EP0225929A1 - Gasbeheizte Kesselanlage und Verwendung davon - Google Patents
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- EP0225929A1 EP0225929A1 EP85115685A EP85115685A EP0225929A1 EP 0225929 A1 EP0225929 A1 EP 0225929A1 EP 85115685 A EP85115685 A EP 85115685A EP 85115685 A EP85115685 A EP 85115685A EP 0225929 A1 EP0225929 A1 EP 0225929A1
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- F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
- F24H1/38—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water contained in separate elements, e.g. radiator-type element
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- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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- F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
- F28F1/34—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely
- F28F1/36—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely the means being helically wound fins or wire spirals
Definitions
- the invention relates to a gas-fired boiler system with a burner bed which takes up a surface and with heat exchange tubes arranged above the burner bed parallel to the surface, the heat exchange tubes having pipes which have a plurality of essentially radially projecting, flat, mutually over the length of the heat exchange tubes are provided with spaced ribs, which have bevels at their edges and furthermore the hot flue gas rising from the burner bed flows through the spaces formed by the ribs and the pipelines.
- Convective heat transfer is understood to mean the transfer of heat from the hot air rising from the burner bed to the surfaces of a heat exchanger, while the radiant heat is exploited by the fact that the heat radiation emitted by the burner bed and the hot flue gas is essentially in the infrared range on surfaces of the heat exchanger is absorbed.
- finned tubes have been used as heat exchange tubes in heat exchangers, known from DE-C-22 45 357 mentioned at the beginning.
- These finned tubes consist of a straight pipeline through which a heat exchange medium, for example water, flows, from which radially circular flat ribs project, which are arranged spirally around the pipeline and extruded from it.
- the pipeline and fins are preferably made of a copper / beryllium alloy with particularly good thermal conductivity.
- These known finned tubes have a very large heat transfer surface and are therefore particularly suitable as convective heat exchangers.
- the deflection plates can only rest on the narrow edges of the ribs, so that there is only a poor heat transfer between the deflection plates and the ribs, which in turn leads to the above-described emission of the radiant heat collected to those that have already cooled Flue gases are conveyed because the baffles cannot or only very poorly transfer their heat to the ribs due to the poor heat transfer.
- the invention is therefore based on the object of developing a gas-fired boiler system of the type mentioned in such a way that an even greater yield of radiant heat is possible while at the same time improving the convective heat transfer in order to be able to implement boiler systems with even higher efficiency.
- bends are at least partially inclined to the surface of the burner bed.
- the bevels now arranged obliquely in the flow path of the rising hot flue gases result in a considerably enlarged area being available for absorbing the radiant heat, which is rigid, i.e. is connected to the heat exchange tubes with optimal heat transfer.
- the oblique bevels arranged in the flow path of the rising smoke gases cause the rising smoke gases to be swirled considerably more, so that the convective heat transfer to the fins of the heat exchange tube is also considerably increased.
- the gas-fired boiler system according to the invention has a significantly higher efficiency than is possible according to the prior art.
- This aspect is of particular importance for modulating gas-fired boiler systems, in which the burner output is continuously and variably set depending on the respective heat requirement, in contrast to so-called on / off burners, which either run at full power or are switched off. If a modulating boiler system is operated at a low output, it is of particular importance to remove the heat generated by the burner bed as useful as possible.
- the gas-fired boiler system according to the invention can be equipped with only one heat exchanger and also with an additional condensation heat exchanger as a condensing boiler.
- the bends to the surface of the burner bed run at an angle of approximately 45 °.
- this angle has proven to be particularly advantageous because in this case, on the one hand, a relatively large receiving area is available for absorbing the radiant heat, and on the other hand, the rising smoke gases are optimally swirled with bends angled at 45 °.
- the heat exchange tubes are arranged as heat exchangers, closely parallel next to one another, with the invention that the ribs on the side of the heat exchanger facing the burner bed are provided in sections with the inclined folds.
- the folds can also be arranged on the side of the heat exchanger which faces away from the burner bed, this measure being particularly suitable for being used together with the measure mentioned above, so that the heat exchanger then has a total of folds is provided on both sides.
- the ribs are provided with bends over part of their circumference.
- This measure has the advantage that, as already explained, the radiant heat can be collected at the folded area, on the other hand the non-bent area of the ribs can be arranged in any way as inputs or outputs from the heat exchanger.
- an exemplary embodiment of the invention is particularly preferred in which the ribs are designed in the form of an annular disk in a manner known per se and the bevels are formed by bending edge regions of the ribs in the form of circular sections.
- This measure has the advantage that conventional heat exchange tubes, which are designed as finned tubes, can be processed with known devices in order to produce the bent sections in the form of a circle.
- an exemplary embodiment has proven to be particularly important in practice, in which the ribs are divided over their circumference into eight sections of approximately the same size, which with the exception of two diametrically opposite sections are provided with the folds. This applies in particular if the sections that are not folded lower when the heat exchanger is installed stand right one above the other on the surface of the burner bed and form openings for the entry and exit of the smoke gases rising from the burner bed into and out of the intermediate spaces.
