Wärmetauscher mit optimierter Wärmeübertragung und Heizeinrichtung mit einem solchen Wärmetauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der kompakt sein soll, sowie nicht anfällig für Schäden bedingt durch lokale Überhitzung, insbesondere durch Überschreiten einer Siedetemperatur eines wärmeaufnehmenden Fluids ist.
Die Erfindung sieht einen Wärmetauscher (1) vor, umfassend einen ersten Fluidkanal (10) für ein erstes Fluid mit einem Fluideintritt (11) und einem Fluidaustritt (12) und einen zweiten Fluidkanal (20) für ein zweites Fluid mit einem Fluideintritt (21) und einem Fluidaustritt (22), wobei der zweite Fluidkanal (20) hinter seinem Fluideintritt (21) in einen ersten und zweiten Teilkanal (23, 24) verzweigt ist, wobei der erste und der zweite Teilkanal (23, 24) vor dem Fluidaustritt (22) des zweiten Fluidkanals (20) zu einem Sammelkanal (25) zusammengeführt sind, der in einem ersten Abschnitt (A1) quer zum ersten Fluidkanal (10) verläuft und näher am Fluideintritt (11) des ersten Fluidkanals (11) angeordnet ist als der erste Teilkanal (23) und der zweite Teilkanal (24), wobei der erste Teilkanal (23) in einem zweiten Abschnitt (A2) quer zum ersten Fluidkanal (10) verläuft und dieser zweite Abschnitt (A2) näher am Fluideintritt (11) des ersten Fluidkanals (10) angeordnet ist als der zweite Teilkanal (24).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Heizeinrichtung mit einem solchen Wärmetauscher nach Patentanspruch 12.

[0002] Wärmetauscher dienen der Wärmeübertragung von einem ersten Wärmeträger auf einen zweiten Wärmeträger. Insbesondere werden hierbei unterschiedliche Fluide als Wärmeträger eingesetzt, welche nicht miteinander in Kontakt oder gar vermischt werden sollen. Zur Wärmeübertragung werden die Fluide in von einem Trennelement separierten Fluidkanälen geführt. Dabei hat das Trennelement gute Wärmeleiteigenschaften sowie eine möglichst große Oberfläche zu den Fluiden.

[0003] So zeigt beispielsweise US 6,460,613 B2 einen modularen Wärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Modulen. Zwischen zwei Modulen ist ein im Wesentlichen linear verlaufender erster Fluidkanal für ein erstes Fluid ausgebildet, insbesondere für Luft oder Heizgas (Verbrennungsgas). Auf einer Seite des Modulstapels ist mithin der Fluideintritt und gegenüberliegend der Fluidaustritt des ersten Fluidkanals.

[0004] Jedes Modul besteht aus zwei miteinander verbundenen Platten mit rechteckiger Grundform, zwischen denen ein zweiter Fluidkanal für ein flüssiges Fluid ausgebildet ist. Dieser erstreckt sich ebenfalls von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt, wobei Fluideintritt und Fluidaustritt diagonal gegenüberliegend angeordnet sind.

[0005] Zur Balancierung der Durchströmung des zwischen den Platten ausgebildeten flachen zweiten Fluidkanals sind Rippen zwischen den Platten angeordnet, die das Fluid leiten sollen. Im Bereich des Fluideintritts des zweiten Fluidkanals erstrecken sich erste Rippen in eine erste Richtung. Daran schließen sich zweite Rippen an, die in einem Winkel zu den ersten Rippen angeordnet sind. Zwischen den zweiten Rippen und dem Fluidaustritt finden sich dritte Rippen, welche parallel zu den ersten Rippen verlaufen. Dabei vereinen sich die durch die Rippen gebildeten, parallel durchströmten Teilkanäle jeweils zwischen den ersten und zweiten Rippen sowie den zweiten und dritten Rippen, da die Rippen hier nicht dichtend aneinandergrenzen. Mithin wird das Fluid entlang einer Z-Form geleitet. Um eine gleichmäßig verteilte Strömung im Bereich der zweiten Rippen zu erzielen, verjüngen sich der Bereich der ersten Rippen mit zunehmendem Abstand vom Fluideintritt sowie der Bereich der dritten Rippen mit zunehmendem Abstand vom Fluidaustritt. Man erkennt, dass der zweite Fluidkanal durch die Rippen hinter dem Fluideintritt in mehrere Teilkanäle verzweigt ist.

