EP0994313B1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und Wärmetauscher, der durch Anwendung des Verfahrens erhalten wird - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und Wärmetauscher, der durch Anwendung des Verfahrens erhalten wird Download PDF

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EP0994313B1
EP0994313B1 EP19990203247 EP99203247A EP0994313B1 EP 0994313 B1 EP0994313 B1 EP 0994313B1 EP 19990203247 EP19990203247 EP 19990203247 EP 99203247 A EP99203247 A EP 99203247A EP 0994313 B1 EP0994313 B1 EP 0994313B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
channel
chamber
heat
fluid
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP19990203247
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0994313A1 (de
Inventor
Joannes Avertanus Jozef Ten Dam
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nefit Buderus BV
Original Assignee
Nefit Buderus BV
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Filing date
Publication date
Application filed by Nefit Buderus BV filed Critical Nefit Buderus BV
Publication of EP0994313A1 publication Critical patent/EP0994313A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0994313B1 publication Critical patent/EP0994313B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/046—Use of patterns which are eliminated by the liquid metal in the mould
    • 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
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a Heat exchanger made of metal such as aluminum, copper, iron, Steel or brass, which comprises heat exchanger: one by a wall formed space, which with a Inlet opening for supplying a first fluid into the room, and an outlet port for discharging the first fluid the room is provided; essentially one helically around the room extending channel for one second fluid; and a number of projections made by the Wall into the room protrude.
  • the concerns Invention a obtained by application of the method Heat exchanger.
  • Such a heat exchanger is for example from EP-A-0 794 393.
  • This publication describes one with the help of a casting technique of light metal manufactured heat exchanger with a closed, polygonal or curved interior wall, with at least a water channel, one inside the inner wall extending combustion chamber for hot flue gases and at the Inner side extending from the inner wall heat transferring surface enlarging elements, such as Cam or partition walls is provided.
  • the water channel extends helically along the outside of the Inner wall and has adjacent turns.
  • the known heat exchanger is relatively compact.
  • the known heat exchanger has a cheap Efficiency due to the fact that the water channel the outside of the combustion chamber is mounted.
  • the known heat exchanger is in a conventional Casting using a G confusekerngemosges from Sand, wax or plastic poured.
  • Such Casting processes create, in principle, those for the design the heat exchanger desired freedom in the determination the relationship between the waterside and flue gas side surface for optimum heat transfer between the flue gases and the water.
  • a disadvantage of the known heat exchanger is that the Content of the water channel is relatively large, with the result has that after the commissioning of the heat exchanger due to the high heat capacity of the water takes a relatively long time to water in the water channel has the desired temperature. This is above all undesirable if the water in the heat exchanger part of a Water cycle for heating tap water is what is in a so-called combi boiler, which is destined to both To heat tap water as well as water for heating purposes, is common.
  • the desired Zapfwassererhitzung finds only instead, when the water flowing through the heat exchanger has reached the right temperature. The faster this happens, the higher the comfort for the user of the Be boiler.
  • a first reason for the great content of the water channel in the well-known Wämreleyer is that the water channel a must have relatively large minimum cross section to this Shape the canal using a traditional casting process to be able to. These minimum dimensions must not fall below because of the casting core in this case at least during the casting process an insufficient Support on the walls of the canal could provide. Both in connection with and independently of The first reason mentioned is a second reason for the big one Content of the water channel that the water channel is almost extends over the entire outer surface of the combustion chamber, so that the water channel has a relatively large length.
  • Another disadvantage of the known heat exchanger is that this one, though light alloy is used one more has relatively large mass, as the different parts like e.g. the wall of the combustion chamber, the wall of the water channel and the elements that make up the heat-transferring surface enlarge, are relatively thick.
  • the reason for this thickness is the required minimum space between the parts of the G confusekernsatzes in connection with inaccuracies in the Production of G confusekernsatzes, the assembly and its Use.
  • the relatively large mass of Heat exchanger implies that the heat capacity of the Heat exchanger is relatively large and that the material costs are relatively high. The adverse consequences of the big ones Heat capacity are above in connection with the Water channel has been explained.
  • the object of the invention is therefore to provide a method create a heat exchanger in such a way that the limitations of the traditional Manufacturing process are overcome and the cheap Characteristics of the known type of heat exchanger on can be optimized.
  • the Method comprises the following steps: a plastic becomes a copy of the heat exchanger made, which plastic at least in the Melting temperature of the metal evaporates; the surfaces of the copy are with a gas permeable, supporting layer of one heat-resistant material coated; and Metal in the liquid state on the copy inside the gas permeable layer is poured to the plastic to evaporate and the space occupied by the plastic to fill with the metal.
  • the plastic heat exchanger preferably made of polystyrene (EPS)
  • injection molding can be resorted to, with whose help is the copy of one piece or several parts can be made.
  • the production in parts becomes one choose if the geometry of the heat exchanger and thus even the copy is complex.
  • the for molding the copy parts required shape (s) can be relative in this case easy to run.
  • the different parts of the Copy can be easily made with one after its manufacture suitable adhesive or by e.g. Welding the Plastic bonded together to form the copy become.
  • the plastic and any applied adhesive should have an evaporation temperature that is lower than or at least as high as that Melting temperature of the metal from which the heat exchanger is prepared so that during the casting of the liquid Metal on the copy of the space defined by the copy is gradually occupied by the metal, while the Plastic and possibly the adhesive evaporate and through the gas-permeable, supporting layer heat-resistant material escape.