- an embodiment of the invention is preferred in which, on the side of the heat exchanger facing away from the burner bed, inclined bends of adjacent heat exchanger tubes are connected to one another via axially extending baffle plates, as is known per se, but in addition there is the fact that the baffle plates rest on the folds.
- the baffle plates if the bends run at 45 °, be designed as a V-profile with an internal angle of 90 °.
- the boiler system is designed as a condensing boiler, the flue gases rising from the burner bed first passing through the heat exchange tubes provided with the oblique bends and then being fed to a further heat exchanger designed as a condensation heat exchanger.
- the boiler system can be operated in a modulating manner.
- the two last-mentioned measures each have, alone or in combination, the advantage described at the outset of the greatest possible optimization of the efficiency of the entire boiler system.
- Fig. 1 designates a gas-fired boiler system as used for buildings of all kinds can be.
- the boiler system 1 is provided with an air inlet 2, which reaches the area of a burner bed 10, which is composed of several burner rods 3.
- a regulated gas supply not shown in FIG. 1, creates a flame bed above the burner bed 10, with possibly also regulated air inlet 2, so that hot air rises and reaches the area of a heat exchanger 60 there.
- the heat exchanger 60 has boiler water connections 4 for introducing or discharging the boiler water provided for the heating purposes.
- a flue gas 6 which has flowed through the heat exchanger 60 can escape to the outside via a trigger 5.
- the heat exchanger 60 consists of a multiplicity of heat exchange tubes 61, which can be partially covered by baffle plates 80, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 4 and 5.
- the boiler system 1 according to FIG. 1 can also have a plurality of heat exchangers arranged one above the other, the first heat exchanger usually absorbing the radiant heat emanating from the burner bed 10 and, by convective heat transfer, also largely dissipating the heat contained in the rising flue gases and a second, downstream heat exchanger as a condensation heat exchanger cools the flue gas 6 further by condensing the moisture contained therein and thus absorbs the heat of evaporation of this moisture.
- the cooling water first flows through the condensation heat exchanger and then through the heat exchanger 60 shown in detail in FIG. 1.
- FIG. 2 shows a side view and FIG. 3 shows a top view of a heat exchanger 11 according to the prior art above the burner bed 10.
- the heat exchanger 11 consists of a plurality of heat exchange tubes 15, 16 arranged in parallel next to one another, only two of which are shown completely in FIGS. 2 and 3.
- the heat exchange tubes 15, 16 consist of a central pipeline 17, 18, from which radially circular ribs 19, 19a ... and 20, 20a ... respectively.
- the ribs 19 and 20 run spirally around the pipelines 17, 18 and are preferably extruded therefrom.
- the pipes 17, 18 and the fins 19, 20 consist of a good heat-conducting material, preferably a copper / beryllium alloy.
- the pipelines 17, 18 are flowed through by water 21 of a building heating system.
- the ribs 19, 19a ... and 20, 20a ... are laterally provided with bevels 23 and 24, respectively, in such a way that out of the circular disc-shaped surface of the ribs 19 and 20 edge-section-shaped edge regions are angled by 90 °.
- the bevels 23, 24 are perpendicular to the surface of the burner bed 10. This, as can clearly be seen in FIG. 2, achieves that the heat exchange tubes 15, 16 can be arranged closely next to one another, but between the bevels 23, 24 of adjacent heat exchange tubes 15 , 16 still has a distance 26 of, for example, one millimeter.
- the heat exchange tubes 15, 16 are each covered in pairs with baffle plates 30, which cover the space between adjacent heat exchange tubes 15, 16. For the sake of clarity, only one deflection plate, partially broken off, is shown in FIG. 3.
- flue gases 40 rise upwards and flow along a 41, essentially straight path indicated to slot-shaped openings 42 laterally delimited by the deflection plates 30 and then again out of the heat exchanger 11. as indicated by arrows 43.
- the flue gases 40 flow through spaces 44, 44a ..., which are delimited by the ribs 19, 19 a ..., the pipeline 17 and the bevels 23.
- baffle plates 30, seen from the burner bed 10 cover that "window" 48 between the pipes 17, 18, so that the baffle plates 30 absorb at least partially the radiant heat emanating from the burner bed 10 and the ascending smoke gases 40, but can be seen from FIG. 2 clearly that the interface 49 between the baffle plates 30 and the ribs 19, 19a ... or 20, 20a ... represents poor heat transfer because the ribs 19, 19a ... or 20, 20a ... only each abut the baffle plates 30 with their narrow side.
- FIGS. 4 and 5 show a heat exchanger 60, as already mentioned in FIG. 1, and how it is used for the present invention.
- the heat exchanger 60 in turn consists of parallel to each other arranged heat exchange tubes 61, 62, which are provided with pipes 63, 64 with radially projecting ribs 65, 65a ... and 66, 66a ... respectively.
- heat exchange tubes used as semi-finished products in the exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5 correspond to those according to the prior art according to FIGS. 2 and 3, they are designed differently for use in the boiler system according to the invention.
