EP1707895A2

EP1707895A2 - Primärwärmetauscher für eine Heizeinrichtung

Info

Publication number: EP1707895A2
Application number: EP06004437A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Rambacher
Original assignee: Rotex Heating Systems GmbH
Current assignee: Rotex Heating Systems GmbH
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2006-03-04
Publication date: 2006-10-04
Also published as: EP1707895A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und insbesondere einen Primärwärmetauscher (22) für eine Heizeinrichtung (2) zur kombinierten Erwärmung von Heiz- und Brauchwasser, wobei der Wärmetauscher (22) Teil eines mit einem Brenner (20) bestückten Heizkessels (18) ist und einen mit Verbrennungsgasen aus dem Brenner (20) beaufschlagbaren Wärmetauscherraum (72) und einem mit Heizwasser beaufschlagbaren Wasserraum (68, 70) aufweist. Um bei größtmöglicher Wärmeleistung eine kompakte Bauform des Wärmetauschers (22) zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Wärmetauscherraum (72) einen Brennraum (56) des Brenners (20) ringförmig umgibt und von den Verbrennungsgasen zumindest bereichsweise zirkular durchströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und insbesondere einen Primärwärmetauscher für eine Heizeinrichtung zur Erwärmung von Heizwasser und insbesondere zur kombinierten Erwärmung von Heiz- und Brauchwasser, der als Teil eines mit einem Brenner bestückten Heizkessels ausgebildet ist und einen mit Verbrennungsgasen aus dem Brenner beaufschlagbaren Wärmetauscherraum und einen mit Heizwasser beaufschlagbaren Wasserraum aufweist. Die Erfindung betrifft weiter eine Heizeinrichtung zur Erwärmung von Heizwasser und insbesondere zur kombinierten Erwärmung von Heiz- und Brauchwasser, die einen mit Wärmespeicherflüssigkeit, insbesondere Speicherwasser, befüllbaren Speicherbehälter sowie einen von oben her ins Innere des Speicherbehälters ragenden Heizkessel umfasst.
Aus der DE 101 10 527 A1 der Anmelderin sind bereits ein Wärmetauscher und eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei denen der Heizkessel raumsparend in den Speicherbehälter integriert ist und als Tauchkessel von oben her in das im Speicherbehälter befindliche drucklose Speicherwasser eintaucht. Der rohrförmig langgestreckte Tauchkessel umfasst dort einen an seinem oberen Ende außerhalb des Speicherbehälters angeordneten Gasbrenner und einen weit nach unten in den Speicherbehälter ragenden doppelwandigen Primärwärmetauscher mit einem mit den Verbrennungsgasen des Brenners beaufschlagbaren inneren Gaskanal und einem den Gaskanal ringförmig umgebenden, mit Heizwasser beaufschlagbaren Heizwasserkanal. Der bekannte Wärmetauscher und die bekannte Heizeinrichtung weisen einen hohen Wirkungsgrad und eine große Wärmeleistung auf, verursachen jedoch Probleme, wenn der Wärmetauscher in Räumen mit geringer Raumhöhe zur Wartung oder zum Austausch aus dem Speicherbehälter entnommen werden muss.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher und eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ohne wesentliche Beeinträchtigung der Wärmeleistung und des Wirkungsgrades eine Verkleinerung der Abmessungen und eine kompakte Bauform des Wärmetauschers ermöglicht und damit der Austausch desselben bei niedrigen Raumhöhen erleichtert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmetauscherraum den Brennraum des Brenners ringförmig umgibt und von den Verbrennungsgasen zumindest bereichsweise zirkular durchströmbar ist, das heißt entlang eines Bogens bzw. Ringsegments um die Achse des Brennraums herum, wobei der letztere in einer bevorzugten vertikalen Einbaulage von oben her beheizt wird, so dass sich die Verbrennungsgase nach dem Eintritt in den Wärmetauscherraum horizontal in Umfangsrichtung um den Brennraum herum bewegen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch Anordnung des Wärmetauscherraums um den Brennraum herum eine sehr kompakte und niedrige Bauweise des Wärmetauschers zu ermöglichen, vorzugsweise mit einer gedrungenen flachzylindrischen Form, bei der eine ringförmige Gasführung in Umfangsrichtung von bevorzugt mehr als 270° vorgesehen ist und das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser bevorzugt weniger als 1 beträgt.
