Beschreibung

Wärmetauscher für ein Heizgerät

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Heizgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Gattungsgemäße Wärmetauscher bestehen aus mindestens zwei einstückig gegossenen Gliedern, welche einen Feuerraum mit einem Brenneranschluss im oberen Bereich sowie mindestens einen vom Feuerraum zu einem Abgassammler im unteren Bereich führenden Heizgaszug mit Wärmetauscherflächen ausbilden. Diese sind mit angegossenen Vorsprüngen, meistens Rippen oder Noppen, als Oberflächen-Vergrößerung zur Verbesserung der Wärmeübertragung versehen. In der Regel stehen die Glieder vertikal nebeneinander. Sogenannte Endglieder mit Wärmetauscherflächen auf nur einer Seite bilden die äußeren Begrenzungen und können zum Erhöhen der Wärmeübertragungsleistung mit Mittelgliedern ergänzt werden. Diese weisen Wärmetauscherflächen auf beiden Seiten auf.

Wasserseitig sind alle Glieder bisher bei allen Ausführungsformen mindestens über zwei Naben miteinander verbunden und heizgasseitig erfolgt die Abdichtung zwischen zwei Kesselgliedern mit umlaufenden Dichtleisten, die wahlweise mit einer elastischen Dichtmasse gefüllt werden können.

Bekannt sind dazu auch ungekühlte Reinigungsdeckel zum Verschluss von Heizgas führenden Kanälen auf der Stirnseite oder auch gekühlte Teile, wie zum Beispiel mit Heizmedium durchströmte Feuerraumtüren. Wichtig für dauerhaltbare Abdichtungen ist das Einhalten vor bestimmten Vorgabewerten für die Temperaturbelastungen im Dichtbereich. Neben dem Werkstoff Gusseisen für derartige Wärmetauscher sind weiterhin Brennwertheizkessel mit einem Gebläsebrenner für fossile Brennstoffe und einem Wärmetauscher aus Aluminium-Gusswerkstoffen bekannt. Diese können mit Sandguss-, Spritz-/ Druckguss- oder Verlorenen-Formen-Gussverfahren hergestellt werden. Technisch sind die Verfahren unterschiedlich aufwändig, jeweils für gewisse Stückzahlen besonders geeignet und haben in der Gestaltung der Teile auch deutliche Grenzen.

Hinsichtlich der heizmediumseitigen Strömungsführung unterscheidet man zwischen zwangsdurchströmten und nicht zwangsdurchströmten Wärmetauschern. Bei zwangs- durchströmten Wärmetauschern sorgt eine Umwälzpumpe für einen vorgegebenen Wasservolumenstrom durch die zumeist engen, mäanderförmig angelegten Wasserkanäle. Dazu sind insbesondere einstückig gegossene Wärmetauscherblocks mit ringsum um Feuerraum und Heizgaszug verlaufenden Wasserkanälen bekannt. Auf diese Weise sind trotz geringen Wasserinhaltes recht hohe, heizgasseitig eingetragene Wärmestromdichten realisierbar.

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. Sind diese beiden Größen nicht aufeinander abgestimmt, so kann das dazu führen, dass entweder die Abgassolltemperatur nicht erreicht wird - was sich in erhöhten Abgasverlusten bemerkbar macht -, oder dass die übertemperatur des Wärmetauschers gegenüber dem umgebenden Heizwasser zu lokalem Sieden führt. Unerwünschte Siedegeräusche, Materialschädigungen und/oder Ablagerungen sind dann die Folge. Auch ist es zum Beispiel aus der EP 0 287 142 A2 bekannt, den Kanalquerschnitt für das Heizmedium in der gesamten oberen, heißesten und feuerraumnahen Zone eines Wärmetauscherblocks enger als im unteren, kühleren Bereich am Rücklaufwassereintritt zu gestalten. Damit soll im gesamten oberen, heißen Bereich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Heizmedium führenden Kanal erzielt werden. Da die Kanaleinengung allmählich über den gesamten Kanalverlauf zunimmt, steigert sich dementsprechend auch die Kühlleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen kompakten, leichten und insbesondere für den Brennwertbetrieb geeigneten Wärmetauscher für ein Heizgerät zu schaffen.

