EP1450114A1 - Heat exchanger with a optimised fluid flow heat absorbing channel, in particular for heating apparatus - Google Patents
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- EP1450114A1 EP1450114A1 EP03027439A EP03027439A EP1450114A1 EP 1450114 A1 EP1450114 A1 EP 1450114A1 EP 03027439 A EP03027439 A EP 03027439A EP 03027439 A EP03027439 A EP 03027439A EP 1450114 A1 EP1450114 A1 EP 1450114A1
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Definitions
- the invention relates to a heat exchanger with a flow-optimized heat-absorbing flow channel, in particular for a heater, after the Preamble of claim 1.
- a heat exchanger of this type for a heater is known from FR 695 311: a cylindrical base body, which is made by casting, with a heat-transferring wall.
- the base body has one inside Hot gas flue for a hot gas serving as a heat-emitting medium.
- On the outside the heat-transferring wall has a helical base Water channel for a heating water serving as a heat-absorbing medium.
- the Water channel as a heat-absorbing flow channel is through one in the Shell surface of the outer wall formed into a helically shaped trench, according to the is surrounded on the outside with a separate covering surrounding the outer wall, so that the closed, helical water channel on the outer surface of the basic body results.
- the water channel is helical over its entire length Extension carried out with a constant cross-section, so that the Flow rate of the heating water at every point in the water channel in the Is essentially the same.
- EP 287 142 B1 discloses a further heat exchanger manufactured by casting. where the cross section of the water channel is lower than that in the zone Heating gas temperature arranged inlet to the high heating gas temperature in the zone arranged outlet decreases.
- the object of the present invention is to provide a heat exchanger in which an optimal heat transfer from the heat-emitting medium to the heat-absorbing medium is accomplished.
- the heat exchanger according to the invention with the characterizing features of Claim 1 has the advantage that the heat transfer from the heat emitting Medium is improved on the heat-absorbing medium.
- the heat transfer from heat-emitting medium optimized for the heat-absorbing medium.
- places high heat load becomes the flow rate of the heat absorbing Medium by reducing the cross section of the heat absorbing Flow channel increased.
- Flow cross section of the heat-absorbing flow channel extended to Flow rate of the heat-absorbing medium in these areas to make it smaller.
- the present invention also reduces the pressure drop within the heat exchanger to keep small.
- the adjustment of the flow velocity to the Thermal load of the respective area of the heat exchanger over the cross section of the heat-absorbing flow channel can be varied by varying the depth and / or the width of the heat-absorbing flow channel can be realized, so that the cross section of the flow channel along its spiral extension corresponding to the heat load in the respective area or on the respective Place of the heat transfer wall of the heat exchanger is adjusted.
- heat-absorbing Flow channel is the variation of depth and / or width of the flow channel along its helical extension by manufacturing in Sand casting or permanent mold casting is easy to implement.
- the flow channel allows a completely free and flexible design of the Guiding the heat-absorbing medium on the outer wall of the base body of the Heat exchanger.
- the Flow baffles can be designed so that they also heat dissipate and thereby further enlarge the heat transfer surface.
- a Particularly expedient execution of the flow baffles is that these serve at the same time as heat-transferring fins and at an angle of approx. 45 ° are inclined in the flow channel. This creates a mix different flow threads, whereby the forming in the flow channel Temperature stratification is more mixed and that on the wall heat-emitting medium flowing hot layers with from this wall spaced colder layers mix more easily. This will make the Heat transfer increased and boiling of the heat-absorbing medium avoided.
- the heat exchanger shown in Figure 1 for a heater, especially a Condensing boiler, has a base body 10 with a heat-transferring wall 11 and with a burner end section 13 and an exhaust end section 14 on. In the end section 13 on the burner side there is an opening 17 into which there is no opening shown burner is used.
- the space attached to the burner a combustion chamber 15 formed within the base body 10 a heating gas flue 19 closes within the base body 10 as a heat source Flow channel through which the heating gas generated by the burner as a heat emitting Medium flows.
- the heat-transferring wall 11 has inside the heating gas flue 19 on the inside various longitudinal ribs 21 and transverse ribs 22 to enlarge the Heat exchanger surface.
- An exhaust opening 18 is located in the exhaust-side end section 14 available, via which the heating gas generated by the burner is discharged as exhaust gas.
- a filler 50 can be inserted in the center of the heating gas flue 19. The Filler 50 causes the heating gas to the transverse ribs 22 and the wall 1 is directed.
- the base body 10 is, for example, an aluminum sand casting component that is based on Because of its corrosion resistance and heat absorption capacity and Thermal conductivity is particularly suitable as a material for heaters that are condensing Operation.
- the base body 10 has a circular cross section executed and runs in the direction of flow of the heating gas with decreasing Diameter slightly conical. However, it is also possible to base body 10 cylindrical or with an oval cross-section.
