Wärmetauscher, insbesondere für Heizungsanlagen

Abstract

 Wärmetauscher insbesondere für Heizungsanlagen, der aus einem insbesondere zylindrischen Gehäuse (2) und einer in dem Gehäuse verlegten wendelförmigen Rohrleitung (3) besteht. Diese Rohrleitung (3) ist als Wellschlauch ausgebildet und zur Optimierung der Wärmeübertragungseigenschaft weist die Leitung in verschiedenen Bereichen des Wärmetauschers unterschiedlich ausgeprägte Schlauch- und/oder Wellengeometrien auf.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Heizungsanlagen, bestehend aus einem insbesondere zylindrischen Gehäuse und einer in dem Gehäuse verlegten Rohrleitung, wobei die Rohrleitung aus einem Wellschlauch aufgebaut ist.

[0002] 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- oder Wellschlauchwendel. Im oberen Bereich des Gehäuses ist bei dieser Bauform der Brenner innerhalb der Wellschlauchwendel 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 Wellschlauchwendel 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.

[0003] Während eine Wellschlauchwendel wegen der vergrößerten Wärmeübertragungsoberfläche und somit verbesserten Tauscherleistung zu bevorzugen ist, liegt der Vorteil einer Glattrohrwendel wegen der verbesserten Strömungsverhältnisse in einem besseren Stoffaustausch und Wärmetransport. Gleichzeitig heißt dies aber auch, dass insbesondere bei enggewellten Wellschlauchwendeln hohe Temperaturen wegen des schlechten Wärmetransports lokale Überhitzungen der Leitung und die Bildung von unerwünschten Dampfblasen hervorrufen können, während Glattrohrwendel verglichen mit Wellschlauchwendeln einen ungünstigeren Wirkungsgrad aufweisen. Schließlich ist noch zu berücksichtigen, dass enggewellte Schlauchleitungen in den strömungsärmeren Bereichen Kalkablagerungen begünstigen.

[0004] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art mit verbesserten Gebrauchseigenschaften wie Tauscherleistung, Störanfälligkeit etc. zur Verfügung zu stellen.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rohrleitung zur Optimierung der Wärmeübertragungseigenschaften in verschiedenen Bereichen des Wärmetauschergehäuses Leitungsabschnitte mit unterschiedlich ausgeprägten und an die in den jeweiligen Bereichen vorherrschenden Verhältnisse angepassten Bauformen aufweist, wobei hier insbesondere unterschiedliche Schlauch- und/oder Wellengeometrien oder auch unterschiedliche Materialien in Frage kommen. 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.

[0006] Für den erwähnten, aber nicht schutzbeschränkend gemeinten Anwendungsfall eines Wärmetauschers für Heizungsanlagen heißt dies demnach insbesondere, 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.

[0007] 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 Kärmänschen 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.

[0008] 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.

[0009] Bevorzugterweise ist - wie schon beim beschriebenen Stand der Technik - die Rohrleitung als Wendel ausgebildet und so wendelförmig im Wärmetauschergehäuse verlegt.

[0010] 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.

[0011] Wie vorstehend bereits erwähnt, lässt sich die vorliegende Erfindung nicht nur bei den beispielhaft angeführten 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] Während sich die vorliegende Erfindung insbesondere anwenden lässt für Wärmetauscher mit integrierter Wellschlauchwendel und somit herkömmliche Bauformen mit Glattrohr- oder Wellschlauchwendel 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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 Wellschiauchwendel 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.

[0022] 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.

[0023] 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 Schlauchund/oder Wellengeometrie versehen wird.

[0024] 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.

Ansprüche

1. Wärmetauscher, insbesondere für Heizungsanlagen, bestehend aus einem insbesondere zylindrischen Gehäuse (2) und einer in dem Gehäuse verlegten Rohrleitung (3), wobei die Rohrleitung als Wellschlauch ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung (3) zur Optimierung der Gebrauchs- und/oder Wärmeübertragungseigenschaften in verschiedenen Bereichen (A, B) innerhalb des Wärmetauschergehäuses (2) Leitungsabschnitte (3a, 3b) mit unterschiedlich ausgeprägten und an die in den jeweiligen Bereichen vorherrschenden Verhältnisse angepassten Bauformen aufweist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen Bauformen unterschiedliche Schlauch- und/oder Wellengeometrien und/oder Materialien aufweisen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung (3) als Wendel ausgebildet ist.

4. 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.

5. Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmetauschergehäuse (2) in vertikaler Orientierung mit vertikaler Zylinderachse vorgesehen ist, und dass der Wärmetauscher (1) zumindest zwei übereinander angeordnete Bereiche (A, B) mit verschiedenen Wärmeübertragungsverhältnissen aufweist.

6. Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei übereinander angeordneten Bereiche (A, B) aus einem Heißbereich (A) mit Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion und Strahlung und einem Kondensationsbereich (B) mit Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion und Kondensation bestehen.

7. Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 6 und Anspruch 3,
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.

8. Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Leitungsabschnitte (3a, 3b) mit unterschiedlichen Wellengeometrien einstückig miteinander verbunden sind und ineinander übergehen.

9. Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Leitungsabschnitte (3 a, 3 b) mit unterschiedlichen Wellengeometrien jeweils verschiedenen Wellschläuchen zugeordnet sind, und
dass die zumindest zwei Wellschläuche durch Fügen zu der wendelförmigen Rohrleitung verbunden sind.

10. Wärmetauscher nachzumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung zumindest zwei Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen Schlauchgeometrien wie insbesondere unterschiedlichen Innendurchmessern und/oder Wanddicken aufweist.

11. Wärmetauscher nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung zumindest zwei aus unterschiedlichen Materialien hergestellte Leitungsabschnitte aufweist.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohrleitung zumindest zwei Leitungsabschnitte mit unterschiedlicher Wellenhöhe aufweist.

Zeichnung