  • a Plastic copy fulfills this task is, first, a greater freedom of design possible in the other Construction elements such as sound insulating devices, the contain one or more cavities, as integral Part of the heat exchanger can be provided. Further, details of the heat exchanger, such as e.g. walls and protrusions, made with a smaller thickness be what the heat capacity of the heat exchanger significantly reduced and improved heat transfer.
  • the cross section of the water channel can be reduced, so that the content of the channel and so the heat capacity of the Water decreases significantly, allowing a quick heating the water can take place.
  • the surfaces of the copy coated by first the Surfaces of the copy with a gas-permeable layer a first heat-resistant material coated and then the gas-permeable layer with a layer from a supporting, porous second heat-resistant Coated material.
  • the gas permeable layer of the first heat-resistant material preferably one ceramic material, in particular silicon dioxide, Alumina earth, zircon, chromite and / or aluminosilicate, acts as a "skeleton" for the copy to receive their Form before and during the casting process and act as well as a "separation wall" between the copy (and during the Casting process: the metal) and the layer of the supporting, porous second heat-resistant Material, which is preferably a ceramic material, and in particular consists of sand.
  • the layer from the first heat-resistant material can dip through pour over or spray on, and is preferably thin, e.g. 0.25 to 1.5 mm thick to the Gas produced during the casting process will easily pass through allow.
  • the layer can also be thin, because the second heat-resistant material for the necessary support the layer of the first heat-resistant material ensures especially if there is liquid metal underneath.
  • the layer of the second heat-resistant material is usually thicker than the layer from the first heat resistant material and can be easily formed by Be first by the cavities of the first heat resistant material provided copy with sand fills and then the copy e.g. put in a box with sand, like that that the whole outside of the copy except the necessary pouring holes is sufficiently covered with sand. If a consolidation of the sand is necessary, he will shaken for a certain time. The sand becomes preferably no binder added.
  • the sand can after the casting process and the solidification of the metal easily be discharged, with the sand, if necessary, through shake off the cavities of the copy can be removed.
  • the sand is hardly contaminated and can without problems reused or disposed of without special measures become.
  • the sand itself known means add to the dimensional stability of the sand mass especially during the casting process, so that also on attaching the layer from the first heat-resistant material to be dispensed with the copy can.
  • the object of the invention is in particular, a Heat exchangers with a relatively low heat capacity, a relatively small amount of water, an excellent one Heat transfer, a low weight and a to create low price.
  • a Heat exchanger prepared according to the method described above.
  • the heat exchanger according to the invention carried out such that the heat exchanger has an integrated Exhaust passage for the first fluid containing a Inlet opening and an outlet opening, wherein the Inlet opening of the inlet channel to the outlet opening of the room. That way, a connection can be made with the necessary seal between the room and the Outlet channel can be saved, and can Combustion system, of which the heat exchanger is a part makes, especially compact to be built.
  • the channel extends for the second Fluid in the amount of heat conduction elements also around the Outlet channel to the heat that in the exhaust duct the first fluid is withdrawn as effectively as possible to the to transfer second fluid.
  • the through the space and the outlet channel certain flow path for the first fluid U-shaped. It would be advantageous if the inlet is in the same Level as the outlet opening of the outlet channel are would. This allows the belonging to the heat exchanger Components of a combustion system such as a burner, a Rauchgasauslwiekanal u.ä. easy and as compact units are mounted on the heat exchanger.
  • the inlet of the room and the Outlet of the outlet channel through a common flange educated. After pouring the heat exchanger needs in in this case only one flange surface reworked become what takes place in a single machining operation can. Any dimensional deviations of the casting have no or hardly influence on the connections to the mentioned Inlet and outlet. If on the flange too mounting components (in the case of a Combustion device: a burner and a Flue gas outlet) before assembly into a composite Components have been assembled, this can be assembled component in one operation become. Disassembly of a composite component leads to a simplification of maintenance and cleaning of the heat exchanger.
  • the heat exchanger is designed such that the space cross-section, transverse to the flow direction of the first Fluid considered, in the flow direction of the first Fluids decreases. So one achieves that the Flow velocity of, in its flow direction cooling by heat transfer to the second fluid first fluid always stays high enough to get a good one To ensure heat transfer.
  • the turns of the channel positioned at a certain distance from each other. Thanks this measure is the volume of fluid in the channel, usually water, small. The fluid can therefore be fast to be warmed up.
  • the heat exchanger is designed such that on at least a part of the wall of the room, the projections missing, with this wall part with itself, across the Viewing the flow direction of the first fluid in space, extending, protruding into the room vaulting is provided.
  • the heat exchanger According to the invention one or more of the channel wall from protruding into the channel projections.
  • the Projections in the space for the first fluid the Projections in the channel in many different ways be formed (in general such that a Turbulence of the second fluid is generated or increased), for example, as a pin or ribs.
  • bulges create turbulence in the flow of first fluids and lead to an enlargement of the Heat exchanger surface, which is in contact with the first fluid comes. Both effects lead to an improvement of the Heat transfer from the first fluid to the room wall.
  • at the level of the bulges are parts of the Channels, so that also the heat transfer of the first Fluid is improved to the second fluid.
  • Figures 1 to 3 show a copy housing part 2, a Copy housing part 4, a copy housing part 6 and a Copy Channel Part 8.
  • the Copy Enclosure Parts 2 and 4 are included each side walls 10, 12 and 14, a bottom wall 16 and an inner wall 18.
  • the sidewalls 10 a part 12a of each of the side walls 12, a part 16a from each of the bottom walls 16, and the inner walls 18 a Heat exchange chamber whose cross section from top to bottom considered decreasing.
  • the side walls 14, a part 12b of each of the side walls 12, a part 16b of each of the Floor walls 16, and the inner walls limit one Outlet channel.
