Wärmeaustauscher

Abstract

 Der Wärmeaustauscher (WAT) weist in wendelförmiger Konfiguration ein in ein Gehäuse (1) eingegliedertes beripptes Rohr (2) auf. Das Rohr (2) ist in einen Primärabschnitt (3) mit horizontaler Mittelachse (10) und in einen Sekundärabschnitt (4) mit vertikaler Mittelachse (12) gegliedert. Im Primärabschnitt (3) ist ein Gasbrenner (13) vorgesehen, während im Sekundärabschnitt (4) das Rohr (2) in einem Kanal (15) liegt, der durch einen zentralen Verdrängungskörper (18) und dem Gehäuse (1) gebildet ist. Sowohl im Primärabschnitt (3) als auch im Sekundärabschnitt (4) wird durch eine gezielte Abkantung von segmentartigen Umfangsbereichen (21, 24, 27, 30) der Rippen (20) eine verbesserte Führung der Verbrennungsgase um das Rohr (2) erreicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Ein derartiger Wärmeaustauscher zählt durch die "Installations- und Bedienungsanleitung Energy Mini Nox" der Cooperative Inkoopvereniging "Coopra-Rotterdam" N.V., Haringvliet 72, NL-3011 TG Rotterdam, 10/98-1, S. 6 zum Stand der Technik. Er dient zur Bereitstellung von Warmwasser. Dieser Wärmeaustauscher weist ein in wendelförmiger Konfiguration in ein Gehäuse eingegliedertes Rohr mit einzelnen Querrippen auf, das mit seinem oberen Ende an eine Kaltwasserzufuhr und mit dem unteren Ende an einen Verbraucher für Warmwasser angeschlossen ist. Das gewendelte Rohr weist über seine gesamte Höhe einen identischen Durchmesser auf. In das Rohr ist im unteren Höhenbereich ein zylindrischer Verdrängungskörper eingegliedert, an den sich nach oben ein Gasbrenner anschließt. Durch die äußere Form des Verdrängungskörpers und die innere Oberfläche des Gehäuses wird im unteren Höhenbereich ein Kanal mit ringförmigem Querschnitt gebildet, an den eine Kondensatableitung in Form einer Wanne angeschlossen ist. Die Austrittsdüsen des Gasbrenners sind radial gerichtet und liegen im Abstand zu dem oberen Höhenbereich des Rohrs.

[0003] Das das Rohr, den Verdrängungskörper und den Gasbrenner aufnehmende Gehäuse ist mit weiteren Regel- und Steuerelementen in einen Kasten integriert, der insbesondere im Haushalt an einer Wand befestigt wird.

[0004] Im Hinblick auf den Sachverhalt, daß der Kasten zumeist vergleichsweise hoch aufgehängt wird, ist der Zugang zum Gasbrenner für Wartungs- und Reparaturarbeiten relativ kompliziert. Es muß nicht nur die Verkleidung des Kastens geöffnet, sondern in der Regel der gesamte Kasten von der Wand abgenommen werden, um von oben an den Gasbrenner gelangen zu können. Der hiermit verbundene Aufwand ist somit hoch.

[0005] Des weiteren ist zu der bekannten Bauart zu bemerken, daß die Gasdruckverhältnisse im Wärmeaustauscher hinsichtlich des den Gasbrenner aufnehmenden Primärabschnitts in Relation zu dem den Verdrängungskörper aufnehmenden Sekundärabschnitt nicht einwandfrei definiert werden können. Eine saubere Trennung der Heißgasausnutzung im Primärabschnitt von der Kondensation im Sekundärabschnitt ist nicht möglich. Dadurch wird der Gasbrenner ungleichmäßig belastet. Letztlich führt die bekannte Anordnung zu verschlechterten Wärmeaustauschbedingungen.

[0006] Der Erfindung liegt - ausgehend vom Stand der Technik - die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher, insbesondere zur Warmwasserbereitung im Haushalt, bereit zu stellen, der wartungsfreundlicher ist und bei welchem die Wärmeaustauschbedingungen erheblich verbessert sind.

