EP1314947B1 - Wärmetauscher, insbesondere für Heizungsanlagen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a heat exchanger for heating systems with the features of the preamble of claim 1.
- the heating of the water takes place in such a way that heat is transferred from the exhaust gas to the water in the upper area by forced convection and radiation, and in the lower area forced convection and condensation lead to heat transfer.
- the condensate produced during condensation runs down from the heat exchanger housing.
- the advantage of a smooth tube coil is due to the improved flow conditions in a better mass transfer and heat transfer.
- the present invention has the object to provide a heat exchanger of the type mentioned with improved performance characteristics available.
- the at least two superposed regions consist of a hot zone with heat transfer by forced convection and radiation and a condensation zone with heat transfer by forced convection and condensation, so that the line starting from the upper hot zone in the extends lower condensation region and may be provided in the upper hot zone with a further Schlauchwellung with a longer wavelength and possibly flatter wave flanks than in the lower condensation region.
- the hose corrugation can almost easily approach a smooth-bore spiral, which leads to the desired favorable flow conditions and thus to the avoidance of local overheating in this region.
- the wide corrugation avoids the occurrence of secondary vortices in the troughs, the heat transfer would hamper.
- a wide corrugation increases the diameters of the detached vortices according to the principle of the Kármán vortex street and thus contributes to the improvement of the heat transfer.
- smaller wavelength and especially steeper wave edges in turn has the desired maximum surface area, which is in a preferred application, about 2.5 times higher than in a comparable smooth tube.
- the aforementioned vortex or flow conditions are uncritical in the condensation region due to the lower temperatures prevailing there.
- a step for optimizing the heat exchanger can also already be to provide line sections with different materials which have a different corrosion resistance.
- the pipe is formed as a helix and laid helically in the heat exchanger housing.
- the present invention can be used not only in the heat exchangers for heating systems, but also in any other heat exchangers having areas with different ratios such as temperatures, heat radiation, etc.
- the line according to the invention comprises at least two line sections with different hose and / or Wave geometries, namely preferably a line section with further Schlauchwellung and larger wavelength with flatter particular wave flanks and a section with narrower Schlauchwellung smaller wavelength and steeper wave edges.
- the wide Schlauchwellung with shallow wave flanks is similar to a smooth-tube coil intended to be installed in heat exchanger areas with high temperatures, since the wide corrugation ensures that no gas bubbles can settle on the inner wall of the pipe, which would affect the heat dissipation.
- the line section with narrower hose corrugation is suitable for those areas which have the largest possible surface area for optimizing the heat exchanger surface without critical flow or temperature influences occurring in the narrow corrugated areas of the wave troughs or wave crests.
- the two differently designed line sections can merge seamlessly into one another or else be connected to one another by a transition region, which may also be provided with another geometry under certain circumstances.
- the present invention can be used in particular for heat exchangers with integrated corrugated hose spiral and thus replaces conventional designs with smooth-tube and fin tube helix
- the idea essential to the invention is that of line sections with different geometries also apply to conventional tube heat exchangers, which are usually equipped with a bundle of mutually parallel finned tubes.
- the interior of the heat exchanger housing can be divided into at least two areas with different conditions, namely in a hot area close to the burner and a condensation area remote from the burner. It is also advisable then to provide line sections with further hose corrugation in the hot area and line sections with narrow hose corrugation in the condensation area.
- the inventive heat exchanger 1 shown in Figure 1 consists of a cylindrical housing 2 with a vertical housing axis.
- a corrugated hose coil 3 is also arranged with a vertical helical axis, wherein the corrugated hose is laid so that the helical diameter fails as large as possible, so the corrugated hose is laid along the Gescouseinnenwandung.
- the corrugated tube spiral 3 in this case has a housing bottom 4 arranged in the vertical direction oriented inlet 5 and arranged below the housing cover 6 and extending in the horizontal direction outlet 7. Accordingly, the medium to be heated - in the present case, the water to be heated - flows from bottom to top through the heat exchanger.
- a burner 8 is arranged in the upper region of the heat exchanger, that is, the medium to be heated flows from the colder lower region of the heat exchanger into the hotter upper region.
- the burner 8 is designed so that it projects from the housing cover 6 in the vertical direction down into the heat exchanger and the flame directed in particular in the horizontal direction radially outward on the corrugated hose coil 3, so that in this At the height of the burner located so-called hot area A of the heat exchanger, the heat is transferred by forced convection and radiation to the corrugated tube and thus the medium flowing through the corrugated tube.
