Wärmeübertrager für brennstoffbeheizte Wassererhitzer

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für brennstoffbeheizte Wassererhitzer mit wasserführenden Rohren, die mindestens zwei übereinander angeordnete Reihen bilden, und mindestens einem von den Rohren durchsetzten Paket aus Lamellen, die zwischen sich Spalte zum Durchtritt der Verbrennungsgase bilden und sich über ihre Schmalseiten vertikal nach oben hin verjüngen. Die Schmalseiten der Lamellen sind zu der Innenwand des Wassererhitzers annähernd abstandsfrei angeordnet, während die Breitseiten der Lamellen die Einlass- bzw. Auslass-Länge der Spalte definieren.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für brennstoffbeheizte Wassererhitzer und Zentralheizthermen mit wasserführenden Rohren, die mindestens zwei übereinander angeordnete Reihen bilden, und mindestens einem von den Rohren durchsetzten Paket aus Lamellen, die zwischen sich Spalte zum Durchtritt der Verbrennungsgase bilden und sich über ihre Schmalseiten vertikal nach oben hin verjüngen.

Stand der Technik

[0002] Bei herkömmlichen Wärmeübertragern der eingangs genannten Art, wie sie z.B. in der AT 403 209 B beschrieben sind, erfolgt die Optimierung der Wärmeübertragung durch unterschiedliche Form und Größe der Lamellenpartien, die sich auf der vom Brenner abgekehrten Seite des Lamellenwärmetauschers befinden. Wegen dem konstanten Strömungsquerschnitt im Bereich des Wärmetauschers kommt es durch Abkühlung zur Verringerung der Geschwindigkeit der Gase, was zur Herabsetzung der Wärmeübertragung führt und somit unerwünscht ist.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmeübertrager ohne unangemessenen konstruktiven Aufwand so weiter zu bilden, dass sein Wirkungsgrad merklich erhöht wird.

Vorteil der Erfindung

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

[0005] Demnach ist die Erfindung jedenfalls dann verwirklicht, wenn es sich um einen Wärmeübertrager handelt, der zum einen mit der Innenwand des Wassererhitzers abstandsfrei angeordnet ist, so dass die den Gasen entzogende Wärme nicht nur in die Rohre, sondern auch direkt in die Wand weitergeleitet wird, und zum anderen so ausgebildet ist, dass der Strömungsquerschnitt des Wärmeübertrager-Einlasses größer ist als der Strömungsquerschnitt der Wärmeübertrager-Auslasses, was zur Folge hat, dass der durch Abkühlen der Abgase entstehende Abfall der Geschwindigkeit der Gase beim Durchströmen des Wärmeübertragers teilweise kompensiert wird. Durch die Einbeziehung der Brennkammerwände zur Wärmeübertragung wird zudem eine maximale Kompaktheit des Wassererhitzers erreicht. Obwohl der Kompaktheit von Lamellen-Wärmeübertragern aufgrund der Forderung nach niedrigen CO-Emmissionen und hohen Wirkungsgraden Grenzen gesetzt werden. Eine Verringerung des Lamellenabstandes oder des Lamellenrohrabstandes ist sowohl aus thermodynamischer Sicht als auch aus Gründen eines zu geringen freien Abgasquerschnittes nicht sinnvoll. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Integration eines kompakten Wärmeübertragers in eine gekühlte Brennkammer erreicht, sowie eine Reduzierung des Bauvolumens von Gasheizgeräten und Gaswarmwasserbereitern. Schließlich ist auch von Bedeutung, dass die niedrigen CO-Emmissionen sowie ein hoher Wirkungsgrad beibehalten werden.

[0006] Um die Stabilität der Wassererhitzer bei parallel zueinander und waagerecht verlaufenden Rohren sowie senkrecht zu den Rohren verlaufenden Lamellen zu optimieren, ist vorgesehen, dass die Schmalseiten der Lamellen mit der Innenwand über ihre ganze Länge verbunden sind. Im Rahmen dieses Erfindungsgedankens ist besonders zweckmäßig, wenn die Schmalseiten der Lamellen der Kontur der Innenwand angepasst und mit diesen schlüssig verbindbar sind.