- the recess 23 is on the base body 10 initially open to the outside. To close the recess open to the outside 23, the base body 10 is surrounded by an envelope 20, which for example consists of Steel is executed.
- the envelope 20 is a separate component that with the Base body 10 connected in a suitable manner, as will be described below becomes.
- a helically extending, heat-absorbing flow channel 25 for a heat absorbing medium After assembly of the base body 10 with the casing 20, a helically extending, heat-absorbing flow channel 25 for a heat absorbing medium. In the present embodiment this is heat-absorbing medium the heating water for a heating circuit, not shown, so that the heat-absorbing flow channel 25 on the outer surface of the base body 10 hereinafter referred to as the water channel for the heating water.
- Is located on the burner end section 13 and on the exhaust end section 14 in the base body 10 each have a circumferential groove 26, in each of which there is a sealing ring 30 located.
- the envelope 20 is of the Exhaust side pushed onto the base body 10 until the sheath 20 on the outer Shell surface of the base body 10 rests.
- a circumferential, plastic deformation 33 in Formed a bead.
- the circumferential deformation 33 is expedient generated by rolling, the depth of the deformation must be designed such that the deformation 33 exerts a pressing force on the respective sealing ring 30.
- To the Connection of a heating water supply has the casing 20 on the burner side End section 13 on a connection piece, not shown. Not one either illustrated further connection piece for the heating water return is for example on the end face of the exhaust-side end section 14 on the base body 10.
- the water channel 25 points along its helical course at certain points a different cross-section, so that the flowing in the water channel 25 Heating water locally at different locations Has flow rate.
- the flow cross section of the Water channel 25 and thus the flow rate of the heating water in Water channel 25 selected such that in the areas or at the points of heat-transmitting wall 11, on which there is a high thermal load, a high flow rate of heating water, and in the areas or in the places the heat-transmitting wall 11, on which there is less thermal stress, the heating water flows at a lower speed. Areas with a high heat load has the heat transfer wall 11 where that Heating gas in the heating gas duct 19 has a high heat input into the heat-transferring wall 11 generated.
- the thermal load is that in the heat-transferring wall 11 amount of heat available per area and per time, the amount of heat from the heat flow emitted by the heating gas is determined.
- the greatest heat load lies in the heat exchanger of the present embodiment in which the Combustion chamber 15 subsequent section. In the direction of flow of the heating gas the thermal load then decreases towards the exhaust-side end section 14. In the area the combustion chamber 15 itself is in the heat exchanger of the present Embodiment encounter a lower heat load than that in which the Combustion chamber 15 adjoining section.
- adjusted flow rates of the heating water are the widths X 1 to X8 and / or the depths Y1 to Y5 of the trench-shaped depressions 23 accordingly varied.
- the turns 25.1 and 25.2 of the Water channel 25 executed with a depth Y1.
- the width X2 of the turn 25.2 is however, larger than the width X 1 of the turn 25.1, which results in the turn 25.2 a larger flow cross section and thus a smaller one Setting the flow rate of the heating water.
- the Turns 25.3 and 25.4 a smaller depth Y2, the width X4 being less than the width X3.
- the turn 25.5 has a special one Execution on, wherein the cross section of the turn in the flow direction of Heating gas continuously expanded. This creates a turn 25.5 local reduction of the flow velocity within the water channel 25.
- the Turn 25.5 is at the transition from an area with a high thermal load to an area of lower heat load, which is in the local Areas with a smaller cross section with depth Y3 have a higher one Flow rate sets than in the larger cross-sectional area with the Depth Y4, where Y3 ⁇ Y4.
- turns point 25.6, 25.7 and 25.8, which in the present exemplary embodiment have the same depth Y5 have a larger width X6 to X8 and thus a larger cross section.
- the lower flow velocity occurring in turns 25.6 to 25.8 of the heating water is sufficient to withstand the lower heat load present there dissipate.
- the wall 11 at the points where a high or highest heat load or heat flow density is present has a thickening 27.
- the thickening 27 is indicated in Figure 2 by a dashed line.
- the highest Heat flow density exists where the transverse ribs 22 with the largest surface protrude into the heating gas flue and the heat flow of the heating gas into the wall accordingly 11 couple.
- FIG. 3 Another embodiment is shown in Figure 3.
- base body 10 of a heat exchanger are the depths Y of the individual Windings 25.1 to 25.7 are essentially the same size.
- the widths X1 to X7 of the trench-shaped depressions 23 are, as in the exemplary embodiment according to FIG the corresponding local heat loads in the base body 10 are adapted.
- the width X2 of the turn 25.2 is greater than the width X3 of the turn 25.3 and the Width X3 of the turn 25.3 is greater than the width X4 of the turn 25.1.
- From the turn 25.5 the widths X5, X6 and X7 increase again, where X5 ⁇ X6 ⁇ X7.
- Different cross sections of the water channel 25 are realized, so that within these turns have different flow rates for the heating water occur.
