[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur rekuperativen Wärmeausnutzung von
Medien niedriger Temperatur, insbesondere der Wärme von Rauchgasen geeignet ist und
die aus dünnen Blechen durch Pressen hergestellte Taschen oder Hohlrippen enthält,
aus denen durch die Änderung der Elementenanzahl und Anordnung den Ansprüchen entsprechende
Einheiten mit unterschiedlichen Abmessungen und Heizflächengrößen aufgebaut werden
können.
[0002] Aus der Fachliteratur und aus der Praxis sind zahlreiche Versionen von aus Fertigbauteilen
aufbaubaren Wärmetauschern bekannt.
[0003] Auf die Erhöhung der in dem Einheitsvolumen unterbringbaren Heizflächen gerichtete
Ausführungsformen von Wärmeaustauschern von zahlreichen Firmen - u.a. Kraftanlagen
Heidelberg und Corner Schmidt - sind wohlbekannt. Eine ähnliche Lösung ist in der
DE-A-3 102 623 beschrieben; bei dieser Lösung sind zum Fördern der Medien aus rechteckig
oder wellenlinienförmig gebogenen Blechen beidseitig verschlossene Kanäle mit kleinem
Querschnitt ausgestaltet. Aus den derart ausgestalteten Elementen wird z.B. jedes
zweite Element auf dem ersten senkrecht orientiert oder mit diesem einen spitzen Winkel
einschließend eingebaut, wobei aus den in gleicher Weise orientierten Elementen der
Durchflußquerschnitt für das eine bzw. das andere Medium ausgestaltet wird.
[0004] Der Nachteil dieser bekannten Anlagen zeigt sich darin, daß die Anpassung der Vorrichtung
an die wärmeabgebenden Systeme sowie die Verteilung und Ansammlung der Medien die
Gestaltung zahlreicher - an dem Wärmeaustausch nicht teilnehmender - Elemente beanspruchen,
wodurch sich der Herstellungsaufwand bedeutend erhöht.
[0005] Die In der GB-A-2 048 452 spezifizierte Vorrichtung besteht aus zwei großflächigen
z.B. durch Pressen als das Spiegelbild voneinander auf das entsprechende Format ausgestalteten,
z.B. durch Schweißen miteinander verbundenen dünnwandigen Blechhälften. Die doppelwandige
Konstruktion, die für das eine an den Wärmeaustausch teilnehmende Medium einen Durchflußquerschnitt
zwischen den beiden Blechen aufweist und an dem einen Ende mit einem Eintrittsstutzen
und an dem anderen Ende mit einem Austrittsstutzen versehen ist, ist in Form einer
Spirale gewunden. Die derart ausgestaltete Konstruktion wird in der Ebene der Spirale
an beiden Enden verschlossen, und zwar so, daß an dem eInen Ende die Mitte der Spirale
freigelassen wird, z.B. für den Eintritt des wärmeabgebenden Mediums, das sich nun
verteilend entlang des Mantels strömt und der Linie der Spirale folgt, die Mittelachse
der Spirale Immer mehr verläßt und aus dem System durch die sich zwischen den Mänteln
befindende Öffnung in tangentialer Richtung austritt.
[0006] Die für den Wärmeaustausch charakteristischen Eigenschaften der beschriebenen Vorrichtung
sind für solche Medien günstig, bei denen das Volumen des wärmeabgebenden bzw. des
wärmeaufnehmenden Mediums stark voneinander abweichen; als solche sollen z.B. ein
gasphasiges wärmeabgebendes und ein flüssiges wärmeaufnehmendes Medium erwähnt werden.
[0007] Aus dem Wesen der Konstruktion ergibt sich, daß die DurchflußquerSchnitte an der
Seite der Wärmeabgabe bzw. der Wärmeaufnahme wesentlich unterschiedlich sind; in dieser
Weise können günstige Wärmeaustauschcharakteristiken jedoch keinesfalls gewährleistet
werden, wenn das Volumen der beiden Medien annähernd gleich ist. Die Anwendung der
Konstruktion wird auch dadurch beeinträchtigt, daß das Abbiegen der doppelwandigen
Konstruktion auf das spiralförmige Format mit Schwierigkeiten verbunden ist; die ausgestaltbare
Heizfläche wird durch die Möglichkeiten der Herstellung begrenzt, so daß das Anwendungsgebiet
nicht groß ist. Die Lösung kann bloß Im Bereich niedrigerer Wärmeleistungen verwendet
werden. Es besteht nicht die Möglichkeit, die Konstruktion als Gas-Gas-Wärmetauscher
mit entsprechenden Wärmeaustauschparametern einzusetzen.