[0007] Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

[0008] Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, daß nunmehr das gewendelte Rohr in zwei fluidtechnisch miteinander verbundene Längenabschnitte gegliedert ist, von denen ein Primärabschnitt eine horizontale Mittelachse besitzt und den Gasbrenner mit Abstand umschließt, während der den Verdrängungskörper umschließende Sekundärabschnitt des Rohrs eine vertikale Mittelachse aufweist.

[0009] Durch diese Anordnung der Längenabschnitte des Rohrs wird die Voraussetzung dafür geschaffen, daß der Gasbrenner ohne weiteres von der Frontseite her zugänglich ist, so daß nach Abnahme mindestens von Teilen der Kastenverkleidung der Monteur keine Probleme hat, Reparatur- und Wartungsarbeiten am Gasbrenner durchführen zu können. Eine Abnahme des Kastens von der Wand ist nicht mehr erforderlich.

[0010] Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß durch die eindeutige Trennung der Heißgasausnutzung im Primärabschnitt mit horizontaler Mittelachse und der Kondensierung im Sekundärabschnitt mit vertikaler Mittelachse der Gasbrenner einer gleichmäßigen Belastung unterworfen ist, was die Wärmeaustauschverhältnisse wesentlich verbessert.

[0011] Ferner wird durch diese Anordnung gewährleistet, daß im Primärabschnitt des Wärmeaustauschers die Verbrennungsgase so stark abgekühlt werden, daß eine besondere Isolierung des Gehäuses entfallen kann. Hierdurch wird der Aufwand weiter verringert.

[0012] Im Sekundärabschnitt mit senkrechter Mittelachse werden die Verbrennungsgase dann so weit abgekühlt, daß bei Rücklauftemperaturen unter dem Taupunkt des Verbrennungsgases Kondensat entsteht, das am unteren Ende des Sekundärabschnitts abgeleitet wird.

[0013] Im Primärabschnitt kann das Rohr unberippt sein. Der Sekundärabschnitt des Rohrs ist jedoch berippt. Hier sind dann in erfindungsgemäßer Ausgestaltung zwei in Richtung zur Kondensatableitung weisende segmentartige Umfangsbereiche jeder Rippe entlang zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases schräg verlaufender Knicklinien zueinander V-förmig um etwa 90° aus der Rippenebene abgekantet. Dadurch wird zwischen diesen Umfangsbereichen ein Spalt gebildet. Mit dieser Gestaltung der Rippen wird ein gezieltes enges Umströmen des Rohrs durch die Verbrennungsgase erreicht, wobei die hierdurch hervor gerufene höhere Strömungsgeschwindigkeit die bei der Kondensation entstehenden Tröpfchen mitreißt und in die Kondensatableitung überführt. Die Wärmeübertragungsleistung wird noch weiter verbessert.

[0014] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht gemäß Patentanspruch 2 vor, daß zwei in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases neben dem Rohr diametral einander gegenüber liegende segmentartige Umfangsbereiche jeder Rippe des im Kanal liegenden Sekundärabschnitts des Rohrs entlang zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien um 90° aus der Rippenebene abgekantet und zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rippen aufeinander folgenden abgekanteten Umfangsbereichen Spalte vorgesehen sind. Auf diese Weise wird die Strömungsführung der Verbrennungsgase im Ringkanal umfangsseitig des Verbrennungskörpers noch weiter verbessert, das heißt, zusammen mit den V-förmig abgekanteten Umfangsbereichen wird dafür Sorge getragen, daß die Verbrennungsgase eng an das Rohr heran gebracht werden, um die Wärmeaustauschbedingungen noch weiter zu verbessern.