[0007] Die Wärmeübertragung von den Gasen auf die Lamellen und von dort aus in die Rohre des Wassererhitzers kann ferner so verbessert werden, dass die Breitseiten der Lamellen geradlinig oder wellen- bzw. bogenförmig ausgebildet sind. Die nicht geradelinige Ausführungsform der Breitseiten der Lamellen hat zur Folge, dass das Verbrennungsgas beim Durchströmen der Wärmespalte gleichmäßig abgekühlt wird, was zur Veringerung des abgasseitigen Druckverlustes führt.

[0008] Durch die Verwendung von Rohren, deren Querschnitt vorzugsweise oval oder elliptisch ist, wird erreicht, dass bei besserer Durchströmung des Wärmeübertragers der Entzug der Wärme aus den Gasen bei geringem Druckverlust erfolgend kann.

[0009] Die Erfindung betrifft auch einen brennstoffbeheizten Wassererhitzer, bei dem der erfindungsgemäße Wärmeübertrager eingesetzt wird.

Zeichnungen

[0010] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen Teil eines Wassererhitzers im vertikalen Querschnitt,

Fig. 2

einen Teil eines anderen Wassererhitzers in Stirnansicht,

Fig. 3

eine Lamelle mit kreisrunden Rohren,

Fig. 4

eine Lamelle mit ovalen Rohren und

Fig. 5

eine Lamelle, deren Breitseiten bogenförmig ausgebildet sind.

Ausführungsbeispiel

[0011] In den Fig. 1 und 2 ist ein Wärmeübertrager 8 für brennstoffbeheizte Wassererhitzer 10 mit wasserführenden Rohren 12, 14, die zwei übereinander angeordnete Reihen 18, 20 bilden, und mindestens einem von den Rohren 12, 14 durchsetzten Paket aus Lamellen 22, 24, die zwischen sich Spalte 26, 28 zum Durchtritt der Verbrennungsgase bilden und sich über ihre Schmalseiten 30, 32 vertikal nach oben hin verjüngen, dargestellt. Die Schmalseiten 30, 32; 30', 32' der Lamellen 22, 22' sind zu der Innenwand 1 des Wassererhitzers 10 spaltfrei angeorndet, während die Breitseiten 36, 38 der Lamellen 22, 22' die Einlass- bzw. Auslasslänge der Spalte 26, 28 definieren. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen Wärmeübertrager mit parallel zueinander und waagerecht verlaufenden Rohren 12, 14 sowie senkrechte zu den Rohren verlaufenden Lamellen 22, 24, die so ausgebildet sind, dass ihre Schmalseiten 30, 32; 30', 32' mit der Innenwand 1 über ihre ganze Länge spaltfrei angeordnet sind. Eine ganzflächige Verbindung zwischen den Lamellen und der Innenseite wird dadurch erreicht, dass die Schmalseiten 30, 32; 30', 32' der Lamellen 22, 22' der Kontur der Innenwand 1 angepasst und mit dieser formschlüssig verbindbar sind. Die Lamellen passen sich der Form der Seitenwände an, um grosse Spalte und damit thermische Verluste zu vermeiden. In einer Ausführung der Erfindung können die Lamellen wärmeleitend verbunden sein.