Da bei derartigen Abmessungen die beiden stirnseitigen Begrenzungswände des Wärmetauscherraums erheblich größer sind als dessen Umfangswand, umfasst der Wasserraum des Wärmetauschers vorzugsweise zwei an die Stirnseiten des Wärmetauscherraums angrenzende Wasserkammern, von denen in der bevorzugten vertikalen Einbaulage jeweils eine oberhalb bzw. unterhalb des Wärmetauscherraums angeordnet ist. Vorzugsweise umgeben die beiden Wasserkammern den Brennraum ebenfalls ringförmig, wobei sie zumindest teilweise im Gegenstrom zu den Verbrennungsgasen im Wärmetauscherraum vom Heizwasser durchströmt werden.
Um den Strömungsweg des Heizwassers in den Wasserkammern zu verlängern, weisen die Wasserkammern vorzugsweise eingebaute Wasserleitelemente in Form von Rippen oder Schikanen auf, die abwechselnd von einer die Wasserkammern vom Brennraum trennenden inneren Umfangswand der Wasserkammern nach außen und von einer die Wasserkammern nach außen zu begrenzenden äußeren Umfangswand der Wasserkammern nach innen ragen, so dass sie das Heizwasser mäandrierend durch die Wasserkammern leiten. Dabei strömt das Heizwasser an einer die jeweilige Wasserkammer vom Wärmetauscherraum trennenden Zwischenwand entlang, durch welche die Wärme der heißen Verbrennungsgase aus dem Wärmetauscherraum in die Wasserkammer übertragen wird.
Um für eine möglichst gute Wärmeübertragung in die beiden Wasserkammern zu sorgen, sind die Zwischenwände auf ihren dem Wärmetauscherraum zugewandten Seiten vorzugsweise mit überstehenden, an die Zwischenwände angeformten metallischen Wärmetauscherelementen versehen, um die von den Verbrennungsgasen umspülte Oberfläche zu vergrößern. Die Wärmetauscherelemente sind vorteilhaft stiftartig ausgebildet und stehen zweckmäßig von den beiden Zwischenwänden aus in den Wärmetauscherraum über, wobei sie mit ihren Füßen einstückig an der jeweiligen Zwischenwand angeformt sind und mit ihren Köpfen oder freien Enden sich entweder paarweise gegenüberliegen oder kammförmig ineinander greifen. Die zuletzt genannte Anordnung hat den Vorteil, dass bei der Herstellung des Wärmetauschers im Sandgussverfahren zwischen den Wärmetauscherelementen ausreichend große Abstände vorgesehen werden können, jedoch nach dem Ineinandergreifen der Wärmetauscherelemente nur schmale Zwischenräume verbleiben, wodurch die Gasgeschwindigkeit erhöht und der Wärmeübergang verbessert wird. Da sich benachbarte Wärmetauscherelemente Kopf an Fuß gegenüberliegen, kann darüber hinaus über die gesamte Höhe des Wärmetauscherraums, d.h. in axialer Richtung, eine sehr homogene Temperaturverteilung erzielt und eine übermäßige thermische Beanspruchung der Köpfe oder freien Enden der Wärmetauscherelemente vermieden werden.
Um eine übermäßige thermische Belastung der in der Nähe einer Gaseinlassöffnung des Wärmetauscherraums angeordneten Wärmetauscherelemente zu vermeiden, werden diese zweckmäßig kürzer ausgebildet.
Entsprechendes kann auch für die Wärmetauscherelemente in der Nähe einer den Wärmetauscherraum in axialer Richtung durchsetzenden Heizwasserdurchführung gelten, um entlang des gesamten bogenförmigen Wegs der Verbrennungsgase durch den Wärmetauscherraum für einen im Wesentlichen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt zu sorgen.
Um eine gleichmäßige Verweildauer der heißen Verbrennungsgase sicherzustellen, die entlang des kürzeren inneren Umfangs bzw. entlang des längeren äußeren Umfangs des Wärmetauscherraums durch diesen hindurch geführt werden, wird vorzugsweise die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase von innen nach außen vergrößert, indem man entweder den radialen Strömungsquerschnitt des Wärmetauscherraums von innen nach außen vergrößert oder die in den Wärmetauscherraum ragenden Wärmeübertragungselemente mit einem von innen nach außen kleiner werdenden Anströmquerschnitt versieht.