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

Der Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass Glieder und Deckel an der Stirnseite miteinander zu einem heizgasdichten Block verbundenen sind, dessen Heizmedium führende Kanäle miteinander korrespondieren, und an den im oberen Bereich ein Brenner und an der Unterseite ein Abgassammler angeschlossen werden können.

Dabei weisen die mit Heizgas beaufschlagten Wärmetauscherflächen zweier benachbarter Glieder über deren Länge in der Mitte, also an der Stelle mit der größten Wärmebelastung, einen größeren Abstand zueinander auf und bilden damit einen breiteren Heizgaszug als in den Randbereichen aus. Dabei besitzen die einander zugeordneten Rippen zweier Glieder in der Mitte jeweils eine größere Höhe und überlappen einander über eine größere Fläche als in den Randbereichen.

Auch für die Heizmedium führenden Kanäle in den Gliedern ist erfindungsgemäß jeweils in der Mitte eines Gliedes ein geringerer Querschnitt vorgesehen, so dass dort eine höhere Strömungsgeschwindigkeit vorherrscht als in den Randbereichen, um die Wärme aus der heißesten Zone gut abzuführen. Der Querschnitt der Heizmedium führenden Kanäle in den Gliedern verjüngt sich jeweils zur Mitte eines Gliedes hin, läuft zum Beispiel konisch zu. Diese Querschnittsverringerung entspricht im Wesentlichen der Formschräge der für die gießtechnische Herstellung erforderlichen Kerne, wobei vorzugsweise ein Winkel von 1 ,5 Grad bis 7 Grad zur Mittelachse eines Kanals als Formschräge vorgesehen ist.

Die Heizmedium führenden Kanäle sind mit den Deckeln so miteinander verbunden, dass sich durch den gesamten Block, ausgehend von einem unteren Rücklaufanschluss, eine Durchströmung von unten nach oben zu einem dort angebrachten Vorlaufanschluss, im Gegenstrom zu den Heizgasen, einstellt. Dabei werden vom Heizmedium die verbundenen Kanäle in mehreren Ebenen nacheinander durchströmt.

In einer ersten Ausführungsform sind die Heizmedium führenden Kanäle mit den Deckeln so miteinander verbunden, dass sich ausgehend von einem Rücklaufanschluss nachfolgende Durchströmung einstellt: zunächst aus einer ersten unteren Ebene über den unteren Bereich des ersten äußeren Gliedes, mit einer überleitung in mindestens ein Mittelglied und mit einer Durchströmung desselben im unteren Bereich, mit einer überleitung in das zweite äußere Glied sowie einer Durchströmung in dessen unterem Bereich. Es folgt dann eine U-förmige vertikale Umlenkung im Glied auf eine zweite Ebene in den mittleren Bereich, von dieser aus zunächst eine überleitung in mindestens ein Mittelglied und eine Durchströmung desselben im mittleren Bereich, eine überleitung in den mittleren Bereich des ersten äußeren Gliedes und dort eine vertikale Umlenkung im Glied in eine dritte E- bene im mittleren Bereich. Auf dieser Ebene wird die Strömung umgekehrt zur zweiten Ebene durch den gesamten Block bis in das zweite äußere Glied geführt. Von dort ausgehend erfolgt eine U-förmige vertikale Umlenkung im Glied in eine vierte Ebene im oberen Bereich, auf der ein direkter Verbindungskanal durch einen stirnseitigen Deckel zum gegenüberliegenden ersten Glied sowie einem Vorlaufanschluss auf der oberen Ebene

berliegenden ersten Glied sowie einem Vorlaufanschluss auf der oberen Ebene besteht.

Der Verbindungskanal umfasst und kühlt somit den Feuerraum an drei Seiten, so dass kein Isoliermaterial erforderlich ist. An der vierten, ungekühlten Seite befindet sich die Zugangsmöglichkeit zum Feuerraum, beispielsweise in Form einer Aussparung zum Anbringen eines Schauglases sowie von Zünd- und/oder überwachungseinrichtungen für einen Brenner.

Auf der vierten Ebene ist das mindestens eine Mittelglied ausgespart, hat also einen Kühlkanal weniger als die beiden äußeren Glieder, um einen etwas tieferen Feuerraum auszubilden bzw. die nötige Ausbrandhöhe zu gewährleisten.