- the corrugated tube In the region located below the burner and not acted upon directly by the flames, the so-called condensation region B, the corrugated tube is acted upon by the hot air or the hot exhaust gas leaving the heat exchanger at the bottom through an exhaust outlet 9 arranged in the bottom. so that the heat is transferred through forced convection and condensation.
- an outlet 10 for the condensate is finally provided, which is obtained in the condensation zone B during the condensation at the corrugated hose coil.
- a cylindrical displacement body 11 is disposed within the corrugated hose coil 3, which blocks the interior space within the coil 3 and thus directs the gas flow over the outer region of the housing and past the corrugated hose coil 3. This ensures the most efficient heat exchange between the heating gas and the heating water to be heated.
- this displacement body 11 serves to define the corrugated hose coil 3 on the housing wall leaving an annular gap, said annular gap between the housing wall and displacement body is largely filled by the corrugated hose, which abuts with its outer brims, so the wave crests on displacement body and housing wall, while the area between each two wave mountains leaves room for the flow of hot exhaust gas.
- FIG. 2 shows a short section of the corrugated hose coil in a representation unwound in the plane: the wavy line section 3a assigned to the hot section A can be seen there the narrow waved portion 3b is assigned to the condensation region B.
- both sections are integrally and seamlessly into each other, ie, the continuous corrugated tube is provided with different corrugations.
- the present invention provides the advantage of a heat exchanger, which is constructed in a conventional manner, but is optimized by simply replacing the line component such that the line component adapted to the respective conditions in the individual heat exchanger sections and accordingly with a different hose - And / or wave geometry is provided.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Heizungsanlagen mit dem Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
- Zur Verwendung in Heizungsanlagen finden oft aus Alugussgehäusen bestehende Wärmetauscher Anwendung, die neben dem Brennerbereich einen integrierten Strömungskanal für das aufzuheizende Medium aufweisen. Neuere Bauformen von Abgas-Wärmetauschern bestehen aus einem zylindrischen Gehäuse mit einer senkrecht angeordneten Glattrohr- und Rippenrohrwendel, S. beispielsweise EP-A 0 758 731. Im oberen Bereich des Gehäuses ist bei dieser Bauform der Brenner innerhalb der Glattrohrwendel angeordnet, wobei das Abgas von oben nach unten strömt und die Flammen des Brenners entsprechend seitlich und nach unten gerichtet sind. Im Gegensatz dazu strömt das zu erwärmende Medium, also das Wasser innerhalb der Glattrohr- und Rippenrohrwendel von unten nach oben. Die Erwärmung des Wassers erfolgt derart, dass im oberen Bereich durch erzwungene Konvektion und Strahlung Wärme vom Abgas auf das Wasser übertragen wird und dass im unteren Bereich erzwungene Konvektion und Kondensation zur Wärmeübertragung führen. Das bei der Kondensation anfallende Kondensat läuft unten aus dem Wärmetauschergehäuse ab.
- Der Vorteil einer Glattrohrwendel liegt wegen der verbesserten Strömungsverhältnisse in einem besseren Stoffaustausch und Wärmetransport.
- Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art mit verbesserten Gebrauchseigenschaften zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Somit lassen sich die Vorteile der bekannten Wärmetauschervarianten in optimaler Weise kombinieren, indem man jeweils diejenige Bauform auswählt, die zu den jeweiligen Verhältnissen am besten passt.
- Für den erwähnten Anwendungsfall eines Wärmetauschers für Heizungsanlagen heißt dies dass die zumindest zwei übereinander angeordneten Bereiche aus einem Heißbereich mit Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion und Strahlung und einem Kondensationsbereich mit Wärmeübertragung durch erzwungen Konvektion und Kondensation bestehen, so dass sich die Leitung ausgehend vom oberen Heißbereich in den unteren Kondensationsbereich erstreckt und im oberen Heißbereich mit einer weiteren Schlauchwellung mit größerer Wellenlänge und gegebenenfalls flacheren Wellenflanken als im unteren Kondensationsbereich versehen sein kann.