Der Wärmetauscherraum und der Brennraum sind vorzugsweise durch eine Trennwand getrennt, die den Brennraum ringförmig umgibt und an einer Stelle mit einer radialen Gaseinlassöffnung versehen ist, durch welche die Verbrennungsgase aus dem Brennraum in den Wärmetauscherraum gelangen. Die Trennwand ist zweckmäßig an einer Seite der Gaseinlassöffnung bis zu einer äußeren Umfangswand des Wärmetauscherraums verlängert, so dass die durch die Gaseinlassöffnung in den Wärmetauscherraum eintretenden Verbrennungsgase in die andere Richtung gelenkt werden und im Kreis um den Brennraum herum zu einer jenseits der Trennwand angeordneten axialen Gasauslassöffnung in der Oberseite des Wärmetauscherraums strömen, von wo aus sie nach oben aus dem Wärmetauscher heraus zu einem Abgaskamin geführt werden.
Dort, wo der Heizkessel als sogenannter Brennwertkessel ausgebildet ist, in dem die Verbrennungsgase bis zum Kondensieren abgekühlt werden, um ihre Kondensationswärme ebenfalls auszunutzen, sind der Wärmetauscherraum und/oder oder die untere Zwischenwand zwischen dem Wärmetauscherraum und der unteren Wasserkammer vorzugsweise in Richtung der Gasauslassöffnung bzw. eines unter der Gasauslassöffnung vorgesehenen Kondensatauslasses leicht nach unten geneigt, um das Ablaufen des Kondensats aus dem Wärmetauscher zu erleichtern.
Der oben beschriebene, mit Wärmetauscherelementen bestückte Wärmetauscherraum kann vorzugsweise hergestellt werden, indem man den Wärmetauscher im Bereich des Wärmetauscherraums in zwei Halbschalen teilt, die sich vorzugsweise entlang einer mittigen Trennebene gegenüberliegen und dort miteinander verbunden werden. Die beiden Halbschalen werden zweckmäßig mit integrierten Wasserkammern im Sandgussverfahren hergestellt, so dass zur Montage des Wärmetauschers lediglich die beiden Halbschalen zusammengefügt werden müssen, nachdem im Bereich von axialen inneren Wasser- und Gasdurchführungen Hülsen eingesetzt und entlang der Trennebene um den Brennraum und den äußeren Umfang des Wärmetauscherraums herum Dichtungen eingelegt worden sind.
Gegenstand der Erfindung sind auch ein Heizkessel und eine Heizeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Heizeinrichtung einer Heizungsanlage zur kombinierten Heiz- und Brauchwassererwärmung mit ei- nem Speicherbehälter und einem in den Speicherbehälter integrierten Brennwertkessel;
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht des Brennwertkessels von oben;
Fig. 3: eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Brennwertkessels von oben, dessen obere Stirnwand zur Freilegung einer oberen Wasserkammer in einem Oberteil des Kessels weggeschnitten ist;
Fig.4: eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Brennwertkessels von unten, dessen untere Stirnwand zur Freilegung einer unteren Wasserkammer in einem Unterteil des Kessels weggeschnitten ist;
Fig. 5: eine perspektivische Oberseitenansicht des Unterteils des Kessels;
Fig. 6: eine perspektivische Unterseitenansicht des Oberteils des Kessels;
Fig. 7: eine Schnittansicht des Kessels entlang der Linie VII-VII der Fig. 2;
Fig. 8: eine Schnittansicht des Kessels entlang der Linie VIII-VIII der Fig. 2.

Die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Heizeinrichtung 10 einer Heizungsanlage eines Gebäudes dient zur Erwärmung von Heizwasser und Brauchwasser, die in dem Gebäude benötigt werden.
Die Heizeinrichtung 10 umfasst einen aufrechten zylindrischen Speicherbehälter 12 zur Aufnahme von Speicherwasser 14 als Wärmespeichermedium, einen in einen oberen Verschlussdeckel 16 des Speicherbehälters 12 integrierten Brennwertkessel 18 mit einem Brenner 20 sowie einem Primärwärmetauscher 22 zur Erwärmung von Heizwasser in einem Heizkreislauf 24 des Gebäudes, ein unterhalb des Primärwärmetauschers 22 angeordnetes, nach unten offenes Tauchrohr 26 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, einen dem Primärwärmetauscher 22 nachgeschalteten, innerhalb des Tauchrohrs 26 angeordneten und von Speicherwasser 14 umgebenen Sekundärwärmetauscher 28, einen zum Primärwärmetauscher 22 und zum Sekundärwärmetauscher 28 parallel geschalteten, außerhalb des Tauchrohrs 26 angeordneten und vom Speicherwasser 14 umgebenen Ladewärmetauscher 30, einen in der Nähe einer Umfangswand 32 des Speicherbehälters 12 im Speicherwasser 14 angeordneten, von Trink- oder Brauchwasser durchströmten Brauchwasserwärmetauscher 34, ein an Solarpaneele (nicht dargestellt) der Heizungsanlage angeschlossenes Schichtungsrohr 36, sowie Einrichtungen 38 zur Ableitung von Kondensat aus dem Primärwärmetauscher 22.
