DE69708354T2

DE69708354T2 - Aus Leichtmetall gegossener, im wesentlichen zylindrischer Wärmetauscher

Info

Publication number: DE69708354T2
Application number: DE69708354T
Authority: DE
Inventors: Jan Hubertus Deckers
Original assignee: INTERDOMO DE DIETRICH HEIZTECH; Riello SpA
Current assignee: INTERDOMO DE DIETRICH HEIZTECH; Riello SpA
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: EP0794392A1; DE69708354D1; EP0794392B2; DK0794392T4; DK0794392T3; ATE209323T1; EP0794392B1; NL1002561C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher. Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der französischen Patentschrift 854 120 bekannt.
Die FR 854 120 offenbart einen Wärmetauscher mit einer geschlossenen zylindrischen Innenwand, die einen Brennerraum einschließt, wobei ein Wasserkanal um die Innenwand zwischen der Innenwand und einer Außenwand gebildet ist. Auf einer Seite des Wasserkanals ist ein Einlass vorgesehen und auf der anderen Seite ein Auslass. Der Einlass und der Auslass sind diametral angeordnet. Der Wasserkanal ist mit einer offenen Oberseite hergestellt, die nach dem Entfernen des entsprechenden Formteils geschlossen wird. Der Wasserkanal ist durch eine einzige Kammer gebildet, welche die Brennerkammer vollständig umschließt. Von der Innenwand erstreckt sich eine Anzahl von Rippen in radialer Richtung, um die Wärmetauschfläche zu vergrößern.
Dieser bekannte Wärmetauscher besitzt einen einfachen Aufbau, hat jedoch den Nachteil, dass der Wasserstrom zwischen dem Einlass und dem Auslass im wesentlichen frei ist. Die effektive Länge des Wasserkanals zwischen dem Einlass und dem Auslass entspricht in etwa der halben Umfangslänge der Innenwand bzw. der Außenwand. Dies führt während des Einsatzes zu einem schlechten Wärmeübergang zwischen erhitzten Gasen und Wasser in dem Wasserkanal.
Ein weiterer Wärmetauscher ist aus der europäischen Patentschrift EP-A-0 547 641 bekannt.
Dieser bekannte Wärmetauscher umfasst zwei kastenförmige Teile, die aneinander angebracht sind, wobei die offenen Seiten aufeinander zu weisen unter Einschluss eines Brennerraums. Jedes Teil umfasst auf derjenigen Seite, die zum Brennerraum weist, eine Anzahl von Reihen und Spalten von Vorsprüngen, die den Wärmeübertragungsbereich vergrößern, wobei diese Vorsprünge sich stets in derselben Richtung auf einander zu im montierten Zustand des Wärmetauschers erstrecken, und wobei ihre freien Enden in etwa aneinander anliegen. An der Außenseite entfernt von den Vorsprüngen umfasst jedes Teil einen Wasserkanal, der sich ausgehend vom Boden nach oben zick- zack-förmig erstreckt. Die Lateralseiten des Wärmetauschers sind durch im wesentlichen geschlossene flache Wände gebildet. Während des Einsatzes werden mittels eines Brenners erhitzte Verbrennungsgase von der Oberseite des Wärmetauschers ausgehend durch den Brennerraum entlang den Vorsprüngen geleitet, während Wärme zu den Vorsprüngen übertragen wird. Die Vorsprünge übertragen die Wärme auf Wasser, welches durch die Wasserkanäle strömt. Dieser bekannte Wärmetauscher ist einfach herstellbar, kompakt und im Einsatz praktisch und er weist einen günstigen Wirkungsgrad auf.
Dieser bekannte Wärmetauscher hat einen Nachteil, demnach der Wärmeübertragungsbereich relativ klein ist im Vergleich zu den Abmessungen des Wärmetauschers. Infolge hiervon ist der Wirkungsgrad nicht optimal. Ein Wasserkanal erstreckt sich ausschließlich auf beiden Seiten des Wärmetauschers, wobei die anderen Seiten frei sind und als Abstrahlfläche zur Umgebung wirken, so dass Wärme verloren geht, insbesondere dann, wenn keine oder unzureichende Isolationsmaßnahmen getroffen sind. Die Vorsprünge sind so angeordnet, dass sie die Wärme in günstiger Weise zu dem einen oder jedem Wasserkanal übertragen, was bedeutet, dass sie sämtliche mit den Teilen von jedem Wärmetauscherteil verbunden sind, der zum Wasserkanal weist. Während des Einsatzes können infolge der Differenz der Wärmeübertragung der verschiedenen Teile des Wärmetauschers Spannungen in dem Material auftreten, die zur Beschädigung oder sogar zu einem Bruch führen können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher, der durch die Merkmale des Oberbegriffs des Hauptanspruchs festgelegten Art zu schaffen, bei dem die vorstehend angeführten Nachteile überwunden sind, während die Vorteile dieser Wärmetauscher beibehalten sind. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher in Übereinstimmung mit der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
Die im wesentlichen zylindrische Form des Wärmetauschers erbringt ein günstiges Verhältnis zwischen dem Inhalt und der Wandfläche des Wärmetauschers. Darüber hinaus erstreckt sich der Wasserkanal entlang zumindest nahe zu der gesamten Außenseite des Wärmetauschers, so dass die Wärme der Verbrennungsgase optimal genutzt und die Wärmestrahlung zur Umgebung minimiert wird. Während des Einsatzes verhält sich der Wärmetauscher so, als ob er durch einen Wassermantel isoliert wäre. Da darüber hinaus die die Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Elemente sich einwärts ausgehend von der Innenwand erstrecken, während sie entlang dem gesamten Innenumfang des Abschnitts von zumindest einem Teil des Wärmetauschers verteilt sind, wird die Wärme von den Verbrennungsgasen optimal aufgenommen und über den gesamten Umfang der Innenwand verteilt und dadurch auf den Wasserkanal übertragen. Folglich werden deutliche Temperaturdifferenzen über die Innenwand in einfacher Weise verhindert. Ein Wärmetauscher in Übereinstimmung mit der Erfindung kann einfach hergestellt werden und eingesetzt werden, und er ist wirtschaftlich herstellbar, nutzbar und wartbar.