  • the side walls 10, 12 and 14 and the Inner wall 18 of each copy housing part ends at one common edge in the flange 20.
  • the flanges 20 ( Figure 2) in turn limit a large opening, inlet opening 22 called the heat exchange space, and a small opening, Outlet opening 24 of the outlet channel called. This is how it is the inlet opening 22 in the same plane as the Outlet opening 24.
  • the heat exchange room has a Outlet opening, which with the inlet opening of the Outlet channel coincides and from the passage between the bottom walls 16 and the inner walls 18 is formed. In this shaping is corresponding in one of the copy Heat exchanger of the room and the outlet certain flow path for the first fluid U-shaped.
  • each side wall 12 which is the other Copy housing part 4 faces, is in the Heat exchange chamber a large number of pins 26 in one appropriate pattern attached.
  • the pins 26 have in the Figures 1 and 3 a circular cross section; you can but also another form, such as a have oval or rectangular cross-section. Next you can the pins 26 viewed over their length different Have cross sections, for example, larger at their foot ends as being at their free ends.
  • the pins 26 can also by ribs or similar be replaced.
  • ribs or similar is always that (in one of the copy corresponding Heat exchanger) a flowing past it no fluid straight line from the inlet opening of the room to Outlet opening of the room may be allowed to travel because so that the heat transfer, via the cones, the ribs etc. takes place, demolition would be done.
  • the pin 27 or similar can at the Copy channel parts 6 or 8 ( Figure 4) or to the Copy housing parts 2 or 4 ( Figure 1) or both types be attached by parts.
  • the copy case parts 2 and 4 and the copy channel parts 6 and 8 are all designed so that they with the help of a relatively simple form of a plastic material without the need to be at a certain angle to Release direction of the mold to use moving moldings to must be able to be manufactured. If the parts 2 to 8 are formed, they become a complete copy of the assembled to heat exchanger to be manufactured, as shown in FIG 2 is shown. For this, the parts 2 to 8 are preferably glued together with a suitable adhesive. in the With regard to the pin 26 is here noted that this one Such length and position can have that after the Assembly of parts 2 and 4 a bridge between the respective side walls 12 of the parts 2 and 4 form.
  • the Journal sets 26 of different parts 2 and 4 can also be positioned offset from each other and to protrude between each other. Another possibility is, in that the pins 26 of the part 2 and the pins of the part 4 probably aligned, but the ends of the pins are not touching each other. In the latter case, the pins of each part 2, 4 different lengths from each other have to prevent (in one of the copy corresponding heat exchanger) a part of the by the Heat exchanger of flowing fluid on a direct path from the inflow opening can flow to the outlet opening.
  • a second fluid flows in countercurrent as e.g. Water through the channel 28 from the inlet port 30 to the outlet opening 32, said second fluid from the absorbs heat emitted by the first fluid.
  • a second fluid flows in countercurrent as e.g. Water through the channel 28 from the inlet port 30 to the outlet opening 32, said second fluid from the absorbs heat emitted by the first fluid.
  • the Heat exchange resulting corrosion products and condensate can the heat exchanger via an outlet opening 34 (FIG 2) leave.
  • Figures 4 and 5 show an embodiment of the copy a heat exchanger according to the invention, which in wide Areas in a manner similar to the copy of FIG. 1 to 3 is formed.
  • a point of difference concerns the design of the projections 26 a, which a have rectangular cross-section.
  • the parts of the Channels 28 which extend on the side wall 10, completely on the heat exchange chamber side facing attached to the side wall 10, resulting in a planar shape the copy outside leads.
  • the inner wall 18 partially made twice to (in a the copy corresponding to the heat exchanger) the warmest part the heat exchange chamber located directly at the inlet port 22 connects, as far as possible in thermal terms from the coldest part of the exhaust duct, which is the Outlet opening 24 directly precedes to separate.
  • Part of the Outlet channel contains, as well as the heat exchange space, Protrusions 26b.
  • the channel 28 extends helically around the heat exchange space and at the level of the protrusions 26b as well around the outlet channel.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers aus Metall wie Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl oder Messing, welcher Wärmetauscher umfaßt: einen durch eine Wand gebildeten Raum, der mit einer Einlaßöffnung zum Zuführen eines ersten Fluids in den Raum, und einer Auslaßöffnung zum Abführen des ersten Fluids aus dem Raum versehen ist; einen sich im wesentlichen schraubenförmig um den Raum erstreckenden Kanal für ein zweites Fluid; und eine Anzahl von Vorsprüngen, die von der Wand in den Raum hineinragen. Außerdem betrifft die Erfindung einen durch Anwendung des Verfahrens erhaltenen Wärmetauscher.
Ein derartiger Wärmetauscher ist zum Beispiel aus der EP-A-0 794 393 bekannt. Diese Veröffentlichung beschreibt einen mit Hilfe einer Gießtechnik aus Leichtmetall hergestellten Wärmetauscher mit einer geschlossenen, vieleckigen oder gebogenen Innenwand, der mit mindestens einem Wasserkanal, einem sich innerhalb der Innenwand erstreckenden Brennraum für heiße Rauchgase und sich an der Innenseite von der Innenwand aus erstreckenden wärmeübertragenden oberflächenvergrößernden Elementen, wie Nocken oder Trennungswänden versehen ist. Der Wasserkanal erstreckt sich schraubenförmig entlang der Außenseite der Innenwand und hat aneinander liegende Windungen.
