauchgases vergrößert und den
Strömungswiderstand reduziert, um die Kapazität zu vergrößern.
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Diese Aufgabe ist durch einen Rauchgasaustauscher erzielt, wo die genannten
Folienkarten mit gegenseitigem Abstand angebracht sind und Kanäle zwischen beiliegenden
Karten bilden, jeder von den genannten Blöcken eine erste Karte mit einem
Durchbruch umfasst, der einen Einlauf bildet, und weitere Karten, wo jede mit einem
ersten Durchbruch, der einen Einlauf, alternativ einen Auslauf bildet, und einem
zweiten Durchbruch, der einen Auslauf, alternativ einen Einlauf bildet, versehen ist,
und von den genannten Blöcken ein letzter Block, der auch eine letzte Karte mit einem
Durchbruch umfasst, der einen Einlauf bildet, und die genannten Einläufe,
beziehungsweise Ausläufe, dazu bestimmt sind, einen Durchfluß eines Rauchgases von
dem ersten Ende des Mantels durch die Einläufe und Ausläufe der Karten bis zu dem
zweiten Ende des Mantels zu gestatten, und die genannten Einläufe, beziehungsweise
Ausläufe, Einlaufskammer, beziehungsweise Auslaufskammer bilden, die miteinander
durch Kanäle verbunden sind, und ein ganz offener Bereich von Einläufen und
Ausläufen in den Karten, der für jede Karte identisch ist, und das Vielfache von
zwischen 1,0 und 1,5, vorzugsweise 1, 1, der Größe eines Querschnittbereiches der
Kanäle zwischen beiliegenden Karten beträgt, und der offene Bereich der Einläufe,
alternativ der Ausläufe, sich verringert, und gleichzeitig der offene Bereich der
Ausläufe, alternativ der Einläufe, durch jeden Block in der bestimmten Richtung des
Rauchgasdurchflußes sich vergrößert.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Einläufe und Ausläufe in den Karten durch
Kreissektoren ersetzt, die sich von einem zentralen Teil zu einem äußeren Umkreis so
erstrecken, daß das Rauchgas auf den Mantel zugeführt wird.
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Durch Herstellung eines Rauchgasaustauschers mit diesen Kennzeichen erzielt man
einen Rauchgasaustauscher mit einem sehr niedrigen Strömungswiderstand. Dies
bedeutet, daß die Kapazität ausschließlich durch die physische Dimensionen des
Rauchgasaustauschers bestimmt wird und das Abkühlen in dem Rauchgasaustauscher
stattfindet und durch ungünstige Durchflußbedingungen in dem Rauchgasaustauscher
nicht begrenzt wird. Auch daß das Rauchgas zu dem Innenmantel zugeführt wird,
vergrößert die Wärmeaustauschung wesentlich.
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Die Karten sind vorzugsweise als individuelle Karten hergestellt, die auf einem
zentralen Steuerelement angebracht sind. Die Anzahl und die Dimensionen der Karten
können variieren, um den Rauchgasaustauscher mit verschiedenen Kapazitäten und
verschiedenen anderen physischen und thermischen Kennzeichen zu versehen. Das
bedeutet daß der Durchmesser und die Länge des Rauchgasaustauschers durch
Anwendung von Karten von einem anderen Durchmesser oder durch Anwendung von
einer anderen Anzahl von Karten geändert werden können.
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EP 0 571 881 beschreibt einen Wärmeaustauscher, der aus Folienkarten gebildet ist,
die in einem Block angeordnet sind. Die Karten umfassen Durchbrüche, die
Kreissegmente aufweisen. Die Karten sind in der Art angeordnet, daß zwei spiralförmige
Kanäle in dem Block gebildet werden. Der beschriebene Wärmeaustauscher kann für
sowohl flüssige als auch gasförmige Medien angewendet werden. US 3.731.733
beschreibt einen ähnlichen mit Karten geformten Wärmeaustauscher, die in Blöcken mit
je 2 Karten angeordnet sind. Diese Karten sind auch in der Art angeordnet, daß zwei,
alternativ drei, spiralförmige Kanäle in dem Block gebildet werden.