[0015] Entsprechend den Merkmalen im Patentanspruch 3 kann aber auch der von dem Gasbrenner durchsetzte Primärabschnitt des Rohrs mit im parallelen Abstand zueinander angeordneten, im Ausgangszustand runden Rippen bestückt sein. Hierbei sind dann in vorteilhafter Weise ebenfalls zwei in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases vorne liegende Umfangsbereiche jeder Rippe entlang zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases schräg verlaufender Knicklinien zueinander V-förmig um etwa 90° aus der Rippenebene abgekantet, so daß zwischen den Umfangsbereichen ein Spalt gebildet wird. Diese Form bedeutet ebenfalls wieder eine enge Heranführung der Verbrennungsgase an das Rohr im Primärabschnitt im Hinblick auf eine intensive Erwärmung des Wassers im Rohr.

[0016] In Anlehnung an die Ausbildung der Rippen im Sekundärabschnitt ist es gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4 möglich, daß in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases neben dem Rohr im vom Gasbrenner durchsetzten Primärabschnitt liegende segmentartige Umfangsbereiche jeder Rippe entlang zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien um 90° zur Rippenebene abgekantet und zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rippe aufeinander folgenden Umfangsbereichen Spalte vorgesehen sind. Hierdurch werden die Wärmeaustauschbedingungen ebenfalls noch weiter verbessert.

[0017] Die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers wird dann noch erhöht, wenn nach Patentanspruch 5 das Rohr und die Rippen aus einem gegen das Verbrennungsgas und dessen Kondensat beständigen Werkstoff bestehen. Je nach Einsatzfall kann dieser Werkstoff insbesondere Aluminium oder Edelstahl sein. Aber auch andere Werkstoffe, selbst in Kombination, sind im Einzelfall denkbar.

[0018] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

im schematischen vertikalen Längsschnitt einen Wärmeaustauscher für einen Warmwasserbereiter;

Figur 2

in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt II der Figur 1;

Figur 3

ebenfalls in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt III der Figur 1;

Figur 4

in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht auf einen Längenabschnitt eines wendelförmigen Rohrs gemäß dem Pfeil IV der Figur 1 und

Figur 5

eine Draufsicht auf die Darstellung der Figur 4 gemäß dem Pfeil V.

[0019] Mit 1 ist in der Figur 1 ein Gehäuse eines Wärmeaustauschers WAT bezeichnet, das neben nicht näher dargestellten Steuer- und Regeleinheiten in einen ebenfalls nicht näher dargestellten Kasten integriert ist, der insgesamt als Warmwasserbereiter in einem Haushalt an einer Wand aufgehängt werden kann.

[0020] In das Gehäuse 1 ist ein gewendeltes Rohr 2 eingegliedert, das sich aus zwei Längenabschnitten 3, 4 zusammensetzt. Das eine Ende 5 des Rohrs 2 ist an eine nur schematisch veranschaulichte Kaltwasserzufuhr 6 und das andere Ende 7 an einen ebenfalls nur schematisch veranschaulichten Verbraucher 8 für Warmwasser angeschlossen.

[0021] Der im oberen Höhenbereich 9 des Gehäuses 1 liegende Primärabschnitt 3 des Rohrs 2 weist eine horizontale Mittelachse 10 und der im unteren Höhenbereich 11 liegende Sekundärabschnitt 4 eine vertikale Mittelachse 12 auf.

[0022] In den Primärabschnitt 3 ist ein Gasbrenner 13 mit radial gerichteten Austrittsdüsen 14 angeordnet. Die Gaszufuhr ist nicht näher veranschaulicht.

[0023] Der Sekundärabschnitt 4 des Rohrs 2 befindet sich in einem Kanal 15 mit kreisringförmigem Querschnitt, der einerseits durch die innere Oberfläche 16 des Gehäuses 1 und andererseits durch die äußere Oberfläche 17 eines umfangsseitig geschlossenen Verdrängungskörpers 18 gebildet ist. Der Kanal 15 ist in nicht näher dargestellter Weise an eine Kondensatableitung 19 angeschlossen.

[0024] Das Rohr 2 ist sowohl im Primärabschnitt 3 als auch im Sekundärabschnitt 4 mit im Ausgangszustand runden, im Abstand zueinander angeordneten Rippen 20 versehen.