Der bekannte Wärmetauscher ist verhältnismäßig kompakt. Außerdem hat der bekannte Wärmetauscher einen günstigen Wirkungsgrad infolge der Tatsache, daß der Wasserkanal an der Außenseite des Brennraums angebracht ist. Diese Anordnung führt nämlich dazu, daß die Temperatur des Wärmetauschers an seiner Außenseite näherungsweise der Temperatur des Wassers im Wasserkanal entspricht, während die heißen Rauchgase sich im Brennraum befinden. So werden die Konvektions- und Strahlungsversluste des Wärmetauschers minimiert.
Der bekannte Wärmetauscher wird in einem konventionellen Gießverfahren unter Benutzung eines Gießkerngefüges aus Sand, Wachs oder Kunststoff gegossen. Derartige Gießverfahren schaffen im Prinzip die für die Gestaltung des Wärmetauschers erwünschte Freiheit in der Bestimmung des Verhältnisses zwischen der wasserseitigen und rauchgasseitigen Fläche für eine optimale Wärmeübertragung zwischen den Rauchgasen und dem Wasser.
Ein Nachteil des bekannten Wärmetauschers ist, daß der Inhalt des Wasserkanals relativ groß ist, was zur Folge hat, daß es nach der Inbetriebnahme des Wärmetauschers aufgrund der hohen Wärmekapazität des Wassers verhältnismäßig lange dauert, bis das Wasser im Wasserkanal die gewünschte Temperatur hat. Dies ist vor allem unerwünscht, wenn das Wasser im Wärmetauscher Teil eines Wasserkreislaufs zur Erhitzung von Zapfwasser ist, was in einem sogenannten Kombi-Kessel, der bestimmt ist, um sowohl Zapfwasser als auch Wasser für Heizungszwecke zu erhitzen, üblich ist. Die gewünschte Zapfwassererhitzung findet erst statt, wenn das durch den Wärmetauscher strömende Wasser die richtige Temperatur erreicht hat. Je schneller dies geschieht, umso höher wird der Komfort für den Benutzer des Kessels sein. Auch wenn im Kombi-Kessel ein Warmwasserspeicher zur Überbrückung der Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Bedarf an warmem Zapfwasser entsteht, und dem Zeitpunkt, an dem der gewünschte Grad der Erwärmung des Zapfwassers erreicht ist, benutzt wird, ist es erwünscht, das durch den Wärmetauscher strömende Wasser schnell auf der richtigen Temperatur zu haben. Je schneller dies nämlich geschieht, desto kleiner kann der Warmwasserspeicher sein.
Ein erster Grund für den großen Inhalt des Wasserkanals in dem bekannten Wämretauscher ist, daß der Wasserkanal einen relativ großen minimalen Querschnitt haben muß, um diesen Kanal mit Hilfe eines traditionellen Gießverfahrens formen zu können. Diese minimalen Abmessungen dürfen nicht unterschritten werden, weil der Gießkern in diesem Fall wenigstens während des Gießvorgangs eine unzureichende Unterstützung an den Wänden des Kanals bieten könnte. Sowohl im Zusammenhang mit als auch unabhängig vom erwähnten ersten Grund ist ein zweiter Grund für den großen Inhalt des Wasserkanals, daß der Wasserkanal sich nahezu über die ganze Außenfläche des Brennraumes erstreckt, so daß der Wasserkanal eine verhältnismäßig große Länge hat.
Die Tatsache, daß ein Gießkernteil einen minimalen Querschnitt haben soll, um die geforderte Stabilität zu gewährleisten, hat als zusätzlichen nachteiligen Effekt, daß die Elemente des bekannten Wärmetauschers, die die wärmeübertragende Fläche vergrößern, in einem eigentlich von dem angewandten Gießverfahren bestimmten, minimalen gegenseitigen Abstand angeordnet werden müssen.
Ein anderer Nachteil des bekannten Wärmetauschers ist, daß dieser, obwohl Leichtmetall verwendet wird, noch eine relativ große Masse hat, da die verschiedenen Teile wie z.B. die Wand des Brennraumes, die Wand des Wasserkanals und die Elemente, die die wärmeübertragende Fläche vergrößern, relativ dick sind. Der Grund für diese Dicke ist der erforderliche minimale Raum zwischen den Teilen des Gießkernsatzes im Zusammenhang mit Ungenauigkeiten bei der Herstellung des Gießkernsatzes, dem Zusammenbau und dessen Benutzung. Die verhältnismäßig große Masse des Wärmetauschers impliziert, daß die Wärmekapazität des Wärmetauschers relativ groß ist und daß die Materialkosten relativ hoch sind. Die nachteiligen Folgen der großen Wärmekapazität sind vorstehend im Zusammenhang mit dem Wasserkanal erläutert worden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, um einen Wärmetauscher auf eine derartige Weise herzustellen, daß die Beschränkungen des traditionellen Herstellverfahrens überwunden werden und die günstigen Eigenschaften des bekannten Wärmetauschertyps weiter optimiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt: aus einem Kunststoff wird eine Kopie des Wärmetauschers hergestellt, welcher Kunststoff wenigstens bei der Schmelztemperatur des Metalls verdampft; die Oberflächen der Kopie werden mit einer gasdurchlässigen, unterstützenden Schicht aus einem hitzebeständigen Material beschichtet; und Metall in flüssigem Zustand auf die Kopie innerhalb der gasdurchlässigen Schicht gegossen wird, um den Kunststoff zu verdampfen und den von dem Kunststoff eingenommenen Raum mit dem Metall auszufüllen.