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Die Karten dieser Wärmeaustauscher haben die Nachteile, daß sie in ausreichendem
Grad nicht imstande sind, einen forcierten Durchfluß z. B. vom Rauchgas zu bilden.
Es ist die Aufgabe des beschriebenen Wärmeaustauschers, den Strömungswiderstand
zu reduzieren. Ein mit der bekannten Technik etablierter spiralförmiger Kanal wird
jedoch nicht in einem ausreichenden Grad ein passendes Abkühlen des Rauchgases
sichern, da dieses durch einen kurzen Kanal mit einem großen Durchflußquerschnitt
geführt wird, was zu einem hohen Verhältnis zwischen der Querschnittfläche der
Kanäle zwischen den Karten und der Fläche der Einläufe und Ausläufe der Karten
führt. Darüberhinaus sind die Karten von EP 0 571 881 nicht mit einem aktuellen
Einlaß und Auslaß versehen aber tragen in der Formung der spiralförmigen Kanäle
bei. Zwei Durchbrüche bilden somit zwei Kanalsysteme. Außerdem ist der
Materialverbrauch sehr hoch im Vergleich zu dem Wärmetransmissionsbereich, und die
Oberfläche in den Kanälen ist eckig, was den Strömungswiderstand vergrößert.
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Karten, in denen Einläufe und Ausläufe aus Kreissektoren bestehen, haben den
Vorteil, daß das Rauchgas zu äußeren Bereichen der Rippen zugeführt wird. Abkühlen der
Rippen kann so auf dem Mantel stattfinden, der eine wesentlich größere Oberfläche
als irgendeines zentrales Rohr hat. Der Mantel und die Rippen entsprechen einem
Rohr mit internen Rippen als Gegensatz zu einem Rohr mit externen Rippen, in dem
das Abkühlen auf dem mit kleiner Oberfläche ausgestatteten internen Rohr stattfindet.
Dies vergrößert die Kapazität des Rauchgasaustauschers, und auch der
erfindungsgemäße Rauchgasaustauscher mit einer gegebenen Kapazität hat wesentlich kleinere
Dimensionen als die gekannten Rauchgasaustauscher mit derselben Kapazität.
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Die Kreissektoren helfen den niedrigen Strömungswiderstand erzielen. Die
Kreissektoren variieren in Größe in der Art, daß es in einem Block von Karten eine konstante
Reduzierung der offenen Fläche der Einläufe gibt, während es gleichzeitig eine
konstante Ausweitung der offenen Fläche der Ausläufe durch den Block gibt. Die
Totalfläche von Einläufe und Ausläufe ist identisch für jede Karte.
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Eine einfache Weise zur Herstellung der Kreissektoren in jeder Karte ist die
Anwendung von einem Stanzwerkzeug, das die Form eines Kreissektors hat und mit
einem Winkel, der dem in einer Karte zu machenden kleinsten Sektor entspricht.
Andere Kreissektoren werden als das Vielfache des kleinsten Sektors hergestellt durch
Anwendung desselben Stanzwerkzeuges und einfach durch Durchführung einer
Anzahl von angrenzenden Stanzen, die dem angeforderten Vielfachen des kleinsten
Sektors entspricht. Die Karten einer bevorzugten Ausführung werden aus Aluminium
hergestellt.
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Der erfindungsgemäße Rauchgasaustauscher kann in vielen Zusammenhängen
angewendet werden, z. B. als Wärmeaustauscher von einer Brennstoffvorrichtung in
einer Zentralheizungsanlage. Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen
Rauchgasaustauscher für verschiedene Fahrzeuge anzuwenden.
Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird jetzt in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben, wo
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Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführung eines erfindungsgemäßen
Rauchgasaustauschers ist,
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Fig. 2 Planabbildungen der erfindungsgemäßen Karten ist,
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Fig. 3 Seitenabbildung einer erfindungsgemäßen Karte ist, und
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Fig. 4 eine Planabbildung eines Blockes mit mehreren erfindungsgemäßen Karten
ist.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführung eines erfindungsgemäßen
Rauchgasaustauschers. Der Rauchgasaustauscher umfasst einen Frontdeckel 1 und
einen hinteren Deckel 2. Ein Innenmantel 3 und ein Außenmantel 4 erstrecken sich
zwischen den Deckeln 1, 2. Eine Kammer 5 zwischen dem Innenmantel 3 und dem
Außenmantel 4 ist durch Dichtungen 6, 7 versiegelt, die an den Deckeln 1, 2 anliegen.
Ein Einlauf 8 für Rauchgas erstreckt sich durch den Innenmantel 3 und den
Außenmantel 4. Der Einlauf 8 kann alternativ in dem Frontdeckel 1 vorgesehen werden. Ein
entsprechender Auslauf 9 für das Rauchgas erstreckt sich durch den hinteren Deckel 2.
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Folienkarten 10 sind in Blöcken 11 angeordnet, die sich durch den Innenmantel 3
erstrecken. In der gezeigten Ausführung umfasst der Rauchgasaustauscher acht Blöcke
11 mit je acht beiliegenden Karten 10. Durchbrüche 20-34 (Siehe Fig. 2A-2H) bilden
eine Einlaufskammer 35 und eine Auslaufskammer 36 für jeden Block 11. Die
Einlaufskammer und die Auslaufskammer sind mit Schraffierung markiert. Die Karten 10
werden auf ein Steuerelement 13 angebracht, das sich durch die Durchbrüche in einem
zentralen Teil der Karten 10 (Siehe Fig. 2) erstreckt. Das Steuerelement 13 hat
vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt, und die Durchbrüche in den Karten haben
einen entsprechenden rechteckigen Querschnitt (Siehe Fig. 2). Die Karten 10 sind
dabei verhindert, um das Steuerelement 13 zu rotieren. Das Steuerelement 13 ist an dem
hintersten Deckel 2 mit Hilfe von dazu geeigneten Mitteln (nicht gezeigt) befestigt.
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Ein mit Hilfe von Flow-Linien 14 illustriertes Rauchgas, erstreckt sich durch den
Rauchgasaustauscher von dem Einlauf 8 bis zu dem Auslauf 9. Das Rauchgas passiert
die Karten 10, die alle, von einer vorderen Karte und einer hinteren Karte
ausgenommen, mit sowohl einen Einlauf als auch einen Auslauf (Siehe Fig. 2A-2H) vorgesehen
sind. Der Einlauf und der Auslauf sind in den Karten so gebildet, daß das Rauchgas an
den Innenmantel 3 zugeleitet wird. Die vordere Karte ist mit einem Einlauf
vorgesehen, und die hintere Karte ist nur mit einem Auslauf vorgesehen.
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Die Kammer 5 zwischen dem Innenmantel 3 und dem Außenmantel 4 ist dazu
bestimmt, ein Kühlmedium zum Abkühlen des Rauchgases zu enthalten, das sich durch
den Rauchgasaustauscher erstreckt. Ein Einlauf (nicht gezeigt) und ein Auslauf (nicht
gezeigt) leiten das Kühlmedium in die Kammer. Das Kühlmedium ist vorzugsweise
eine Flüssigkeit wie Wasser. Das Rauchgas wird abgekühlt, und das Kühlmedium
wird erwärmt und kann nachfolgend als Erwärmungsmedium z. B. in einem
Värmeaustauscher in einer Zentralheizungsanlage angewendet werden.