[0008] In der DE-A-2 921 770 ist ein aus zwei spiegelbildlichen Hälften zusammengebautes,
im allgemeinen durch Schweißen verbundenes Wärmetauscherelement spezifiziert. Die
beiden Hälften bilden eine aus Metall und Kunststoff bestehende lamellare Konstruktion,
die ähnlich wie die vorher beschriebene Konstruktion infolge des Verhältnisses zwischen
den Durchflußquerschnitten erst dann erfolgreich angewendet werden kann, wenn das
Verhältnis der Volumina der an dem Wärmeaustausch teilnehmenden Medien den Anforderungen
weitgehend genügt. Zu diesem Zwecke werden Zufuhr und Abfuhr des wärmeabgebenden Mediums
besonders ausgestaltet. Die geschilderte Konstruktion kann hauptsächlich als Element
kommunaler Heizungsanlagen und nur in einem niedrigen Temperaturbereich eingesetzt
werden. Auf diese Tatsache weist übrigens neben der formellen Gestaltung auch der
synthetische Überzug der umhüllenden Schale hin.
[0009] Aus den aus der DE-B-3 011 011 erkennbaren Elementen können maßbegrenzte, hinsichtlich
der Wärmeübergabe günstige Kanäle mit gleichwertigen Durchmessern ausgestaltet werden.
Die Kanäle, durch welche die an dem Wärmeaustausch teilnehmenden Medien hindurchströmen,
werden durch die Bündelung von eine höchstpräzise Bearbeitung beanspruchenden profilierten
Elementen ausgebildet. Der aus den in der Beschreibung spezifizierten Elementen zusammengebaute
Wärmetauscher ist ausschließlich zum Wärmeaustausch zwischen solchen Medien geeignet,
bei denen der Unterschied zwischen den Temperaturen gering ist; die thermischen Spannungen
dürfen keinesfalls zur Deformation der mit höchster Präzision bearbeiteten Elementen
führen und auch die sich daraus ergebende Undichtigkeit muß vermieden werden. Die
Anlage kann unter den Temperaturverhältnissen des Rauchgases und der Brennluft nicht
Verwendung finden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Problem der Zufuhr
bzw. der Abfuhr der Medlen überhaupt nicht gelöst wird.
[0010] Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt einen Wärmeaustauscher zu schaffen, der aus
Fertigbautellen In Kreisform aufgebaut werden kann, bei dem die in dem Einheitsvolumen
unterbringbare Heizfläche die größtmögliche Ist und der prinzipiell für jedwelche
Paarung von Medien geeignet und verwendbar Ist.
[0011] Demnach bezieht sich die Erfindung auf einen aus Fertigbauteilen zusammengebauten
zylindrischen Wärmetauscher, Insbesondere auf einen in beliebiger Länge zusammenbaubaren
Schornsteinrekupator, der U-förmige, den Innenstrom gewährleistende Wärmeaustauschtaschen
oder Hohlrippen, einen EIntrIttskanal bzw. einen Austrittskanal und/oder einen durch
den Verbund mit dem Mantelblech ausgestalteten inneren umhüllenden Zylindermantel,
einen rings des inneren umhüllenden Zylindermantels angeordneten zylindrischen Außenmantel,
zwischen dem Inneren umhüllenden Zylindermantel und dem zylindrischen Außenmantel
wenigstens zwei Durchflußräume und die Durchflußräume voneinander trennende ringförmige
Trennwände aufweist; werden nun die Durchftußräume in Reihe und/oder parallel geschaltet,
sind in Abhängigkeit von der Schaltung wenigstens eine kreisförmige und/oder ringförmige
Eintrittsöffnung bzw. Austrittsöffnung vorhanden; in dem von den Innenenden der Wärmeaustauschtaschen
bestimmten Totraum der Wärmeübergabe ist wenigstens ein die Strömung dort verhinderndes
Lenkelement angeordnet.
[0012] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Figur 1 die Seitenansicht und den Halbschnitt eines parallelgeschalteten Wärmetauschers,
Figur 2 die Draufsicht der Wärmeaustauschereinheit aus Fig. 1
Figur 3 einen in Reihe geschalteten Wärmetauscher, teilweise aufgebrochen zur Darstellung
der Schaltung der Durchflußräume,
Figur 4 die Verbindung der Eintritts- bzw. Austrittskanäle bei einer zweireihigen
parallelen Schaltung,
Figur 5 einen über einen ringförmigen Austrittskanal und Eintrittskanal verfügenden
Wärmetauscher, teilweise aufgebrochen dargestellt, und
Figur 6 einen über eine untere ringförmige Eintrittsöffnung verfügenden Wärmetauscher,
teilweise aufgebrochen dargestellt.
