Wärmetauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Heizgerät, für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser, bestehend aus einem einstückigen Körper, welcher im oberen Bereich eine Brennkammer (2) mit Aufnahme für einen Gas- oder Ölbrenner (3) ausbildet, einer davon ausgehenden Heizgasführung (4), welche in einen Abgassammler (5) mit Anschlussstutzen für eine Abgasleitung mündet, sowie mit oberflächenvergrößernden Elementen an den heizgasberührten und/oder wasserberührten Wandbereichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Heizgerät, für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser, zu schaffen, welcher bei möglichst kompakten Abmessungen gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzt, gut zu reinigen, einfach herstellbar und für verschiedene Feuerungsleistungen variabel einsetzbar ist.
Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass der Wärmetauscher im Wesentlichen aus einem extrudierten oder stranggepressten Profil (1) sowie aus einem für Extrusions- oder Strangpressverfahren geeigneten Werkstoff besteht, und dass die für Heizgasführung (4) und Heizwasser vorgesehenen Kanäle (7) sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Profils (1) erstrecken, wobei die Aufnahme für den Brenner (3) auf der einen und der Abgassammler (5) auf derselben oder der anderen Stirnseite liegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Heizgerät, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Gattungsgemäße Wärmetauscher, meistens aus Grauguss oder Aluminium gefertigt, werden bei mit Öl oder Gas befeuerten Heizgeräten für den Wärmeaustausch zwischen den Heizgasen und dem Heizwasser eingesetzt. Hinsichtlich der heizwasserseitigen Strömungsführung unterscheidet man zwischen zwangsdurchströmten und nicht zwangsdurchströmten Wärmetauschern. Bei zwangsdurchströmten Wärmetauschern sorgt eine Umwälzpumpe für einen vorgegebenen Wasservolumenstrom durch die zumeist engen, mäanderförmig angelegten Wasserkanäle. Auf diese Weise sind trotz geringen Wasserinhaltes recht hohe, heizgasseitig eingetragene Wärmestromdichten realisierbar. Bei nicht zwangsdurchströmten Wärmetauschern ist der Heizwasserinhalt deutlich größer, gleichzeitig sind die realisierbaren Wärmestromdichten in der Regel niedriger. Die Wasserführung erfolgt nicht in engen geschlossenen Kanälen, sondern über oberflächenvergrößernde Wärmeleitelemente, beispielsweise in Rippenform, in vergleichsweise groß bemessenen Querschnitten und basiert auf thermischer Konvektion.

[0003] Bei der konstruktiven Auslegung eines solchen Wärmetauschers müssen die Wärmeleistung des Wärmeerzeugers sowie die heizgasseitigen und wasserseitigen Wärmetauscherflächen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Einerseits muss der Wärmestrom der Heizgase bis herab zu einer Auslegungstemperatur auf den Wärmetauscher übertragen werden, andererseits muss der Wärmetauscher denselben Wärmestrom an das umgebende Heizwasser abgeben können. Aus Gründen eines kompakten Aufbaus ist man bestrebt, die für die Wärmeübertragung erforderlichen Wärmetauscherflächen mit Hilfe von oberflächenvergrößernden Elementen, beispielsweise in Rippenform, unterzubringen. Leistungsabstaffelungen werden üblicherweise durch einen Gesamtaufbau eines Heizgerätes aus mehreren Kesselgliedern umgesetzt. Die Kesselglieder werden einzeln gefertigt, mit relativ aufwändig bearbeiteten Schnittstellen versehen und dann zu einem Block zusammengefügt. In der Regel sind Vorder-, Mittel- und Endglieder nötig. Also drei Versionen bzw. Modelle im gießtechnischen Fertigungsprozess.
Es gibt auch einstückig gegossene Wärmetauscher aus Grauguss oder Aluminium, welche bei Heizkesseln für den Wärmeaustausch zwischen den Heizgasen und dem Kesselwasser eingesetzt werden. Sie bestehen aus mindestens einem Wasserkanal mit begrenzenden Wänden, wobei mindestens eine Wand eine heizgasberührte, vorzugsweise mit oberflächenvergrößernden Elementen versehene Wandseite, sowie eine wasserberührte Wandseite aufweist. Allerdings hat die Einstückigkeit den Nachteil, dass die zur Herstellung des Wärmetauscher-Gliedes verwendeten Werkzeuge sowie die Fertigungs- und Betriebsmittel komplex und teuer sind. Auch kann aufgrund der zumeist recht komplexen Geometrie die Reinigbarkeit eines solchen Wärmetauschers unter Umständen nicht ganz einfach sein.