Der isolierte Speicherbehälter 12 ist bis knapp unterhalb des Primärwärmetauschers 22 mit dem drucklosen Speicherwasser 14 gefüllt und weist eine elektronische Füllstandskontrolle 40 im Verschlussdeckel 16 sowie eine durch seine Umfangswand 32 ins Innere mündende Ausgleichsleitung 42 auf, durch die der Speicherbehälter 12 bei Bedarf nachgefüllt werden kann, wenn der Wasserstand im Speicherbehälter 12 unter ein gewünschtes Niveau absinkt. Um eine Überfüllung des Speicherbehälters 12 zu verhindern, ist in der Umfangswand 32 knapp unterhalb des Brennwertkessels 18 ein Überlauf 44 vorgesehen, durch den Speicherwasser 14 aus dem Speicherbehälter 12 austritt, wenn der Wasserstand über das Niveau des Überlaufs 44 steigt. Der Speicherbehälter 12 ist weiter mit einer Tauchhülse 46 für einen Speicherfühler 48 versehen, mit dem die Wassertemperatur am Boden des Speicherbehälters 12 gemessen wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Brennwertkessel 18 derart in den Verschlussdeckel 16 des Speicherbehälters 12 eingebaut, dass sich der mit Gas oder Öl als Brennstoff betriebene und zur Luftzufuhr mit einem Gebläse versehene Brenner 20 auf der Oberseite des Deckels 16 befindet und mit einem nach unten weisenden Brennermundstück von oben axial ins Innere des zylindrischen Primärwärmetauschers 22 ragt.
Wie am besten in den Figuren 2, 3 und 4 sowie 7 und 8 dargestellt, besteht der kompakte, allgemein zylindrisch geformte Primärwärmetauscher 22 ein Gehäuse aus einem Oberteil 50 und einem Unterteil 52, die in wesentlichen Teilen einen in etwa spiegelbildlichen Aufbau besitzen und im Sandgussverfahren aus Aluminium hergestellt werden, bevor sie nach einer mechanischen Bearbeitung entlang einer horizontalen Trennebene 54 miteinander verschraubt werden.
Wie am besten in Fig. 7 und 8 dargestellt, umschließt der Primärwärmetauscher 22 in seiner Mitte einen zentralen Brennraum 56, der im Betrieb des Brenners 20 mit den heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird. Der Brennraum 56 wird nach unten zu durch eine untere Stirnwand 58 des Unterteils 52 und nach oben zu durch eine oberen Stirnwand 60 des Oberteils 50 begrenzt und ist dazwischen zum überwiegenden Teil von einer im Wesentlichen zylindrischen Umfangswand 62 umgeben, über deren dem Brennraum 56 zugewandte Innenseite radiale Wärmeleitrippen 64 überstehen. Wie am besten in Fig. 1 und 2 dargestellt, weist die obere Stirnwand 60 des Oberteils 50 eine mittige Brenneröffnung 66 auf, über welcher der Brenner 20 angeflanscht wird.
Wie am besten in den Figuren 3 und 4 dargestellt, ist der Brennraum 56 jeweils am oberen und am unteren Stirnende des Wärmetauschers 22 von einer flachen ringförmigen oberen bzw. unteren Wasserkammer 68 bzw. 70 umgeben, während er zwischen den beiden Wasserkammern 68 und 70 von einem mit den Verbrennungsgasen des Brenners 20 beaufschlagten Wärmetauscherraum 72 des Wärmetauschers 22 umgeben ist.
Die obere und die untere Wasserkammer 68, 70 sind jeweils durch zwei radiale Trennwände 74 in zwei getrennte Hälften 76, 78 auf entgegengesetzten Seiten des Brennraums 56 unterteilt und weisen jeweils eine Mehrzahl von rippenförmigen Schikanen oder Rippen 80 auf, die zwischen den Trennwänden 74 abwechselnd von einer von der Umfangswand 62 des Brennraums 56 gebildeten Innenwand der Wasserkammer 68, 70 radial nach außen und von einer dazu konzentrischen Außenwand 82 der Wasserkammer 68, 70 radial nach innen überstehen, wodurch das Heizwasser in den Wasserkammern 68, 70 mäandrieren muss und somit sein Strömungsweg verlängert wird.