- At least one turn 25.7 is formed with longitudinal ribs 44 possible, which can be arranged in height in the water channel 25 in such a way that the flow channel or the winding at the corresponding point in individual parallel divides switched individual channels 45 so that within one turn in the water channel 25 different flow velocities arise. This will make the heat transfer surface increased to a maximum possible value.
- the Formation of water-side ribs 41 and / or flow baffles 42 and / or Knobs 43 and / or longitudinal ribs 44 is also in the embodiments according to the Figure 1 and 2 possible.
- the heat exchangers described are not only for use in heaters possible, but it is also conceivable to design the flow channels 19 and 25 for to use a heat exchanger for cooling.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem strömungsoptimierten wärmeaufnehmenden Strömungskanal, insbesondere für ein Heizgerät, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a heat exchanger with a flow-optimized heat-absorbing flow channel, in particular for a heater, after the Preamble of claim 1.
Ein Wärmetauscher dieser Art für ein Heizgerät ist aus der FR 695 311 bekannt: Dabei ist ein zylindrischer Grundkörper, der gießtechnisch hergestellt ist, mit einer wärmeübertragenen Wand ausgeführt. Der Grundkörper besitzt im Inneren einen Heizgaszug für ein als wärmeabgebendes Medium dienendes Heizgas. An der Außenseite der wärmeübertragenden Wand weist der Grundkörper einen wendelförmigen Wasserkanal für ein als wärmeaufnehmendes Medium dienendes Heizwasser auf. Der Wasserkanal als wärmeaufnehmender Strömungskanal ist dabei durch einen in die Mantelfläche der Außenwand wendelförmig eingeformten Graben gebildet, der nach außen hin mit einer die Außenwand umschließenden separaten Umhüllung umgeben ist, so dass sich der geschlossene, wendelförmige Wasserkanal an der äußeren Mantelfläche des Grundkörpers ergibt. Der Wasserkanal ist dabei über seine gesamte wendelförmige Erstreckung mit einem gleichbleibenden Querschnitt ausgeführt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers an jeder Stelle im Wasserkanal im Wesentlichen gleich ist.A heat exchanger of this type for a heater is known from FR 695 311: a cylindrical base body, which is made by casting, with a heat-transferring wall. The base body has one inside Hot gas flue for a hot gas serving as a heat-emitting medium. On the outside the heat-transferring wall has a helical base Water channel for a heating water serving as a heat-absorbing medium. The Water channel as a heat-absorbing flow channel is through one in the Shell surface of the outer wall formed into a helically shaped trench, according to the is surrounded on the outside with a separate covering surrounding the outer wall, so that the closed, helical water channel on the outer surface of the basic body results. The water channel is helical over its entire length Extension carried out with a constant cross-section, so that the Flow rate of the heating water at every point in the water channel in the Is essentially the same.
Aus EP 287 142 B1 ist ein weiterer, gießtechnisch hergestellter Wärmetauscher bekannt, bei dem der Querschnitt des Wasserkanals von dem in der Zone niedriger Heizgastemperatur angeordneten Einlass zu dem in der Zone hoher Heizgastemperatur angeordneten Auslass hin abnimmt.EP 287 142 B1 discloses a further heat exchanger manufactured by casting. where the cross section of the water channel is lower than that in the zone Heating gas temperature arranged inlet to the high heating gas temperature in the zone arranged outlet decreases.
Bei einem Wärmetauscher in NL 100 13 74 A ragen zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche Strömungsrippe in das wärmeaufnehmende Heizwasser hinein.With a heat exchanger in NL 100 13 74 A protrude to enlarge the heat transfer surface flow rib in the heat absorbing heating water into it.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher zu schaffen, bei dem ein optimaler Wärmeübergang vom wärmeabgebenden Medium auf das wärmeaufnehmende Medium bewerkstelligt wird.The object of the present invention is to provide a heat exchanger in which an optimal heat transfer from the heat-emitting medium to the heat-absorbing medium is accomplished.