DE60202162T2

DE60202162T2 - Wärmetauscher für einen Brennwertkessel

Info

Publication number: DE60202162T2
Application number: DE60202162T
Authority: DE
Inventors: Claudio Bianchini; Massimo Maini; Nicola Lovascio; Raffaello Rastelli
Original assignee: IMMERGAS SpA; IMMERGAS SpA BRESCELLO
Current assignee: IMMERGAS SpA; IMMERGAS SpA BRESCELLO
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: DE60202162D1; ES2230406T3; EP1243866A1; ITPR20010024A1; EP1243866B1; ATE284520T1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein für einen Brennwertkessel geeigneter Wärmetauscher.
Es ist bekannt, dass Brennwertkessel sowohl die durch Verbrennung entstehende als auch die in den Verbrennungsgasen enthaltene latente Kondensationswärme nutzen, welche bei herkömmlichen Kesseln durch den Schornstein verloren geht, ohne genutzt zu werden.
Die in den Rauchgasen enthaltene Wärme wird im allgemeinen durch Wärmetauscher aus verschiedenen Werkstoffen und verschiedener Form zurückgewonnen, in denen die Rauchgase an einer Vielzahl von Rohren entlang strömen, die von dem Wasser einer Heizungsanlage durchströmt werden. Die gewonnene Menge an Kondensationswärme hängt vor allem von der Vor- und Rücklauftemperatur des Wassers der Heizungsanlage ab.
Mit bekannte Wärmetauscher aufweisenden Brennwertkesseln kann zwar die Wärme der Rauchgase zurückgewonnen werden, diese Kessel weisen jedoch verschiedene Nachteile auf.
Insbesondere müssen die Rohre miteinander verbunden werden, um einen kontinuierlichen Strömungspfad für das Wasser zur Verfügung zu stellen, wobei diese Verbindung aufwendig und teuer ist und viel Bauraum einnimmt. Ferner ist diese Verbindung fest bzw. in bestimmten Fällen nur schwer veränderbar, um den Strömungspfad des Wassers in dem Wärmetauscher zu verändern.
In dem Europäischen Patent EP 0687870 ist ein Wärmetauscher der oben beschriebenen Art angegeben, in dem die Rohre aus 0,5 ± 0,2 mm starkem rostfreiem Stahl bestehen und so angeordnet sind, dass ihr gegenseitiger Abstand im Bereich der Rauchgase bei 1,0 ± 0,5 mm liegt und sie übereinander, nebeneinander oder versetzt angeordnet, verschweisst oder verlötet sind, so dass die Seitenwände vor der Brennerhitze geschützt sind.
Die Seitenwände bestehen aus einer aufwendigen Anordnung übereinander liegender Rohre mit kreisförmigem Querschnitt.
DE 198 02 426 beschreibt einen Wassererhitzer mit einer in einem wassergekühlten Schaft angeordneten Brennkammer mit einem ringförmigen Luftspalt zwischen seinem unteren Rand und dem oberen Rand eines Wärmeleiters. Ein Strömungsspalt für Brenngase ist mindestens zwischen einer Seite, vorzugsweise zwischen beiden Seiten, des Wärmeleiters (32) und einem wassergekühlten Wandbereich des Schaftes vorgesehen.
Der Wärmeleiter kann aus einem Plattenpaket gebildet werden, durch das sich wasserleitende Rohren (36) erstrecken. Der dort beschriebene Wärmetauscher umfasst Rohre mit im wesentlichen ovalem Querschnitt, welche die Seitenwände einer Brennkammer bilden. Ein Nachteil dieses Aufbaus besteht in dem Verlust der Wärme, die sich in dem Halsteil zwischen den Rohren bildet, wodurch sich die Wirksamkeit des Wärmetauschers vermindert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile zu beseitigen und einen Wärmetauscher in einem Brennwertkessel anzugeben, in dem die Wände der Brennkammer auf besonders einfache und wirtschaftliche Weise ausgebildet werden können, ohne dass wie bei dem herkömmlichen Stand der Technik die Notwendigkeit besteht, eine Vielzahl von Rohren mit kreisförmigem Querschnitt übereinander anzuordnen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Rohre auf einfache, schnelle und vielfältige Weise untereinander verbinden zu können, um den Strömungspfad des Wassers in dem Wärmetauscher zu verändern.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers zu vergrössern.