[0006] Nachteilhaft ist jedoch die thermische Ungleichbelastung des Moduls und damit des Wärmetauschers. Insbesondere am Fluideintritt des ersten Fluidkanals kommt es bei einer Durchleitung eines heißen Verbrennungsgases (bspw. 2000 K) zu einer sehr hohen Spitzentemperatur, da hier sowohl das erste als auch das zweite Fluid ihre maximale Temperatur haben. Dies führt zu thermischen Spannungen im Wärmetauscher, welche zu Verformungen und Materialschäden führen können. Außerdem kann es zu einem Phasenwechsel des Fluids im zweiten Fluidkanal von flüssig zu gasförmig kommen. Hierdurch steigt der Druck im zweiten Fluidkanal an, es kommt zu Geräuschentwicklungen bei der Entstehung von Gasblasen, die Gasblasen können zu Schäden an eingesetzten Pumpen führen und Korrosion im Inneren des Moduls wird verstärkt.

[0007] Eine Strömungsumkehr eines der Fluidströme würde hingegen zu erheblichen Effizienzverlusten führen, da die Temperaturdifferenz bei einer Wärmeübertragung im Gleichlauf abnehmend ist. Entsprechend hätte das wärmeabgebende erste Fluid am Fluidaustritt des ersten Fluidkanals eine höhere nicht verwertete Endtemperatur.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher und eine Heizeinrichtung zu schaffen, mit denen eine hohe Effizienz der Wärmeübertragung von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid erreicht wird, wobei der Wärmetauscher möglichst kompakt, materialsparend, leicht und kostengünstig fertigbar ist und dennoch eine lange wartungsfreie Lebensdauer aufweist.

[0009] Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0010] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher umfassend einen ersten Fluidkanal für ein erstes Fluid mit einem Fluideintritt und einem Fluidaustritt und einen zweiten Fluidkanal für ein zweites Fluid mit einem Fluideintritt und einem Fluidaustritt, wobei der zweite Fluidkanal hinter seinem Fluideintritt in einen ersten und zweiten Teilkanal verzweigt ist, wobei der erste und der zweite Teilkanal vor dem Fluidaustritt des zweiten Fluidkanals zu einem Sammelkanal zusammengeführt sind, der in einem ersten Abschnitt quer zum ersten Fluidkanal verläuft (bzw. dessen Sammelkanal-Strömung des zweiten Fluids quer zu einer Hauptströmungsrichtung des ersten Fluids im ersten Fluidkanal verläuft) und näher am Fluideintritt des ersten Fluidkanals angeordnet ist als der erste Teilkanal und der zweite Teilkanal, wobei der erste Teilkanal in einem zweiten Abschnitt quer zum ersten Fluidkanal verläuft und dieser zweite Abschnitt näher am Fluideintritt des ersten Fluidkanals angeordnet ist als der zweite Teilkanal.

[0011] Der erfindungsgemäße Verlauf der Fluidkanäle verhindert eine Überhitzung des zweiten Fluids in der zweiten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung als solches, insbesondere am thermisch stark beanspruchten Fluideintritt des ersten Fluidkanals. Hierdurch ist der auf den Wärmetauscher wirkende thermische Stress (sind die thermischen Spannungen) gering und dieser hat eine lange Lebensdauer. Erreicht wird dies insbesondere durch den Sammelkanal, mittels dem das volle Volumen des zu erwärmenden Fluids mit hoher Geschwindigkeit an der thermisch am stärksten beanspruchten Eintrittsöffnung des ersten Fluidkanals vorbeigeleitet wird. Um die gesamte Problemzone gut zu kühlen, sollte die Länge des ersten Abschnitts des Sammelkanals größer sein als dreiviertel des maximalen Durchmessers des angrenzenden ersten Fluidkanals.

[0012] Durch den hinter dem Sammelkanal liegenden ersten Teilkanal wird unmittelbar Fluid mit der Eingangstemperatur geleitet, das durch ein hohes Temperaturgefälle zum Fluid im ersten Fluidkanal entsprechend viel Wärme aufnehmen kann. Damit eine gute Kühlung des Wärmetauschers erfolgen kann, sollte die Länge des zweiten Abschnitts größer als zweidrittel des maximalen Durchmessers des angrenzenden ersten Fluidkanals gewählt werden. Bei einer benachbarten Anordnung des ersten Abschnitts des Sammelkanals und des zweiten Abschnitts des ersten Teilkanals ist die Kühlung des Fluideintritts des ersten Fluidkanals besonders hoch. Eine im Wesentlichen parallele Anordnung des ersten Abschnitts des Sammelkanals zum zweiten Abschnitt des ersten Teilkanals bietet sich an.