- the ribs 65 and 66 are divided on their circumference into eight circumferential regions of approximately the same length, of which, apart from two diametrically opposite regions, the other six regions with bevels 70, 71, 72, 73 , 74, 75 are provided. Due to this roughly octagonal configuration, mutually adjacent bevels, e.g. 70, 72 with each other an angle 76 of 135 °.
- the non-folded areas are in the installed state of the heat exchanger 60 one above the other and vertically above the burner bed 10, so that in this installed state four of the six bends, namely the bends 70, 71, 74 and 75 at an angle 77 of 45 ° to Surface of the burner bed 10 run.
- baffles 80 resting on two adjacent heat exchange tubes 61, 62 are formed on the upper side of the heat exchanger 60 as V-profiles with an internal angle of 90 °.
- the upward seal is particularly good because the baffle plates 80 further reduce the openings 86 to an even narrower slot.
- the heat transfer between the baffle plates 80 and the ribs 65 and 66 is particularly good because the baffle plates 80 do not rest flat on the folds 71 and 74 on the narrow sides of the ribs 65 and 66, but rather.
- the heat exchanger according to FIGS. 4 and 5 is clearly superior to that of FIGS. 2 and 3, because, as mentioned, the flue gases 82 are swirled on a multiple-angled path in almost closed spaces 84, 84a , so that the flue gases 82 can emit their heat almost completely to the surrounding surfaces or bends 70 to 75 of the ribs 65 or 66.
- the utilization of the radiant heat is also significantly improved because the burner bed 10 has a receiving surface formed by the bevels 70 and 75 on a width 90, which makes up almost two thirds of the surface of the heat exchanger 60 compared to the burner bed 10.
- ribs instead of circular disc-shaped ribs, square or rectangular ribs can also be used, a different polygon can be used instead of the octagonal shape of the folds, and the openings for the inlet and outlet of the flue gases can also be arranged off-center or offset, without this leaves the scope of the invention.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine gasbeheizte Kesselanlage mit einem eine Fläche einnehmenden Brennerbett und mit oberhalb des Brennerbettes parallel zur Fläche angeordneten Wärmetauschrohren, wobei die Wärmetauschrohre Rohrleitungen aufweisen, die mit einer Mehrzahl von im wesentlichen radial abstehenden, flachen, voneinander über die Länge der Wärme tauschrohre beabstandeten Rippen versehen sind, die an ihren Rändern Abkantungen aufweisen und wobei ferner das vom Brennerbett aufsteigende heiße Rauchgas durch die von den Rippen und den Rohrleitungen gebildeten Zwischenräume strömt.
- Eine derartige Kesselanlage ist aus der DE-C 22 45 357 bekannt.
- Bei gasbeheizten Kesselanlagen mit einem flächenhaften Brennerbett ist darauf zu achten, daß sowohl der konvektive Wärmeübergang wie auch die Ausnutzung der Strahlungswärme optimiert wird. Unter konvektivem Wärmeübergang versteht man dabei die Abgabe der Wärme aus der vom Brennerbett aufsteigenden heißen Luft an Oberflächen eines Wärmetauschers, während die Strahlungswärme dadurch ausgenutzt wird, daß die vom Brennerbett und dem heißen Rauchgas ausgesandte, im wesentlichen im infraroten Bereich liegende Wärmestrahlung an Oberflächen des Wärmetauschers absorbiert wird.
- Um unter diesen beiden Gesichtspunkten optimierte Kesselanlagen herstellen zu können, hat man, aus der eingangs genannten DE-C-22 45 357 bekannt, sogenannte Rippenrohre als Wärmetauschrohre in Wärmetauschern verwendet. Diese Rippenrohre bestehen aus einer geraden, von einem Wärmetauschmedium, beispielsweise Wasser, durchströmten Rohrleitung, von der radial kreisscheibenförmige flache Rippen abstehen, die spiralförmig um die Rohrleitung herum angeordnet und aus dieser heraus extrudiert sind. Rohrleitung und Rippen bestehen vorzugsweise aus einer Kupfer/Beryllium-Legierung mit besonders guter Wärmeleitfähigkeit. Diese bekannten Rippenrohre weisen eine sehr große wärmeübertragende Oberfläche auf und sind daher als konvektive Wärmetauscher besonders geeignet. Liegen jedoch mehrere dieser Rippenrohre parallel und dicht nebeneinander, um gemeinsam einen Wärmetauscher oberhalb des Brennerbettes zu bilden, so stehen, die Rippen im wesentlichen senkrecht zur Fläche bzw. zum Strahlungsfeld des Brennerbettes, sodaß der Wärmetauscher, abgesehen von den Rohrleitungen für die Infrarotstrahlung der Strahlungswärme praktisch vollkommen durchlässig ist. Hierdurch geht ein großer Teil der durch die Flammen des Brennerbettes sowie die heißen Rauchgase emittierten Strahlungswärme des Brenners verloren. Insbesonders bei nicht oder nur teilweise gekühlten Brennkammern ist aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen der Strahlungsanteil an der gesamten Wärmeentwicklung in der Brennkammer jedoch relativ groß.