- So lässt sich im oberen, überhitzungskritischen Heißbereich die Schlauchwellung quasi leicht an eine Glattrohrwendel annähern, was zu den gewünschten günstigen Strömungsverhältnissen und somit zur Vermeidung von lokalen Überhitzungen in diesem Bereich führt. Die weite Wellung vermeidet hierbei in den Wellentälern das Auftreten von Sekundärwirbeln, die die Wärmeübertragung behindern würden. Gleichzeitig vergrößert eine weite Wellung die Durchmesser der abgelösten Wirbel nach dem Prinzip der Kármánschen Wirbelstraße und trägt damit zusätzlich zur Verbesserung der Wärmeübertragung bei. Der im Gegensatz dazu im unteren Kondensationsbereich vorgesehene Leitungsabschnitt mit engerer Schlauchwellung, kleinerer Wellenlänge und insbesondere steileren Wellenflanken besitzt wiederum die angestrebte möglichst große Oberfläche, die in einem bevorzugten Anwendungsfall um das 2,5-fache höher liegt als bei einem vergleichbaren Glattrohr. Die zuvor erwähnten, Wirbel bzw. Strömungsverhältnisse sind im Kondensationsbereich aufgrund der dort vorherrschenden geringeren Temperaturen unkritisch.
- Anstelle der Anpassung der Wellengeometrien kann ein Schritt zur Optimierung des Wärmetauschers aber auch schon darin liegen, Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen Materialien zur Verfügung zu stellen, die eine unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit aufweisen. So kann man den Einsatz teurer Materialien mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit gezielt auf die Bereiche beschränken, in denen sie unbedingt erforderlich sind, während andere Bereiche der Leitung mit weniger korrosionsbegünstigender Umgebung aus kostengünstigerem Material gebildet sein können.
- Wie schon beim beschriebenen Stand der Technik ist die Rohrleitung als Wendel ausgebildet und so wendelförmig im Wärmetauschergehäuse verlegt.
- Bei der Wahl der Schlauch- und/oder Wellengeometrien lassen sich zur Optimierung der jeweiligen Wärmeübertragungseigenschaften insbesondere folgende Parameter variieren: Wellschlauchdurchmesser, Schlauchgeometrien wie Wanddicke oder bzw. Wellengeometrie wie Wellenlänge und Wellenhöhe. Darüber hinaus ist auch eine Anpassung des Materials möglich.
- Wie vorstehend bereits erwähnt, lässt sich die vorliegende Erfindung nicht nur bei den Wärmetauschern für Heizungsanlagen einsetzen, sondern auch bei beliebigen anderen Wärmetauschern, die Bereiche mit unterschiedlichen Verhältnissen wie Temperaturen, Wärmestrahlungen etc. aufweisen. Bei einem solchen Wärmetauscher weist die Leitung erfindungsgemäß zumindest zwei Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen Schlauch- und/oder Wellengeometrien auf, nämlich bevorzugterweise einen Leitungsabschnitt mit weiterer Schlauchwellung und größerer Wellenlänge mit insbesondere flacheren Wellenflanken und einen Abschnitt mit engerer Schlauchwellung kleinerer Wellenlänge und mit steileren Wellenflanken. Die weite Schlauchwellung mit flachen Wellenflanken ist ähnlich einer Glattrohrwendel dazu vorgesehen, in Wärmetauscherbereichen mit hohen Temperaturen verlegt zu werden, da die weite Wellung dafür sorgt, dass sich keine Gasbläschen an der Leitungsinnenwand absetzen können, die den Wärmeabtransport beeinträchtigen würden. Daneben ist der Leitungsabschnitt mit engerer Schlauchwellung für solche Bereiche geeignet, die zur Optimierung der Wärmetauscherfläche eine möglichst große Oberfläche aufweisen, ohne dass es in den enggewellten Bereichen der Wellentäler bzw. Wellenberge zu kritischen Strömungs- oder Temperatureinflüssen kommt.
- Unterschiedliche Wellungen haben auch einen Einfluss auf die Steifheit der Leitung: Insbesondere bei wendelförmigen Leitungen kommt diese Steifheit zum Tragen, wenn die ursprünglich geradlinig verlaufende gewellte Leitung in die Wendelform gebracht werden soll. Weitgewellte Leitungsabschnitte sind steifer als enggewellte und bleiben somit auch besser in ihrer Position, müssen also nicht bzw. weniger abgestützt bzw. festgelegt werden.
- Neben einer Änderung der Wellengeometrie ist es darüber hinaus möglich, die Schlauchgeometrie zu verändern und beispielsweise die Leitungsabschnitte im Heißbereich mit einem gegenüber dem Kondensationsbereich reduzierten Durchmesser zu versehen, was zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit und einer vergrößerten Turbulenz führt und die Wärmeübertragung weiter verbessert.