Das durch eine Umwälzpumpe 84 (Fig. 1) umgewälzte Heizwasser tritt durch einen Rücklaufanschluss 86 in der oberen Stirnwand 60 des Oberteils 50 in die in Fig. 3 und 4 hintere Hälfte 76 der oberen Wasserkammer 68 ein und wird durch diese Hälfte 76 hindurch zu einer auf der gegenüberliegenden Seite der Wasserkammer 68 angeordneten ersten Wasserdurchführung 88 geleitet, die durch den Wärmetauscherraum 72 hindurch zur unteren Wasserkammer 70 führt. In der unteren Wasserkammer 70 strömt das Heizwasser mit entgegengesetzter Strömungsrichtung durch die hintere Hälfte 76 der Kammer 70 zu einem unterhalb des Rücklaufanschlusses 86 in der unteren Stirnwand 58 des Unterteils 52 angebrachten Wasserauslass 90 (Fig. 1), wo es in den Sekundärwärmetauscher 28 im Inneren des Tauchrohrs 26 eintritt. Nach dem Hindurchtritt durch den Wärmetauscher 28 tritt das Heizwasser durch einen neben dem Wasserauslass 90 angeordneten Wassereinlass 92 in der unteren Stirnwand 58 des Unterteils 52 in die vordere Hälfte 78 der unteren Wasserkammer 70 ein und wird durch diese zu einer gegenüberliegenden, zur ersten Wasserdurchführung 88 parallelen zweiten Wasserdurchführung 94 geleitet, durch die es in die vordere Hälfte 78 der oberen Wasserkammer 68 gelangt. Nach dem Durchströmen der vorderen Hälfte 78 der oberen Wasserkammer 68 tritt das aufgeheizte Heizwasser durch einen neben dem Rücklaufanschluss 86 angeordneten Vorlaufanschluss 96 in der oberen Stirnwand 60 des Wärmetauschers 22 wieder aus dem letzteren aus und wird von dort zu einem nachgeschalteten Dreiwegeventil 98 (Fig. 1) im Heizkreislauf 24 geleitet, um es Verbrauchern im Gebäude zuzuführen.
Wie am besten in den Figuren 3 und 4 dargestellt, wird der in axialer Richtung des Wärmetauschers 22 zwischen den beiden Wasserkammern 68, 70 angeordnete Wärmetauscherraum 72 von zwei einander zugewandten ringförmigen Halbschalen des Oberteils 50 und des Unterteils 52 umschlossen, die nach oben bzw. unten durch eine Zwischenwand 100, 102 von der benachbarten Wasserkammer 68 bzw. 70 getrennt sind.
Die zylindrische Umfangswand 62 des Brennraums 56 ist im Bereich des Wärmetauscherraums 72 an einer einzigen Stelle unterbrochen, um eine radiale Gaseinlassöffnung 104 zu bilden, durch welche die Verbrennungsgase in den Wärmetauscherraum 72 zugeführt werden. An der einen Seite der Gaseinlassöffnung 104 ist die Umfangswand 62 des Brennraums 56 bei 106 in radialer Richtung durch den Wärmetauscherraum 72 hindurch nach außen bis zur geschlossenen äußeren Umfangswand 82 des Wärmetauschers 22 verlängert, so dass ein Hindurchtritt der Verbrennungsgase in dieser Richtung verhindert wird. Wie am besten in Fig. 5 dargestellt, weist der Wärmetauscherraum 72 jenseits der Verlängerung 106 der Umfangswand 82 eine nach oben führende axiale Gasauslassöffnung 108 auf, die mit einer durch die obere Wasserkammer 68 und die obere Stirnwand 60 des Oberteils 50 hindurch führenden Abgasdurchführung 110 verbunden ist. Aus der Abgasdurchführung wird das Abgas nach oben aus dem Brennwertkessel 18 heraus und in einen Kamin 111 (Fig. 1) abgeführt.
Aufgrund der beschriebenen Anordnung von Gaseinlassöffnung 104, Umfangswandverlängerung 106 und Gasauslassöffnung 108 werden die heißen Verbrennungsgase von der Gaseinlassöffnung 104 aus im Wesentlichen zirkular oder kreisförmig, d.h. über einen Umfangswinkel von mehr als 270 Grad, um den Brennraum 56 herum durch den Wärmetauscherraum 72 geführt, wobei sie einen großen Teil ihrer Wärme an das Heizwasser in den Wasserkammern 68, 70 abgeben und sich wie bei bekannten Brennwertheizungen bis zum Kondensieren abkühlen.