- Um diesem Problem abzuhelfen, ist es aus der eingangs genannten De-C-22 45 357 bekannt, Umlenkbleche, sogenannte "Baffles", an der vom Brennerbett abgewandten Seite des aus mehreren Rippenrohren bestehenden Wärmetauschers auf die abstehenden Rippen aufzulegen, um den durch die Rippen hindurchscheinenden Anteil der Strahlungswärme wenigstens teilweise aufzufangen.
- Diese Maßnahmen haben sich aber in bestimmten Anwendungsfällen als nicht ausreichend erwiesen. Dies liegt im wesentlichen daran, daß die Umlenkbleche, in Strömungsrichtung der heißen Rauchgase gesehen, hinter dem im wesentlichen konvektiv wirkenden Wärmetauscher angeordnet sind. Die in den Umlenkblechen aufgefangene Strahlungswärme wird daher an die bereits abgeführten Rauchgase weitergeleitet und geht, falls kein weiterer Wärmetauscher, insbesondere Kondenswärmetauscher in einem Brennwertkessel, vorgesehen ist, verloren.
- Hinzu kommt, daß die Umlenkbleche wegen der radial abstehenden Anordnung der Rippen lediglich auf den schmalen Kanten der Rippen aufliegen können, so daß nur ein schlechter Wärmeübergang zwischen den Umlenkblechen und den Rippen besteht, was wiederum die bereits geschilderte Abgabe der aufgefangenen Strahlungswärme an die bereits abgekühlten Rauchgase fördert, weil die Umlenkbleche wegen des schlechten Wärmeüberganges ihre Wärme nicht oder nur sehr schlecht an die Rippen abgeben können.
- Aus der eingangs genannten DE-C-22 45 357 ist es schließlich bekannt, die radial abstehenden Rippen seitlich abzukanten, wobei die Abkantungen senkrecht zum Brennerbett verlaufen. Sinn dieser Maßnahme ist, in einem Wärmetauscher benachbarte Wärmetauschrohre enger nebeneinander anordnen zu können, was dadurch möglich wird, daß die Wärmetauschrohre, in Vorderansicht gesehen, die Außenkontur eines zweiseitig abgeflachten Kreises aufweisen. Zwar wird durch diese Maßnahme das von den Rippen gebildete "Fenster" zwischen den Rohrleitungen der Wärmetauschrohre, das für die Strahlungswärme praktisch durchlässig ist, verkleinert, es hat sich jedoch gezeigt, daß auch diese Maßnahme zum Erreichen besonders hoher Wirkungsgrade nicht ausreicht.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gasbeheizte Kesselanlage der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine noch größere Ausbeute der Strahlungswärme bei gleichzeitiger Verbesserung des konvektiven Wärmeüberganges möglich wird, um Kesselanlagen mit noch höherem Wirkungsgrad realisieren zu können.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abkantungen zumindest teilweise zu der Fläche des Brennerbettes geneigt verlaufen.
- Durch diese Maßnahme wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe unter zwei Gesichtspunkten vollkommen gelöst.
- Zum einen bewirken die nunmehr schräg im Strömungsweg der aufsteigenden heißen Rauchgase angeordneten Abkantungen, daß eine erheblich vergrößerte Fläche zur Aufnahme der Strahlungswärme zur Verfügung steht, die starr, d.h. mit optimalem Wärmeübergang mit den Wärmetauschrohren verbunden ist.
- Zum anderen bewirken die im Strömungsweg der aufsteigenden Rauchgase angeordneten schrägen Abkantungen, daß die aufsteigenden Rauchgase erheblich stärker verwirbelt wird, so daß auch der konvektive Wärmeübergang zu den Rippen des Wärmetauschrohres erheblich gesteigert wird.
- Diese beiden Effekte fördern einander, so daß die erfindungsgemäße gasbeheizte Kesselanlage einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Von besonderer Bedeutung ist dieser Gesichtspunkt bei modulierend arbeitenden gasbeheizten Kesselanlagen, bei denen die Brennerleistung kontinuierlich variabel in Abhängigkeit vom jeweiligen Wärmebedarf eingestellt wird, im Gegensatz zu sogenannten Ein/Aus-Brennern, die entweder bei voller Leistung laufen oder ausgeschaltet sind. Wird nämlich eine modulierend betriebene Kesselanlage bei nur geringer Leistung betrieben, so ist es von besonderer Wichtigkeit, die vom Brennerbett erzeugte Wärme möglichst vollkommen als Nutzwärme abzuführen. Es ergibt sich dann im Jahresmittel ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad, der sich durchaus mit den sehr hohen Wirkungsgraden sogenannter Brennwertkessel messen kann, bei denen die aus dem (ersten) Wärmetauscher aufsteigenden Rauchgase durch einen nachgeschalteten zweiten Kondensations-Wärmetauscher abgekühlt werden, wobei die so gewonnene Kondensationwärme gleichfalls zum Aufheizen des Kesselwassers dient.
