EP0546328A1 - Wärmeaustauschsystem zur Erwärmung von Heiz- und Brauchwasser - Google Patents

Wärmeaustauschsystem zur Erwärmung von Heiz- und Brauchwasser Download PDF

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EP0546328A1 EP92119097A EP92119097A EP0546328A1 EP 0546328 A1 EP0546328 A1 EP 0546328A1 EP 92119097 A EP92119097 A EP 92119097A EP 92119097 A EP92119097 A EP 92119097A EP 0546328 A1 EP0546328 A1 EP 0546328A1
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    • F24H1/48—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water
    • F24H1/52—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water incorporating heat exchangers for domestic water
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/43—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes helically or spirally coiled
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    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/48—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water
    • F24H1/52—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water incorporating heat exchangers for domestic water

Definitions

  • the invention relates to a heat exchange system according to the preamble of claim 1.
  • a heat exchange system of the type mentioned (for example according to EP-PS 0.146.976) has a cylindrical burner with a helically wound finned tube heat exchanger. Due to its design, this heat exchange system already has good exhaust gas values, but it is only suitable for heating water or only for hot water preparation. If heating and process water are to be heated at the same time, the heat transfer between the heating and process water would have to take place, for example, by a separate heat exchanger in or on a store.
  • the invention is therefore based on the object of designing a heat exchange system of the type mentioned in such a way that, with a simple and compact construction, simultaneous heating and hot water heating is possible.
  • an inner tube is arranged in the finned tube, with domestic water in the inner tube and heating water in the annulus.
  • the burner designed to be rotationally symmetrical (cylindrical or conical) is surrounded by a helically or conically wound heat exchanger.
  • the fins are notched, slotted or bent.
  • the heat exchange system according to the invention at the same time solves the partial task of minimizing energy consumption by means of consistent and constant condensing operation (condensing operation here, as is generally the case, means the use of the heat of condensation of the water vapor produced during combustion by means of sufficiently cold heat exchange surfaces).
  • condensing operation here, as is generally the case, means the use of the heat of condensation of the water vapor produced during combustion by means of sufficiently cold heat exchange surfaces.
  • the heat-exchanging surfaces are designed according to the invention in such a way that the surface temperature lies on the finned outside of the outer tube in such a way that the water vapor contained in the exhaust gas can condense on this surface, so that the condensation heat is usefully obtained.
  • the finned tube and / or the inner tube each have inner fins that run around in a helical fashion on the inside.
  • the inner tube can have a simple or cross knurled structure on the outside with a knurled height of 0.3 to 1.5 mm.
  • finned tube and / or inner tube can be replaced by a corrugated tube (tube with constant wall thickness).
  • a reflecting wall is preferably installed on the side of the finned tube which is remote from the burner.
  • the heat exchange system according to the invention provides a specifically very powerful combination heat exchanger which is also compact and inexpensive to manufacture. Another advantage of the proposed heat exchanger is that it can be removed and installed in a few simple steps with a corresponding design of the heat exchange system, which accommodates both cleaning and any replacement that may be required after a damage event.
  • FIG. 1 schematically shows the part of a gas-heated heat exchange system 1, in the combustion chamber 2 of which a cylindrical burner 3 is surrounded by a heat exchanger 4 in the form of a helically wound finned tube 5 with ribs on the outside.
  • the emerging exhaust gases are labeled 3 '.
  • the structure of the heat exchanger 4 in detail is shown in Fig.2a / 2b.
  • a concentric inner tube 6 is arranged here, so that an annular space 7 is formed.
  • Process water (BW) is guided in the inner pipe 6, while the heating water (HW) flows through the annular space 7 in cocurrent or countercurrent.
  • both the heat transfer surface exhaust gas / finned tube 5 and the remaining three heat transfer surfaces find tube 5 / heating water (HW), heating water (HW)
  • the finned tube 5 has ribs 8 of fin height H R encircling on the outside in a helical shape, the inside is corrugated (corrugation depth W1).