Die Stelle, an der die Gaseinlassöffnung 104 angeordnet ist, befindet sich etwa unterhalb vom Rücklaufanschluss 86 des Wärmetauschers 22, so dass das in die obere Wasserkammer 68 eintretende kalte Heizwasser im Gegenstrom zu den heißen Verbrennungsgasen durch die hintere Hälfte 76 dieser Wasserkammer 68 strömt und nach dem Gegenstromprinzip aufgeheizt wird.
Wie am besten in Fig. 7 und 8 dargestellt, sind die beiden Zwischenwände 100 und 102 zwischen dem Wärmetauscherraum 72 und der oberen bzw. unteren Wasserkammer 68 bzw. 70 nicht parallel zur horizontalen Trennebene 54 zwischen dem Oberteil 50 und dem Unterteil 52 des Wärmetauschers 22 ausgerichtet, sondern zur Seite der Gasauslassöffnung 108 hin leicht nach unten geneigt, so dass zwischen der Gaseinlassöffnung 104 und der Gasauslassöffnung 108 eine absteigende Gasführung durch den Wärmetauscherraum 72 erzielt wird und das entstehende Kondensat entlang der geneigten unteren Zwischenwand 102 zu einem unterhalb von der Gasauslassöffnung 108 angeordneten Kondensatablauf 112 fließen kann.
Um die Wärmeübertragung von den heißen Verbrennungsgasen in das Heizwasser zu verbessern, ist der Wärmetauscherraum 72 mit einer Vielzahl von stiftförmigen Wärmeübertragungselementen 114 bestückt, die jeweils mit ihrer Wurzel an einer der beiden Zwischenwände 100, 102 zwischen dem Wärmetauscherraum 72 und der oberen bzw. unteren Wasserkammer 68 bzw. 70 angeformt sind und von oben bzw. unten in den Wärmetauscherraum 72 ragen, wodurch dort die von den Verbrennungsgasen umspülte Oberfläche des Wärmetauschers 22 vergrößert wird.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Wärmetauscher 22 weisen die stiftförmigen Wärmeübertragungselemente 114 einen zylindrischen Querschnitt auf und sind so angeordnet, dass sich die von oben bzw. von unten in den Wärmetauscherraum 72 ragenden Elemente 114 jeweils paarweise gegenüberliegen und ihre freien Enden einen kleinen Abstand voneinander aufweisen. Alternativ sind jedoch auch andere Querschnittsformen möglich, wie zum Beispiel polygonale oder ovale Querschnittsformen. Außerdem ist an Stelle einer gegenüberliegenden Anordnung der oberen und der unteren Wärmeübertragungselemente 114 auch eine kammartig ineinander greifende Anordnung möglich. Diese letztere, in der Zeichnung nicht dargestellte Anordnung hat den Vorteil, dass zum einen der seitliche Abstand zwischen benachbarten Elementen 114 des Oberteils 50 bzw. des Unterteils 52 vergrößert wird, was die Herstellung der beiden Teile 50, 52 im Sandgussverfahren erleichtert, und dass die Elemente 114 zum anderen von den Verbrennungsgasen abwechselnd an ihren kälteren Wurzeln und ihren wärmeren freien Enden angeströmt werden, wodurch sich einerseits die Verbrennungsgase insgesamt auf ein homogeneres Temperaturniveau abkühlen und sich andererseits die freien Enden der Elemente 114 nicht zu stark aufheizen können.
Um zu erreichen, dass die Verbrennungsgase trotz eines längeren Strömungswegs am äußeren Umfang des Wärmetauscherraums 72 über dessen gesamte radiale Erstreckung im Wesentlichen dieselbe Strömungsgeschwindigkeit aufweisen, weist der Wärmetauscherraum 72 einen in radialer Richtung nach außen größer werdenden trapezförmigen Querschnitt auf, so dass der Strömungswiderstand von seinem äußeren Umfang zu seinem inneren Umfang hin zunimmt. Alternativ oder zusätzlich kann dieselbe Wirkung auch dadurch erzielt werden, dass man den Querschnitt der Wärmeübertragungselemente 114 und damit deren angeströmte Fläche von außen nach innen größer macht.
Um zu verhindern, dass es direkt hinter der Gaseinlassöffnung 104 zu einer übermäßigen Aufheizung der Wärmeübertragungselemente 114 durch die aus dem Brennraum 56 in den Wärmetauscherraum 72 einströmenden heißen Verbrennungsgase kommt, sind dort entweder keine derartigen Elemente 114, wie in der Zeichnung dargestellt, oder nur kürzere Elemente vorgesehen, aus denen die Wärme schneller an das Heizwasser in den Wasserkammern 68, 70 abgegeben werden kann.