- Es versteht sich jedoch, daß die erfindungsgemäße gasbeheizte Kesselanlage sowohl mit nur einem Wärmetauscher wie auch mit einem zusätzlichen Kondensations-Wärmetauscher als Brennwertkessel ausgestattet sein kann.
- Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Abkantungen zu der Fläche des Brennerbettes unter einem Winkel von etwa 45°.
- Obwohl auch andere Winkel zu befriedigenden Ergebnissen führen, hat sich doch dieser Winkel als besonders vorteilhaft erwiesen, weil in diesem Falle einerseits eine relativ hohe Aufnahmefläche zum Absorbieren der Strahlungswärme zur Verfügung steht, andererseits die aufsteigenden Rauchgase bei unter 45° angewinkelten Abkantungen optimal verwirbelt werden.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmetauschrohre, wie an sich bekannt, als Wärmetauscher dicht parallel nebeneinander angeordnet, wobei erfindungsgemäß hinzukommt, daß die Rippen an der dem Brennerbett zu weisenden Seite des Wärmetauschers abschnittsweise mit den geneigten Abkantungen versehen sind.
- Diese Maßnahme ist von besonderem Vorteil under dem Gesichtspunkt der optimalen Absorption der Strahlungswärme, weil nunmehr die durch die Abkantungen gebildete Aufnahmefläche für die Strahlungswärme sich unmittelbar oberhalb des Brennerbettes befindet und daher in besonderem Maße geeignet ist, die Strahlungswärme aufzunehmen. Bei den bekannten Kesselanlagen war dies nicht möglich, weil die gesonderten Umlenkbleche, die eingangs erwähnt wurden, nicht an der Unterseite der Wärmetauschrohre angeordnet werden konnten. Durch den ebenfalls bereits erwähnten schlechten Wärmeübergang zu den Rippen der Wärmetauschrohre wären nämlich diese Umlenkbleche in unmittebarer Nachbarschaft des Brennerbettes unzulässig hoch erhitzt worden. Dies wird nun durch die vorstehend genannte erfindungsgemäße Maßnahme vermieden, weil die Fläche zur Aufnahme der Strahlungswärme, die aus den Abkantungen besteht, einstückig mit den Rippen der Wärmetauschrohre ist und daher eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
- Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können aber die Abkantungen auch an der von dem Brennerbett weg weisenden Seite des Wärmetauschers angeordnet sein, wobei sich diese Maßnahme besonders dazu eignet, zusammen mit der zuvor genannten Maßnahme eingesetzt zu werden, so daß der Wärmetauscher dann insgesamt mit Abkantungen an beiden Seiten versehen ist.
- Dies hat den Vorteil, daß ein labyrinthartiges Kammersystem im Wärmetauscher entsteht, durch das die aufsteigende Heißluft unter besonders intensiver Verwirbelung hindurchstreicht, so daß der konvektive Wärmeübergang weiter gefördert wird. Auch dienen die am "Ausgang" des Wärmetauschers angeordneten Abkantungen dazu, die von den aufsteigenden Rauchgasen noch ausgehende Strahlungswärme praktisch vollkommen zu absorbieren, selbst solange die Rauchgase noch durch den Wärmetauscher hindurchströmen.
- Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Rippen über einen Teil ihres Umfanges mit Abkantungen versehen.
- Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß, wie bereits erläutert, an den abgekanteten Bereich die Strahlungswärme aufgefangen werden kann, andererseits die nicht-abgekanteten Bereich der Rippen als Eingänge bzw. Ausgänge aus dem Wärmetauscher in beliebiger Weise angeordnet sein können.
- Besonders bevorzugt ist in dieser Hinsicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in an sich bekannter Weise die Rippen ringscheibenförmig ausgebildet und die Abkantungen durch Umbiegen von kreisabschnittförmigen Randbereichen der Rippen gebildet sind.
- Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß übliche Wärmetauschrohre, die als Rippenrohre ausgebildet sind, mit bekannten Vorrichtungen bearbeitet werden können, um die kreisabschnittförmigen Abkantungen herzustellen.
- Als in der Praxis besonders bedeutsam hat sich in diesem Zusammenhang ein Ausführungsbeispiel erwiesen, bei dem die Rippen über ihren Umfang in acht etwa gleich große Abschnitte unterteilt sind, die mit Ausnahme zweier diametral gegenüberliegende Abschnitte mit den Abkantungen versehen sind. Insbesondere gilt dies dann, wenn die nicht abgekanteten Abschnitte im eingebauten Zustand des Wärmetauschers senk recht übereinander zur Fläche des Brennerbettes stehen und Öffnungen für den Eintritt bzw. Austritt der vom Brennerbett aufsteigenden Rauchgase in die bzw. aus den Zwischenräumen bilden.