Zur Bildung der Wärmetauscherkopie aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polystyrol (EPS), kann auf an sich bekannte Spritzgießverfahren zurückgegriffen werden, mit deren Hilfe die Kopie aus einem Stück oder mehreren Teilen gefertigt werden kann. Die Fertigung in Teilen wird man wählen, wenn die Geometrie des Wärmetauschers und damit auch der Kopie komplex ist. Die zum Formen der Kopieteile benötigte(n) Form/Formen können in diesem Fall relativ einfach ausgeführt werden. Die verschiedenen Teile der Kopie können nach ihrer Fertigung einfach mit einem geeigneten Haftmittel oder durch z.B. Schweißen des Kunststoffes zur Bildung der Kopie miteinander verbunden werden.
Der Kunststoff und das eventuell angewandte Haftmittel sollen eine Verdampfungstemperatur haben, die niedriger ist als oder zumindest gleich hoch ist wie die Schmelztemperatur des Metalls, aus dem der Wärmetauscher hergestellt wird, so daß während des Gießens des flüssigen Metalls auf die Kopie der von der Kopie definierte Raum allmählich von dem Metall eingenommen wird, während der Kunststoff und ggf. das Haftmittel verdampfen und durch die gasdurchlässige, unterstützende Schicht aus hitzebeständigem Material entweichen.
Indem im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem ein Gießkernsatz als Ausgangspunkt zum Definieren der Geometrie des Wärmetauschers dient, jetzt erfindungsgemäß eine Kunststoffkopie diese Aufgabe erfüllt, ist erstens eine größere Gestaltungsfreiheit möglich, in der auch andere Konstruktionselemente wie schalldämmende Vorrichtungen, die eine oder mehrere Hohlräume enthalten, als integraler Bestandteil des Wärmetauschers vorgesehen werden können. Weiter können Details des Wärmetauschers, wie z.B. Wände und Vorsprünge, mit einer geringeren Stärke ausgeführt werden, was die Wärmekapazität des Wärmetauschers wesentlich reduziert und die Wärmeübertragung verbessert. Der Querschnitt des Wasserkanals kann reduziert werden, so daß der Inhalt des Kanals und so die Wärmekapazität des Wassers wesentlich abnimmt, so daß eine schnelle Erhitzung des Wassers stattfinden kann.
Vorzugsweise werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Flächen der Kopie beschichtet, indem man zunächst die Flächen der Kopie mit einer gasdurchlässigen Schicht aus einem ersten wärmebeständigen Material beschichtet und anschließend die gasdurchlässige Schicht mit einer Schicht aus einem unterstützenden, porösen zweiten wärmebeständigen Material beschichtet. Die gasdurchlässige Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material, vorzugsweise einem keramischen Material, insbesondere Siliziumdioxid, Alaunerde, Zirkon, Chromit und/ oder Aluminosilikat, fungiert als "Skelett" für die Kopie zum Erhalt von deren Form vor und während des Gießvorgangs und fungiert außerdem als "Trennungswand" zwischen der Kopie (und während des Gießvorgangs: dem Metall) und der Schicht des unterstützenden, porösen zweiten wärmebeständigen Materials, das vorzugsweise ein keramisches Material ist, und insbesondere aus Sand besteht. Die Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material kann durch eintauchen, übergießen oder aufspritzen aufgetragen werden, und ist vorzugsweise dünn, z.B. 0,25 bis 1,5 mm dick, um das während des Gießvorgangs entstandene Gas leicht durchtreten zu lassen. Die Schicht kann auch dünn sein, weil das zweite wärmebeständige Material für die notwendige Unterstützung der Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material sorgt, insbesondere wenn sich darunter flüssiges Metall befindet. Die Schicht aus dem zweiten wärmebeständigen Material ist gewöhnlich dicker als die Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material und kann einfach dadurch gebildet werden, indem man erst die Hohlräume der mit dem ersten wärmebeständigen Material versehenen Kopie mit Sand füllt und dann die Kopie z.B. in einen Kasten mit Sand stellt, so daß die ganze Außenseite der Kopie mit Ausnahme der notwendigen Gießlöcher ausreichend mit Sand bedeckt ist. Falls eine Verdichtung des Sandes notwendig ist, wird er für eine bestimmte Zeit gerüttelt. Dem Sand wird vorzugsweise kein Bindemittel zugesetzt. Der Sand kann nach dem Gießvorgang und dem Erstarren des Metalls einfach abgeführt werden, wobei der Sand, falls notwendig, durch rütteln aus den Hohlräumen der Kopie entfernt werden kann. Der Sand wird kaum verunreinigt und kann ohne Probleme wiederverwendet oder ohne spezielle Maßnahmen entsorgt werden. Es ist übrigens im Rahmen dieser Erfindung ohne weiteres möglich, dem Sand an sich bekannte Mittel zuzusetzen, um die Formbeständigkeit der Sandmasse insbesondere während des Gießvorgangs zu verbessern, so daß außerdem auf das Anbringen der Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material auf die Kopie verzichtet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, einen Wärmetauscher mit einer relativ geringen Wärmekapazität, einem relativ kleinen Wasserinhalt, einer hervorragenden Wärmeübertragung, einem niedrigen Gewicht und einem niedrigen Preis zu schaffen. Zur Erfüllung einer oder mehrerer der obengenannten Ziele wird der Wärmetauscher gemäß dem vorhergehend beschriebenen Verfahren hergestellt.
Vorzugsweise wird der Wärmetauscher gemäß der Erfindung derart ausgeführt, daß der Wärmetauscher einen integrierten Auslaßkanal für das erste Fluid enthält, der eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung hat, wobei die Einlaßöffnung des Einlaßkanals sich an die Auslaßöffnung des Raumes anschließt. Auf diese Weise kann eine Verbindung mit der notwendigen Abdichtung zwischen dem Raum und dem Auslaßkanal eingespart werden, und kann ein Verbrennungssystem, von dem der Wärmetauscher einen Teil ausmacht, besonders Kompakt gebaut werden.