Vor der Montage des Oberteils 50 und des Unterteils 52 des Wärmetauschers 22 werden im Bereich der inneren Wasser- und Gasdurchführungen 88, 94 bzw. 110 geeignete Metallhülsen, in die Teile 50, 52 eingesetzt, die für einen wasser- bzw. gasdichten Transport des jeweiligen Mediums sorgen. Um den Eintritt von heißen Verbrennungsgasen aus dem Brennraum 56 in den Wärmetauscherraum 72 nur im Bereich der Gaseinlassöffnung 104 zuzulassen, werden die beiden Halbschalen des Oberteils 50 und des Unterteils 52 in der Trennebene 54 mit Hilfe einer in eine Rille 116 zwischen den beiden Halbschalen eingelegten Dichtschnur (nicht dargestellt) entlang der Umfangswand 62 und der Verlängerung 106 gegeneinander abgedichtet. Zur Abdichtung nach außen zum Deckel 16 des Speicherbehälters 12 hin ist dort ebenfalls eine umlaufende Dichtschnur (nicht dargestellt) vorgesehen, die in eine entsprechende Rille 118 (Fig. 3 und 6) eingelegt wird.
Der innerhalb des Tauchrohrs 26 angeordnete Sekundärwärmetauscher 28 dient ebenso wie der außerhalb des Tauchrohrs 26 angeordnete Ladewärmetauscher 30 zur Erwärmung des Speicherwassers 14, aus dem die gespeicherte Wärme bei abgeschaltetem Brenner 20 über den Brauchwasserwärmetauscher 34 an das Brauchwasser 120 bzw. bei geringem Leistungsbedarf auch durch Umwälzung des Heizwassers bei abgeschaltetem Brenner 20 in den Heizkreislauf 24 eingespeist werden kann.
Die Einrichtungen 38 zum Ableiten des Kondensats aus dem Wärmetauscherraum 72 bestehen im Wesentlichen aus dem Kondensatablauf 112 in Form eines in einem massiven Teil der Zwischenwand 102 zwischen dem Wärmetauscherraum 72 und der unteren Wasserkammer 70 ausgesparten Rohrbogens, dessen trichterförmig erweitertes oberes Ende an der tiefsten Stelle des Wärmetauscherraums 72 mündet und dessen unteres, radial nach außen weisendes Ende sich bis zur Außenseite der äußeren Umfangswand 82 des Wärmetauschers 22 erstreckt, einem mit dem Ende des Kondensatablaufs 112 verbundenen Rohrstück 122 (Fig. 1), das sich oberhalb des Wasserspiegels des Speicherwassers 14 durch den Speicherbehälter 12 und dessen Umfangswand 32 hindurch nach außen erstreckt, sowie einem am Ende des Rohrstücks 122 auf der Außenseite des Speicherbehälters 12 angebrachten Kondensatsiphon 124, von wo das Kondensat durch einen Kondensatablaufschlauch 126 zu einer Abwasserleitung geleitet wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, erfolgt die Befüllung des Speicherbehälters 12 mit dem Speicherwasser 14 durch die Ausgleichsleitung 42 nur bis knapp unterhalb der unteren Stirnwand 58 des Unterteils 52 des Brennwertkessels 18, so dass an Stelle des zuvor beschriebenen Kondensatablaufs 112 auch eine an der Unterseite des Primärwärmetauschers 22 angeordnete Kondensataustrittsöffnung vorgesehen werden kann, durch die das im Wärmetauscherraum 72 gebildete Kondensat aus dem Wärmetauscher 22 ins Speicherwasser 14 abtropfen und zugleich für eine automatische Wassernachfüllung im Behälter 12 sorgen kann.
Das an die Solarpaneele der Heizungsanlage angeschlossene Schichtungsrohr 36 wird durch einen Vorlaufanschluss 128 im Deckel 16 des Speicherbehälters 12 mit erwärmtem Heizwasser aus den Solarpaneelen beschickt. Nach seinem Hindurchtritt durch das Schichtungsrohr 36 strömt das abgekühlte Heizwasser durch einen im unteren Teil der Umfangswand 32 des Speicherbehälters 12 angeordneten Rücklaufanschluss 130 wieder in die Solarpaneele zurück. Die Regelung des Solarkreislaufs erfolgt mit Hilfe eines Wärmefühlers 132.