- Diese Maßnahme vereinigt die Vorteile der an sich bekannten Wärmetauscher gasbeheizter Kesselanlagen, wie sie eingangs erläutert wurden, mit den vorteilhaften Wirkungen der Erfindung. Einerseits können nämlich die als Halbzeug zur Verfügung stehenden Wärmetauschrohre, die als Rippenrohre ausgebildet sind, nebst ihren Bearbeitungsmaschinen zum Abkanten der Randbereiche unverändert übernommen werden, andererseits wird durch die vorstehend geschilderte spezielle Konfiguration ein Optimum hinsichtlich der Ausnutzung der Strahlungswärme und des konvektiven Wärmeübergangs erreicht. Durch die in Seitenansicht näherungsweise achteckige Form der Wärmetauschrohre mit unten bzw. oben angeordnetem Ein- bzw. Ausgang für die aufsteigenden Rauchgase wird nämlich zum einen eine Wärmestrahlung aufnehmende Fläche an der Unterseite des Wärmetauschers erzielt, die nahezu zwei Drittel der Wärmetauscherfläche einnimmt, andererseits wird durch die Achteckform eine etwa ringförmige Führung der Rauchgase im Wärmetauscher um die mit Wasser gefüllten Rohrleitungen herum erzielt, wobei eine zweimalige Richtungsumkehr eintritt, die zu einer besonders guten Verwirbelung und damit einem optimalen konvektiven Wärmeübergang führt. Entsprechendes gilt auf der Austrittsseite des Wärmetauschers, wo die aufsteigenden Rauchgase nach Passieren der mit dem Kesselwasser gefüllten Rohrleitungen kaminartig ausströmen und dabei an beiden Abkantungen im Ausgangsbereich vorbeiströmen. Auch hierdurch wird die konvektive Wärmeausnutzung ebenso wie die Ausnutzung der noch verbliebenen Strahlungswärme optimiert.
- Weiterin ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt, bei dem auf der vom Brennerbett abgewandten Seite des Wärmetauschers angeordnete geneigte Abkantungen benachbarter Wärmetauscherrohre über axial verlaufende Umlenkbleche miteinander verbunden sind, wie dies an sich bekannt ist, hinzu kommt jedoch, daß die Umlenkbleche auf den Abkantungen aufliegen. Insbesondere können die Umlenkbleche. wenn die Abkantungen unter 45° verlaufen, als V-Profile mit einem Innenwinkel von 90° ausgebildet sein.
- Diese Maßnahme bringt den besonderen Vorteil, daß im Ausgangsbereich die den Wärmetauscher durchströmenden Rauchgase besonders gut ausgenutzt werden, weil bis auf schmale axiale Spalte die Wärmetauscherfläche geschlossen ist. Dadurch, daß die Umlenkbleche nunmehr auf den Abkantungen aufliegen ist auch ein deutlich verbesserter Wärmeübergang zwischen Umlenkblechen und Rippen gewährleistet, als dies beim Stand der Technik der Fall ist.
- Schließlich ist noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt, bei dem die Kesselanlage als Brennwertkessel ausgebildet ist, wobei die vom Brennerbett aufsteigenden Rauchgase zunächst die mit den schrägen Abkantungen versehenen Wärmetauschrohre passieren und dann einem weiteren, als Kondensations-Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher zugeführt werden.
- Gleichzeitig oder alternativ hierzu kann die Kesselanlage modulierend betrieben werden.
- Die beiden letztgenannten Maßnahmen haben jeweils für sich oder miteinander kombiniert den bereits eingangs geschilderten Vorteil einer weitestgehenden Optimierung des Wirkungsgrades der gesamten Kesselanlage.
- Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
- Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erwähnten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend anhand der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 Eine schematische perspektivische Ansicht (teilweise aufgebrochen) einer erfindungsgemäßen gasbeheizten Kesselanlage;
- Fig. 2 und 3 zwei Ansichten von Wärmetauschern nach dem Stand der Technik;
- Fig. 4 und 5 zwei Ansichten, ähnlich in Fig. 2 und 3, jedoch für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- In Fig. 1 bezeichnet 1 insgesamt eine gasbeheizte Kesselanlage, wie sie für Gebäude der verschiedensten Art verwendet werden kann. Die Kesselanlage 1 ist mit einem Lufteintritt 2 versehen, der in den Bereich eines Brennerbetts 10 gelangt, das aus mehreren Brennerstäben 3 zusammengefügt ist. Durch eine in Fig. 1 nicht dargestellte geregelte Gaszuführung wird, bei ggf. ebenfalls geregeltem Lufteintritt 2 über dem Brennerbett 10 ein Flammenbett erzeugt, so daß heiße Luft nach oben aufsteigt und dort in den Bereich eines Wärmetauschers 60 gelangt. Der Wärmetauscher 60 verfügt über Kesselwasseranschlüsse 4 zum Ein- bzw. Ausleiten der für die Heizzwecke vorgesehenen Kesselwassers. Über einen Abzug 5 kann ein den Wärmetauscher 60 durchströmt habendes Rauchgas 6 nach außen entweichen.