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden Medium auf das wärmeaufnehmende Medium verbessert wird. Durch die Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit des wärmeaufnehmenden Mediums im wärmeaufnehmenden Strömungskanal an die lokale Wärmebelastung der wärmeübertragenden Wand des Wärmetauschers in dem jeweiligen Bereich bzw. an der jeweiligen Stelle des wärmeaufnehmenden Strömungskanals wird die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden Medium auf das wärmeaufnehmende Medium optimiert. An Stellen hoher Wärmebelastung wird die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeaufnehmenden Mediums durch Verringerung des Querschnitts des wärmeaufnehmenden Strömungskanals erhöht. An Stellen geringer Wärmebelastung wird dagegen der Strömungsquerschnitt des wärmeaufnehmenden Strömungskanals erweitert, um die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeaufnehmenden Mediums in diesen Bereichen kleiner zu gestalten. Außerdem dienen die an die lokale Wärmebelastung der wärmeübertagenden Wand des Grundkörpers angepassten unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des wärmeaufnehmenden Mediums dazu, um in Summe einen minimalen Druckabfall des wärmeaufnehmenden Mediums zu erzeugen. Dieser minimierte bzw. optimierte Duckabfall des wärmeaufnehmenden Mediums ermöglicht, dass die für die Umwälzung des wärmeaufnehmenden Mediums erforderliche Umwälzpumpe auf eine optimale Leistung eingestellt werden kann. Insofern dient die vorliegende Erfindung außerdem dazu, den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers klein zu halten. The heat exchanger according to the invention with the characterizing features of Claim 1 has the advantage that the heat transfer from the heat emitting Medium is improved on the heat-absorbing medium. By adjusting the Flow rate of the heat-absorbing medium in the heat-absorbing Flow channel to the local heat load of the heat transfer wall of the Heat exchanger in the respective area or at the respective location of the heat-absorbing flow channel, the heat transfer from heat-emitting medium optimized for the heat-absorbing medium. In places high heat load becomes the flow rate of the heat absorbing Medium by reducing the cross section of the heat absorbing Flow channel increased. On the other hand, in places with low heat loads Flow cross section of the heat-absorbing flow channel extended to Flow rate of the heat-absorbing medium in these areas to make it smaller. They also serve the local heat load of the heat transferring wall of the base body adapted different Flow rates of the heat-absorbing medium to add up to generate a minimal pressure drop in the heat-absorbing medium. This allows minimized or optimized pressure drop of the heat-absorbing medium, that is necessary for the circulation of the heat-absorbing medium Circulation pump can be adjusted for optimal performance. In this respect, the The present invention also reduces the pressure drop within the heat exchanger to keep small.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich. Die Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit an die Wärmebelastung des jeweiligen Bereiches des Wärmeübertragers über den Querschnitt des wärmeaufnehmenden Strömungskanals kann dabei durch eine Variierung der Tiefe und/oder der Breite des wärmeaufnehmenden Strömungskanals realisiert werden, so dass der Querschnitt des Strömungskanals entlang seiner spiralförmigen Erstreckung entsprechend an die Wärmebelastung in dem jeweiligen Bereich oder an der jeweiligen Stelle der wärmeübertragenden Wand des Wärmetauschers angepasst wird. Aufgrund des Konstruktionskonzeptes des als offene grabenförmige Vertiefung an der Außenwand des Grundkörpers des Wärmetauschers ausgeführten wärmeaufnehmenden Strömungskanals ist die Variierung von Tiefe und/oder Breite des Strömungskanals entlang seiner wendelförmigen Erstreckung fertigungstechnisch durch die Herstellung in Sandguss oder Kokillenguss einfach realisierbar. Eine Änderung des Verlaufes von Tiefe und/oder Breite des Strömungskanals durch die aufwändige Herstellung über verlorene Kerne wäre hingegen nur schwer möglich. Die somit vorliegende kernlose Herstellung des Strömungskanals ermöglicht insofern eine völlig freie und flexible Gestaltung der Führung des wärmeaufnehmenden Mediums an der Außenwand des Grundkörpers des Wärmetauschers.Advantageous developments of the invention are the measures of Subclaims possible. The adjustment of the flow velocity to the Thermal load of the respective area of the heat exchanger over the cross section of the heat-absorbing flow channel can be varied by varying the depth and / or the width of the heat-absorbing flow channel can be realized, so that the cross section of the flow channel along its spiral extension corresponding to the heat load in the respective area or on the respective Place of the heat transfer wall of the heat exchanger is adjusted. by virtue of of the design concept of an open trench-shaped depression on the outer wall of the base body of the heat exchanger executed heat-absorbing Flow channel is the variation of depth and / or width of the flow channel along its helical extension by manufacturing in Sand casting or permanent mold casting is easy to implement. A change in the course of depth and / or width of the flow channel due to the elaborate production of lost In contrast, cores would be difficult. The present coreless production The flow channel allows a completely free and flexible design of the Guiding the heat-absorbing medium on the outer wall of the base body of the Heat exchanger.