Claims

Primärwärmetauscher für eine Heizeinrichtung zur Erwärmung von Heizwasser, wobei der Primärwärmetauscher als Teil eines mit einem Brenner (20) bestückten Heizkessels (18) einsetzbar ist und einen mit Verbrennungsgasen aus dem Brenner beaufschlagbaren Wärmetauscherraum (72) und einen mit Heizwasser beaufschlagbaren Wasserraum (68, 70) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherraum (72) einen Brennraum (56) des Brenners (20) ringförmig umgibt und von den Verbrennungsgasen zumindest bereichsweise zirkular durchströmt wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der WÖrmetauscherraum (72) einen über einen Umfangswinkel von mehr als 210°, vorzugsweise mehr als 270° in Umfangsrichtung um eine zylindrische Umfangswand (62) des Brennraums (56) herum geführten Strömungspfad für die Verbrennungsgase begrenzt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserraum (68, 70) eine oberhalb des Wärmetauscherraums (72) angeordnete erste Wasserkammer (68) und eine unterhalb des Wärmetauscherraums (72) angeordnete zweite Wasserkammer (68) umfasst.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wasserkammern (68, 70) den Brennraum (56) ringförmig umgeben und mäandrierend vom Heizwasser durchströmt werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch in den Wasserkammern (68, 70) angeordnete Wasserleitelemente (80), die abwechselnd von einer zwischen den Wasserkammern (68, 70) und dem Brennraum (56) angeordneten Trennwand (62) nach außen und von einer äußeren Umfangswand (82) der Wasserkammern (68, 70) nach innen überstehen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizwasser mindestens teilweise im Gegenstrom zu den Verbrennungsgasen im benachbarten Wärmetauscherraum (72) durch eine oder beide Wasserkammern (68, 70) hindurchgeführt wird.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch zwei den Wärmetauscherraum (72) in axialer Richtung begrenzende und von den Wasserkammern (68, 70) trennende Zwischenwände (100, 102).
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwände (100, 102) auf ihrer dem Wärmetauscherraum (72) zugewandten Seite mit überstehenden Wärmetauscherelementen (114) versehen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (114) ausgehend von den beiden Zwischenwänden (100, 102) kammförmig ineinander greifen.
Wärmetauscher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (114) stiftförmig ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (114) in der Nähe einer Gaseinlassöffnung (104) des Wärmetauscherraums (72) und/oder in der Nähe einer den Wärmetauscherraum (72) in axialer Richtung durchsetzenden Heizwasserdurchführung (88, 94) kürzer ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (114) vom Brennraum (56) weg nach außen zu einen abnehmenden Anströmquerschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherraum (72) vom Brennraum (56) weg nach außen zu einen größer werdenden Strömungsquerschnitt aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherraum (72) und der Brennraum (56) durch eine Trennwand (62) getrennt sind, die den Brennraum (56) ringförmig umgibt und an einer Stelle mit einer radialen Gaseinlassöffnung (104) versehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (62) an einer Seite der Gaseinlassöffnung (104) eine Verlängerung (106) aufweist, die sich bis zu einer äußeren Umfangswand (82) des Wärmetauscherraums (72) erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherraum (72) eine nach oben führende axiale Gasauslassöffnung (108) aufweist, die exzentrisch auf der zur Gaseinlassöffnung (104) entgegengesetzten Seite des Verlängerung (106) der Trennwand (62) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen zylindrische Form, bei der das Verhältnis von Durchmesser zu Höhe mehr als 1 beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch ein zweischaliges Gehäuse aus einem Oberteil (50) und einem Unterteil (52), wobei die Teile (50,52) an einer stirnseitigen Trennebene (54) miteinander verbunden sind.
Heizkessel mit einem Brenner (20) und einem Wärmetauscher (22) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Heizeinrichtung zur kombinierten Heiz- und Brauchwassererwärmung, mit einem mit Wärmespeicherflüssigkeit, insbesondere Speicherwasser, befüllbaren Speicherbehälter (12), sowie mit einem von oben in den Speicherbehälter ragenden Heizkessel, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkessel (18) einen Primärwärmetauscher (22) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Heizeinrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch ein unterhalb des Primärwärmetauschers (22) im Speicherbehälter (12) angeordnetes, in die Wärmespeicherflüssigkeit (14) ragendes und am unteren Ende offenes Tauchrohr (26).
Heizeinrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Tauchrohrs (26) angeordneten, mit Heizwasser beaufschlagbaren Sekundärwärmetauscher (28).
Heizeinrichtung nach Anspruch 21 oder 22, gekennzeichnet durch einen außerhalb des Tauchrohrs (26) angeordneten, mit Heizwasser beaufschlagbaren Ladewärmetauscher (30).
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet durch ein im Speicherbehälter (12) angeordnetes, von einer Solaranlage gespeistes Schichtungsrohr (38).