[0013] Im zweiten Teilkanal kann die Strömungsgeschwindigkeit hingegen herabgesetzt sein, sodass eine zeitlich lange Wärmeaufnahme stattfinden kann, um dem Fluid im ersten Fluidkanal ein Maximum an Wärme zu entziehen. Der zweite Teilkanal ist dann bevorzugt im Kondensationsbereich des ersten Fluidkanals angeordnet. Entsprechend hoch ist die Effizienz der Wärmegewinnung mit dem Wärmetauscher.

[0014] Dies führt dazu, dass dieser besonders kompakt ausgelegt werden kann, wodurch Materialkosten gering sind. Außerdem ist ein weniger großer Aufstellungsort notwendig. Besonders gut ist der Wärmetauscher als Gas-Flüssigkeit-Wärmetauscher einsetzbar. Dabei bildet der erste Fluidkanal dann einen Gaskanal und der zweite Fluidkanal ist ein Flüssigkeitskanal.

[0015] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Fluidkanal innerhalb eines im Wesentlichen flächigen ersten Moduls ausgebildet ist. Solche Module eignen sich hervorragend, um in gestapelter Anordnung durch die Anzahl baugleicher Module eine Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers auszulegen, insbesondere bei rechteckiger Grundform. Der Wärmetauscher ist dann ein Plattenwärmetauscher. Da nur wenige Werkzeuge und Bauteilvarianten für eine Vielzahl an möglichen Wärmeübertragungsleistungen notwendig sind, ist ein so hergestellter Wärmetauscher besonders kostengünstig anbietbar. Bevorzugt weisen die Fluideintritte und die Fluidaustritte des zweiten Fluidkanals in die Stapelrichtung. Sie können dann jeweils zwischen den Modulen durchgehend strömungsverbunden sein. Vorzugsweise haben benachbarte Module miteinander korrespondierende Dichtflächen im Bereich der Fluideinritte des zweiten Fluidkanals und/oder im Bereich der Fluidaustritte des zweiten Fluidkanals. Zusätzliche Dichtmittel sind dann nicht erforderlich. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Wärmetauschers sollte der Fluideintritt des zweiten Fluidkanals in der Betriebslage geodätisch tiefer angeordnet sein als dessen Fluidaustritt.

[0016] Der erste Fluidkanal grenzt dann an die äußere Oberfläche des Moduls an. Vorzugsweise ist er zwischen dem ersten Modul und einem benachbart mit Abstand angeordneten, baugleichen oder bauähnlichen, zweiten Modul ausgebildet. Hierfür sollten benachbarte Module korrespondierende Dichtflächen entlang des ersten Fluidkanals aufweisen. Entsprechend sind dann auch hier keine separaten Dichtmittel vorzusehen.

[0017] In einer speziellen Ausgestaltung besteht das erste Modul aus zwei Platten, zwischen denen der zweite Fluidkanal ausgebildet ist, wobei die zwei Platten kraftschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Derartige Module sind besonders kostengünstig herstellbar. Wenigstens eine der Platten gibt dann den Verlauf des zweiten Fluidkanals durch strukturierte Formgebung (Prägung, Profilierung) vor. In dieser Platte sollte vor dem Verbinden mit der zweiten Platte das Muster des zweiten Fluidkanals eingeprägt sein. Als Platten werden insbesondere Bleche eingesetzt. Nach dem Zusammenfügen ist der zweite Fluidkanal dann vollständig ausgebildet. Mithin weist wenigstens eine Platte auf der Außenseite des ersten Moduls Erhebungen des zweiten Fluidkanals auf. Entsprechend groß sind die Kontaktfläche zum ersten Fluidkanal und die Wärmeübertragung. Zur Verstärkung dieser Vorteile sollten bevorzugt beide Platten eine strukturierte Formgebung entsprechend des zweiten Fluidkanals aufweisen.

[0018] Kleine Leckströmungen, wie sie bei einer nicht vollflächigen Verbindung der Platten zwischen den Abschnitten des zweiten Fluidkanals auftreten können, sind unproblematisch. Vielmehr unterstützen diese Ströme die Kühlung der Zwischenbereiche zwischen den Abschnitten des zweiten Fluidkanals.

[0019] Alternativ kann jedoch auch eine vollflächige Verbindung zwischen den Platten geschaffen werden, indem sie in einem Vakuumofen verschweißt werden. Als Schweißmittel wird bevorzugt Nickel eingesetzt. Wahlweise kann jedoch auch Kupfer eingesetzt werden. Um Korrosion zu vermeiden, sollten die freiliegenden Kupferstellen dann jedoch anschließend mit Nickel beschichtet werden. Der Vakuumofen ist zusätzlich auch dazu geeignet, den zweiten Fluidkanal in die Platten tiefzuziehen. Damit ist das Modul mit wenigen Arbeitsschritten kostengünstig herstellbar.