  • the inner tube 6 is here also shown with helical outer ribs 9 of the rib height h R.
  • the inner fins of the inner tube 6 are numbered 10 (fin height e).
  • the inside can be corrugated with the corrugation depth w 2 (not shown).
  • a reflecting wall 11 is installed on the side of the finned tube 5 facing away from the burner. This can be located directly behind the finned tube 5 and in contact with it, as well as at some distance and in the form of a combustion chamber wall.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschsystem (1), das in einem Brennraum (2) einen Brenner (3) aufweist, der seinerseits von einem wasserführenden Wärmeaustauscher (4) in Form eines gewickelten, auf der Außenseite berippten Rippenrohres (5) umgeben ist. Um bei einfachem und kompaktem Aufbau die gleichzeitige Heiz- und Brauchwassererwärmung zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im Rippenrohr (5) ein Innenrohr (6) angeordnet ist, wobei im Innenrohr (6) Brauchwasser (BW) und im Ringraum (7) Heizwasser (HW) geführt ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Mit Gas beheizte Geräte zur Erwärmung von Wasser sind seit langem bekannt. Ein Wärmeaustauschsystem der genannten Art (etwa nach der EP-PS 0.146.976) weist einen zylindrischen Brenner mit einem wendelförmig gewickelten Rippenrohrwärmeaustauscher auf. Dieses Wärmeaustauschsystem weist aufgrund seiner Bauweise bereits gute Abgaswerte auf, es ist allerdings entweder nur zur Heizwasser- oder nur zur Brauchwasserbereitung geeignet. Sollen Heiz- und Brauchwasser gleichzeitig erwärmt werden, so müßte die Wärmeübertragung zwischen Heiz- und Brauchwasser durch beispielsweise einen separaten Wärmeübertrager in oder an einem Speicher erfolgen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauschsystem der genannten Art so auszubilden, daß bei einfachem und kompaktem Aufbau die gleichzeitige Heiz- und Brauchwassererwärmung möglich ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Rippenrohr ein Innenrohr angeordnet ist, wobei im Innenrohr Brauchwasser und im Ringraum Heizwasser geführt ist. Nach bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der rotationssymmetrisch (zylindrisch bzw. kegelförmig) ausgebildete Brenner von einem wendelförmig bzw. kegelförmig gewickelten Wärmeaustauscher umgeben.
  • Es ist zwar bereits ein gasbeheiztes Wärmeaustauschsystem mit einem Kombinationswärmeaustauscher für Heiz- und Brauchwasser bekannt, bei dem jeweils in hochberippte Rohre ein Innenrohr eingeschoben wird (vgl. beispielsweise DE-GM 8.911.236), dort sind jedoch die hochberippten Rohre gerade ausgeführt. Um die notwendigen Leistungen zu erzielen, müssen dort im Normalfall mehrere solcher Koaxialrohre parallel geschaltet werden, was mit erheblichem schaltungstechnischen Aufwand verbunden ist.
  • Zur Erzielung guter Wärmeübertragungsleistungen weist das Rippenrohr auf der Außenseite vorzugsweise 5 bis 20 schraubenlinienförmig umlaufende Rippen / Zoll mit einer Rippenhöhe HR = 1,5 - 15 mm auf.