Während der Herstellung des Wärmetauschers hat der Wasserkanal, der um die Innenwand spiralförmig gewickelt bzw. geschlungen ist, den Vorteil, dass der Gusskern oder die Gusskernteile problemlos davon entfernt werden können, weil darin keine oder zumindest wenig Biegungen vorliegen. Der Wasserkanal erstreckt sich in strömender Weise wie eine Schlange um die zylindrische Innenwand. Dies verhindert, dass Kernmaterial. beispielsweise Sand, Wachs oder Kunststoff, hinter Teilen des Wasserkanals verbleiben und Bewuchs bilden sowie die Vorrichtung beschädigen. Während des Einsatzes hat der spiralförmig gewickelte Wasserkanal den Vorteil, dass der Wasserwiderstand des Wärmetauschers gering ist, zumindest geringer als im Fall eines Wasserkanals, der sich zick-zack-förmig erstreckt. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erzielt, dass eine Wasserpumpe geringerer Kapazität verwendet werden kann, dass eine genauere Steuerung erzielt werden kann, dass ein längerer Wasserkanal oder mehr Energie genutzt werden kann und dergleichen Vorteile. Der Wasserkanal kann außerdem einfacher gereinigt werden und Bewuchs wird einfacher daran gehindert, in dem Wasserkanal während des Einsatzes zu haften.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung eines spiralförmig gewickelten Wasserkanals besteht darin, dass ein Gusskern, der für diesen erforderlich ist, in einer Form einfacher angebracht und getragen werden kann, so dass die Herstellung eines derartigen Wärmetauschers einfacher ist, insbesondere deshalb, weil die Anzahl von Kernlöchern in dem Wasserkanal, die nach dem Gussvorgang endbearbeitet und abgedichtet werden müssen, kleiner ist als im Fall der bekannten Wärmetauscher.
Mit einem einzigen Kernträger können beispielsweise zwei Windungen des Wasserkanals, die nebeneinander zu liegen kommen, in jedem Fall getragen bzw. abgestützt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher in Übereinstimmung mit der Erfindung außerdem gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 2.
Ein einstückig ausgebildeter Wärmetauscher hat den Vorteil, dass dies weniger Montagevorgänge während der Herstellung einer Heizvorrichtung erfordert, die mit ihm erstellt wird, und dass darüber hinaus Dichtungsprobleme von Teilen eines Wärmetauschers vermieden werden. Ein derartiger Wärmetauscher ist deshalb kostengünstiger und zuverlässiger bei der Herstellung und dem Einsatz.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wärmetauscher in Übereinstimmung mit der Erfindung außerdem durch die Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet.
Ein derartiger Wärmetauscher kann wie folgt hergestellt werden. Mittels einer Form wird ein Gusskern für den Wasserkanal gebildet durch Bilden eines Gusses des Wasserkanals in beispielsweise Formsand oder Wachs. Dieser Gusskern wird daraufhin in beispielsweise zwei Teilen aus der oder jeder Form entfernt und als nächstes werden die Teile miteinander verbunden, um einen vollständigen ersten Gusskern zu bilden. Wenn die Wände des Wasserkanals sich vollständig spiralförmig und ohne die vorstehend genannten Räumräume dazwischen um die Innenwand erstrecken würden, würden die Kernteile während der Entfernung beschädigt werden, weil ein Teil von ihnen hinter einem Nichträumteil von jeder Windung bzw. Wicklung dieser Wand stecken bleiben würde. Durch Bereitstellen der Räumräume auf den Teilungssaum des ersten Kerns, d. h. auf dem Niveau der oder jeder Fläche, die die Kontaktfläche zwischen den Gusskernteilen bildet nach der Entfernung der oder jeder Form und der Verbindungsstelle der Gusskernteile zur Bildung des ersten Gusskerns, so dass jeder Gusskernteil in etwa in radialer Richtung heraus ziehbar ist, kann jeder Gusskernteil beschädigungsfrei entfernt werden. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass ein unbeschädigter erster Gusskern einfach erzielt werden kann, ohne dass beispielsweise Gleitteile oder Teile erforderlich werden, die anderweitig in der oder jeder Form bewegt werden können.
Eine erste weitere Ausführungsform, wie etwa ein Wärmetauscher in Übereinstimmung mit der Erfindung, ist durch die Merkmale des Anspruchs 4 gekennzeichnet. In dieser Ausführungsform ist der Wasserkanal tatsächlich im wesentlichen vollständig spiralförmig gewickelt und die Räumräume sind gebildet durch Profile auf der Wasserkanalwand. Selbstverständlich ist es tatsächlich möglich, den Wasserkanal so bereitzustellen, dass er abwechselnd relativ zur Längsachse des Wärmetauschers geneigt und rechtwinklig verläuft, so dass der rechtwinklige Teil in jedem Fall einen Raum bildet, der in tangentialer Richtung gereinigt werden kann. Dies erzeugt eine geringfügig größere Anzahl von Biegungen in dem Wasserkanal. Diese Biegungen können jedoch relativ schwach ausgeprägt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wärmetauscher in Übereinstimmung mit der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 5 gekennzeichnet.