[0020] Es erweist sich als besonders vorteilhaft, das erste Modul aus einer Platte herzustellen, wobei die Platte entlang eines Biegebereichs, der im Bereich des Fluideintritts des ersten Fluidkanals angeordnet ist, gefaltet bzw. umgebogen ist und zwei (strukturierte, geprägte) Plattenbereiche umfasst, die flächig aufeinander liegen und zwischen denen der zweite Fluidkanal ausgebildet ist. Die zwei Plattenbereiche entsprechen dann sozusagen den zuvor beschriebenen zwei Platten, mit Ausnahme der einteiligen Fertigung mit Hilfe des Faltens. Der wesentliche Vorteil an solch einer Ausbildung ist die hohe thermische Belastbarkeit des Biegebereichs. Diese ist deutlich höher als eine gefügte Verbindung. Der hohe thermische Stress in dem Bereich des Fluideintritts des ersten Fluidkanals kann somit kaum zu einer Beschädigung des Moduls führen. Bevorzugt grenzt der Biegebereich unmittelbar an den ersten Abschnitt des Sammelkanals. Hierdurch wird der ohnehin schon temperaturresistente Biegebereich zusätzlich besonders gut gekühlt.

[0021] Gemäß einer Fortbildung der Erfindung besteht das erste Modul aus hochlegiertem rostfreiem Edelstahl. Durch den Einsatz von rostfreiem Stahl ist die Korrosion des Wärmetauschers gering. Eine lange Lebensdauer ohne Wartungsaufwand wird erreicht.

[0022] Grundsätzlich können der erste Abschnitt des Sammelkanals und/oder der zweite Abschnitt des ersten Teilkanals einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es ist jedoch eine Ausführungsform besonders zu bevorzugen, nach welcher der erste Abschnitt des Sammelkanals und/oder der zweite Abschnitt des ersten Teilkanals einen ovalen Querschnitt mit zwei schmalen Stirnseiten und zwei breiten Längsseiten aufweisen. Die Längsseiten sollten dabei längs zum ersten Fluidkanal ausgerichtet sein. Die schmalen Stirnseiten sind dann im Wesentlichen quer zum ersten Fluidkanal ausgerichtet. Durch diese Ausbildung entsteht ein Modul mit geringerer Bauhöhe, wodurch kompaktere Einbaumaße erreicht werden können. Außerdem ist das Verhältnis von der Oberfläche des ersten Abschnitts des Sammelkanals und/oder des zweiten Abschnitts des ersten Teilkanals zu deren Volumen größer, sodass eine höhere Wärmeübertragung erreicht wird.

[0023] Zusätzlich kann mit den Modulen selbst eine Brennkammer ausgebildet werden. Hierfür bietet es sich an, die Module auf Seiten des Fluideinritts des ersten Fluidkanals mit seitlichen Schenkeln zu versehen, sodass das Modul U-förmig ist. In diesen Schenkeln sollten zusätzliche Fluidkanäle (z.B. der Sammelkanal) zu deren Kühlung verlaufen. Durch endseitige Abdeckplatten/Endmodule, welche die gesamte U-Form abdecken, ergibt sich dann eine einseitig geöffnete Kammer, welche sich an den Fluideintritt des ersten Fluidkanals anschließt. Diese Kammer kann als Brennkammer ausgelegt werden, wobei sich stromaufwärts auf der offenen Seite ein Brenner anschließen würde.

[0024] Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung ist gemäß einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, dass im Sammelkanal und/oder im ersten Teilkanal wenigstens ein Rotationselement mit einer Umlenkfläche ausgebildet ist, die eine Steigung relativ zum Kanalverlauf aufweist. Durch die Rotationsanregung des durchströmenden Fluids wird dieses durchmischt und bedingt eine effektivere Kühlung des ersten Fluids. Die mögliche Wärmeaufnahme vom ersten Fluidkanal ist so besonders hoch. Mittels Einprägen von schräg zum Kanalverlauf weisenden Kerben, sind diese auch äußerst preiswert herstellbar.

[0025] Zur Erreichung einer hohen Wärmeübertragungseffizienz ist gemäß einer näheren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Strömungswiderstand des ersten Teilkanals um maximal 10% vom Strömungswiderstand des zweiten Teilkanals abweicht. Um möglichst viel Wärme aufnehmen zu können, sollte im ersten Teilkanal nämlich ein verhältnismäßig großer Fluiddurchsatz erfolgen. Tendenziell sollte der Strömungswiderstand des ersten Teilkanals sogar etwas kleiner gewählt werden als der Strömungswiderstand des zweiten Teilkanals. Wenigstens 50% des Fluids strömt so durch den ersten Teilkanal.