[0004] Die EP 0 287 142 B1 zeigt einen Wärmetauscher für ein zwangsdurchströmtes Heizgerät mit einem serpentinenartig zwischen einem Rücklauf- und einem Vorlaufanschluss verlaufenden Wasserkanal, dessen gerade Teilstücke jeweils benachbart entlang einer Trennwand verlaufen und über eine Umlenkzone miteinander verbunden sind. In Verlängerung der Achse der Trennwand sind Öffnungen in der Kanalwand angebracht. Diese dienen zum Entfernen des Kernsandes nach dem Gießvorgang und werden später mit Stopfen verschlossen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Heizgerät, für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser, zu schaffen, welcher bei möglichst kompakten Abmessungen gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzt, gut zu reinigen, einfach herstellbar und für verschiedene Feuerungsleistungen variabel einsetzbar ist.

[0006] Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0007] Der konstruktive Aufbau des Wärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher im Wesentlichen aus einem extrudierten oder stranggepressten Profil sowie aus einem für Extrusions- oder Strangpressverfahren geeigneten Werkstoff besteht. Dabei erstrecken sich die für Heizgasführung und Heizwasser vorgesehenen Kanäle im Wesentlichen in Längsrichtung des Profils, wobei die Aufnahme für den Brenner auf der einen und der Abgassammler auf derselben oder der anderen Stirnseite liegen. Es kann alternativ dazu an einer Stirnseite sowohl der Brenner, zum Beispiel im oberen Bereich, als auch der Abgassammler, zum Beispiel dann im Bereich darunter, angeordnet sein.

[0008] Über das Ablängen des extrudierten oder stranggepressten Profils lassen sich die Wärmetauscherfläche und entsprechende Leistungsgrößen einfach bestimmen. Beide Stirnseiten des Profils sind in Form eines Flansches ausgebildet, um zugeordnete Deckel aufzunehmen. Dies kann zum Beispiel durch entsprechend stark für Gewindeschnitte ausgebildet Wandbereiche sowie gerade, für Dichtzwecke bearbeitete stirnseitige Schnittflächen realisiert werden.

[0009] Beide stirnseitigen Deckel sind als Verschluss für heizgas- und wasserführende Kanäle ausgebildet, wobei ein Deckel auch als Brennkammer-Verschluss und Brenneraufnahme und der andere, vorzugsweise gegenüberliegende Deckel als Abgassammler dient.

[0010] Die heizgas- und/oder wasserführenden Kanäle verlaufen serpentinenartig in einer vertikalen, sich längs erstreckenden Ebene zwischen den Stirnseiten des Profils und/oder spiralförmig zwischen den Stirnseiten des Profils hin- und her. Alternativ oder ergänzend dazu können die Deckel jeweils ganz oder teilweise als Verschluss oder Umlenkzone für heizgas- und wasserführende Kanäle ausgebildet sein. Dabei wird dann der Strömungsweg von jeweils mindestens zwei stirnseitig ausmündenden Kanälen miteinander verbunden.

[0011] Die Deckel sind im Wesentlichen flachdichtend den Stirnseiten des Profils zugeordnet und durch stirnseitige Einfräsungen in den Wänden oder Stegen innerhalb des Profils können Überströmöffnungen und Umlenkzonen zwischen jeweils benachbarten heizgas- und wasserführenden Kanälen in den Endbereichen bzw. in der Nähe der Deckel ausgebildet werden.