In dieser Ausführungsform können ein Gusskern für zumindest den Brennerraum, die den Wärmeübertragungsbereich vergrößern den Elemente und die Innenwand in einer insbesondere einfachen Weise gebildet werden, ohne dass dies bewegliche Teile in der Form erfordern würde. Außerdem können die den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elemente dadurch problemlos und optimal über die Oberfläche der Innenwand verteilt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen eines Wärmetauschers in Übereinstimmung mit der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Gusskern- bzw. Gießkernvorrichtung zum Herstellen eines Wärmetauschers in Übereinstimmung mit der Erfindung, und diese Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 9 gekennzeichnet.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Heizvorrichtung mit einem Wärmetauscher in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Zur Erläuterung der Erfindung werden beispielhafte Ausführungsformen eines Wärmetauschers und einer Heizvorrichtung nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen erläutert; in diesen zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Seitenaufrissansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
Fig. 2 eine geschnittene Draufsicht eines Wärmetauschers entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine geschnittene Draufsicht einer Gusskernvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung,
Fig. 4 eine Seitenaufrissansicht eines Gusskernteils für einen Wasserkanal nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4A eine Einzelheit eines Räumraums in einem Wasserkanal in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 4B eine Einzelheit eines Räumraums in einem Wasserkanal in einer zweiten Ausführungsform, und
Fig. 5 eine geschnittene Seitenaufrissansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
Fig. 1 und 2 zeigen Schnittansichten eines Wärmetauschers 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung. Der Wärmetauscher 1 umfasst eine zylindrische Innenwand 2 und eine Außenwand 3, die um die Innenwand 2 konzentrisch angeordnet ist. Enthalten zwischen der Innenwand 2 und der Außenwand 3 befindet sich eine spiralförmige Wasserkanalwand 4, wobei ein spiralförmiger Wasserkanal 5 auf der Außenseite der Innenwand 2 gebildet ist. Von der Innenseite der Innenwand 2 erstrecken sich Vorsprünge 6 zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche bzw. des -bereichs einwärts in versetzten Reihen bzw. Zeilen und/oder Spalten und etwa in rechtwinklig zu der Längsrichtung des Wärmetauschers 1. Die Form und die Positionen der Vorsprünge 6 sind nachfolgend erläutert. Der Wärmetauscher 1 ist einstückig durch Gießen gebildet und ist hergestellt aus Leichtmetall. Leichtmetall bedeutet vorliegend zumindest Aluminium und Aluminiumlegierungen, Messing und Messinglegierungen.
Der Wärmetauscher 1 weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf, was bedeutet, dass ein optimales Verhältnis erzielt ist zwischen Inhalt und Wärmeübertragungsfläche. Der Wärme tauscher 1 wird mittels eines Gusskern- bzw. Gießkernaufbaus 7 gebildet, wie in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 ist ein Viertel des Gusskernaufbaus 7 weggelassen. Zugunsten der Klarheit ist dieses Vierteil bezüglich seines Umrisses in schematisch durchbrochenen Linien gezeigt. Der Gusskernaufbau 7 ist ein solcher, der während oder nach dem Gießen des Wärmetauschers 1 verloren geht, und er ist beispielsweise aus Sand, Wachs oder Kunstharzmaterial, wie etwa Polystyrol, oder aus Kombinationen hieraus gebildet. Teile, wie etwa Gleitstücke können selbstverständlich enthalten sein, und diese können, falls erforderlich, wieder verwendet werden.
Der Gusskernaufbau 7 umfasst einen äußeren Kasten B, in welchem die Form der Außenseite des Wärmetauschers 1 im wesentlichen festgelegt ist. Der Gusskernaufbau 7 umfasst außerdem einen Innenkern 8 und einen Wasserkanalkern 9. Diese Kerne sind nachfolgend erläutert.
Der Innenkern 8 kann in Abschnitten hergestellt und daraufhin aus diesen Teilen montiert werden, oder es kann sich bei ihm um eine einteilige Konstruktion handeln. Die stückweise Herstellung des Innenkerns 8 hat den Vorteil, dass die hierfür erforderliche Anlage relativ kostengünstig ist, während hingegen die Prozessführungskosten, die damit verbunden sind, relativ hoch sind. Zur einteiligen Herstellung des Innenkerns ist eine relativ teure Anlage erforderlich; ein derartig hergestellter Innenkern 8 erfordert jedoch relativ wenig an Endbearbeitung.