Vorzugsweise sind im Auslaßkanal nahe von dessen Einlaßöffnung Wärmeleitungselemente zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom ersten Fluid auf den Wärmetauscher angebracht. Dabei erstreckt sich der Kanal für das zweite Fluid in Höhe der Wärmeleitungselemente auch rundum den Auslaßkanal, um die Wärme, die in dem Auslaßkanal dem ersten Fluid entzogen wird, so effektiv wie möglich an das zweite Fluid zu übertragen.
Vorzugsweise ist der durch den Raum und den Auslaßkanal bestimmte Strömungsweg für das erste Fluid U-förmig. Vorteilhaft wäre es, wenn der Einlaß sich in der gleichen Ebene wie die Auslaßöffnung des Auslaßkanals befinden würde. Dadurch können die zum Wärmetauscher gehörenden Komponenten eines Verbrennungssystems wie beispielsweise ein Brenner, ein Rauchgasauslaßkanal u.ä. einfach und als kompakte Einheiten an dem Wärmetauscher montiert werden.
Vorteilhafterweise werden der Einlaß des Raumes und der Auslaß des Auslaßkanals durch einen gemeinsamen Flansch gebildet. Nach dem Gießen des Wärmetauschers braucht in diesem Fall nur eine Flanschfläche nachbearbeitet zu werden, was in einem einzigen Bearbeitungsgang stattfinden kann. Eventuelle Maßabweichungen des Gußteils haben keinen oder kaum Einfluß auf die Anschlüsse an der erwähnten Einlaß- und Auslaßöffnung. Wenn an dem Flansch zu montierende Komponenten (im Fall einer Verbrennungsvorrichtung: ein Brenner und ein Rauchgasauslaß) vor der Montage zu einem zusammengesetzten Komponenten zusammengebaut worden sind, kann diese zusammengesetzte Komponente in einem Arbeitsgang montiert werden. Die Demontage einer zusammengesetzten Komponente führt zu einer Vereinfachung der Wartung und der Reinigung des Wärmetauschers.
Vorzugsweise wird der Wärmetauscher derart ausgeführt, daß der Raumquerschnitt, quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids betrachtet, in der Strömungsrichtung des ersten Fluids abnimmt. So erreicht man, daß die Strömungsgeschwindigkeit des, in seiner Strömungsrichtung durch Wärmeübertragung an das zweite Fluid abkühlenden ersten Fluids immer ausreichend hoch bleibt, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten.
Auf zweckmäßige Weise sind die Windungen des Kanals zueinander in einer gewissen Entfernung positioniert. Dank dieser Maßnahme ist das Volumen des Fluids in dem Kanal, gewöhnlich Wasser, klein. Das Fluid kann daher schnell aufgewärmt werden.
Vorzugsweise wird der Wärmetauscher derart ausgeführt, daß an wenigstens einem Teil der Raumwand die Vorsprünge fehlen, wobei dieser Wandteil mit sich, quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids im Raum betrachtet, erstreckenden, in den Raum ragenden Wölbungen versehen ist. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung vom ersten Fluid an das zweite Fluid besitzt der Wärmetauscher erfindungsgemäß einen oder mehrere sich von der Kanalwand aus in den Kanal ragende Vorsprünge. Ebenso wie die Vorsprünge im Raum für das erste Fluid können die Vorsprünge im Kanal auf mancherlei verschiedene Weisen ausgebildet werden (im allgemeinen derart, daß eine Turbulenz des zweiten Fluids erzeugt oder erhöht wird), beispielsweise als Zapfen oder Rippen.
Diese Wölbungen erzeugen Turbulenzen in der Strömung des ersten Fluids und führen zu einer Vergrößerung der Wärmetauscherfläche, die mit dem ersten Fluid in Berührung kommt. Beide Effekte führen zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung vom ersten Fluid an die Raumwand. Vorzugsweise befinden sich in Höhe der Wölbungen Teile des Kanals, so daß außerdem die Wärmeübertragung des ersten Fluids an das zweite Fluid verbessert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1
in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Kopie des Wärmetauschers gemäß der Erfindung, in auseinander genommener Form
Figur 2
in perspektivischer Darstellung die Kopie aus Figur 1 in zusammengesetzter Form,
Figur 3
einen Teil der Kopie in Figur 1 in einer Seitenansicht gemäß dem Pfeil III in Figur 1,
Figur 4
in perspektivischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der Kopie aus auseinander genommener Form eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung und
Figur 5
in perspektivischer Darstellung die Kopie in Figur 4 in zusammengesetzer Form.
In den verschiedenen Figuren beziehen sich gleiche Verweisungsnummer sich auf gleiche Teile oder auf Teile mit einer ähnlichen Funktion.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Kopiegehäuseteil 2, ein Kopiegehäuseteil 4, ein Kopiegehäuseteil 6 und einen Kopiekanalteil 8. Die Kopiegehäuseteile 2 und 4 enthalten jeweils Seitenwände 10, 12 und 14, eine Bodenwand 16 und eine Innenwand 18. In der in Figur 2 abgebildeten zusammengebauten Form der Kopie begrenzen die Seitenwände 10, ein Teil 12a von jeder der Seitenwände 12, ein Teil 16a von jeder der Bodenwände 16, und die Innenwände 18 einen Wärmetauschraum, dessen Querschnitt von oben nach unten betrachtet abnimmt. Die Seitenwände 14, ein Teil 12b von jeder der Seitenwände 12, ein Teil 16b von jeder der Bodenwände 16, und die Innenwände begrenzen einen Auslaßkanal. Die Seitenwände 10, 12 und 14 und die Innenwand 18 von jedem Kopiegehäuseteil enden an einer gemeinsamen Kante im Flansch 20. Die Flansche 20 (Figur 2) begrenzen ihrerseits eine große Öffnung, Einlaßöffnung 22 des Wärmetauschraumes genannt, und eine kleine Öffnung, Auslaßöffnung 24 des Auslaßkanals genannt. So befindet sich die Einlaßöffnung 22 in der gleichen Ebene wie die Auslaßöffnung 24. Außerdem besitzt der Wämetauschraum eine Auslaßöffnung, welche mit der Einlaßöffnung des Auslaßkanals zusammen fällt und von dem Durchlaß zwischen den Bodenwänden 16 und den Innenwänden 18 gebildet wird. Bei dieser Formgebung ist in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher der von dem Raum und dem Auslaßkanal bestimmte Strömungsweg für das erste Fluid U-förmig.