[0026] Gleichzeitig ist bevorzugt, das Volumen des ersten Teilkanals kleiner auszulegen als das Volumen des zweiten Teilkanals. Mithin ist bei im Wesentlichen gleichem Strömungsquerschnitt die Verweildauer des Fluids im ersten Teilbereich kurz. Aufgrund des hohen Volumens im zweiten Teilkanal, kann hier die Restwärme des ersten Fluids im ersten Fluidkanal effektiv aufgenommen werden, da eine große Wärmeübertragungsfläche erzielbar ist, insbesondere durch deutlich längere bzw. breitere Strömungskanäle.

[0027] Gemäß einer Fortentwicklung der Erfindung ist das Volumen des zweiten Teilkanals sogar größer als die Summe der Volumina des ersten Teilkanals und des Sammelkanals. Hierdurch ist erreichbar, dass das Fluid im ersten Fluidkanal im Bereich des Sammelkanals und des ersten Teilkanals bis annähernd auf Kondensationstemperatur abkühlbar ist, während die Kondensation schließlich im Bereich des zweiten Teilkanals erfolgt. Um dies zu erreichen, kann der erste Teilkanal in mehrere Einzelteilkanäle verzweigt sein. Diese Einzelteilkanäle des ersten Teilkanals sollten dann im Wesentlichen parallel benachbart zueinander verlaufen.

[0028] Um insbesondere im Sammelkanal eine hohe Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen, hat dieser gemäß einer Variante einen Strömungswiderstand, der größer ist als der resultierende Strömungswiderstand der parallel geschalteten Strömungswiderstände des ersten und zweiten Teilkanals bzw. hat er einen Strömungsquerschnitt, der kleiner ist als der Gesamtströmungsquerschnitt der parallel geschalteten ersten und zweiten Teilkanäle.

[0029] Ferner sieht eine spezielle Ausgestaltung des Wärmetauschers vor, dass der zweite Teilkanal fischgrätenförmig ausgebildet ist. Solch eine Ausbildung ermöglicht eine große Oberfläche pro Volumen. Damit kann dem Fluid im ersten Fluidkanal möglichst viel Wärme entzogen werden. Vorzugsweise weist die fischgrätenförmige Ausbildung des zweiten Teilkanals einen in bzw. an einer ersten Modulplatte ausgebildeten Speisekanal auf, von dem fischgrätenförmig Verzweigungskanäle abzweigen. Die Durchspülung der einzelnen Verzweigungskanäle erfolgt dann durch Konvektionsströme und mündet in Verzweigungskanäle und einen Speisekanal, die in bzw. an einer zweiten Modulplatte ausgebildet sind. Die Speisekanäle sollten hierbei im Wesentlichen zueinander benachbart und quer zum ersten Fluidkanal ausgerichtet sein. Eine verwandte Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Teilkanal nach Art von Plattenwärmetauschern durch fischgrätenförmig geprägte Bereiche der das Modul bildenden Platten begrenzt ist.

[0030] Die Erfindung betrifft ferner eine Heizeinrichtung mit einer Brennkammer umfassend eine Heizgaszuführung und eine Heizgasableitung, die mit einem Fluideintritt eines ersten Fluidkanals eines Wärmetauschers wie vorstehend beschrieben strömungsverbunden ist, und mit einem Wärmeträgermedium führenden Fluidkreislauf, in den der Wärmetauscher mit dem Fluideintritt und dem Fluidaustritt des zweiten Fluidkanals integriert ist. Mithin fungiert der Wärmetauscher als Gas-Flüssigkeit-Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist bestens dazu geeignet, die sehr heißen Heizgase (Verbrennungsgase, mitunter bis zu 2000 K heiß bei mit fossilem Brennstoff befeuerter Brennkammer) der Brennkammer abzukühlen, ohne dabei beschädigt zu werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein Sieden des Fluids im Sammelkanal und im ersten Teilkanal durch die spezielle Kanalführung des zweiten Fluidkanals verhindert wird. Der Fluidkreislauf kann bspw. einen Radiator enthalten, sodass das Fluid die aufgenommene Wärme an einem Zielort wieder abgeben kann. Hierfür sollte im Fluidkreislauf eine Förderpumpe angeordnet sein. In der Haustechnik hat sich als Fluid insbesondere wasserhaltiges Fluid bewährt. Dieses wird im Fluidkreislauf bevorzugt unter einem Druck von mehr als 1 bar gehalten, sodass die Siedetemperatur über dem Normalniveau liegt.