Diese Aufgaben werden vollständig durch den erfindungsgemässen Wärmetauscher gelöst, der durch die weiter unten aufgeführten Patentansprüche und insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass er ein erstes, im Querschnitt im wesentlichen rechteckig oder oval ausgebildetes, eine erste Seitenwand einer Brennkammer bildendes einzelnes Rohr (8a) und ein zweites, dem ersten Rohr gegenüberliegendes, im Querschnitt im wesentlichen rechteckig oder oval ausgebildetes, eine zweite Seitenwand einer Brennkammer bildendes einzelnes Rohr (8a) umfasst, wobei die genannte zweite Wand der ersten Seitenwand gegenüberliegt.
Die genannten Rohre werden vorzugsweise durch Verschweissen zweier symmetrischer Hälften an den kurzen Seiten des rechteckigen Querschnitts gebildet und mit Verstärkungsvorsprüngen bzw. -vertiefungen versehen.
Der Tauscher kann ferner mindestens zwei am Ende der Vielzahl von Rohren eingebaute und mit Trennwänden versehene Deckel aufweisen, die Verbindungskammern zwischen den Rohren herstellen und die Ausbildung des Wasserströmungsweges bestimmen.
Diese und weitere Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausbildungsform näher hervor, welche lediglich beispielsweise in den beiligenden Zeichnungen dargestellt ist; es zeigen:
1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines einen erfindungsgemässen Wärmetauscher umfassenden Brennwertkessels;
2 eine teilweise geschnittene Stirnansicht des Kessels von 1;
3 und 4 die linken bzw. rechten Abschlussplatten oder Deckel;
5 den Schnitt gemäss A-A des Deckels von 3;
6, 7 und 8 drei verschiedene Ansichten einer Rohrverrippung, 7 zeigt insbesondere den Schnitt gemäss B-B von 6;
9 und 10 zwei perspektivische Ansichten des Wärmetauschers aus zwei verschiedenen Winkeln,
11 und 12 den Wärmetauscher von der Seite der beiden Abschlussplatten her, welche den 3 und 4 entsprechen, in einer Ausbildungsvariante;
13 den Schnitt gemäss C-C von 11;
14, 15 und 16 jeweils eine perspektivische Ansicht, eine Seitenansicht und eine vergrösserte Ansicht einer Einzelheit des Vorsprungs bzw. der Vertiefung von besonderen Leitungen mit rechteckigem Querschnitt;
17 eine perspektivische Ansicht eines Diffusors.
In den Figuren ist mit 1 insgesamt ein Brennwertkessel gekennzeichnet, der einen Lüfter 2 umfasst, welcher mithilfe seines Unterdruckes durch den Venturieffekt eine Mischung aus Verbrennungsgasen und Luft bildet. Diese Mischung gelangt dann zu einem in die Brennkammer 4 ragenden Brenner 3.
Die infolge der Verbrennung entstehenden Rauchgase durchströmen einen Wärmetauscher 5, wobei sie Wärme abgeben und gegebenenfalls in dem unteren Bereich des Wärmetauschers kondensieren, wo ein Kondenswasserablass 6 ausgebildet ist. Danach werden die Rauchgase durch einen Schornstein 7 abgeführt.
Der Tauscher 5 weist eine Vielzahl von vorzugsweise aus reinem Alluminium bestehenden und eine Stärke von 0,8 mm bis 2 mm aufweisenden Rohren 8 auf, welche auf zwei übereinanderliegende Blöcke verteilt und in Reihe miteinander geschaltet sind. Die Rohre 8 bilden einen Strömungspfad für das von der Heizungsanlage kommende Wasser; dieser Pfad erstreckt sich in dem Wärmetauscher zwischen einem Rücklaufbereich 10 von der Heizungsanlage und einem Abgabebereich 11 zu der Heizungsanlage.
Der Wärmetauscher 5 umfasst auf neuartige Weise mindestens einen Deckel 12 (in den in den 3, 4 und 13 dargestellten Beispielen sind es zwei), der an einem Ende der Vielzahl von Rohren 8 eingebaut ist. Die Deckel 12 sind auf neuartige Weise innen mit einem Labyrinth ausgebildet, das aus Trennwänden 13 (und nicht wie nach dem Stand der Technik aus einfachen Dichungen) besteht, die Verbindungskammern 14 zwischen den Rohren ausbilden und folglich die Ausbildung des Wasserströmungspfades bestimmen. Die Deckel 12 können am Ende der Rohre eingebaut oder aber mit diesen zur Ausbildung eines einstückigen Blockes schweissgelötet werden.