An jener Seite jeder Seitenwand 12, welche dem anderen Kopiegehäuseteil 4 zugewandt ist, ist in dem Wärmetauschraum eine große Anzahl Zapfen 26 in einem vorbestimmten Muster angebracht. Die Zapfen 26 haben in den Figuren 1 und 3 einen kreisförmigen Querschnitt; sie können jedoch auch eine andere Form, wie beispielsweise einen ovalen oder rechteckigen Querschnitt haben. Weiter können die Zapfen 26 über ihre Länge betrachtet unterschiedliche Querschnitte haben, zum Beispiel größer an ihren Fußenden als an deren freien Enden sein. Die Zapfen 26 können auch durch Rippen o.ä. ersetzt werden. Ausgangspunkt für die Positionierung und Gestaltung der Zapfen, Rippen o.ä. ist immer, daß (in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher) ein daran vorbei strömendes Fluid keine gerade Strecke von der Einlaßöffnung des Raumes zur Auslaßöffnung des Raumes zurücklegen können darf, weil damit der Wärmeübertragung, die über die Zapfen, die Rippen o.ä. stattfindet, Abbruch getan würde.
Auch in dem Kanal können im Prinzip willkürlich geformte Vorsprünge wie Zapfen 27 oder Rippen zur Förderung der Wärmeübertragung, die in dem Kanal 28 stattfindet, angebracht werden. Die Zapfen 27 o.ä. können an den Kopiekanalteilen 6 oder 8 (Figur 4) oder an den Kopiegehäuseteilen 2 oder 4 (Figur 1) oder an beiden Arten von Teilen angebracht werden.
In den Seitenwänden 10 und 12 und in den Innenwänden 18 sind Teile eines Kanals ausgebildet, welche Teile zusammen einen sich schraubenförmig um den Wärmetauschraum erstreckenden Kanal 28 mit einem Kanaleinlaß 30 und einem Kanalauslaß 32 bilden. Erwähnte Teile des Kanals können in den Seitenwänden 10 und den Innenwänden 18 auch mit nicht näher gezeigten, beispielsweise rippenförmigen Vorsprüngen versehen sein. Die Kanalteile in den Seitenwänden 10 und den Innenwänden 18 sorgen dafür, daß die Wand des von diesen begrenzten Raums teilweise gewölbt ist.
Die Kopiegehäuseteile 2 und 4 und die Kopiekanalteile 6 und 8 sind alle derart ausgebildet, daß sie mit Hilfe einer relativ einfachen Form aus einem Kunststoffmaterial ohne die Notwendigkeit, unter einem bestimmten Winkel zur Löserichtung der Form zu bewegende Formteile verwenden zu müssen, hergestellt werden können. Wenn die Teile 2 bis 8 geformt sind, werden sie zu einer vollständigen Kopie des zu fertigenden Wärmetauschers zusammengebaut, wie in Figur 2 gezeigt ist. Dazu werden die Teile 2 bis 8 vorzugsweise mit einem geeigneten Haftmittel zusammen geklebt. Im Hinblick auf die Zapfen 26 sei hier bemerkt, daß diese eine derartige Länge und Position haben können, daß sie nach dem Zusammenbau der Teile 2 und 4 eine Brücke zwischen den jeweiligen Seitenwänden 12 der Teile 2 und 4 bilden. Die Zapfensätze 26 der unterschiedliche Teile 2 und 4 können außerdem auch gegeneinander versetzt positioniert sein und zwischen einander vorstehen. Eine andere Möglichkeit ist, daß die Zapfen 26 des Teils 2 und die Zapfen des Teils 4 wohl fluchten, aber die Enden der Zapfen sich nicht gegenseitig berühren. Im letzten Fall werden die Zapfen eines jeden Teils 2, 4 unterschiedliche Längen voneinander haben müssen, um zu verhindern, daß (in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher) ein Teil des durch den Wärmetauscher strömenden Fluids auf einem direkten Weg von der Zuflußöffnung zu der Auslaßöffnung strömen kann.
Nach dem Zusammenbau der Kopie wird diese auf ihrer ganzen Oberfläche mit einer gasdurchlässigen Schicht aus einem ersten wärmebeständigen Material versehen. Anschließend werden alle Räume in der Kopie mit einem zweiten wärmebeständigen Material gefüllt und wird die so erhaltene Kopie auch an der Außenseite mit dem zweiten wärmebeständigen Material beschichtet. Wenn jetzt ein flüssiges Metall auf die Kopie gegossen wird, verdampft das Material der Kopie, wobei die dabei entstehenden Gase durch die Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material und durch das poröse zweite wärmebeständige Material entweichen. Das Metall erstarrt innerhalb der von dem ersten wärmebeständigen Material bestimmten Form, so daß der gewünschte Wärmetauscher entsteht. Anschließend werden das zweite und das erste wärmebeständige Material entfernt, wonach der gegossene Wärmetauscher für die Aufnahme in und Benutzung von einem dazu gehörenden Verbrennungssystem fertig ist. Bei Verwendung des Wärmetauschers strömt ein erstes Fluid wie ein heißes Rauchgas von der Einlaßöffnung 22 zu der Auslaßöffnung des Wärmetauschraumes an den Zapfen 26 vorbei. Anschließend strömt das erste Fluid durch den Auslaßkanal und verläßt es den Wärmetauscher durch die Auslaßöffnung 24.