- Der Wärmetauscher 60 besteht aus einer Vielzehl von Wärmetauschrohren 61, die teilweise von Umlenkblechen 80 abgedeckt sein können, wie dies weiter hinten zu den Fig. 4 und 5 noch im einzelnen erläutert wird.
- Es vesteht sich, daß die Kesselanlage 1 gemäß Fig. 1 auch mehrere übereinander angeordnete Wärmetauscher aufweisen kann, wobei üblicherweise der erste Wärmetauscher die vom Brennerbett 10 ausgehende Strahlungswärme aufnimmt und durch konvektiven Wärmeübergang auch die in den aufsteigenden Rauchgasen enthaltende Wärme größtenteils abführt und ein zweiter, nachgeschalteter Wärmetauscher als Kondensations-Wärmetauscher das Rauchgas 6 durch Kondensieren der darin enthaltenen Feuchtigkeit weiter abkühlt und somit die Verdunstungswärme dieser Feuchtigkeit aufnimmt. Das Kühlwasser durchströmt bei diesen, auch als Brennwertkesseln bezeichneten Kesselanlagen zunächst den Kondensations-Wärmetauscher und dann den in Fig. 1 im einzelnen dargestellten Wärmetauscher 60.
- Fig. 2 zeigt in Seitenansicht und Fig. 3 zeigt in Draufsicht über dem Brennerbett 10 einen Wärmetauscher 11 nach dem Stand der Technik.
- Der Wärmetauscher 11 besteht aus mehreren, parallel nebeneinander angeordneten Wärmetauschrohren 15, 16 von denen in Fig. 2 und 3 nur zwei vollständig dargestellt sind.
- Die Wärmetauschrohre 15, 16 bestehen aus einer zentralen Rohrleitung 17, 18, von der radial kreisscheibenförmige Rippen 19, 19a ... bzw. 20, 20a ... ausgehen. Die Rippen 19 und 20 verlaufen spiralförmig um die Rohrleitungen 17, 18 herum und sind aus dieser vorzugsweise extrudiert. Die Rohrleitungen 17, 18 sowie die Rippen 19, 20 bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise einer Kupfer/Beryllium-Legierung.
- Die Rohrleitungen 17, 18 werden von Wasser 21 einer Gebäudeheizanlage durchströmt.
- Die Rippen 19, 19a ... bzw. 20, 20a ... sind seitlich mit Abkantungen 23 bzw. 24 versehen und zwar derart, daß aus der kreisscheibenförmigen Oberfläche der Rippen 19 bzw. 20 kreisabschnittförmige Randbereiche um 90° abgewinkelt sind. Die Abkantungen 23, 24 stehen senkrecht zur Oberfläche des Brennerbetts 10. Hierdurch wird, wie man aus Fig. 2 deutlich erkennt, erreicht, daß die Wärmetauschrohre 15, 16 dicht nebeneinander angeordnet werden können, wobei jedoch zwischen den Abkantungen 23, 24 benachbarter Wärmetauschrohre 15, 16 noch ein Abstand 26 von beispielsweise einem Millimeter verbleibt.
- An der vom Brennerbett 10 abgewandten Oberseite sind die Wärmetauschrohre 15, 16 jeweils paarweise mit Umlenkblechen 30 abgedeckt, die den Zwischenraum zwischen benachbarten Wärmetauschrohren 15, 16 überdecken. In Fig. 3 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Umlenkblech, teilweise abgebrochen, dargestellt.
- Wenn das Brennerbett 10 entzündet wird, steigen Rauchgase 40 nach oben auf und strömen entlang einer 41 angedeuteten, im wesentlichen geradlinigen Bahn bis hin zu von den Umlenkblechen 30 seitlich begrenzten schlitzförmigen Öffnungen 42 und dann wieder aus dem Wärmetauscher 11 hinaus. wie mit Pfeilen 43 angedeutet. Die Rauchgase 40 durchströmen dabei Zwischenräume 44, 44a ..., die von den Rippen 19, 19 a ..., der Rohrleitung 17 und den Abkantungen 23 begrenzt werden.
- Zwar verdecken die Umlenkbleche 30, vom Brennerbett 10 aus gesehen, daß "Fenster" 48 zwischen den Rohrleitungen 17, 18, sodaß die Umlenkbleche 30 die vom Brennerbett 10 und den aufgestiegenen Rauchgasen 40 ausgehende Strahlungswärme wenigstens teilweise aufnehmen, man erkennt jedoch aus Fig. 2 deutlich, daß die Grenzfläche 49 zwischen den Umlenkblechen 30 und den Rippen 19, 19a ... bzw. 20, 20a ... einen schlechten Wärmeübergang darstellt, weil die Rippen 19, 19a... bzw. 20, 20a ... nur jeweils mit ihrer Schmalseite an den Umlenkblechen 30 anliegen.
- In den Fig. 4 und 5 ist dem gegenüber ein Wärmetauscher 60 dargestellt, wie er bereits in Fig. 1 erwähnt wurde, und wie er für die vorliegende Erfindung Verwendung findet. Der Wärmetauscher 60 besteht wiederum aus parallel miteinander angeordneten Wärmetauschrohren 61, 62, die mit Rohrleitungen 63, 64 mit radial abstehenden Rippen 65, 65a ... bzw. 66, 66a... versehen sind.