In der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform besteht der Innenkern 8 aus vier Sektoren I bis IV, die als Segmente 10 bezeichnet werden. Jedes Segment 10 umfasst ein Viertel der Sektion des Raums 11, der in der Innenwand 2 eingeschlossen ist, wobei die gegenüberliegenden Sektoren I und III im wesentlichen spiegelsymmetrisch sind, ebenso wie die gegenüberliegenden Sektoren II und IV. Die vier Sektoren I bis IV können jedoch zueinander gleich sein, in welchem Fall für die Herstellung der Sektoren eine einzige Form ausreicht, wobei außerdem Fehler während der Montage des Innenkerns 8 vermieden werden. Jeder Sektor I bis IV umfasst eine große Anzahl von Vorsprüngen 6, die sich im wesentlichen parallel zueinander rechtwinklig zur Längsrichtung des in Rede stehenden Sektors I bis IV erstrecken. Die Vorsprünge 6 erstrecken sich derart, dass sie derart zurückgezogen werden können, dass der in Rede stehende Sektor nach seiner Ausbildung aus einer für die Ausbildung verwendeten Form in Richtung des Längsrands C herausgezogen werden kann, der in einem Verbund-Innenkern 8 in Richtung auf die anderen Sektoren gerichtet ist. Ein derartig gebildetes Segment 10 besitzt deshalb in etwa die Form eines Kreisviertels und weist in der konvexen Außenseite 12 eine große Anzahl von parallelen Eintiefungen 13 auf, von denen jede die Form der Vorsprünge 6 aufweist, die gebildet werden sollen.
Die Seitenflächen 14 der Sektoren I bis IV, d. h. die Seiten bzw. Flächen, die in dem Verbund-Innenkern 8 aneinander anliegen, sind unregelmäßig geformt. Eine Anzahl von Eintiefungen 13' erstreckt sich über die (fiktive) Begrenzungslinie 15 des Viertelkreises hinaus, der durch den relevanten Sektor 10 eingeschlossen ist. Diese sich darüber hinaus erstreckenden Eintiefungen 13' sind derart vorgesehen, dass sie in einem Verbund-Innenkern 8 zwischen Eintiefungen 13 in der anschließenden Seitenfläche 14 des benachbarten Sektors zu liegen kommen. Dies bedeutet, dass in dem gegossenen Wärmetauscher 1 eine Anzahl von Vorsprüngen 6 sich in der Position kreuzen, wo zwei Sektoren des Verbund-Innenkerns 8 aneinander während des Gussvorgangs anliegen. Eine geeignete Dichte von Vorsprüngen 6 auf den unterschiedlichen Teilen der Innenwand 2 wird dadurch erhalten, wodurch während des Einsatzes keine deutlichen Differenzen der Wärmeübertragung erzeugt werden, was im Hinblick auf Wärmetechnik und Konstruktion von Vorteil ist.
Die Sektoren I bis IV werden mit den Seitenflächen 14 verklebt oder anderweitig mit diesen vereinigt, um den in Fig. 3 gezeigten Verbund-Innenkern 8 zu erzeugen. In der gezeigten Ausführungsform sind vier Sektoren I bis IV vorgesehen; selbstverständlich kann eine hiervon unterschiedliche Anzahl ebenso gewählt werden wie beispielsweise zwei halbkreisförmige Sektoren oder mehr als vier, was vorteilhaft sein kann, insbesondere für den Fall relativ großer Abmessungen des Wärmetauschers. Die Richtung der Vorsprünge 6 muss stets abhängig von der Anzahl von Sektoren gewählt werden.
Wenn ein Innenkern 8 einstückig hergestellt wird, wird ein Werkzeug mit verschiedenen beweglichen Teilen (in der dargestellten Ausführungsform vier Teilen) verwendet. In der Ausgangssituation wird ein Zylinder, wobei sich Vorsprünge einwärts in dem gewünschten Muster erstrecken, beispielsweise mit Formsand gefüllt, der daraufhin aushärten gelassen wird. Daraufhin werden die Vorsprünge auswärts in Segmente eingefahren, bis sie sich vollständig außerhalb des Formsands erstrecken. Zu diesem Zweck kann der Zylinder in vier Quadranten unterteilt sein, von denen jeder Vorsprünge 6 aufweist, die fest mit ihnen verbunden sind, und zwar in Übereinstimmung mit den Segmenten I bis IV des segmentierten Innenkerns 8. Wenn diese vier Quadranten weggezogen werden, kommt der gesamte Innenkern 8 daraufhin direkt frei. Die Vorsprünge 6 können jedoch durch die Wand des Zylinders zurück gezogen werden, woraufhin der Innenkern 8 daraufhin aus dem Zylinder entfernt werden sollte, welcher Zylinder selbstverständlich ebenfalls zu diesem Zweck teilbar sein kann. Dies erlaubt auch die Verwendung von Vorsprüngen, die eine Position relativ zu einander derart aufweisen, dass sie nicht gemeinsam rückziehbar sind, beispielsweise radiale Vorsprünge. Sie können daraufhin gleichzeitig oder einzeln in der geeigneten Richtung zurückgezogen werden, wenn sie unabhängig voneinander beweglich sind. Infolge hiervon können ähnliche Vorsprünge verwendet werden, was vorteilhaft ist für die Wärmeübertragung und was Spannungen in dem gegossenen Wärmetauscher minimiert. Tatsächlich kann der Wärmetauscher, der in den Zeichnungen gezeigt ist, selbstverständlich auch in dieser Weise hergestellt werden.