Gleichzeitig strömt im Gegenstrom ein zweites Fluid wie z.B. Wasser durch den Kanal 28 von der Einlaßöffnung 30 zu dessen Auslaßöffnung 32, wobei dieses zweite Fluid die von dem ersten Fluid abgegebene Wärme aufnimmt. Beim Wärmetausch entstehnde Korrosionsprodukte und Kondensat können den Wärmetauscher über eine Auslaßöffnung 34 (Figur 2) verlassen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform der Kopie eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung, welche in weiten Bereichen auf ähnliche Weise wie die Kopie gemäß Figur 1 bis 3 ausgebildet ist. Ein Unterscheidungspunkt betrifft die Gestaltung der Vorsprünge 26a, welche einen rechteckigen Querschnitt haben. Weiter sind die Teile des Kanals 28, welche sich an der Seitenwand 10 erstrecken, vollständig an der dem Wärmetauschraum zugewandten Seite der Seitenwand 10 angebracht, was zu einer ebenen Gestalt der Kopieaußenseite führt. Wie aus Figur 4 hervor geht, ist die Innenwand 18 teilweise doppelt ausgeführt, um (in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher) den wärmsten Teil des Wärmetauschraums, der sich direkt an der Einlaßöffnung 22 anschließt, in thermischer Hinsicht soweit wie möglich von dem kältesten Teil des Auslaßkanals, der der Auslaßöffnung 24 direkt vorangeht, zu trennen. Ein Teil des Auslaßkanal enthält, ebenso wie der Wärmetauschraum, Vorsprünge 26b. Der Kanal 28 erstreckt sich schraubenförmig um den Wärmetauschraum und in Höhe der Vorsprünge 26b auch um den Auslaßkanal.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers aus Metall, welcher Wärmetauscher umfaßt:
    einen von einer Wand gebildeten Raum, der mit einer Einlaßöffnung (22) zum Zuführen eines ersten Fluids in den Raum und einer Auslaßöffnung zum Abführen des ersten Fluids aus dem Raum versehen ist;
    einen sich im wesentlichen schraubenförmig um den Raum erstreckenden Kanal (28) für ein zweites Fluid; und
    eine Anzahl von Vorsprüngen (26), die von der Wand in den Raum ragen,
    wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte, daß
    a) aus einem Kunststoff eine Kopie des Wärmetauschers hergestellt wird, welcher Kunststoff wenigstens bei der Schmelztemperatur des Metalls verdampft;
    b) die Oberflächen der Kopie mit einer gasdurchlässigen, unterstützenden Schicht aus einem hitzebeständigen Material beschichtet werden; und
    c) Metall in flüssigem Zustand auf die Kopie innerhalb der gasdurchlässigen Schicht gegossen wird, um den Kunststoff zu verdampfen und den von dem Kunststoff eingenommenen Raum mit dem Metall auszufüllen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) die Schritte umfaßt, daß
    b1) die Oberflächen der Kopie mit einer gasdurchlässigen Schicht aus einem ersten hitzebeständigen Material beschichtet werden; und
    b2) die gasdurchlässige Schicht mit einer Schicht aus einem unterstützenden, porösen zweiten hitzebeständigen Material beschichtet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polystyrol (EPS) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste hitzebeständige Material keramisches Material enthält, insbesondere Siliziumoxid, Alaunerde, Zirkon, Chromit und/ oder Aluminosilikat.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite hitzeständige Material keramisches Material, insbesondere Sand, enthält.
  6. Wärmetauscher, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen integrierten Auslaßkanal für das erste Fluid umfaßt, welcher Kanal eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung (24) hat, wobei sich die Einlaßöffnung des Auslaßkanals an die Auslaßöffnung des Raumes anschließt.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auslaßkanal nahe von dessen Einlaßöffnung Wärmeleitungselemente (26b) angebracht sind.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kanal (28) für das zweite Fluid in Höhe der Wärmeleitungselemente (26b) unter anderem um den Auslaßkanal erstreckt.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Raum und dem Auslaßkanal bestimmte Strömungsweg für das erste Fluid U-förmig ist.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einlaßöffnung (22) des Raumes in der gleichen Ebene wie die Auslaßöffnung (24) des Auslaßkanals befindet.
  11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (22) des Raumes und die Auslaßöffnung (24) des Auslaßkanals von einem einzigen gemeinsamen Flansch gebildet werden.
  12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Raumes, quer zur Strömungsrichtung des darin enthaltenen Fluids betrachtet, in Strömungsrichtung des ersten Fluids abnimmt.
  13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Kanals (28) zueinander beabstandet sind.
  14. Wärmetauscher nach einer der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Teil der Raumwand die Vorsprünge fehlen, wobei der Wandteil mit sich quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids im Raum betrachtet erstreckenden, in den Raum ragenden Wölbungen versehen ist.
  15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich in Höhe der Wölbungen Teile des Kanals befinden.
  16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Vorsprünge von der Kanalwand aus in den Kanal hinein ragen.
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