In einer zweiten Ausführungsform sind die Heizmedium führenden Kanäle mit den Deckeln so miteinander verbunden, dass sich ausgehend von einem Rücklaufanschluss eine serpentinenartige Durchströmung im ersten äußeren Glied, eine überleitung und ebenfalls serpentinenartige Durchströmung in mindestens einem Mittelglied sowie eine überleitung und eine serpentinenartige Durchströmung im zweiten äußeren Glied mit Verbindung zu einem Vorlaufanschluss einstellt.

Generell sind in den Deckeln Umlenkzonen vorgesehen, welche aus Auswölbungen der die Umlenkzonen begrenzenden Wände bestehen. Die Heizmedium führenden Kanäle besitzen in den Umlenkzonen einen mindestens gleich großen oder größeren Querschnitt als in den Randbereichen der Glieder, um für eine beruhigte, druckverlustarme Strö- mungsumlenkung zu sorgen. Einer der Deckel weist im oberen Bereich vorzugsweise keine Heizmedium führenden Kanäle auf, sondern besitzt stattdessen eine Aussparung zum Anbringen eines Schauglases sowie von Zünd- und/oder überwachungseinrichtungen für einen Brenner. Um alle Komponenten zu einem Block heizgas- und flüssigkeitsdicht zu verbinden, sind die Stirnseiten der Glieder flanschartig ausgebildet und bilden eine Anlage- bzw. Dichtfläche für einen zugeordneten Deckel aus. Vorteilhafterweise werden die Deckel mit den Gliedern über ein Reibschweißverfahren verbunden, aber auch andere Schweißverbindungsverfahren mit Eignung für Aluminium-Werkstoffe sind dafür denkbar. Deckel mit den Glieder können auch an ihren beiden äußeren Rändern an mehreren Punkten mit den beiden äußeren Gliedern verschraubt sein.

Weiterhin können die Oberflächen vergrößernden Elemente im Heizgaszug, insbesondere in Form von in vertikaler Richtung verlaufenden Rippen, horizontal unterbrochen sein. Diese Unterbrechung soll Wärmeleitung vom heißen, oberen in den kühleren, unteren Wärmetauscherflächen-Bereich vermeiden, zum Beispiel um optimal die Heizgase unter den Taupunkt abzukühlen und den Brennwert zu nutzen. Die Unterbrechung einer Rippe

erfolgt jeweils mindestens im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Ebene der Heizme¬

dium führenden Kanäle, welche zueinander schon einen deutlichen Temperaturunterschied aufweisen. Außerdem kann ein Entlüftungsstutzen, eine Gas-/Luft- Gemischzufuhrleitung und/oder eine Abgasleitung in einem Glied oder einem Deckel integriert sein.

Mit der Erfindung wird ein kompakter, leichter und insbesondere für den Brennwertbetrieb geeigneter Wärmetauscher für ein Heizgerät geschaffen, welcher vorrangig aus Aluminium-Gusswerkstoffen gefertigt ist. Ein modularer Aufbau zur Darstellung unterschiedlicher Leistungsgrößen ist leicht möglich und die Fertigung der Kesselglieder ist relativ günstig. Der Wärmetauscher ist einfach zu reinigen und von der Oberseite her, über den relativ großen Feuerraum zugänglich. Die Aluminium-Teile können mit gut ausformbaren Kernen im Sandguss- und Spritz-/Druckgussverfahren oder im Verlorenen-Formen-Gussverfahren in Massenproduktion hergestellt werden.

Dieses erfindungsgemäße Design hat den Vorteil, dass der Wärmeübertragungskoeffizient im Zentrum des Wärmeaustauschers am höchsten ist. Durch die sich verjüngenden Wasserkanäle ist die Geschwindigkeit des Heizmediums am Anfang und am Ende jedes Kanals relativ niedrig. Sie ist nur im Zentrum hoch, wo eine hohe Wärmeübertragungsleistung erforderlich ist. Daher können die Heizmedium führenden Kanäle im Zentrum schmäler werden und die Höhe der Rippen entsprechend zunehmen, weil der hohe Wärmeeintrag im Zentrum leicht wegen der lokal höheren Geschwindigkeit an das Heizmedium ü- bergeben werden kann. Das sonst übliche Problem mit der Gefahr des Kochens an dieser kritischen Stelle wird vermieden.