Durch Veränderung der Labyrinthausbildung kann folglich der Strömungspfad 9 auf sehr einfache Weise verändert werden.
1 zeigt eine mögliche Ausbildung der Trennwände 13 und der entsprechenden Verbindungskammern 14 um einen vorbestimmten Pfad zu bilden, zum Beispiel der in 3 dargestellten Art oder gemäss der in den 3 und 4 dargestellten Ausbildung, während die 11, 12 und 13 eine Ausbildungsvariante darstellen, in der der Wärmetauscher im Querschnitt im wesentlichen rechteckig anstatt sechseckig ausgebildet ist.
Die Rohre 8 umfassen vorteilhafterweise eine Vielzahl von Rippen 15 zur Verbesserung des Wärmeaustauschs zwischen den Rauchgasen und dem Wasser. Diese Rippen 15 sind vorteilhafterweise mit den entsprechenden Rohren 8 verlötet oder schweissverlötet oder durch Laser- oder TIG-Schweissen (Tungstenelektroden) verbunden. Die Rippen 15 weisen eine Stärke von 0,5–2 mm und eine Teilung von 2,5–4 mm auf, wobei unter "Teilung" der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Rippen zu verstehen ist.
Die Ausbildung einer einzelnen Rippe ist in den 6, 7 und 8 näher dargestellt, aus denen klar ersichtlich ist, dass eine einzelne Rippe eine Vielzahl von Rohren umfasst. Diese "Rippe" ist nach unten geöffnet, so dass die Folge von Rippen einen Vorsprung 16 ausbildet (siehe 10), an der eine nicht dargestellte, mit dem Schornstein 7 verbundene Rauchabzugshaube einfach angebracht werden kann.
Die Rippen können Abstandselemente 17 aufweisen, die den Zusammenbau vereinfachen und die Rauchgasverwirbelung erhöhen, um die Rauchgase mit den Rohren in Berührung zu bringen und den Wärmeaustausch zu intensivieren.
Die Rohre 8 des oberen Bereiches umfassen auf neuartige Weise ein im Querschnitt rechteckiges oder ovales Rohrpaar 8a, welche Rohre, wie in den 9 und 10 dargestellt, auch die oberen Seitenwände der Brennkammer bilden, während der untere Teil der Seitenwände durch die Rippen 15 gebildet wird, die hierzu entsprechend gebogen und zu einer durchgehenden geschlossenen Seitenwand verlötet (oder andersartig verschweisst) sind.
Die Rohre 8a werden auf neuartige Weise durch die Verbindung mittels Schweissen (die Schweisslinien sind mit dem Bezugszeichen 8c gekennzeichnet und befinden sich an den kurzen Seiten des rechteckigen Querschnitts der Rohre oder den Enden mit kleinerem Krümmungsradius der ovalen Querschnitte) von zwei Blechhälften aus Metall gebildet, welche jeweils Vorsprünge bzw. Vertiefungen 8b aufweisen, die beim Verschweissen der beiden Hälften zum Verstärken des Rohres 8a miteinander gekoppelt werden und mit den entsprechenden Vorsprüngen bzw. Vertiefungen der anderen Hälfte zusammenwirken.
Die Vorsprünge bzw. Vertiefungen 8a sind vorzugsweise kreisförmig und im Querschnitt gleichschenklig trapezoidal ausgebildet, wie aus 16 hervorgeht.
Durch die in der Form im wesentlichen rechteckig oder oval ausgebildeten, mit Vorsprüngen bzw. Vertiefungen ausgebildeten Rohre 8a kann die Vielzahl von übereinander angeordneten kreisförmigen Rohren herkömmlicher Wärmetauscher vorteilhafterweise auf besonders einfache und wirtschaftliche Art ausgetauscht werden.
Mit 18 ist ein in 17 näher dargestellter Diffusor gekennzeichnet, der dazu dient, den Wärmeaustausch zu verbessern und der als Formgitterblech aus Metall ausgebildet ist, das zum Zwecke einer besseren Verteilung der inneren Strömung über seine Oberfläche verteilte Löcher aufweist. Der oben beschriebene Kessel arbeitet folgendermassen. Der Lüfter 2 stellt die Mischung aus Rauchgasen und Luft her, welche in den Brenner 3 eingeführt wird. Die infolge der Verbrennung entstehenden Gase strömen durch den Wärmetauscher 5 und treten durch den Schornstein 7 aus. Das Kondenswasser wird durch den Abfluss 6 abgeleitet.