- Die beiden unterschiedlich ausgebildeten Leitungsabschnitte können - je nach Anwendungsfall - lückenlos ineinander übergehen oder aber auch durch einen - unter Umständen auch noch mit einer anderen Geometrie versehenen - Übergangsbereich miteinander verbunden sein.
- Während sich die vorliegende Erfindung insbesondere anwenden lässt für Wärmetauscher mit integrierter Wellschlauchwendel und somit herkömmliche Bauformen mit Glattrohr- und Rippenrohrwendel ersetzt, lässt sich der erfindungswesentliche Gedanke, Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen Geometrien vorzusehen, auch auf herkömmliche Rohr-Wärmetauscher anwenden, die üblicherweise mit einem Bündel parallel zueinander angeordneter Rippenrohre ausgestattet sind. Auch dort lässt sich der Innenraum des Wärmetauschergehäuses zumindest in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Bedingungen aufteilen, nämlich in einen brennernahen Heißbereich und einen brennerfernen Kondensationsbereich. Auch empfiehlt es sich dann, Leitungsabschnitte mit weiter Schlauchwellung im Heißbereich und Leitungsabschnitte mit enger Schlauchwellung im Kondensationsbereich vorzusehen.
- Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung; hierbei zeigen
- Figur 1
- einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher im Längsschnitt; und
- Figur 2
- einen Ausschnitt des abgewickelten Metallschlauchs des erfindungsgemäßen Wärmetauschers aus Figur 1.
- Der in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 2 mit vertikaler Gehäuseachse. In dem Gehäuse ist eine Wellschlauchwendel 3 mit ebenfalls vertikaler Wendelachse angeordnet, wobei der Wellschlauch so verlegt ist, dass der Wendeldurchmesser möglichst groß ausfällt, also der Wellschlauch entlang der Gehäuseinnenwandung verlegt ist.
- Die Wellschlauchwendel 3 weist hierbei einen im Gehäuseboden 4 angeordneten in Vertikalrichtung orientierten Einlass 5 sowie einen unterhalb des Gehäusedeckels 6 angeordneten und in Horizontalrichtung verlaufenden Auslaß 7 auf. Demnach strömt das zu erwärmende Medium - also im vorliegenden Fall das aufzuheizende Wasser - von unten nach oben durch den Wärmetauscher.
- Nachdem im oberen Bereich des Wärmetauschers ein Brenner 8 angeordnet ist, strömt also das zu erwärmende Medium von dem kälteren unteren Bereich des Wärmetauschers in den heißeren oberen Bereich. Der Brenner 8 ist so ausgebildet, dass er ausgehend vom Gehäusedeckel 6 in Vertikalrichtung nach unten in den Wärmetauscher hineinragt und die Flammen insbesondere in Horizontalrichtung radial nach außen auf die Wellschlauchwendel 3 richtet, so dass in diesem auf der Höhe des Brenners befindlichen sogenannten Heißbereich A des Wärmetauschers die Wärme durch erzwungene Konvektion und durch Strahlung auf den Wellschlauch und damit das durch den Wellschlauch fließende Medium übertragen wird. In dem unterhalb des Brenners befindlichen und nicht direkt von den Flammen beaufschlagten Bereich, dem sogenannten Kondensationsbereich B, wird der Wellschlauch von der heißen Luft bzw. dem heißen Abgas, welches den Wärmetauscher an der Unterseite durch einen im Boden angeordneten Abgasauslass 9 verlässt, beaufschlagt, so dass die Wärme durch erzwungene Konvektion und Kondensation übertragen wird.
- Im Bereich des Gehäusebodens 4 ist schließlich noch ein Auslass 10 für das Kondensat vorgesehen, welches bei der Kondensation an der Wellschlauchwendel im Kondensationsbereich B anfällt.
- Im unteren Kondensationsbereich B des Wärmetauschers 1 ist innerhalb der Wellschlauchwendel 3 ein zylinderförmiger Verdrängungskörper 11 angeordnet, der den Innenraum innerhalb der Wendel 3 blockiert und so den Gasstrom über den Außenbereich des Gehäuses und vorbei an der Wellschlauchwendel 3 richtet. So wird ein möglichst effizienter Wärmeaustausch zwischen dem Heizgas und dem zu erwärmenden Heizungswasser sichergestellt. Gleichzeitig dient dieser Verdrängungskörper 11 dazu, die Wellschlauchwendel 3 an der Gehäusewandung unter Belassung eines Ringspaltes festzulegen, wobei dieser Ringspalt zwischen Gehäusewand und Verdrängungskörper von dem Wellschlauch weitestgehend ausgefüllt wird, der mit seinen Außenkrempen, also den Wellenbergen an Verdrängungskörper und Gehäusewandung anliegt, während der Bereich zwischen jeweils zwei Wellenbergen Platz für das Durchströmen des heißen Abgases lässt.