  • Um die Wärmeübertragung am Rippenrohr weiter zu verbessern, wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Rippen gekerbt, geschlitzt oder abgekröpft sind.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauschsystem wird gleichzeitig die Teilaufgabe gelöst, durch konsequenten und ständigen Brennwertbetrieb den Energieverbrauch zu minimieren (unter Brennwertbetrieb ist hierbei -wie allgemein üblichdie Nutzung der Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes durch ausreichend kalte Wärmeaustauschoberflächen zu verstehen). Um einen konsequenten Brennwertbetrieb zu ermöglichen, werden die wärmeaustauschenden Flächen erfindungsgemäß so gestaltet, daß die Oberflächentemperatur auf der berippten Außenseite des Außenrohres so zu liegen kommt, daß der im Abgas enthaltene Wasserdampf an dieser Fläche kondensieren kann, so daß die Kondensationswärme nutzbringend gewonnen wird. Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, mindestens zwei der drei Wärmeübertragungsflächen (Außenrohr / Heizwasser, Heizwasser / Innenrohr, Innenrohr / Brauchwasser) zu strukturieren bzw. zu berippen. Dabei empfiehlt es sich, das Rippenrohr und/oder Innenrohr jeweils auf der Innenseite mit 5 bis 20 Wellen / Zoll zu wellen bei einer Welltiefe W1 / w2 = 0,07 - 0,7 mm. Nach einer erfindungsgemäßen Alternative weisen das Rippenrohr und/oder das Innenrohr jeweils auf der Innenseite schraubenlinenförmig umlaufende Innenrippen auf. Dabei sind vorzugsweise 0,5 - 5 Innenrippen pro mm Rohrinnendurchmesser vorgesehen, die eine Rippenhöhe e = 0,1 - 0,6 mm und einen Drallwinkel (bezogen auf die Rohrlängsachse) von 15 - 45 aufweisen. Hinsichtlich der Außenseite des Innenrohres empfehlen sich 5 bis 20 schraubenlinienförmig umlaufende Rippen / Zoll mit einer Rippenhöhe hR = 0,3 - 3,0 mm. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Innenrohr auf der Außenseite eine Einfach- oder Kreuzrändelstruktur bei einer Rändelhöhe von 0,3 bis 1,5 mm aufweisen.
  • Nach einer erfindungsgemäßen Alternative können Rippenrohr und / oder Innenrohr durch ein Wellrohr (Rohr mit konstanter Wanddicke) ersetzt werden.
  • Um die vom zentralen Brenner ausgehende und zwischen den Außenrippen des Rippenrohres durchtretende Strahlung auf den Wärmetaustauscher zurückzuwerfen, wird vorzugsweise auf der brennerabgewandten Seite des Rippenrohres eine reflektierende Wand installiert.
  • Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauschsystem ein spezifisch sehr leistungsfähiger Kombinationswärmeaustauscher zur Verfügung gestellt, der zudem kompakt ist und preiswert herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Wärmetaustauschers liegt darin, daß er bei entsprechender Konzeption des Wärmeaustauschsystems mit wenigen Handgriffen aus-und eingebaut werden kann, was sowohl der Reinigung wie einem eventuell erforderlichen Austausch nach einem Schadensfall entgegenkommt.
  • Die Erfindung wird an Hand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
    • Fig.1 schematisch den Brennraum eines gasbeheizten Wärmaustauschsystems,
    • Fig.2a einen Längsschnitt durch den (gestreckt gedachten) Wärmetaustauscher und
    • Fig.2b einen Querschnitt durch den Wärmeaustauscher.
  • In Fig.1 ist schematisch der Teil eines gasbeheizten Wärmeaustauschsystems 1 gezeigt, in dessen Brennraum 2 ein zylindrischer Brenner 3 von einem Wärmeaustauscher 4 in Form eines wendelförmig gewickelten, auf der Außenseite berippten Rippenrohres 5 umgeben ist. Die austretenden Abgase sind mit 3' bezeichnet. Der Aufbau des Wärmetaustauschers 4 im einzelnen ist in Fig.2a/2b gezeigt. Im Rippenrohr 5 ist hier ein konzentrisches Innenrohr 6 angeordnet, so daß ein Ringraum 7 gebildet wird. Im Innenrohr 6 wird Brauchwasser (BW) geführt, während der Ringraum 7 vom Heizwasser (HW) im Gleich- oder Gegenstrom durchflossen wird. Um einen konsequenten Brennwertbetrieb zu ermöglichen, sind sowohl die Wärmeübertragungsfläche Abgas/Rippenrohr 5 als auch die übrigen drei Wärmeübertragungsflächen (Rippenrohr 5 / Heizwasser (HW), Heizwasser (HW)
  • / Innenrohr 6, Innenrohr 6 / Brauchwasser (BW)) strukturiert. So weist das Rippenrohr 5 auf der Außenseite schraubenlinienfömig umlaufende Rippen 8 der Rippenhöhe HR auf, die Innenseite ist gewellt (Welltiefe W1 ).