Beim Durchströmen des Wärmetauscher 5 geben die Rauchgase Wärme an das Wasser ab, das den Pfad entlang der (eventuell gerippten) Rohre 8 zwischen dem Rücklaufbereich der Heizungsanlage und dem Abgabebereich der Heizungsanlage strömt.
Durch das neuartige Vorsehen und Ausbilden der Deckel 12 kann der Strömungspfad auf einfache schnelle Weise und ohne zu grossen Bauraum ausgebildet werden, wobei er ferner je nach unterschiedlichem zum Einsatz kommenden Labyrinth, das heisst je nach Anordnung der Trennwände 13 und der entsprechenden Verbindungskammern 14 veränderbar ist.
Die Verbindungskammern 14 dienen ferner als Stirnwand der nassen Brennkammer. Beispielsweise können zwei herkömmliche Wärmetauscher jeweils mit eigenem Rohrblock oder -set zum Einsatz kommen und diese Wärmetauscher können im wesentlichen übereinander angeordnet und mithilfe geeigneter Labyrinthe zum Beispiel so miteinander verbunden werden, dass der Wasserrücklauf in den unteren Wärmetauscher eintritt und dann in den oberen Wärmetauscher strömt, aus dem das Wasser durch die Abgabeleitung austritt.

Claims

Wärmetauscher (5) für einen Brennwertkessel (1) der Art umfassend eine Vielzahl von Rohren (8), die einen Wasserströmungsweg (9) zwischen einem Rücklaufbereich (10) von einer Heizungsanlage zu einem Abgabebereich (11) der Anlage bilden, dadurch gekennzeichnet dass er umfasst: ein erstes im Querschnitt im wesentlichen rechteckig oder oval ausgebildetes einzelnes, eine erste Seitenwand einer Brennkammer bildendes Rohr (8a); ein zweites, dem ersten Rohr gegenüberliegendes einzelnes Rohr (8a), das im Querschnitt im wesentlichen rechteckig oder oval ausgebildet ist und eine zweite Seitenwand einer Brennkammer bildet, wobei die genannte zweite Seitenwand der ersten Seitenwand gegenüberliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die genannten Rohre (8a) durch Verschweissen von zwei symmetrischen Hälften an den kurzen Seiten des rechteckigen Querschnitts oder den kleineren Krümmungsradien des ovalen Querschnitts herstellbar sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die genannten Rohre (8a) Vorsprünge oder Vertiefungen (8b) zur Versteifung aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, bei dem die Vorsprünge oder Vertiefungen (8b) kreisförmig sind und einen gleichschenkligen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen aus einem geformten Lochgitter bestehenden Diffusor (18) umfasst.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei am Ende der Vielzahl von Rohren (8) angebrachte Deckel (12) umfasst, die auf der Innenseite Verbindungskammern (14) zwischen den Rohren (8) bildende und die Ausbildung des Wasserströmungswegs (9) bestimmende Trennwände (13) aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, bei dem die Verbindungskammern (14) so geformt sind, dass sie ferner die Funktion der Vorderwand einer nassen Brennkammer übernehmen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl von Rohren (8) auf zwei übereinander angeordnete Blöcke verteilt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem eine vom Wasser der Heizungsanlage umgebene nasse Brennkammer (4) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem den Rohren (8) Rippen (15) zur Verbesserung des Wärmeaustauschs zwischen Rauchgas und Wasser zugeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rohre (8) aus reinem Aluminium bestehen und eine Stärke von 0,8–2 mm aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, bei dem die Rippen (15) an die entsprechenden Rohre (8) gelötet oder schweissgelötet oder geschweisst sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, bei dem die einzelnen Rippen (15) so ausgebildet sind, dass sie eine Vielzahl von Rohren (8) miteinander verbinden, wobei sie diese umgeben.
Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem die Rippen jeweils eine Stärke von etwa 0,5–2 mm aufweisen und der Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen oder die Rippenteilung bei etwa 2,5–4 mm liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, bei dem die Rippen (15) so ausgebildet sind, dass sie einen unteren Vorsprung (17) bilden, an dem eine Rauchhaube angesetzt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, bei dem die Rippen (15) zur Bildung einer Seitenwand des Wärmetauschers gebogen und gelötet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, bei dem die Rippen (15) so ausgebildete Abstandselemente (17) aufweisen, dass diese die Rauchgasverwirbelung erhöhen, damit das Rauchgas an den Rohren (8) entlangstreicht und der Wärmeaustausch erhöht wird.
Brennwertkessel (1) dadurch gekennzeichnet dass er einen Wärmetauscher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.