Eine weitere Maßnahme zur Steigerung des Wärmeübergangs ist dadurch möglich, dass an Stellen großer Wärmebelastung, wie beispielsweise an Bereichen, die auf der Seite des wärmeabgebenden Mediums berippt sind, zusätzliche Rippen in den wärmeaufnehmenden Strömungskanal hineinragen und vom wärmeaufnehmenden Medium umströmt werden, wodurch die wärmeübertragende Oberfläche zum wärmeaufnehmenden Medium hin weiter erhöht wird. Zusätzlich können Längsrippen in den Strömungskanal eingebracht sein, wobei diese so hoch in den Strömungskanal hineinragen, dass der Strömungskanal in einzelne, parallel geschaltete Einzelkanäle aufgeteilt wird. In den Einzelkanälen bilden sich unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten des wärmeaufnehmenden Mediums aus. Dadurch wird die wärmeübertragende Oberfläche auf einen maximalen Wert erhöht. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Wärmeübergangs besteht in der Ausbildung von Strömungsschikanen im Strömungskanal, die zu Turbulenzen und zur Vermischung der Grenzschicht an der Wandung und damit zu einem erhöhten Wärmeübergang führen. Die Strömungsschikanen können dabei so ausgebildet sein, dass sie gleichzeitig auch Wärme abführen und dadurch die wärmeübertragende Oberfläche weiter vergrößern. Eine besonders zweckmäßige Ausführung der Strömungsschikanen besteht darin, dass diese gleichzeitig als wärmeübertragende Rippen dienen und in einem Winkel von ca. 45° geneigt im Strömungskanal angeordnet sind. Dadurch entsteht eine Mischung unterschiedlicher Strömungsfäden, wodurch die in dem Strömungskanal sich bildende Temperaturschichtung stärker durchmischt wird und die an der Wandung zum wärmeabgebenden Medium hin strömenden heißen Schichten mit von dieser Wandung beabstandeten kälteren Schichten sich leichter vermischen. Dadurch wird der Wärmeübergang erhöht und ein Sieden des wärmeaufnehmenden Mediums vermieden.Another measure to increase the heat transfer is possible that in places of high thermal stress, such as in areas that are on the side of the heat-emitting medium are ribbed, additional ribs in the protrude into the heat-absorbing flow channel and from the heat-absorbing Medium flows around, causing the heat transfer surface to heat-absorbing medium is further increased. In addition, longitudinal ribs in be introduced into the flow channel, these being so high in the flow channel protrude that the flow channel into individual, parallel connected individual channels is divided. Different channels are formed in the individual channels Flow rates of the heat-absorbing medium. This will make the heat transfer surface increased to a maximum value. Another Possibility to improve the heat transfer consists in the formation of Flow chicanes in the flow channel, which lead to turbulence and to the mixing of the Boundary layer on the wall and thus lead to increased heat transfer. The Flow baffles can be designed so that they also heat dissipate and thereby further enlarge the heat transfer surface. A Particularly expedient execution of the flow baffles is that these serve at the same time as heat-transferring fins and at an angle of approx. 45 ° are inclined in the flow channel. This creates a mix different flow threads, whereby the forming in the flow channel Temperature stratification is more mixed and that on the wall heat-emitting medium flowing hot layers with from this wall spaced colder layers mix more easily. This will make the Heat transfer increased and boiling of the heat-absorbing medium avoided.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawing and in the following Description explained in more detail.
Es zeigen:
- Figur 1
- eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- Figur 2
- eine Schnittdarstellung nach der Linie II - II in Figur 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
- Figur 3
- eine Seitenansicht eines Grundkörpers eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
- Figure 1
- 2 shows a sectional illustration through a heat exchanger according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment,
- Figure 2
- a sectional view along the line II - II in Figure 1 according to a second embodiment and
- Figure 3
- a side view of a base body of a heat exchanger according to the invention according to a third embodiment.
Der in Figur 1 dargestellte Wärmetauscher für ein Heizgerät, insbesondere ein
Brennwertgerät, weist einen Grundkörper 10 mit einer wärmeübertragenden Wand 11