[0025] Wie die Figuren 2, 4 und 5 im einzelnen erkennen lassen, sind bei den Rippen 20 im Sekundärteil 4 zwei in Richtung zur Kondensatableitung 19 weisende segmentartige Umfangsbereiche 21 entlang zur Strömungsrichtung STR des Verbrennungsgases schräg verlaufender Knicklinien 22 zueinander V-förmig um etwa 90° aus der Rippenebene RE abgekantet. Auf diese Weise wird zwischen diesen Umfangsbereichen 21 ein Spalt 23 gebildet. Ferner zeigen die Figuren 2, 4 und 5, daß auch zwei in Strömungsrichtung STR des Verbrennungsgases neben dem Rohr 2 diametral gegenüber liegende segmentartige Umfangsbereiche 24 jeder Rippe 2 des Sekundärabschnitts 4 entlang zur Strömungsrichtung STR des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien 25 um 90° aus der Rippenebene RE abgekantet sind. Dadurch werden zwischen zwei in Umfangsrichtung UR der Rippe 20 aufeinander folgenden abgekanteten Umfangsbereichen 21, 24 Spalte 26 gebildet.

[0026] Die Bildung der abgekanteten Umfangsbereiche 21, 24 führt dazu, daß die Verbrennungsgase im Kanal 15 eng an das Rohr 2 herangeführt werden, so daß die Wärmeübergangsbedingungen erheblich verbessert werden.

[0027] Auch bei den Rippen 20 im Primärabschnitt 3 sind zwei in Strömungsrichtung STR l des Verbrennungsgases jeweils vorne liegende Umfangsbereiche 27 jeder Rippe 20 entlang zur Strömungsrichtung STR l des Verbrennungsgases schräg verlaufender Knicklinien 28 zueinander V-förmig um etwa 90° aus der Rippenebene RE abgekantet (Figuren 1 und 3 sowie in entsprechender Angleichung die Figuren 4 und 5). Zwischen den Umfangsbereichen 27 ist ein Spalt 19 gebildet. Des weiteren zeigen die Figuren 1 und 3 sowie in entsprechender Angleichung die Figuren 4 und 5, daß in Strömungsrichtung STR l des Verbrennungsgases neben dem Rohr 2 im Primärabschnitt 3 liegende segmentartige Umfangsbereiche 30 jeder Rippe 20 entlang zur Strömungsrichtung STR l des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien 31 um 90° zur Rippenebene RE abgekantet sind. Hierdurch und durch die V-förmig abgekanteten Umfangsbereiche 27 werden zwischen zwei in Umfangsrichtung UR aufeinander folgenden Umfangsbereichen 27, 30 Spalte 32 gebildet.

[0028] Die aus den Austrittsdüsen 14 des Gasbrenners 13 tretenden Verbrennungsgase werden mithin exakt radial nach außen gelenkt und dabei eng an das Rohr 2 herangebracht, so daß auch hier die Wärmeaustauschbedingungen deutlich verbessert werden. Anschließend gelangen die Gase entsprechend den Pfeilen 32 in den Kanal 15 und werden auch hier, wie vorstehend geschildert, eng um das Rohr 2 im Sekundärabschnitt geführt.

Bezugszeichenaufstellung

[0029] 