- Da aus der Schnittdarstellung aus Figur 1 nichts über die Wellengeometrie der Wellschlauchwendel zu entnehmen ist, zeigt Figur 2 einen kurzen Ausschnitt der Wellschlauchwendel in einer in die Ebene abgewickelten Darstellung: Dort ist der weitgewellte Leitungsabschnitt 3a zu erkennen, der dem Heißbereich A zugeordnet ist, während der enggewellte Abschnitt 3b dem Kondensationsbereich B zugeordnet ist. Im vorliegenden Fall der Figur 2 gehen beide Abschnitte einstückig und übergangslos ineinander über, d.h. der durchgehende Wellschlauch ist mit unterschiedlichen Wellungen versehen.
- Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil eines Wärmetauschers, der an sich in üblicher Art und Weise aufgebaut ist, der aber durch einfaches Austauschen des Leitungsbauteils derart optimiert wird, dass das Leitungsbauteil an die jeweiligen Verhältnisse in den einzelnen Wärmetauscherabschnitten angepasst und demgemäss mit einer unterschiedlichen Schlauch- und/oder Wellengeometrie versehen wird.
- Dies läst sich vorteilhafterweise dazu nutzen, bei gleicher Baugröße eine höhere Leistung des Wärmetauschers zu erzielen oder aber bei gleicher Tauscherleistung mit kleineren Abmessungen auszukommen.
Claims (9)
- Wärmetauscher für Heizungsanlagen, bestehend aus einem insbesondere zylindrischen Gehäuse (2) und einer in dem Gehäuse wendelförmig verlegten Rohrleitung (3), wobei die Rohrleitung (3) zur Optimierung der Gebrauchs- und/oder Wärmeübertragungseigenschaften in verschiedenen Bereichen (A, B) innerhalb des Wärmetauschergehäuses (2) zumindest zwei Leitungsabschnitte (3a, 3b) mit unterschiedlich ausgeprägten und an die in den jeweiligen Bereichen vorherrschenden Verhältnisse angepassten Bauformen aufweist, wobei der Wärmetauscher (1) zumindest zwei Bereiche (A, B) mit verschiedenen Wärmeübertragungsverhältnissen aufweist, die aus einem Heißbereich (A) mit Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion und Strahlung und einem Kondensationsbereich (B) mit Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion und Kondensation bestehen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Leitungsabschnitte aus Wellschläuchen mit unterschiedlichen Schlauch- und/oder Wellengeometrien und/oder Materialien bestehen. - Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung (3) zumindest zwei Leitungsabschnitte (3a, 3b) mit unterschiedlichen Wellengeometrien aufweist, nämlich einen Leitungsabschnitt (3a) mit weiterer Schlauchwellung und größerer Wellenlänge und einen Leitungsabschnitt (3b) mit engerer Schlauchwellung und kleinerer Wellenlänge. - Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmetauschergehäuse (2) in vertikaler Orientierung mit vertikaler Zylinderachse vorgesehen ist. - Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die wendelförmige Rohrleitung (3) ausgehend vom oberen Heißbereich (A) in den unteren Kondensationsbereich (B) erstreckt, und dass die wendelförmige Rohrleitung im oberen Heißbereich mit einer weiteren Schlauchwellung mit flacheren Wellenflanken als im unteren Kondensationsbereich versehen ist. - Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Leitungsabschnitte (3a, 3b) mit unterschiedlichen Wellengeometrien einstückig miteinander verbunden sind und ineinander übergehen. - Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Leitungsabschnitte (3a, 3b) mit unterschiedlichen Wellengeometrien jeweils verschiedenen Wellschläuchen zugeordnet sind, und dass die zumindest zwei Wellschläuche durch Fügen zu der wendelförmigen Rohrleitung verbunden sind. - Wärmetauscher nachzumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung zumindest zwei Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen Schlauchgeometrien wie insbesondere unterschiedlichen Innendurchmessern und/oder Wanddicken aufweist. - Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung zumindest zwei aus unterschiedlichen Materialien hergestellte Leitungsabschnitte aufweist. - Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung zumindest zwei Leitungsabschnitte mit unterschiedlicher Wellenhöhe aufweist.
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