- Obwohl die als Halbzeug verwendeten Wärmetauschrohre beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 und 5 mit denjenigen nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 und 3 übereinstimmen, so sind sie doch zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Kesselanlage unterschiedlich ausgebildet.
- Wie man nämlich deutlich aus Fig. 4 erkennt, sind die Rippen 65 bzw. 66 an ihrem Umfang in acht etwa gleich lange Umfangsbereiche unterteilt, von denen bis auf zwei einander diametral gegenüberliegende Bereiche die übrigen sechs Bereiche mit Abkantungen 70, 71, 72, 73, 74, 75 versehen sind. Aufgrund dieser etwa achteckigen Konfiguration schließen einander benachbarte Abkantungen, z.B. 70, 72 untereinander einen Winkel 76 von 135° ein. Die nicht abgekanteten Bereiche sind im eingebauten Zustand des Wärmetauschers 60 übereinander und senkrecht über dem Brennerbett 10 angeordnet, so daß in diesem eingebauten Zustand vier von den sechs Abkantungen, nämlich die Abkantungen 70, 71, 74 und 75 unter einem Winkel 77 von 45° zur Fläche des Brennerbetts 10 verlaufen.
- Bei dieser Konfiguration sind an der Oberseite des Wärmetauschers 60 auf jeweils zwei benachbarten Wärmetauschrohren 61, 62 aufliegende Umlenkbleche 80 als V-Profile mit einem Innenwinkel von 90° ausgebildet.
- Auf diese Weise entsteht ein Kammersystem im Inneren der Wärmetauschrohre 60, 61, weil die Abkantungen 70, 72, 74 bzw. 71, 73, 75 seitliche Abdeckungen bilden und nur einen Durchgang von unten nach oben freilassen. Die mit 82 bezeichneten aufsteigenden Rauchgasen strömen zunächst in dieses Kammersystem durch eine Öffnung 83, die von den unteren Kanten der Abkantungen 70 und 75 gebildet wird. Sie gelangen nun in Zwischenräume 84, 84a... die von den Rippen 65, 65a ..., der Rohrleitung 63 sowie den Abkantungen 70 bis 75 gebildet werden. Aus diesen nahezu geschlossenen Zwischenräumen 84, 84a ... strömen die Rauchgase 82 dann durch eine Öffnung 86, die von den oberen Kanten der Abkantungen 71 und 74 gebildet wird in Richtung eines Pfeiles 87 aus dem Wärmetauscher 60 heraus. Sie durchlaufen dabei eine mit 85 angedeutete Bahn, die nahezu kreisförmig um die Rohrleitungen 63 bzw. 64 herum verläuft und aufgrund des geraden Ein- und Austrittes bei 82 und 87 folglich dreimal abgewinkelt verläuft.
- Die Abdichtung nach oben ist dabei besonders gut, weil die Umlenkbleche 80 die Öffnungen 86 nochmals zu einem noch schmaleren Schlitz verkleinern. Dabei ist der Wärmeübergang zwischen den Umlenkblechen 80 und den Rippen 65 bzw. 66 deswegen besonders gut, weil die Umlenkbleche 80 nicht auf Schmalseiten der Rippen 65 bzw. 66 sondern vielmehr flächig auf den Abkantungen 71 und 74 aufliegen.
- Unter dem Gesichtspunkt des konvektiven Wärmeübergangs ist der Wärmetauscher gemäß Fig. 4 und 5 demjenigen Fig. 2 und 3 deutlich überlegen, weil, wie erwähnt, die Rauchgase 82 auf einer mehrfach abgewinkelten Bahn in nahezu geschlossenen Zwischenräumen 84, 84a ... verwirbelt geführt werden, so daß die Rauchgase 82 ihre Wärme nahezu vollständig an die umgebenden Flächen bzw. Abkantungen 70 bis 75 der Rippen 65 bzw. 66 abgeben kann.
- Die Ausnutzung der Strahlungswärme ist ebenfalls deutlich vebessert, weil auf einer Breite 90 dem Brennerbett 10 eine durch die Abkantungen 70 und 75 gebildete Aufnahmefläche gegenübersteht, die nahezu zwei Drittel der Oberfläche des Wärmetauschers 60 gegenüber dem Brennerbett 10 ausmacht.
- Es versteht sich, daß das anhand der Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel nur beispielhaft zu verstehen ist und daß selbstverständlich zahlreiche Abwandlungen, insbesondere in der Konfiguration der Rippen und der Abkantungen möglich sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- So können beispielsweise statt kreisscheibenförmiger Rippen auch quadratische oder rechteckige Rippen verwendet werden, es kann statt der achteckigen Form der Abkantungen auch ein anderes Vieleck Verwendung finden und es können auch die Öffnungen zum Ein- bzw. Auslaß der Rauchgase außermittig oder versetzt angeordnet sein, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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