[0012] In einer Ausführungsform teilen sich Heizgas- und/oder Wasserführung auf mehrere Abschnitte von parallel durchströmten Kanälen auf. Dabei variieren die Anzahl und/oder der freie Querschnitt der Kanäle in einem Abschnitt in Strömungsrichtung. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn in Strömungsrichtung der Heizgase die Anzahl und/oder der freie Querschnitt der Kanäle entsprechend des heizgasseitigen Temperaturverlaufs abnimmt.
Die oberflächenvergrößernden Elemente an Wandbereichen auf der Heizgas- und/oder Wasserseite des Profils können als in Längsrichtung verlaufende Rippen und/oder die Kanäle von Wand zu Wand durchgreifende Stege ausgebildet sein.

[0013] In einer weiteren Ausführungsform besteht das Profil einen wasserführenden äußeren Mantel sowie einen zusammenhängenden, heizgasbeaufschlagten inneren Bereich mit einer oben horizontal angeordneten Brennkammer, einem unteren Abgassammelkanal sowie zwischen Brennkammer und Abgassammelkanal angeordneten Wärmetauscherflächen. Diese weisen wechselweise von der rechten und linken Begrenzungswand in Richtung der gegenüberliegenden Wand vorspringende Rippen auf.

[0014] Bei einer weiteren Alternative besteht das extrudierte oder stranggepresste Profil aus einer taschenartigen, nur stirnseitig offenen Wandkontur, welche in zugeordnete stirnseitige Aufnahmen oder Deckel einzufügen ist. Dabei wird das Profil wahlweise entweder im Inneren mit Heizgas beaufschlagt und ist außen von Heizwasser umgeben, das sich zum Beispiel in einem umgebenden Wassermantelraum befindet. Oder das Profil ist im Inneren mit Heizwasser beaufschlagt und außen von Heizgas umgeben.

[0015] Außerdem kann ein stirnseitiger Deckel mindestens zweiteilig ausgeführt sein. Dabei schließt dann ein erster, insbesondere ringförmig umlaufender Deckel die Heizwasser führenden Känale dicht ab und ist mit dem extrudierten oder stranggepressten Profil verbunden. Mindestens ein zugeordneter zweiter Deckel ist wiederum am ersten Deckel fixiert und schließt die Heizgas führenden Kanäle ab. Dadurch wird eine einfache Zugänglichkeit zur Heizgasführung, beispielsweise zu Reinigungszwecken, ermöglicht, ohne dass wasserseitige Abdichtungen gelöst oder geöffnet werden müssen.

[0016] Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung entsteht ein Wärmetauscher, insbesondere für ein Heizgerät, für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser, welcher bei möglichst kompakten Abmessungen gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzt. Er ist durch die abnehmbaren stirnseitigen Deckel und die längs verlaufenden Kanäle gut zu reinigen. Das Endlos-Profil bietet neben der einfachen Herstellung eines Wärmetauschers auch den Vorteil, über unterschiedliche Wärmetauscher-Längen verschiedene Feuerungs- und Wärmetauscherleistungen variabel abzudecken. Trotzdem bleiben dann alle stirnseitig angeordneten Anbauteile sowie die Verbindung zwischen Deckel und Profilkörper gleich.

[0017] Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt einen Wärmetauscher eines Heizgerätes:

Fig. 1:

mit einer serpentinenartigen Heizgasführung in Längsrichtung in einem vertikalen Längsschnitt,

Fig. 2:

gemäß Fig. 1, in einem vertikalen Querschnitt,

Fig. 3:

in einer weiteren Variante mit einer schachtartigen Heizgasführung in einem vertikalen Querschnitt, und

Fig. 4:

in einer weiteren Variante mit einer serpentinenartigen Heizgasführung in Querrichtung in einem vertikalen Querschnitt.