sowie mit einem brennerseitigen Endabschnitt 13 und einem abgasseitigen Endabschnitt
14 auf. Im brennerseitigen Endabschnitt 13 befindet sich eine Öffnung 17, in die ein nicht
dargestellter Brenner eingesetzt wird. Der sich an den Brenner anschleißende Raum
innerhalb des Grundkörpers 10 bildete eine Brennkammer 15. An die Brennkammer 15
schließt sich innerhalb des Grundkörpers 10 ein Heizgaszug 19 als wärmeabgebender
Strömungskanal an, durch den das vom Brenner erzeugte Heizgas als wärmeabgebendes
Medium strömt. Innerhalb des Heizgaszuges 19 weist die wärmeübertragende Wand 11
an der Innenseite verschiedene Längsrippen 21 und Querrippen 22 zur Vergrößerung der
Wärmetauscherfläche auf. Im abgasseitigen Endabschnitt 14 ist eine Abgasöffnung 18
vorhanden, über die das vom Brenner erzeugte Heizgas als Abgas abgeleitet wird. In das
Zentrum des Heizgaszuges 19 kann gemäß Figur 2 ein Füllkörper 50 eingesetzt sein. Der
Füllkörper 50 bewirkt, dass das Heizgas zu den Querrippen 22 und zur Wand 1 hin
gelenkt wird.The heat exchanger shown in Figure 1 for a heater, especially a
Condensing boiler, has a
Der Grundkörper 10 ist beispielsweise ein Aluminium-Sandguss-Bauteil, das sich auf
Grund seiner Korrosionsbeständigkeit sowie Wärmeaufnahmefähigkeit und
Wärmeleitfähigkeit besonders als Material für Heizgeräte eignet, die im kondensierenden
Betrieb betrieben werden. Der Grundkörper 10 ist mit einem kreisförmigen Querschnitt
ausgeführt und verläuft in Strömungsrichtung des Heizgases mit abnehmendem
Durchmesser leicht konisch. Es ist aber genauso möglich, den Grundkörper 10
zylindrisch oder mit einem ovalen Querschnitt auszuführen.The
An der Außenseite der wärmeübertragenden Wand 11 verläuft wendelförmig eine
grabenförmige Vertiefung 23 mit einer umlaufenden Wand 24, wobei die Windungen als
Windungen 25.1 bis 25.8 bezeichnet sind. Die Vertiefung 23 ist dabei am Grundkörper 10
nach außen hin zunächst offen. Zum Verschließen der nach außen hin offenen Vertiefung
23 ist der Grundkörper 10 von einer Umhüllung 20 umgeben, die beispielsweise aus
Stahl ausgeführt ist. Die Umhüllung 20 ist dabei ein separates Bauteil, das mit dem
Grundkörper 10 in geeigneter Weise, wie nachfolgend noch beschrieben wird, verbunden
wird. Nach der Montage des Grundkörpers 10 mit der Umhüllung 20 entsteht ein
wendelförmig verlaufender, wärmeaufnehmender Strömungskanal 25 für ein
wärmeaufnehmendes Medium. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das
wärmeaufnehmende Medium das Heizwasser für einen nicht dargestellten Heizkreis, so
dass der wärmeaufnehmende Strömungskanal 25 an der Mantelfläche des Grundkörpers
10 nachfolgende als Wasserkanal für das Heizwasser bezeichnet wird.On the outside of the heat-transferring
Am brennerseitigen Endabschnitt 13 und am abgasseitigen Endabschnitt 14 befindet sich
im Grundkörper 10 jeweils eine umlaufende Nut 26, in der sich jeweils ein Dichtring 30
befindet. Zur Herstellung des Wärmetauschers wird die Umhüllung 20 von der
Abgasseite aus auf den Grundkörper 10 geschoben, bis die Umhüllung 20 an der äußeren
Mantelfläche des Grundkörpers 10 anliegt. Zur Realisierung einer Dichtwirkung
zwischen Umhüllung 20 und Grundkörper 10 ist im Bereich der Nuten 26 in die
Umhüllung 20 beispielsweise jeweils eine umlaufende, plastische Verformung 33 in
Form einer Sicke eingebracht. Die umlaufende Verformung 33 wird dabei zweckmäßig
durch Rollieren erzeugt, wobei die Tiefe der Verformung derart gestaltet sein muss, dass
die Verformung 33 eine Presskraft auf den jeweiligen Dichtring 30 ausübt. Zum
Anschluss eines Heizwasservorlaufs weist die Umhüllung 20 am brennerseitigen
Endabschnitt 13 einen nicht dargestellten Anschluss-Stutzen auf. Ein ebenfalls nicht
dargestellter weiterer Anschluss-Stutzen für den Heizwasserrücklauf ist beispielsweise an
der Stirnfläche des abgasseitigen Endabschnitts 14 am Grundkörpers 10 angeordnet.Is located on the
Der Wasserkanal 25 weist entlang seines wendelförmigen Verlaufs an bestimmten Stellen
einen unterschiedlichen Querschnitt auf, so dass das im Wasserkanal 25 strömende
Heizwasser an den entsprechenden Stellen lokal eine unterschiedliche
Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Dabei wird der Strömungsquerschnitt des
Wasserkanals 25 und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers im
Wasserkanal 25 derart gewählt, dass in den Bereichen bzw. an den Stellen der