[0012] Die Fig. 3, 4 und 5 lassen erkennen, dass die Breitseiten 36, 38; 36', 38' der Lamellen 22, 22' geradlinig oder wellen- bzw. bogenförmig ausgebildet sein können. Die Lamellen 22, 24; 22' erstrecken sich über die ganze Höhe des Paketes und sind von allen Rohren 12, 14 durchsetzt. Dabei kann der Querschnitt der Rohre 12, 14; 12', 14' kreisrund oder oval (Fig. 1 und 4) sein. Die Fig. 1 und 2 lassen ferner erkennen, dass die Wand 4 im oberen Bereich nach innen zu abgebogen ist, so dass die abgebogenen Schenkel 13, 15 mit den Schmalseiten 30, 32; 30', 32' ganzflächig in Kontakt stehen. Durch diese Einstellung wird erreicht, dass die Ausströmgeschwindigkeit der Abgase beim Verlassen des Wärmeübertragers 8 gegenüber Ausführung mit senkrechten Seitenwänden erhöht ist. Die höchste Geschwindigkeit der Abgase, die den Brenner 2 verlassen und im Innenraum 3 expandieren, wird im unteren Bereich der Breitseite 38 erreicht. Die Brennkammer besteht regelmäßig aus einer dünnen, gut wärmeleitenden Wand 4 aus Kupfer und mit der Wand verlöteten äußeren Rohrschlangen 7, 9, die ebenfalls aus Kupfer bestehen können und die sich um die gesamte Brennkammer winden. Die thermischen Verluste über die Brennkammerwand 4 werden damit gering gehalten. Die zur Kühlung des Wärmeübertragers vorgesehene Flüssigkeit, regelmäßig Wasser, wird dem System durch die Leitung 6 zugeführt, während das erhitzte Wasser das System durch die Leitung 5 verlässt.

[0013] Der vorgeschlagene Wärmeübertrager besteht allgemein aus versetzt angeordneten, mehrlagigen ovalen oder elliptischen Lamellenrohren, den entsprechend geformte Lamellen und einer gekühlten Brennkammer, die sich zur Optimierung von Strömung und Wärmeübertragung verjüngt.

[0014] Der niedrige abgasseitige Druckverlust wird durch die versetzte Anordnung der Lamellenrohre sowie durch den Einsatz von elliptischen oder ovalen Rohrprofilen erzielt. Der mögliche Druckverlust kann jedoch auch durch strömungslenkende Ausstellungen oder Prägungen erzielt werden.

[0015] Die Brennkammer, umwickelt mit Rohrschlangen aus ebenfalls gut wärmeleitendem Material, nimmt bereits einen Teil der zu übertragenden Heizleistung auf. Der Lamellenwärmeübertrager kann gegenüber ungekühlten Brennkammern entsprechend kleiner ausfallen.

Ansprüche

1. Wärmeübertrager (8) für brennstoffbeheizte Wassererhitzer und Zentralheizthermen (10) mit wasserführenden Rohren (12, 14), die mindestens zwei übereinander angeordnete Reihen (18, 20) bilden, und mindestens einem von den Rohren (12, 14) durchsetztem Paket aus Lamellen (22, 24), die zwischen sich Spalte (26, 28) zum Durchtritt der Verbrennungsgase bilden und sich über ihre Schmalseiten (30, 32) vertikal nach oben hin verjüngen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmalseiten (30, 32; 30', 32') der Lamellen (22, 22') zu der Innenwand (1) des Wassererhitzers (10) annähernd abstandsfrei angeordnet sind, während die Breitseiten (36, 38) der Lamellen (22, 22') die Einlass- bzw. Auslass-Länge der Spalte (26, 28) definieren.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 mit parallel zueinander und waagerecht verlaufenden Rohren sowie senkrecht zu den Rohren sich erstrekkenden Lamellen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmalseiten (30, 32; 30', 32') der Lamellen (22, 22') zu der Innenwand (1 ) über ihre ganze Länge abstandsfrei angeordent sind.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmalseiten (30, 32, 30', 32') der Lamellen (22, 22') der Kontur der Innenwand (1) angepasst und mit dieser formschlüssig verbindbar sind.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnt,
dass die Breitseiten (36, 38; 36', 38') der Lamellen (22, 22') geradlinig oder wellen- bzw. bogenförmig ausgebildet sind.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lamellen (22, 24, 22') sich über die ganze Höhe des Paketes erstrecken und von allen Rohren (12, 14) durchsetzt sind.

6. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Querschnitt der Rohre (12, 14, 12', 14') oval oder elliptisch ist.

7. Brennstoffbeheizter Wassererhitzer,
gekennzeichnet durch
einen Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Zeichnung