[0018] Der Wärmetauscher besteht im Wesentlichen aus einem einstückigen Körper aus einem extrudierten oder stranggepressten Profil 1 sowie aus einem für Extrusions- oder Strangpressverfahren geeigneten Werkstoff. Im oberen Bereich Profils 1 wird eine Brennkammer 2 mit Aufnahme für einen Gas- oder Ölbrenner 3 ausgebildet, von der eine Heizgasführung 4 ausgeht, welche in einen Abgassammler 5 mit Anschlussstutzen für eine Abgasleitung mündet.

[0019] Beide Stirnseiten des Profils 1 sind in Form eines Flansches ausgebildet und mit zugeordneten Deckeln 6, 6' verschlossen, welche jeweils ganz oder teilweise als Verschluss oder Umlenkzone für Heizgasführung 4 und wasserführende Kanäle 7 ausgebildet sind. Fig. 1 macht deutlich, wie die Deckel 6, 6' im Wesentlichen flachdichtend den Stirnseiten des Profils zugeordnet sind und wie durch stirnseitige Einfräsungen in den Wänden oder Stegen 9, 10 innerhalb des Profils 1 Überströmöffnungen 8 und Umlenkzonen zwischen jeweils benachbarten Kanälen der Heizgasführung 4 und jeweils benachbarten wasserführenden Kanälen 7 ausgebildet sind.

[0020] Gemäß den Fig. 1 und 2 laufen die Kanäle der Heizgasführung 4 serpentinenartig in einer vertikalen, sich längs erstreckenden Ebene zwischen den Stirnseiten des Profils 1 hin- und her. Die Stege 9 sind quer durchgehend und trennen die horizontalen Ebenen der Heizgasführung 4 voneinander ab. Außen herum ist ein Mantel mit wasserführenden Kanälen 7 und Stegen 10 vorgesehen, welche einerseits der Stabilität und andererseits zum Aufteilen der wasserführenden Kanäle 7 dienen, um beispielsweise eine serpentinenartige Wasserströmung entgegen der Heizgasströmung auszubilden.

[0021] Bei der weiteren Variante gemäß Fig. 3 mit einer schachtartigen Heizgasführung 4 besitzt das Profil einen wasserführenden äußeren Mantel sowie eine zusammenhängende Heizgasführung 4, welche sich im inneren Bereich über die gesamte Länge des Profils 1, ausgehend von einer oberen horizontal angeordneten Brennkammer 2, zu einem unteren Abgassammelkanal 11 erstreckt. Die Heizgasführung 4 liegt wedelförmig zur Turbulenzerhöhung im Wasserraum, wobei die Stege 10 der umgebenden wasserführenden Kanäle 7 für Stabilität sorgen.

[0022] Gemäß Fig. 4 erfolgt die serpentinenartige Heizgasführung 4 in Querrichtung innerhalb des Profils 1, unterstützt durch einseitig hervorspringende, ungekühlte Rippen 12. Diese springen wechselweise von der rechten und linken Begrenzungswand in Richtung der gegenüberliegenden Wand hervor und vergrößern somit die zwischen Brennkammer 2 und Abgassammelkanal 11 angeordneten Wärmetauscherflächen.