In der gezeigten Ausführungsform wird der Wasserkanalkern 9 zweiteilig in einer oder mehreren Formen 16 hergestellt, und er ist teilweise schematisch in Fig. 4 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform ist der Wasserkanalkern 9 aus zwei Teilen 9', 9" gebildet; eine unterschiedliche Anzahl von Teilen kann jedoch selbstverständlich ebenfalls verwendet werden. Zwei Teile haben den Vorteil, dass relativ wenige Verbindungen erforderlich sind, weil die Kernteile 9', 9" noch relativ einfach herstellbar sind. Außerdem können diese Kernteile 9', 9" problemlos um den Innenkern 8 vorgesehen werden. Ferner ist es möglich, den Wasserkanalkern 9 einstückig, insbesondere in dem Fall relativ kurzer Wärmetauscher herzustellen, wobei die Form 16 beispielsweise von dem geformten Wasserkanalkern 9 abgeschraubt werden kann.
Wie vorstehend erläutert, ist der Wasserkanal 5 im wesentlichen spiralförmig um die Außenseite der Innenwand 2 des Wärmetauschers 1 gewickelt bzw. geschlungen. Da der Wasserkanal 5 spiralförmig ist, kann der Wasserkanalkern 9 problemlos nach dem Gießvorgang entfernt werden, weil keine Biegungen von etwa 90º oder sogar 180º enthalten sind, wie bei den bekannten Wärmetauschern. Dies bedeutet, dass weniger oder sogar keine Öffnungen zum Reinigen des Wasserkanals vorgesehen werden müssen, was wiederum bedeutet, dass weniger Fertigstellungsvorgänge für den gegossenen Wärmetauscher 1 erforderlich sind. Weitere Vorteile sind nachfolgend erläutert.
Um die Wasserkanalkernteile 9', 9" von der oder jeder Form 16 bzw. aus dieser zu entfernen, sollten diese Teile eine abnehmbare bzw. einziehbare Konstruktion aufweisen. Fig. 4A und 4B zeigen zwei Möglichkeiten zum Erzielen dieses Abziehens.
Fig. 4A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Räumraums 17 zwischen zwei Wandteilen 4 des Wasserkanals 5 in einer ersten Ausführungsform. Die Räumrichtung für die Kernteile 9', 9" der Form 16 verläuft rechtwinklig zu der Ebene des Abziehens. Die Wandteile 4 sind derart verdickt, dass der Raum dazwischen in jedem Fall keine Hinterschneidungen in zumindest der Räumrichtung aufweist, d. h., wenn der Wärmetauscher 1 vertikal gehalten wird, und der Wasserkanal 5 sich damit aufwärts/abwärts spiralförmig erstreckt, verlaufen die relevanten Wandteile ungefähr parallel oder ablaufend in der Räumrichtung. Dies erlaubt es, dass der Abschnitt der Kernteile 9 dazwischen weg- bzw. abgezogen werden kann, ohne dass hinter den Hinterschneidungen Teile verbleiben. Dies bedeutet, dass die Kernteile 9', 9" entfernt und miteinander verbunden werden können, um den erwünschten Wasserkanalkern 9 beschädigungsfrei zu bilden.
Fig. 4B zeigt eine alternative Ausführungsform der Wandteile 4 des Wasserkanals 5, wobei an der Stelle, wo die zwei Teile 9', 9" des Gusskerns zusammenkommen, die Wandteile 4 gebogen sind, um den erwünschten Räumraum 17 einzuschließen. Zu diesem Zweck sind die Wandteile 4 geringfügig relativ zur Längsachse des Wärmetauschers gebogen, um einen geringfügig gestuften Wasserkanal 5 zu erzeugen, der sich spiralförmig um die Innenwand 2 des Wärmetauschers 1 erstreckt.
Jedes Wasserkanalkernteil 9', 9" umfasst eine Reihe von parallelen, ungefähr halbkreisförmigen Teilen 31. Diese Teile sind durch einen Querbalken 18 verbunden, auf dem die Teile 31 über Tragzapfen 19 angeordnet sind. Die Teile 31 verlaufen geringfügig schräg relativ zur Längsrichtung des Balkens 18 und bilden gemeinsam, wenn die Kernteile 9', 9" miteinander verbunden sind, eine Darstellung in beispielsweise Formsand des Wasserkanals 5.
Es ist tatsächlich auch möglich, den Gusskern 9 mittels einer Form 16 zu bilden, die mit Gleitstücken oder dergleichen versehen ist oder mittels einer verlorenen Form 16, was bedeutet, dass sie während oder nach der Ausformung des Gusskerns 9 verloren geht.
Der Gusskernaufbau 7 wird zum Einsatz durch die folgenden Schritte fertiggemacht. In einem ersten äußeren Kastenteil B' wird ein Guss von einer ersten Hälfte der Außenkontur des Wärmetauschers bereitgestellt, d. h., im wesentlichen festgelegt durch die Außenwand 3. Im derart gebildeten Hohlraum wird ein erster Teil 9' des Wasserkanalkerns 9 angeordnet, wobei der Balken 18 in dem ersten äußeren Kastenteil derart aufgenommen ist, dass lediglich die Tragzapfen 19 und die Teile 31 sich in den Hohlraum erstrecken. Die Tragzapfen 19 weisen eine derartige Länge auf, dass die Teile von der Innenseite des Hohlraums unter einer Distanz entsprechend der erwünschten Wanddicke der Außenwand 3, beispielsweise einige Millimeter beabstandet sind. Als nächstes wird der Innenkern 8 in den Teilen 31 angeordnet und von dort unter einer Distanz entsprechend der erwünschten Dicke der Innenwand 2 beabstandet. Daraufhin werden die zweiten Teile 9" des Wasserkanalkerns 9 und der zweite Außenkasten B", enthaltend einen Guss von der zweiten Hälfte der Außenkontur des Wärmetauschers über dem Innenkern in ähnlicher Weise vorgesehen, um einen im wesentlichen geschlossenen Gusskasten B zu erzeugen. In einem oder jeden Außenkasten B', B" sind eine Anzahl von Einläufen und Steigleitungen (in der Zeichnung nicht gezeigt) vorgesehen, um darin Gussschmelze zuzuführen, beispielsweise Aluminium oder Messing, oder Legierungen aus einem dieser oder aus beiden dieser Metalle.