[0031] Eine Fortentwicklung der Heizeinrichtung sieht vor, dass das erste Modul U-förmig ausgebildet ist, wobei das erste Modul mit seiner Höhlung (dies ist der Innenraum der U-Form) die Brennkammer zumindest teilweise umschließt und der Sammelkanal U-förmig in den Brennkammer-nahen Bereichen des ersten Moduls verläuft. Mit dieser Ausgestaltung ist eine Heizeinrichtung geschaffen, die eine beinah rundum wassergekühlte Brennkammer bereitstellt, dadurch sehr geringe Wärmeverluste verursacht und sich durch einen hohen Wärmeübertragungswirkungsgrad auszeichnet.

[0032] Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in

Fig. 1

eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers;

Fig. 2

einen Schnitt durch einen Wärmetauscher;

Fig. 3

ein einzelnes Modul eines Wärmetauschers;

Fig. 4

eine schematische Darstellung eines zweiten Fluidkanals eines Wärmetauschers;

Fig. 5

einen Schnitt durch ein einzelnes Modul;

Fig. 6

einen weiteren Schnitt durch ein einzelnes Modul;

Fig. 7

einen Schnitt durch einen ovalen Sammelkanal mit Rotationselementen; und

Fig. 8

einen U-förmigen Wärmetauscher.

[0033] Die Fig. 1 und 2 zeigen perspektivische Ansichten eines Wärmetauschers 1. Dieser besteht aus einem ersten Modul 30, einem zweiten Modul 40 und weiteren Modulen 41, welche in einer Stapelrichtung R aufeinander gestapelt sind. Mithin handelt es sich um einen Plattenwärmetauscher.

[0034] Zwischen den Modulen 30, 40, 41 ist jeweils ein erster Fluidkanal 11 für ein erstes Fluid, insbesondere für ein Gas G, mit einem Fluideintritt 11 und einem Fluidaustritt 12 ausgebildet. Jedes im Wesentlichen flächig ausgebildetes Modul 30, 40, 41 des Wärmetauschers 1 beherbergt jeweils einen zweiten Fluidkanal 20 für ein zweites Fluid, insbesondere für Wasser W, mit einem Fluideintritt 21 und einem Fluidaustritt 22. Der Fluideintritt 21 liegt geodätisch tiefer als der Fluidaustritt 22. Weiterhin weisen der Fluideintritt 21 und der Fluidaustritt 22 des zweiten Fluidkanals 20 in die Stapelrichtung R. Auf diese Weise sind die Fluideintritte 21 und die Fluidaustritte 22 der zweiten Fluidkanäle 20 der Module 30, 40, 41 in Stapelrichtung R miteinander strömungsverbunden. Die Module 30, 40, 41 haben korrespondierende Dichtflächen im Bereich der Fluideinritte 21 und Fluidaustritte 22 des zweiten Fluidkanals 20, sodass keine zusätzlichen Dichtmittel erforderlich sind. Gleichsam haben die Module 30, 40, 41 korrespondierende Dichtflächen entlang des ersten Fluidkanals 10.

[0035] Wie im Detail den Fig. 3 bis 6 zu entnehmen ist, verzweigt sich der zweite Fluidkanal 20 hinter dem Fluideintritt 21 in einen ersten 23 und zweiten Teilkanal 24. An anderer Stelle münden der erste 23 und der zweite Teilkanal 24 vor dem Fluidaustritt 22 des zweiten Fluidkanals 20 in eine gemeinsame Sammelkammer 28, wodurch sie wieder zu einem Sammelkanal 25 zusammengeführt sind. Der Sammelkanal 25 verläuft zumindest in einem ersten Abschnitt A1 quer zum ersten Fluidkanal 10. Außerdem ist er näher am Fluideintritt 11 des ersten Fluidkanals 10 angeordnet als der erste Teilkanal 23 und der zweite Teilkanal 24. Die Länge des ersten Abschnitts A1 ist größer als dreiviertel des maximalen Durchmessers des angrenzenden ersten Fluidkanals 10.