Ansprüche

1. Wärmetauscher, insbesondere für ein Heizgerät, für den Wärmeaustausch zwischen Heizgasen und umgebendem Heizwasser, bestehend aus einem einstückigen Körper, welcher im oberen Bereich eine Brennkammer (2) mit Aufnahme für einen Gas- oder Ölbrenner (3) ausbildet, einer davon ausgehenden Heizgasführung (4), welche in einen Abgassammler (5) mit Anschlussstutzen für eine Abgasleitung mündet, sowie mit oberflächenvergrößernden Elementen an den heizgasberührten und/oder wasserberührten Wandbereichen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher im Wesentlichen aus einem extrudierten oder stranggepressten Profil (1) sowie aus einem für Extrusions- oder Strangpressverfahren geeigneten Werkstoff besteht, und dass die für Heizgasführung (4) und Heizwasser vorgesehenen Kanäle (7) sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Profils (1) erstrecken, wobei die Aufnahme für den Brenner (3) auf der einen und der Abgassammler (5) auf derselben oder der anderen Stirnseite liegt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass über die Länge des extrudierten oder stranggepressten Profils (1) die Wärmetauscherfläche und die Leistungsgröße bestimmt wird und dass beide Stirnseiten des Profils (1) in Form eines Flansches ausgebildet sind, um zugeordnete Deckel (6, 6') aufzunehmen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass beide Deckel (6, 6') als Verschluss für die Heizgasführung (4) und wasserführende Kanäle (7) ausgebildet sind, wobei ein Deckel (6) auch als - Verschluss für die Brennkammer (2) und Aufnahme für den Brenner (3) und der andere, gegenüberliegende Deckel (6') als Abgassammler (5) dient.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die heizgas- und/oder wasserführenden Kanäle (7) serpentinenartig in einer vertikalen, sich längs erstreckenden Ebene zwischen den Stirnseiten des Profils (1) und/oder spiralförmig zwischen den Stirnseiten des Profils (1) hin- und her verlaufen.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (6, 6') jeweils ganz oder teilweise als Verschluss oder Umlenkzone für die Heizgasführung (4) und wasserführenden Kanäle (7) ausgebildet sind, wobei der Strömungsweg von jeweils mindestens zwei stirnseitig ausmündenden Kanälen (4, 7) miteinander verbunden wird.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (6, 6') im Wesentlichen flachdichtend den Stirnseiten des Profils (1) zugeordnet sind und dass durch stirnseitige Einfräsungen in den Wänden oder Stegen (9) innerhalb des Profils Überströmöffnungen (8) und Umlenkzonen zwischen jeweils benachbarten heizgas- und wasserführenden Kanälen (4, 7) ausgebildet sind.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass Heizgas- und/oder Wasserführung sich auf mehrere Abschnitte von parallel durchströmten Kanälen (4, 7) aufteilt und dass die Anzahl und/oder der freie Querschnitt der Kanäle (4, 7) in einem Abschnitt in Strömungsrichtung variiert, wobei in Strömungsrichtung der Heizgase die Anzahl und/oder der freie Querschnitt der Kanäle (4, 7) entsprechend des heizgasseitigen Temperaturverlaufs abnimmt.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente an Wandbereichen auf der Heizgas- und/oder Wasserseite des Profils (1) als in Längsrichtung verlaufende Rippen (12) und/oder die Kanäle (7) von Wand zu Wand durchgreifende Stege (10) ausgebildet sind.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (1) einen wasserführenden äußeren Mantel sowie einen zusammenhängenden, heizgasbeaufschlagten inneren Bereich mit einer oben horizontal angeordneten Brennkammer (2), einem unteren Abgassammelkanal (11) sowie zwischen Brennkammer (2) und Abgassammelkanal (11) angeordneten Wärmetauscherflächen mit wechselweise von der rechten und linken Begrenzungswand in Richtung der gegenüberliegenden Wand vorspringenden Rippen (12) aufweist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das extrudierte oder stranggepresste Profil (1) aus einer taschenartigen, nur stirnseitig offenen Wandkontur besteht, welche in zugeordnete stirnseitige Aufnahmen oder Deckel (6, 6') einzufügen ist, wobei diese wahlweise entweder im Inneren mit Heizgas beaufschlagt und außen von Heizwasser umgeben ist oder im Inneren mit Heizwasser beaufschlagt und außen von Heizgas umgeben ist.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass ein stirnseitiger Deckel (6, 6') mindestens zweiteilig ausgeführt ist, indem ein erster, insbesondere ringförmig umlaufender Deckel die Heizwasser führenden Känale (7) dicht abschließt und mit dem extrudierten oder stranggepressten Profil (1) verbunden ist, und indem mindestens ein zugeordneter zweiter Deckel vorgesehen ist, welcher am ersten Deckel fixiert ist und die Heizgas führenden Kanäle (4) abschließt.

Zeichnung