Nachdem der Wärmetauscher sich abgekühlt hat und ausgehärtet ist, wird der Gusskasten geöffnet und die Gusskerne werden entfernt, d. h., insofern als sie nicht bereits während des Gießvorgangs verschwunden sind. Da der Wasserkanal 5 so gebildet ist, dass er durchgehend verläuft, ist die Entfernung von zumindest dem Wasserkanalkern 9 einfach, während zum Entfernen des Innenkerns ausreichend Raum in dem Wärmetauscher vorhanden ist. Nach der Entfernung der Gusskerne werden die Öffnungen in den Wänden des Wärmetauschers verschlossen, soweit dies erforderlich ist, und der Wärmetauscher kann fertiggestellt und beispielsweise in eine Heizvorrichtung eingebaut werden.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines Teils einer Heizvorrichtung 20, die einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 umfasst. In dieser Heizvorrichtung 20 ist der Wärmetauscher 1 vertikal angeordnet, d. h., seine Längsachse erstreckt sich in einer vertikalen Ebene. Es ist jedoch auch möglich, den Wär metauscher 1 in anderer Art anzuordnen, beispielsweise in horizontaler oder geneigter Position. Am oberen Ende ist ein zylindrischer Brenner 21 in den Wärmetauscher 1 eingesetzt und weist beispielsweise ein mantelförmiges Brennerdeck 22 auf. Der Brenner weist eine relativ geringe Länge im Vergleich zum Wärmetauscher 1 auf. Mit dem Brenner 21 ist ein Zuführrohr 23 verbunden, das am gegenüberliegenden Ende mit einem Lüfter bzw. Gebläse 24 verbunden ist. Mittels des Gebläses 24 wird brennbares Gas oder ein Gas-Luft-Gemisch dem Brenner 21 unter Druck zugeführt, in welchem es verbrannt wird. Heiße Verbrennungsgase werden daraufhin zwischen die Vorsprünge 6 zwangsweise geführt.
Vom unteren Ende ist ein Impeller 25 zwischen die Vorsprünge 6 in den Innenraum des Wärmetauschers in eine Position benachbart zum Brenner 21 eingesetzt. Dieser Impeller 25 füllt den Raum 11 hinauf bis unter den Brenner 21 zwischen den Vorsprüngen 6, wobei die Verbrennungsgase zwangsweise zwischen den versetzten Vorsprüngen 6 strömen gelassen werden, während die Wärme zu den Vorsprüngen 6 und direkt oder indirekt zur Innenwand 2 übertragen wird. Da die Vorsprünge in versetzten Reihen bzw. Zeilen und/oder Spalten angeordnet sind, ist ein labyrinthförmiger Strömungspfad für die Verbrennungsgase gebildet, so dass die Wärmeübertragung während des Einsatzes verbessert ist. Der Impeller 25 ist beispielsweise ein Zylinder, der mit feuerfesten wärmebeständigen Fasern oder einer Keramikhülse gefüllt ist. Zumindest eine Anzahl der Vorsprünge 6 liegt nahezu an der Außenseite des Impellers 25 an. An seinem unteren Ende ist ein Verbrennungsgasaustrag 26 mit dem Innenraum des Wärmetauschers 1 verbunden. Die Abgase können in den Wärmetauscher 1 kondensieren und werden über den Verbrennungsgasaustrag 26 ausgetragen. In dem Verbrennungsgasaustrag 26, der in der dargestellten Ausführungsform U- Form besitzt, befindet sich eine Kondensat-Austragöffnung 27, die beispielsweise mittels einer Kappe 28 verschließbar ist. Da der Wärmetauscher im wesentlichen zylindrisch ist, ist er zumindest im wesentlichen symmetrisch. Dies bedeutet, dass sowohl das Zuführrohr 23 wie der Verbrennungsgasaustrag 26 in nahezu jeder Richtung angeordnet sein können, was eine flexible Nutzung ermöglicht. Dichtungen können außerdem problemlos vorgesehen werden.
Benachbart zum unteren Ende ist der Wasserkanal 5 mit einem Rückführrohr 29 verbunden und benachbart zum oberen Ende ist er mit einem Zuführrohr 30 von beispielsweise einem (nicht gezeigten) Heizkreislauf verbunden. Im Einsatz wird Wasser durch den Wasserkanal 5 geleitet und mittels der Wärme erhitzt, die durch die Abgase emittiert wird. Weil der Wasserkanal 5 nahezu den gesamten Wärmetauscher 1 umschließt, geht wenig Wärme an die Umgebung verloren, während keine speziellen Isolationsmaßnahmen erforderlich sind. Da der Wasserkanal 5 sich spiralförmig erstreckt und keine scharfen Winkel aufweist, besitzt der Wasserkanal einen niedrigen Wasserwiderstand, so dass eine Pumpe relativ geringer Kapazität und/oder ein relativ langer Wasserkanal 5 verwendet werden können, was bedeutet, dass relativ große Energiemengen mit der Heizvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung bereitgestellt werden können. Dies erlaubt es auch, dass die Reinigung des Wasserkanals 5 relativ einfach ausführbar ist.