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Fig. 2A-2H zeigen erfindungsgemäße Karten 10 in einer Planabbildung gesehen. In
der Figur sind acht verschiedene Karten 10 abgebildet, die den acht Karten
entsprechen, aus denen jeder Block 11 (Siehe Fig. 1) besteht. Die Karten 10 umfassen einen
flachen Teil 15 und alle, von einer ersten Karte ausgenommen, sind mit Durchbrüchen
versehen, die Einläufe und Ausläufe ausmachen. Die Einläufe und die Ausläufe
werden im großen ganzen von einem Kreissektor ausgemacht, der sich von einem
zentralen Teil 16 jeder Karte 10 bis nah zu einer äußeren Peripherie der Karte erstreckt. Der
zentrale Teil 16 jeder Karte ist mit einem Durchbruch 18 mit einem rechteckigen
Querschnitt versehen. Das Steuerelement 13 (Siehe Fig. 1) ist dazu bestimmt, sich durch
die Durchbrüche 18 in jeder Karte 10 zu erstrecken. Die äußere Peripherie entlang ist
jede Karte mit einem Flansch 19 (Siehe Fig. 3) versehen.
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Eine in Fig. 2A gezeigte erste Karte ist mit einem ersten Durchbruch 20 versehen, der
einen Einlauf, alternativ einen Auslauf ausmacht. Es hängt davon ab, in welchem
Block 11 die Karte 10 angebracht ist, inwieweit der Durchbruch 20 einen Einlauf oder
einen Auslauf (Siehe Fig. 1) ausmacht. Wenn die Karte 10 in einem ersten Block,
einem dritten Block, einem fünften Block etc. von links in Fig. 1 gesehen angebracht
wird, macht der Durchbruch einen Einlauf aus. Wenn die Karte in einem zweiten
Block, einem vierten Block, einem sechsten Block etc. von links in Fig. 1 gesehen
angebracht wird, macht der Durchbruch einen Auslauf aus.
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Die Durchbrüche in den Karten 10 sind durch Ausstanzen mit einem Stanzwerkzeug
mit der Form eines kleinsten Durchbruchs hergestellt. Die größeren Durchbrüche
machen alle ein Vielfaches des kleinsten Durchbruches aus. Ein und dasselbe Werkzeug
kann somit zu allen Durchbrüchen dadurch angewendet werden, mehrere beiliegenden
Ausstanzen vorzunehmen, die dem Vielfachen des kleinsten das betreffende
Durchbruch ausmachenden Ausstanzens entspricht. Es ist nur notwendig, fünf
ver
schiedene Karten herzustellen, um acht Karten wie in der Figur gezeigt vorzubringen,
da die Karten in Fig. 2B, 2C beziehungsweise 2D mit den Karten in Fig. 2F, 2G
beziehungsweise 2H identisch sind, nur 180º in Verhältnis zueinander rotiert.
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Die erste Karte ist wie erwähnt mit einem ersten Durchbruch 20 versehen. Der
Durchbruch stellt einen Kreissektor mit einem Winkel von 100º dar. Eine zweite Karte
ist mit einem ersten Durchbruch 21, der einen Kreissektor mit einem Winkel von 87,5º
darstellt, und mit einem zweiten Durchbruch 22 versehen, der einen Kreissektor von
12,5º darstellt. Eine dritte Karte ist mit einem ersten Durchbruch 23, der einen
Kreissektor mit einem Winkel von 75º darstellt, und einem zweiten Durchbruch 24
versehen, der einen Kreissektor von 25º darstellt. Eine vierte Karte ist mit einem ersten
Durchbruch 25, der einen Kreissektor mit einem Winkel von 62,5º darstellt, und
einem zweiten Durchbruch 26 versehen, der einen Kreissektor von 37,5º darstellt. Eine
fünfte Karte ist mit einem ersten Durchbruch 27, der einen Kreissektor mit einem
Winkel von 50º darstellt, und einem zweiten Durchbruch 28 versehen, der einen
Kreissektor von 50º darstellt. Eine sechste Karte ist mit einem ersten Durchbruch 29,
der einen Kreissektor mit einem Winkel von 37,5º darstellt, und einem zweiten
Durchbruch 30 versehen, der einen Kreissektor von 62,5º darstellt. Eine sechste Karte
ist mit einem ersten Durchbruch 31, der einen Kreissektor mit einem Winkel von 25º
darstellt, und einem zweiten Durchbruch 32 versehen, der einen Kreissektor von 75º
darstellt. Eine sechste Karte ist mit einem ersten Durchbruch 33, der einen Kreissektor
mit einem Winkel von 12,5º darstellt, und einem zweiten Durchbruch 34 versehen, der
einen Kreissektor von 87,5º darstellt. Die totale offene Fläche der Durchbrüche, die
Einläufe und Ausläufe bilden, ist identisch für jede Karte.