[0013] In dem zylindrischen Wärmetauscher sind in einer, zwei oder mehreren Reihen übereinander
die Wärmeaustauschtaschen 1 radial im Kreis angeordnet, die gepreßt und zweckmäßig
aus zwei Hälften zusammengeschweißt sind, welche entsprechend Fig. 2 in geringem Abstand
voneinander parallel zueinander verlaufen, und die in ihrem Inneren eine entsprechend
der gestrichelten Pfeile in Fig. 1 U-förmig in vertikaler Ebene verlaufende Durchströmung
gewährleisten. Die Wärmeaustauschtaschen 1 sind entsprechend Fig. 2 in Axialebenen
in Umfangsrichtung des Wärmetauschers im Abstand voneinander angeordnet, so daß zwischen
ihnen Strömungsräume für das den Wärmetauscher entsprechend Fig. 1 axial durchströmende
wärmeabgebende Medium vorhanden sind. Um den Zufluß bzw. den Austritt des Mediums
sicherstellen zu können, sind die Wärmeaustauschtaschen 1 jeweils mit einem Fintrittskanal
2 und einem Austrittskanal 3 versehen, die sich radial nach außen trichterförmig erweitern
und die über ein gestrecktes Sechskantprofil verfügen, dessen größtes Breitenmaß jenes
der Wärmeaustauschtaschen 1 weitgehend übertrifft; die Kanäle sind so ausgebildet,
daß das strömende Medium einem möglichst geringen Widerstand ausgesetzt ist.
[0014] Bei einem zweireihigen Wärmetauscher sind die Wände der Eintrittskanäle 2 und Austrittskanäle
3 teilweise miteinander verbunden, teilweise schließen sie sich an die Mantelbleche
4 an, wodurch ein umhüllender Zylindermantel 5 entsteht, der auf diese Weise In Richtung
der Mittellinie der WärmetauschereinheIt eine zylinderförmige Endfläche bildet.
[0015] Selbstverständlich kann die Wärmetauschereinheit auch so ausgestaltet werden, daß
die Wärmetauschtaschen nur In einer einzigen Reihe angeordnet sind, wodurch der umhüllende
Zylindermantel 5 durch den Anschluß der Wände der EIntrIttskanäle 2 und der Austrittskanäle
3 an die Mantelbleche 4 ausgestaltet wird.
[0016] Der in dieser Weise ausgestaltete "Einsatz" wird mit einem zylindrischen Außenmantel
6 umschlossen, der radial Im Abstand von dem umhüllenden Zylindermantel 5 angeordnet
Ist, wonach zwischen dem umhüllenden inneren Zylindermantel 5 und dem zylindrischen
Außenmantel 6 ringscheibenförmige Trennwände 7 angeordnet werden, die in Radialebenen
liegen, wodurch ringförmige Durchflußräume 8 entstehen.
[0017] Durch die gegenseitige VerbIndung der Durchflußräume 8 kann ein parallelgeschalteter
Wärmetauscher (Figur 1) oder ein in Reihe geschalteter Wärmetauscher (Figur 3) ausgestaltet
werden; mit in mehr als zwei Reihen angeordneten Wärmeaustauschtaschen 1 kann auch
eine kombinierte Schaltung ausgestaltet werden. Die zweckdienlichen veränderlichen
Schaltungsmöglichkeiten erlauben ein einen weiten Kreis umfassendes Anwendungsgebiet.
In Abhängigkeit von der Schaltung der Durchflußräume 8 werden die Eintrittsöffnungen
9 und die Austrittsöffnungen 10 unterschiedlich angeordnet.
[0018] Bei der Parallelschaltung nach Fig. 1 sind zwei Eintrittsöffnungen und eine Austrittsöffnung
10 vorhanden, und zwar in mit einen am häufigsten verwendeten Reduktor 11 versehener,
geflanschter Ausführung.
[0019] Bei der Reihenschaltung nach Fig. 3 sind eine Eintrittsöffnung 9 und eine Austrittsöffnung
10 vorgesehen.
[0020] Wie es aus Fig. 2 wohl ersichtlich ist, liegen die radial inneren Enden der Wärmeaustauschtaschen
1 an einem Zylindermantel und begrenzen einen Totraum 12 der Wärmeübergabe. Um einen
an der Wärmeausnutzung nicht teilnehmenden Mediumstrom vermeiden zu können, wird in
dem Totraum 12 der Wärmeübergabe ein die Strömung 13 verhinderndes, zylindrisch geformtes,
oder aus mehreren Stücken zusammengesetztes kreis-oder kegelförmiges etc. Lenkelement
angeordnet.
[0021] Die Eintrittsöffnungen 9 und die Austrittsöffnungen 10 können auch eine andere Form
aufweisen.
[0022] In Figur 5 ist ein Wärmetauscher dargestellt, bei dem die Eintrittsöffnung 9 und
die Austrittsöffnung 10 zweckmäßig entlang des ganzen Umfangs des zylindrischen Außenmantels
6 ringförmig ausgestaltet sind, z.B. durch Perforieren des zylindrischen Außenmantels
6.
[0023] Figur 6 stellt einen Wärmetauscher dar, bei dem die Austrittsöffnung 10 in der traditionellen
Kreisform ausgestaltet ist, während die Eintrittsöffnung 9 an dem "Bodenteil" des
Wärmetauschers in Ringform rings desselben ausgebildet ist. Durch den einander folgenden
Einbau der Wärmetauscher in den Schornstein erhalten wir einen im Gegenstrom oder
Gleichstrom arbeitenden Rekuperator mit entsprechender Wärmeausnützung; bei aus Blech
gefertigten Schornsteinen kann die Konstruktion auch einen Teil des Schornsteinkörpers
bilden.