Um sicherzustellen, dass die Abgase nicht zu schnell abkühlen, was Probleme hinsichtlich der Konstruktion und der Wärmetechnik mit sich bringen würde, ist die Länge der Vorsprünge 6 im oberen Teil des Wärmetauschers 1 eingestellt. Um den Brenner 21 herum sind die Vorsprünge relativ kurz, so dass ihre Enden von dem Brennerdeck 22 beabstandet sind. Auf der Höhe des Endes des Brenners 21 zum Impeller 25 weisend nimmt die Länge der Vorsprünge 6 allmählich in Abwärtsrichtung auf ein Maximum zu, was bedeutet, dass in dieser Position die Vorsprünge 6 eine versetzte Konfiguration aufweisen. Dies ermöglicht es, dass die Verbrennungsgase die Vorsprünge 6 um den Impeller 25 herum nahezu widerstandsfrei erreichen, so dass die Verbrennungsgase nicht direkt rasch abgekühlt werden. Die Vorsprünge können außerdem abwechselnd unterschiedliche Längen aufweisen, wodurch der Strömungswiderstand für die Verbrennungsgase verringert ist.
Die Heizvorrichtung kann außerdem in bekannter Weise beispielsweise mit Radiatoren, einem Thermostaten und einer Steuervorrichtung und ähnlichen bekannten Attributen versehen sein. Eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung, insbesondere ein hierfür geeigneter Heizboiler, ist kompakt und weist einen hohen Wirkungsgrad auf, während sie bzw. er einfach und relativ vorteilhaft hergestellt und eingesetzt werden können. Die Einführungszeit, d. h. die Zeit zwischen dem Auftreten und dem Erreichen einer festgelegten Wärmeanforderung ist relativ kurz, was eine komforterhöhende Wirkung hat.
Der Wasserkanal um die Innenwand kann stufenweise ansteigen, wobei beispielsweise in jedem Fall eine halbe Windung sich ungefähr horizontal erstreckt, während zwei darauf folgende halbe Windungen durch einen geneigt verlaufenden Durchlassteil verbunden sind. Der Wasserkanal kann außerdem beispielsweise doppelt gewickelt sein, d. h., er kann aus zwei Wasserkanälen bestehen, die nebeneinander oder übereinander gewickelt verlaufen. Die Vorsprünge können außerdem unterschiedlich gebildet oder konstruiert sein, beispielsweise als Trennwände oder Rippen. Die Vorsprünge können an jeder Stelle identische Länge aufweisen oder sie können sich bezüglich ih rer Länge deutlicher unterscheiden. Die Länge und der Durchmesser des Wärmetauschers und des Durchsatzbereichs und die Ganghöhe des Wasserkanals können unterschiedlich gewählt sein entsprechend den erwünschten Kapazitäten, während auch eine unterschiedliche Art eines Brenners verwendet werden kann. Anstelle des Impellers können andere Mittel für denselben Zweck vorgesehen sein, beispielsweise ein mit Wasser gefüllter Behälter, der als Boiler wirken kann, oder ein Wasserkanal, der als Entnahmespirale wirken kann. Das Zuführrohr für den Kraftstoff und der Verbrennungsgasaustrag können unterschiedliche Konstruktion aufweisen.

Claims

1. Wärmetauscher, der mittels einer Gießtechnik aus Leichtmetall hergestellt ist, mit mindestens einem Wasserkanal, einem Brennerraum und den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elementen, wobei der Wärmetauscher (1) eine geschlossene, im wesentlichen zylindrische Innenwand (2) aufweist, wobei der Wasserkanal (5) entlang der Außenseite der Innenwand (2) verläuft und der Brennerraum (11) innerhalb der Innenwand (2) verläuft, wobei auf der Innenseite die den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elemente (6), wie Vorsprünge und/oder Trennelemente, von der Innenwand (2) in mindestens zwei Richtungen verlaufen und einen Winkel relativ zueinander bilden, wobei der Wärmetauscher (1) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elemente (6) über fast den gesamten Innenumfang der Innenwand (2) in mindestens einem Teil des Wärmetauschers (1) verteilt sind und der Wasserkanal (5) spiralförmig um die Innenwand (2) verläuft.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) einstückig ausgebildet ist.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkanal (5) mindestens zwei Wicklungen aufweist, wobei jede Wicklung an mehreren Positionen mit einem von zwei Wandteilen (4), die radial relativ zur Längsrichtung des Wärmetauschers verlaufen, umschlossenen Gebiet versehen ist, wobei der Raum (17) zwischen den Wandteilen (4) derart konfiguriert ist, daß er in tangentialer Richtung geräumt werden kann, wobei die Anordnung derart ausgeführt ist, daß mindestens ein Formteil (16) für mindestens die Ausbildung eines segmentierten ersten Gießkerns (9) für den Wasser kanal (5) verwendet werden kann, wobei nach der Ausbildung die Teile (9', 9") des ersten Gießkerns (9) aus dem oder jedem Formteil (16) entnommen und zwecks Ausbildung eines einstückigen ersten Gießkerns (9) miteinander verbunden werden können, wobei der erste Gießkern (9) während oder nach dem Gießen des Wärmetauschers (1) verloren ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkanal (5) von der Innenwand (2), einer Außenwand (3) und einer Wasserkanalwand (4), die zwischen den Innen- und Außenwänden verläuft, umschlossen ist, wobei die Wasserkanalwand (4) spiralförmig um die Innenwand (2) verläuft und an jeder Wicklung an mindestens zwei Positionen mit einer solchen Verdickung und/oder einem solchen Profil versehen ist, daß dadurch zwei gegenüberliegende Wasserkanalwandteile gebildet werden, die mindestens parallel verlaufen und vorzugsweise leicht in zwei entgegengesetzte Richtungen tangential relativ zu einem Abschnitt, der rechtwinklig zur Längsrichtung des Wärmetauschers (1) ausgerichtet ist, divergieren.