1 -

Gehäuse

2 -

Rohr

3 -

Primärabschnitt v. 2

4 -

Sekundärabschnitt v. 2

5 -

Ende v. 2

6 -

Kaltwasserzufuhr

7 -

Ende v. 2

8 -

Verbraucher

9 -

oberer Höhenbereich v. 1

10 -

Mittelachse v. 3

11 -

unterer Höhenbereich v. 1

12 -

Mittelachse v. 4

13 -

Gasbrenner

14 -

Austrittsdüse v. 13

15 -

Kanal

16 -

innere Oberfläche v. 1

17 -

äußere Oberfläche v. 1

18 -

Verdrängungskörper

19 -

Kondensatableitung

20 -

Rippen

21 -

Umfangsbereiche v. 20

22 -

Knicklinien v. 21

23 -

Spalte zw. 21

24 -

Umfangsbereiche v. 20

25 -

Knicklinien v. 24

26 -

Spalte zw. 21 u. 24

27 -

Umfangsbereiche v. 20

28 -

Knicklinien v. 27

29 -

Spalt zw. 27

30 -

Umfangsbereiche v. 20

31 -

Knicklinien v. 30

32 -

Pfeile

RE -

Rippenebene

STR -

Strömungsrichtung

UR -

Umfangsrichtung v. 20

WAT -

Wärmeaustauscher

Ansprüche

1. Wärmeaustauscher, der ein in wendelförmiger Konfiguration in ein Gehäuse (1) eingegliedertes, mindestens teilweise beripptes Rohr (2) aufweist, das mit einem Ende (5) an eine Kaltwasserzufuhr (6) und mit dem anderen Ende (7) an einen Verbraucher (8) für Warmwasser angeschlossen ist, wobei ein mit radial gerichteten Austrittsdüsen (14) versehener Gasbrenner (13) in einem der Kaltwasserzufuhr (6) benachbarten Primärabschnitt (3) des Rohrs (2) und ein dem Verbraucher (8) benachbarter, eine vertikale Mittelachse (12) aufweisender Sekundärabschnitt (4) des Rohrs (2) in einem durch die innere Oberfläche (16) des Gehäuses (1) und die äußere Oberfläche (17) eines inneren Verdrängungskörpers (18) gebildeten Kanal (15) mit kreisringförmigem Querschnitt und unterer Kondensatableitung (19) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der den Gasbrenner (13) mit Abstand umschließende Primärabschnitt (3) des Rohrs (2) eine horizontale Mittelachse (10) besitzt und der den Kanal (15) durchsetzende Sekundärabschnitt (4) des Rohrs (2) mit parallel zueinander ausgerichteten runden Rippen (20) versehen ist, wobei zwei in Richtung zur Kondensatableitung (19) weisende segmentartige Umfangsbereiche (21) jeder Rippe (20) entlang zur Strömungsrichtung (STR) des Verbrennungsgases schräg verlaufender Knicklinien (22) zueinander V-förmig um etwa 90° aus der Rippenebene (RE) abgekantet sind und zwischen den Umfangsbereichen (21) ein Spalt (23) gebildet ist.

2. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Strömungsrichtung (STR) des Verbrennungsgases neben dem Rohr (2) diametral einander gegenüber liegende segmentartige Umfangsbereiche (24) jeder Rippe (20) des im Kanal (15) liegenden Sekundärabschnitts (4) entlang zur Strömungsrichtung (STR) des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien (25) um 90° aus der Rippenebene (RE) abgekantet und zwischen zwei in Umfangsrichtung (UR) der Rippe (20) aufeinander folgenden abgekanteten Umfangsbereichen (21, 24) Spalte (26) vorgesehen sind.

3. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Gasbrenner (13) durchsetzte Primärabschnitt (3) des Rohrs (2) mit im parallelen Abstand zueinander angeordneten runden Rippen (20) bestückt ist, bei denen zwei in Strömungsrichtung (STR l) des Verbrennungsgases vorne liegende Umfangsbereiche (27) jeder Rippe (20) entlang zur Strömungsrichtung (STR l) des Verbrennungsgases schräg verlaufender Knicklinien (28) zueinander V-förmig um etwa 90° aus der Rippenebene (RE) abgekantet und zwischen den Umfangsbereichen (27) ein Spalt (29) ausgebildet sind.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung (STR l) des Verbrennungsgases neben dem Rohr (2) im vom Gasbrenner (13) durchsetzten Primärabschnitt (3) liegende segmentartige Umfangsbereiche (30) jeder Rippe (20) entlang zur Strömungsrichtung (STR l) des Verbrennungsgases parallel verlaufender Knicklinien (31) um 90° zur Rippenebene (RE) abgekantet und zwischen zwei in Umfangsrichtung (UR) der Rippe (20) aufeinander folgenden Umfangsbereichen (27, 30) Spalte (32) vorgesehen sind.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) und die Rippen (20) aus einem gegen das Verbrennungsgas und dessen Kondensat beständigen Werkstoff bestehen.

Zeichnung