Die Effizienz des Wärmeaustauschers wird besonders heizgasseitig erhöht, weil die Rippen ineinander verschachtelt sind und damit ein große spezifische Wärmetauscher- Fläche bieten. Weiterhin herrschen bei der erfindungsgemäßen Konstruktion relativ niedrige Temperaturen in den vom Heizmedium umspülten Dichtungszonen vor, welche den Gebrauch von gängigen Dichtungsmaterialien ermöglichen.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt einen Wärmetauscher:

Fig. 1 : in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2: in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,

Fig. 3: in einem horizontalen Längsschnitt und

Fig. 4: in einem vertikalen Längsschnitt.

Der Wärmetauscher besteht im Wesentlichen aus zwei vertikal ausgerichteten äußeren Gliedern 1 , 1 ', zwei zwischen diesen positionierten Mittelgliedern 2 sowie jeweils einem Deckel 3, 3' an den Stirnseiten. Damit wird ein Feuerraum 4 im oberen Bereich ausgebildet, von dem aus Heizgaszüge 5 mit Rippen 6 versehene Wärmetauscherflächen zu einem nicht dargestellten Abgassammler im unteren Bereich führen.

In alle Glieder 1 , 1 ', 2 und Deckel 3, 3' sind Heizmedium führende Kanäle 7 integriert, so dass über die Deckel 3, 3' an der Stirnseite alle Glieder 1 , 1 ', 2 miteinander zu einem heizgasdichten und in Bezug auf die Heizmedium führenden Kanäle 7 mindestens teilweise verbundenen Block montiert sind.

Besonders aus Fig. 3 geht hervor, wie die Wärmetauscherflächen zweier benachbarter Glieder 1 , 1 ', 2 über deren Länge in der Mitte einen größeren Abstand zueinander aufweisen und damit einen breiteren Heizgaszug 5 als in den Randbereichen ausbilden. In Fig. 3 und Fig. 4 ist weiterhin zu erkennen, dass sich der Querschnitt der Heizmedium führenden Kanäle 7 in den Gliedern 1 , 1 ', 2 jeweils zur Mitte eines Gliedes 1 , 1 ', 2 hin konisch verkleinert, um dort eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als in den Randbereichen zu erreichen.

Die Heizmedium führenden Kanäle 7 mit den Deckeln 3, 3' sind so miteinander verbunden, dass sich durch den gesamten Block, ausgehend von einem unteren Rücklaufan- schluss, eine Durchströmung von unten nach oben zu einem dort angebrachten Vorlauf- anschluss im Gegenstrom zu den Heizgasen einstellt. Dabei werden die Heizmedium führenden Kanäle 7 in mehreren Ebenen E1 , E2, E3, E4 nacheinander durchströmt. Jeweils innerhalb einer Ebene E1 , E2, E3, E4 schlängelt sich die Strömung durch die Bauteile der Anordnung, mit horizontaler Umlenkung in den in den Umlenkzonen 8 der Deckel 3, 3'. Am Ende des Strömungsweges in einer Ebene E1 , E2, E3 erfolgt wechselweise innerhalb der beiden äußeren Glieder 1 , 1 ' eine U-förmige vertikale Umlenkung 8' auf die nächste, darüber liegenden Ebene E2, E3, E4.

Der Deckel 3' besitzt im oberen Bereich keine Heizmedium führenden Kanäle 7, sondern stattdessen eine Aussparung 9 zum Anbringen eines Schauglases sowie von Zünd- und/oder überwachungseinrichtungen für einen Brenner. Die Stirnseiten aller Glieder 1 , V, 2 sind flanschartig ausgebildet und bilden eine Anlage- bzw. Dichtfläche für einen zugeordneten Deckel 3, 3' aus, wobei die Deckel 3, 3' entweder mit einem Schweißverfah-

ren verbunden oder an ihren beiden äußeren Rändern an mehreren Punkten 10 mit den beiden äußeren Gliedern 1 , 1 ' verschraubt sind.

In Fig. 1 ist weiterhin ein Entlüftungsstutzen 1 1 dargestellt, welcher in den Deckel 3 integriert ist.