wärmeübertragenden Wand 11, an denen eine hohe Wärmebelastung vorliegt, sich eine
hohe Strömungsgeschwindigkeit Heizwassers, und in den Bereichen bzw. an den Stellen
der wärmeübertragenden Wand 11, an denen eine geringere Wärmebelastung vorliegt,
sich eine geringere Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers einstellt. Bereiche mit
einer hohen Wärmebelastung weist die wärmeübertragende Wand 11 dort auf, wo das
Heizgas im Heizgaszug 19 einen hohen Wärmeeintrag in die wärmeübertragende Wand
11 erzeugt. Die Wärmebelastung ist dabei die in der wärmeübertragenden Wand 11
vorhandene Wärmemenge pro Flächeninhalt und pro Zeit, wobei die Wärmemenge von
dem vom Heizgas abgegebenen Wärmestrom bestimmt wird. Die größte Wärmebelastung
liegt beim Wärmetauscher des vorliegenden Ausführungsbeispiels in dem sich an die
Brennkammer 15 anschließenden Abschnitt vor. In Strömungsrichtung des Heizgases
nimmt die Wärmebelastung dann zum abgasseitigen Endabschnitt 14 hin ab. Im Bereich
der Brennkammer 15 selbst ist bei dem Wärmetauscher des vorliegenden
Ausführungsbeispiels eine geringere Wärmebelastung anzutreffen als in dem sich an die
Brennkammer 15 anschließenden Abschnitt.The
Zur Realisierung der an die lokalen Wärmebelastungen der wärmeübertragenden Wand
11 angepassten Strömungsgeschwindigkeiten des Heizwassers sind die Breiten X 1 bis X8
und/oder die Tiefen Y1 bis Y5 der grabenförmigen Vertiefungen 23 entsprechend
variiert. So sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Windungen 25.1 und 25.2 des
Wasserkanals 25 mit einer Tiefe Y1 ausgeführt. Die Breite X2 der Windung 25.2 ist
dabei jedoch größer als die Breite X 1 der Windung 25.1, wodurch sich in der Windung
25.2 ein größerer Strömungsquerschnitt und damit eine geringere
Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers einstellt. In dem Abschnitt, der sich an die
Brennkammer 15 anschließt und der eine höhere Wärmebelastung aufweist, besitzen die
Windungen 25.3 und 25.4 eine geringere Tiefe Y2, wobei die Breite X4 geringer ist als
die Breite X3. Dadurch entsteht in der Windung 25.4 eine größere
Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers. Die Windung 25.5 weist eine spezielle
Ausführung auf, wobei sich der Querschnitt der Windung in Strömungsrichtung des
Heizgases kontinuierlich erweitert. Dadurch entsteht im Bereich der Windung 25.5 eine
lokale Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Wasserkanals 25. Die
Windung 25.5 ist dabei am Übergang von einem Bereich mit hoher Wärmebelastung zu
einem Bereich niedrigerer Wärmebelastung ausgebildet, wobei sich in den lokalen
Bereichen mit einem geringeren Querschnitt mit der Tiefe Y3 eine höhere
Strömungsgeschwindigkeit einstellt als in dem größeren Querschnittsbereich mit der
Tiefe Y4, wobei Y3 < Y4 ist. Anschließend an die Windung 25.5 weisen die Windungen
25.6, 25.7 und 25.8, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel die gleiche Tiefe Y5
besitzen, eine größere Breite X6 bis X8 und damit einen größeren Querschnitt auf. Die
sich in den Windungen 25.6 bis 25.8 einstellende geringere Strömungsgeschwindigkeit
des Heizwassers ist ausreichend, um die dort vorliegende geringere Wärmebelastung
abzuführen.To realize the local heat loads on the
Eine weitere Optimierung des Wärmeübergangs wird dadurch erreicht, wenn gemäß dem
Ausführungsbeispiel in Figur 2 die Wand 11 an den Stellen, an denen eine hoher oder die
höchste Wärmebelastung bzw. Wärmestromdichte vorliegt, eine Verdickung 27 aufweist.
Die Verdickung 27 ist in Figur 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die höchste
Wärmestromdichte existiert dabei dort, wo die Querrippen 22 mit der größten Oberfläche
in den Heizgaszug ragen und den Wärmestrom des Heizgases entsprechend in die Wand
11 einkoppeln. Durch die Verdickung 27 der Wand 11 in Richtung des Strömungskanals
25 wird die Tiefe Y der grabenförmigen Vertiefung 23 reduziert, wodurch sich an diesen
Stellen der Strömungsquerschnitt der wärmeaufnehmenden Strömungskanals 25
verringert. Dadurch steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers in diesen
Abschnitten bzw. an diesen Stellen an, wodurch ein besserer Wärmeübergang an diesen
Stellen auftritt. Zusätzlich wird durch die stärkere Wand 11 an diesen Stellen der aus den
Querrippen 22 kommende Wärmestrom gleichmäßiger auf die dem Wasserkanal 25
zugekehrte Seite der Wand 11 verteilt. Dadurch werden sogenannte Hot Spots verringert.