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Fig. 3 zeigt eine Karte in einer Seitenabbildung gesehen. Die Karte hat wie erwähnt
einen flachen Teil 15 mit dem zentralen Teil 16, in dem der Durchbruch 18
vorgesehen ist. Die äußere Peripherie 17 entlang ist die Karte mit dem Flansch 19 versehen.
Der Durchbruch 18 in dem zentralen Teil 16 ist auch mit einem Flansch versehen. Der
Flansch 19 die äußere Peripherie 17 entlang bringt der Karte 10 Steifheit bei,
gleichzeitig damit daß ein Abstand a zwischen den beiliegenden Karten in einem Block 11
(Siehe Fig. 1) gebildet wird. Der Flansch 19 ist dazu bestimmt, in einer
Anwendungssituation an dem Innenmantel 3 anzuliegen.
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Fig. 4 zeigt einen Block 11, der aus acht Karten wie in Fig. 2 illustriert besteht. Die
Karten 10 sind in dem Block 11 so angeordnet, daß der flache Teil 15 der ersten Karte
an dem Flansch 19 auf einer beiliegenden zweiten Karte anliegt. Die Einläufe,
alternativ Ausläufe, sind illustriert. Es geht hervor, daß die offene Fläche der Einläufe,
alternativ Ausläufe, abnimmt, je länger durch den Block 11 das Rauchgas passieren
muß. Gleichzeitig vergrößert sich die offene Fläche der Ausläufe, alternativ der
Einläufe. Diese sind nicht illustriert. Die Kanäle 12 haben eine Querschnittsfläche A, die
mit der Ebene der Figur in der Richtung nach oben oder nach unten gesehen parallel
ist. Die Querschnittsfläche A ist als den Abstand a zwischen den Karten (Siehe Fig. 3)
bestimmt, der mit einer Erstreckung b der Karten vervielfacht ist. Die Erstreckung b
ist in der gezeigten Ausführung gleich der diametrale Abstand der Ebenen, der von
einer Erstreckung c des Steuerelementes subtrahiert ist. Die gesamte offene Fläche
jeder Karte ist gleich die Querschnittsfläche A jeder Kammer 12 (Siehe Fig. 1), die
durch einen Faktor von zwischen 1,0 und 1,5, vorzugsweise 1,1 multipliziert ist.
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Die Erfindung ist oben mit Bezug auf eine spezifische Ausführung eines
erfindungsgemäßen Rauchgasaustauschers und spezifische Ausführungen für Karten beschrieben
worden. Es wird möglich sein, alternative Ausführungen für sowohl
Rauchgasaustauscher als auch Karten anzuwenden. Der Rauchgasaustauscher kann
somit eine andere Anzahl Blöcke von Karten als acht enthalten, so wie die Anzahl von
Karten in jedem Block eine andere als acht sein kann. Die Karten können außerdem
eine andere Ausformung als kreisförmig haben, so wie der gegenseitige Abstand
zwischen den Karten auf einer anderen Weise als durch einen Flansch vorgesehen
werden kann.