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elemente (6) in Sektoren (I-IV) aufgenommen sind, wobei die Elemente (6) in jedem Sektor (I-IV) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die Anordnung derart ausgeführt ist, daß jeder Sektor (I-IV) mittels eines entfernbaren zweiten Gießkernteils (8) hergestellt werden kann, wobei zweite Gießkernteile zwecks Bildung eines einstückigen zweiten Gießkerns (8), der während oder nach dem Gießen des Wärmetauschers (1) verloren ist, miteinander verbunden werden können.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elemente (6) als Vorsprünge ausgebildet sind und in versetzten Reihen und/oder Spalten angeordnet sind, wobei zwischen den freien Enden von mindestens einem Teil der Vorsprünge (6) ein leicht zylindrisch ausgebildeter freier Raum (11) gebildet wird.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (6) zweier benachbarter Sektoren (I-IV) mindestens teilweise einander zwischengeschaltet sind und einander kreuzen.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an ein Ende innerhalb der Innenwand (2) ein Raum zur Aufnahme eines vorzugsweise zylindrischen Brenners (21) vom Typ Brenner mit Vormischung vorgesehen ist, wobei in mindestens einem Teil des Wärmetauschers (1) die den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elemente (6) in der vom Aufnahmeraum abgewandten Richtung eine sich vergrößernde Fläche und/oder Dichte aufweisen, wobei die Anordnung derart ausgeführt ist, daß während des Betriebs die Verbrennungsgase, die die Elemente (6) entlangströmen, relativ sanft abkühlen.

9. Gießkernvorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung eines Wärmetauschers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einer ersten Gießkernanordnung (9) in Form mindestens eines spiralförmigen Wasserkanals (5) und einer zweiten Gießkernanordnung (8) mindestens in Form eines Brennerraums (11) mit den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elementen (6), wobei sich die zweite Gießkernanordnung (8) innerhalb der ersten Gießkernanordnung (9) befindet, wobei zwischen der ersten (9) und der zweiten Gießkernanordnung (8) ein Raum zum Ausbilden mindestens der Innenwand (2) vorgesehen ist, wobei mindestens eine der Gießkernanordnungen (8, 9) aus Teilen gebildet ist und die Gießkernvorrichtung (B, 8, 9) im wesentlichen von dem Typ ist, der während oder nach dem Gießen des Wärmetauschers (1) verloren ist.

10. Gießkernvorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung eines Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1-8 mit mindestens einer ersten Gießkernanordnung (9) in Form mindestens eines spiralförmigen Wasserkanals (5) und einer zweiten Gießkernanordnung (8) mindestens in Form eines Brennerraums (11) mit den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elementen (6), wobei sich die zweite Gießkernanordnung (8) innerhalb der ersten Gießkernanordnung (9) befindet, wobei zwischen der ersten (9) und der zweiten Gießkernanordnung (8) ein Raum zum Ausbilden mindestens der Innenwand (2) vorgesehen ist, wobei die Gießkernanordnungen (8, 9) einstückig ausgebildet sind und die Gießkernvorrichtung (B, 8, 9) wenigstens überwiegend von dem Typ ist, der während oder nach dem Gießen des Wärmetauschers (1) verloren ist.

11. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, der insbesondere als Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1-8 geeignet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Herstellen einer ersten Gießkernanordnung (9) des verlorenen Typs in Form eines spiralförmigen Wasserkanals (5);

- Herstellen einer zweiten Gießkernanordnung (8) des verlorenen Typs in Form eines zentralen Brennerraums (11) mit den Wärmeübertragungsbereich vergrößernden Elementen (6);

- Positionieren der beiden Gießkernanordnungen (8, 9) innerhalb eines Gießkastens (B), so daß die erste Gießkernanordnung (9) im wesentlichen die zweite Gießkernanordnung (8) umgibt und von dieser beabstandet ist;

- Gießen des Wärmetauschers (1) im Gießkasten (B), wobei im wesentlichen die erste (9) und die zweite Gießkernanordnung (8) gleichzeitig oder nacheinander verlorengehen; und

- Entfernen des einstückigen Wärmetauschers (1), der einen durchgehenden spiralförmigen Wasserkanal (5) aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (9) und/oder die zweite Gießkernanordnung (8) in Teilen, die miteinander verbunden werden, hergestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gießkernanordnung (8) mittels eines bewegliche Teile aufweisenden Formteils einstückig ausgebildet wird, wobei die Formteile nach der Ausbildung der Gießkernanordnung (8) in dem Formteil im wesentlichen radial nach außen gezogen werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gießkernanordnung (9) mittels eines Formteils einstückig ausgebildet wird.

15. Heizvorrichtung (20) mit einem Wärmetauscher (1) gemäß einem der Ansprüche 1-8.