Eine weitere Optimierungsmöglichkeit des Wärmeüberganges besteht gemäß Figur 2
darin, dass in der grabenförmigen Vertiefung 23 gegenüber den Querrippen 23 Noppen
43 ausgebildet sind, die in den Wasserkanal 25 hineinragen. Dadurch wird der von den
Querrippen 22 ausgehende größte Wärmestrom besser in den Wasserkanal 25 eingeleitet.A further optimization of the heat transfer is achieved if according to the
Embodiment in Figure 2, the
Ein weiteres Ausführungsbeispiel geht aus Figur 3 hervor. Bei dem in Figur 3
dargestellten Grundkörper 10 eines Wärmetauschers sind die Tiefen Y der einzelnen
Windungen 25.1 bis 25.7 im Wesentlichen gleich groß. Die Breiten X1 bis X7 der
grabenförmigen Vertiefungen 23 sind, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, an
die entsprechenden lokalen Wärmebelastungen im Grundkörper 10 angepasst. Hierbei ist
die Breite X2 der Windung 25.2 größer als die Breite X3 der Windung 25.3 und die
Breite X3 der Windung 25.3 größer als die Breite X4 der Windung 25.1. Ab der Windung
25.5 nehmen die Breiten X5, X6 und X7 wieder zu, wobei X5 < X6 < X7 ist. Dadurch
werden unterschiedliche Querschnitte des Wasserkanals 25 realisiert, so dass innerhalb
dieser Windungen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten für das Heizwasser
auftreten.Another embodiment is shown in Figure 3. In the case of FIG. 3
illustrated
Wesentlich für das Ausführungsbeispiel in Figur 3 ist, dass an Stellen mit einer großen
Wärmebelastung im Wasserkanal 25 zusätzliche wasserseitige Rippen 41 und/oder
Strömungsschikanen 42 und/oder Noppen 43 vorhanden sind. Die Strömungsschikanen
42 sind dabei in Strömungsrichtung des Heizwassers geneigt mit einem Winkel von
beispielsweise 45° angebracht. Durch die Rippen 41 wird die wärmeübertragende
Oberfläche innerhalb des Wasserkanals 25 erhöht und damit die Wärmeübertragung
verbessert. Die Strömungsschikanen 42 führen zu Turbulenzen und durch Vermischung
der Grenzschichten an der inneren Wandung des Wasserkanals 25 zu einem erhöhten
Wärmeübergang vom Grundkörper 10 zu dem im Wasserkanal 25 strömenden
Heizwasser. Die Strömungsschikanen 42 können dabei so ausgeführt sein, dass sie
gleichzeitig auch Wärme abführen und dadurch die wärmeübertragende Oberfläche
vergrößern. Durch die Anordnung der Strömungsschikanen in einem Winkel von ca. 45°
kommt es zu einer Mischung unterschiedlicher Strömungsfäden, wodurch die sich im
Wasserkanal 25 bildende Temperaturschichtung gestört und die an der Wand 11
strömende heiße Schicht mit den beabstandeten kälteren Schichten vermischt wird.
Dadurch wird zusätzlich der Wärmeübergang erhöht und das Sieden des Heizwassers
vermieden. It is essential for the exemplary embodiment in FIG. 3 that at locations with a large
Heat load in the
Schließlich ist eine Ausbildung zumindest einer Windung 25.7 mit Längsrippen 44
möglich, die in ihrer Höhe derart im Wasserkanal 25 angeordnet sein können, dass sich
der Strömungskanal bzw. die Windung an der entsprechenden Stelle in einzelne parallel
geschaltete Einzelkanäle 45 aufteilt, so dass innerhalb einer Windung im Wasserkanal 25
unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten entstehen. Dadurch wird die
wärmeübertragende Oberfläche auf einen maximal möglichen Wert erhöht. Die
Ausbildung von wasserseitigen Rippen 41 und/oder Strömungsschikanen 42 und/oder
Noppen 43 und/oder Längsrippen 44 ist auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß den
Figur 1 und 2 möglich.Finally, at least one turn 25.7 is formed with
Die beschriebenen Wärmetauscher sind nicht nur für die Verwendung in Heizgeräten
möglich, sondern es ist auch denkbar, die Ausbildung der Strömungskanäle 19 und 25 für
einen Wärmetauscher zum Kühlen zu verwenden. The heat exchangers described are not only for use in heaters
possible, but it is also conceivable to design the
- 1010
- Grundkörperbody
- 1111
- wärmeübertragende Wandheat transfer wall
- 1313
- brennerseitiger Endabschnittburner end section
- 1414
- abgasseitiger Endabschnittexhaust-side end section
- 1515
- Brennkammercombustion chamber
- 1717
- Öffnungopening
- 1818
- Abgasöffnungexhaust port
- 1919
- wärmeabgebender Strömungskanal/Heizgaszugheat-emitting flow channel / heating gas flue
- 2020
- Umhüllungwrapping
- 2121
- Längsrippenlongitudinal ribs
- 2222
- Querrippentransverse ribs
- 2323
- grabenförmige Vertiefungtrench-shaped depression
- 2424
- Wandwall
- 2525
- wärmeaufnehmender Strömungskanal/Wasserkanalheat-absorbing flow channel / water channel
- 25.1 bis 25.825.1 to 25.8
- Windungenturns
- 2626
- Nutgroove
- 2727
- Verdickungthickening
- 3030
- Dichtringseal
- 3333
- Verformungdeformation
- 4141
- Rippenribs
- 4242
- Strömungsschikanenflow baffles
- 4343
- Noppenburl
- 4444
- Längsrippenlongitudinal ribs
- 4545
- Einzelkanäleindividual channels
- 5050
- Füllkörperpacking
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