[0036] Auch der erste Teilkanal 23 verläuft in einem zweiten Abschnitt A2 quer zum ersten Fluidkanal 10. Die Länge des zweiten Abschnitts A2 ist größer ist als zweidrittel des maximalen Durchmessers des angrenzenden ersten Fluidkanals 10. Zudem ist dieser zweite Abschnitt A2 näher am Fluideintritt 11 des ersten Fluidkanals 10 angeordnet als der zweite Teilkanal 24. Insbesondere ist der erste Abschnitt A1 des Sammelkanals 25 benachbart sowie parallel zum zweiten Abschnitt A2 des ersten Teilkanals 10. Sowohl der erste Abschnitt A1 des Sammelkanals 25 als auch der zweite Abschnitt A2 des ersten Teilkanals 23 haben einen kreisförmigen Querschnitt S. Man erkennt weiterhin, dass der erste Teilkanal 24 in zwei Einzelteilkanäle verzweigt ist, die im Wesentlichen parallel benachbart zueinander verlaufen.

[0037] Der zweite Teilkanal 24 ist fischgrätenförmig ausgebildet, wozu er einen Speisekanal 26 aufweist, von dem fischgrätenförmig Verzweigungskanäle 27 abzweigen. Der Speisekanal 26 ist im Wesentlichen quer zum ersten Fluidkanal 10 ausgerichtet. Die Verzweigungskanäle 27 verlaufen diagonal, bzw. tendenziell eher längs, zum ersten Fluidkanal 27.

[0038] Wie man erkennt, ist das Volumen V1 des ersten Teilkanals 23 kleiner als das Volumen V2 des fischgrätenförmig verzweigten zweiten Teilkanals 24. Das Volumen V2 des zweiten Teilkanals 24 ist sogar größer als die Summe der Volumina V1, V3 des ersten Teilkanals 23 und des Sammelkanals 25. Unschwer zu erkennen ist auch, dass der Strömungswiderstand W3 des Sammelkanals 25 größer ist als der resultierende Strömungswiderstand der parallel geschalteten Strömungswiderstände W1, W2 des ersten und zweiten Teilkanals 23, 24. Durch die gezeigte Ausbildung des zweiten Fluidkanals 20 liegt der zweite Teilkanal 24 im Kondensationsbereich des ersten Fluidkanals 10.

[0039] Wie am besten aus den Fig. 5 und 6 zu entnehmen ist, besteht ein Modul 30 aus zwei Platten 31, 32 (Fig. 5) oder aus zwei Plattenabschnitten 31, 32 (Fig. 6). In Fig. 5 erkennt man den Aufbau des Moduls 30 aus zwei Platten 31, 32, zwischen denen der zweite Fluidkanal 20 ausgebildet. Hierfür sind die zwei Platten 31, 32 stoffschlüssig miteinander verbunden und haben jeweils eine dem zweiten Fluidkanal 20 entsprechende, strukturierte Formgebung, die auf der Außenseite der Platten 31, 32 erhaben ist.

[0040] Dahingegen besteht das Modul 30 gemäß Fig. 6 aus einer einzigen Platte 31, 32, wobei die Platte 31, 32 entlang eines Biegebereichs 34, der im Bereich des Fluideintritts 11 des ersten Fluidkanals 10 angeordnet ist, gefaltet ist. Die so ausgebildeten zwei Plattenbereiche 31, 32 liegen flächig aufeinander, sodass zwischen diesen der zweite Fluidkanal 20 ausgebildet ist. Beide Plattenbereiche 31, 32 haben hierfür eine dem zweiten Fluidkanal 20 entsprechende, strukturierte Formgebung, die auf der Außenseite erhaben ist. Der Biegebereich 34 grenzt unmittelbar an den Sammelkanal 25 an.

[0041] In Fig. 7 ist ein Schnitt durch einen ersten Abschnitt A1 eines Sammelkanals 25 eines Moduls 30 zu sehen. Der erste Abschnitt A1 des Sammelkanals 25 hat einen ovalen Querschnitt S mit zwei schmalen Stirnseiten S1, S2 und zwei breiten Längsseiten S3, S4. Die schmalen Stirnseiten S1, S2 sind im Wesentlichen quer zum ersten Fluidkanal 10 ausgerichtet, wie anhand der angeschnittenen ersten und zweiten Platte 31, 32 erkennbar ist. Im Sammelkanal 25 sind Rotationselemente 50 mit jeweils einer Umlenkfläche 51 ausgebildet. Jede Umlenkfläche 51 hat eine Steigung relativ zum Kanalverlauf, sodass durchströmendes Wasser W in eine Rotation gezwungen wird.