  • Das Innenrohr 6 ist hier ebenfalls mit schraubenlinienförmig umlaufenden Außenrippen 9 der Rippenhöhe hR dargestellt. Die Innenrippen des Innenrohres 6 sind mit 10 beziffert (Rippenhöhe e). Alternativ kann die Innenseite mit der Welltiefe w2 gewellt sein (nicht dargestellt).
  • Zur besseren Ausnutzung der zwischen den Außenrippen 8 des Rippenrohres 5 hindurchtretenden Strahlung ist auf der brennerabgewandten Seite des Rippenrohres 5 eine reflektierende Wand 11 installiert. Diese kann sich direkt hinter dem Rippenrohr 5 und in Kontakt mit diesem befinden wie auch in einigem Abstand und als Brennraumwand ausgebildet sein.

Claims (13)

1. Wärmeaustauschsystem (1), das in einem Brennraum (2) einen Brenner (3) aufweist, der seinerseits von einem wasserführenden Wärmeaustauscher (4) in Form eines gewickelten, auf der Außenseite berippten Rippenrohres (5) umgeben ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Rippenrohr (5) ein Innenrohr (6) angeordnet ist, wobei im Innenrohr (6) Brauchwasser (BW) und im Ringraum (7) Heizwasser (HW) geführt ist.
2. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrisch ausgebildete Brenner (3) von einem wendelförmig bzw. kegelförmig gewickelten Wärmeaustauscher (4) umgeben ist.
3. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der kegelförmig ausgebildete Brenner (3) von einem wendelförmig bzw. kegelförmig gewickelten Wärmeaustauscher (4) umgeben ist.
4. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rippenrohr (5) auf der Außenseite 5 bis 20 schraubenlinienförmig umlaufende Rippen (8) / Zoll mit einer Rippenhöhe HR = 1,5 - 15 mm aufweist.
5. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippen (8) gekerbt, geschlitzt oder abgekröpft sind.
6. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei der drei Wärmeübertragungsflächen (Rippenrohr (5) / Heizwasser (HW), Heizwasser (HW) / Innenrohr (6), Innenrohr (6) / Brauchwasser (BW) ) strukturiert bzw. berippt sind.
7. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rippenrohr (5) und/oder das Innenrohr (6) jeweils auf der Innenseite gewellt sind mit 5 bis 20 Wellen/Zoll bei einer Welltiefe wi / w2 = 0,07 - 0,7 mm.
8. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rippenrohr (5) und/oder das Innenrohr (6) jeweils auf der Innenseite schraubenlinienförmig umlaufende Innenrippen (10) aufweisen.
9. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß 0,5 -5 Innenrippen (10) pro mm Rohrinnendurchmesser vorgesehen sind, die eine Rippenhöhe e = 0,1 - 0,6 mm und einen Drallwinkel von 15 - 45 aufweisen.
10. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Innenrohr (6) auf der Außenseite 5 bis 20 schraubenlinienförmig umlaufende Rippen (9) / Zoll mit einer Rippenhöhe hR = 0,3 - 3,0 mm aufweist.
11. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Innenrohr (6) auf der Außenseite eine Einfach- oder Kreuzrändelstruktur aufweist bei einer Rändelhöhe von 0,3 bis 1,5 mm.
12. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rippenrohr (5) und/oder das Innenrohr (6) als Wellrohr ausgebildet sind.
13. Wärmeaustauschsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der brennerabgewandten Seite des Rippenrohres (5) eine reflektierende Wand (11) angeordnet ist.
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