[0042] Fig. 8 zeigt einen U-förmig ausgebildeten Wärmetauscher 1. Hierfür sind die Module 30, 40, 41 auf Seiten des Fluideinritts 11 des ersten Fluidkanals 10 mit seitlichen Schenkeln 63 versehen, sodass die Module 30, 40, 41 U-förmig sind. In diesen Schenkeln 63 verlaufen zusätzliche Fluidkanäle zu deren Kühlung. Durch in Stapelrichtung R endseitige Endmodule 60, 61, welche die gesamte U-Form der Module 30, 40, 41 abdecken, ergibt sich eine einseitig geöffnete Kammer 62, welche sich an den Fluideintritt 11 des ersten Fluidkanals 10 anschließt und unmittelbar als Brennkammer 62 einsetzbar ist. Die Endmodule 60, 61 verfügen dabei über zusätzliche Fluidkanäle, sodass sie ganzflächig gekühlt werden können. Man erkennt zudem oben mittig eingebrachte Schaulöcher im vorderen ersten Endmodul 60.

Ansprüche

1. Wärmetauscher (1) umfassend einen ersten Fluidkanal (10) für ein erstes Fluid mit einem Fluideintritt (11) und einem Fluidaustritt (12) und einen zweiten Fluidkanal (20) für ein zweites Fluid mit einem Fluideintritt (21) und einem Fluidaustritt (22), wobei der zweite Fluidkanal (20) hinter seinem Fluideintritt (21) in einen ersten und zweiten Teilkanal (23, 24) verzweigt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teilkanal (23, 24) vor dem Fluidaustritt (22) des zweiten Fluidkanals (20) zu einem Sammelkanal (25) zusammengeführt sind, der in einem ersten Abschnitt (A1) quer zum ersten Fluidkanal (10) verläuft und näher am Fluideintritt (11) des ersten Fluidkanals (10) angeordnet ist als der erste Teilkanal (23) und der zweite Teilkanal (24), wobei der erste Teilkanal (23) in einem zweiten Abschnitt (A2) quer zum ersten Fluidkanal (10) verläuft und dieser zweite Abschnitt (A2) näher am Fluideintritt (11) des ersten Fluidkanals (10) angeordnet ist als der zweite Teilkanal (24).

2. Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanal (20) innerhalb eines im Wesentlichen flächigen ersten Moduls (30) ausgebildet ist.

3. Wärmetauscher (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (30) aus zwei Platten (31, 32) besteht, zwischen denen der zweite Fluidkanal (20) ausgebildet ist, wobei die zwei Platten (31, 32) kraftschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

4. Wärmetauscher (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (30) aus einer Platte (31, 32) besteht, wobei die Platte (31, 32) entlang eines Biegebereichs (34), der im Bereich des Fluideintritts (11) des ersten Fluidkanals (10) angeordnet ist, gefaltet ist und zwei Plattenbereiche (31, 32) umfasst, die flächig aufeinander liegen und zwischen denen der zweite Fluidkanal (20) ausgebildet ist.

5. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (30) aus hochlegiertem rostfreien Edelstahl besteht.

6. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (A1) des Sammelkanals (25) und/oder der zweite Abschnitt (A2) des ersten Teilkanals (23) einen ovalen Querschnitt (S) mit zwei schmalen Stirnseiten (S1, S2) und zwei breiten Längsseiten (S3, S4) aufweist.

7. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Sammelkanal (25) und/oder im ersten Teilkanal (23) wenigstens ein Rotationselement (50) mit einer Umlenkfläche (51) ausgebildet ist, die eine Steigung relativ zum Kanalverlauf aufweist.

8. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand (W1) des ersten Teilkanals (23) um maximal 10% vom Strömungswiderstand (W2) des zweiten Teilkanals (24) abweicht.

9. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (V1) des ersten Teilkanals (23) kleiner ist als das Volumen (V2) des zweiten Teilkanals (24).

10. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand (W3) des Sammelkanals (25) größer ist als der resultierende Strömungswiderstand der parallel geschalteten Strömungswiderstände (W1, W2) des ersten und zweiten Teilkanals (23, 24).

11. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilkanal (24) durch fischgrätenförmig geprägte Platten (31, 32) begrenzt ist.

12. Heizeinrichtung mit

a) einer Brennkammer (62) umfassend eine Heizgaszuführung und eine Heizgasableitung, die mit einem Fluideintritt (11) eines ersten Fluidkanals (10) eines Wärmetauschers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche strömungsverbunden ist, und

b) einem Wärmeträgermedium führenden Fluidkreislauf, in den der Wärmetauscher (1) mit dem Fluideintritt (21) und dem Fluidaustritt (22) des zweiten Fluidkanals (20) integriert ist.

13. Heizeinrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul U-förmig ausgebildet ist, wobei das erste Modul mit seiner Höhlung die Brennkammer zumindest teilweise umschließt und der Sammelkanal (25) U-förmig in den Brennkammer-nahen Bereichen des ersten Moduls verläuft.

Zeichnung