EP1108963A2 - Rauchgas-Wärmetauscher - Google Patents

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EP1108963A2
EP1108963A2 EP00127480A EP00127480A EP1108963A2 EP 1108963 A2 EP1108963 A2 EP 1108963A2 EP 00127480 A EP00127480 A EP 00127480A EP 00127480 A EP00127480 A EP 00127480A EP 1108963 A2 EP1108963 A2 EP 1108963A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flue gas
heat exchanger
transverse
transverse rib
exchanger according
Prior art date
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Granted
Application number
EP00127480A
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English (en)
French (fr)
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EP1108963A3 (de
EP1108963B1 (de
Inventor
Markus Jäger
Thomas Hartmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1108963A2 publication Critical patent/EP1108963A2/de
Publication of EP1108963A3 publication Critical patent/EP1108963A3/de
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Publication of EP1108963B1 publication Critical patent/EP1108963B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/006—Air heaters using fluid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction

Definitions

  • the invention relates to a flue gas heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Such a heat exchanger is, for. B. used in gas heaters generated by a gas flame and with the flue gas flow from the flame Extract heat to heat room air or water.
  • the hot flue gas flow is through a flue gas duct led while the medium to be heated on the outside of the Flue gas channel flows past.
  • Such a flue gas heat exchanger is known from DE 197 45 424 A1, where the flue gas is fed into a container via a flue gas inlet is in which several parallel to each other and in the direction of flow extending baffles are arranged, the flue gas in a serpentine Force the flow direction inside the tank until that Flue gas leaves the tank via a flue gas outlet. Because of the longer flow time of the flue gas and thus the longer dwell time In the container, the heat can be transferred to the outside of the tank more efficiently Containers existing medium are released.
  • FIG. 3 a plan view of the inside of a housing half-shell of a known heat exchanger shows.
  • An associated second housing shell is not shown, which is substantially symmetrical with the first housing shell and on which first housing shell can be placed.
  • a burner e.g. B. an atmospheric LPG burner can be applied.
  • Gas flame extends into a combustion chamber 2.
  • the combustion chamber 2 goes smoothly into a flue gas duct 3, the one above the flame arranged imaginary flue gas inlet 4 begins and at a flue gas outlet 5 ends.
  • an exhaust pipe not shown connectable, through which the flue gas is discharged to a chimney can.
  • the flue gas duct 3 runs between the flue gas inlet 4 and the Flue gas outlet 5 meandering and makes several 90 ° deflections, to achieve the longest possible path for the flue gas flow and one to enable compact construction of the heat exchanger.
  • ribs are on the outside of the two heat exchanger housing half-shells ribs, each not shown, are provided to the surface to the outside increase and thus the heat emission to the surrounding medium (here: the warming air). Furthermore, on the inside of the Housing half-shells provided a plurality of longitudinal ribs 6, which for a Enlargement of the inner surface of the heat exchanger and thus also ensure an increase in heat transfer.
  • the flue gas is through the Longitudinal ribs 6 guided in the direction of flow. Only at the deflection points no longitudinal ribs are provided. The large number of longitudinal ribs ensures for a clear channel narrowing and thus a delay in flow velocity, which also improves heat transfer.
  • a ceramic heat exchanger is known from DE 37 30 137 A1, at in a heat exchanger interior that is insulated from the outside of ceramic base plates parallel to and offset from each other are arranged. On the top of each base plate are across Ribs running flue gas flow arranged. Opposite spaces between the ribs are on the underside of an opposite one Base plate formed in the ceramic material of the base plate in each case pipelines, through which the medium to be heated flows. The surfaces of the Pipelines are in relation to the overall dimension of the heat exchanger low, so that only small amounts of heat can be transferred. Furthermore, the base plates are made of ceramic material, which is good corrosion resistance, but has only low heat conduction properties.
  • the invention is based on the object of a flue gas heat exchanger specify at least one degree of efficiency with a low cost of materials can be achieved, the efficiency of heat exchangers with longitudinal ribs.
  • the flue gas heat exchanger according to the invention is characterized in that that at least one of the inner walls of the flue gas duct Cross rib is provided, which is substantially perpendicular to a Extends the direction of flow of the flue gas.
  • Cross ribs provided on different inner walls of the flue gas duct are arranged.
  • the Cross ribs alternately on two opposite inner walls of the Flue gas duct arranged. This forces the flue gas flow meandering back and forth between the two housing shells, causing a noticeable lengthening of the mean flow path is achieved.
  • the number and spacing of the transverse ribs is advantageously chosen so that that the core flow, which initially breaks off when a transverse rib flows over it and swirled again to rest against the inner walls of the flue gas duct comes before it is disturbed again by the next cross rib.
  • the heat of the flue gas flow to the metallic one is particularly effective Lead outside wall of the flue gas duct, which causes the heat transfer is improved.
  • Fig. 1 shows the flue gas heat exchanger according to the invention in disassembled State in which two housing shells 10, 11 are separated from one another.
  • the two housing shells 10, 11 can be assembled on a fictitious line B folded up and by means of their flanges 12, 13 in a suitable and on are known to be connected to each other. Expediently a seal is inserted between the flanges 12 and 13 prior to assembly.
  • the housing shells 10, 11 are preferably made of cast aluminum manufactured.
  • the invention is not based on the assembled Heat exchanger, but based on the two open housing shells 10, 11 explained, the inside of which are clearly visible in FIG. 1.
  • the Burner is preferably operated with liquid gas and forms together with the heat exchanger is a heater that is particularly suitable for caravans.
  • the flame generated by the burner extends into a combustion chamber 15, which are seamlessly defined on one to explain the invention, but otherwise Flue gas inlet 16 into a flue gas duct that is not recognizable in terms of features 17 passes.
  • the flue gas duct 17 extends in a meandering shape in a riser 18, a first transverse channel 19, a first vertical Channel 20, a second transverse channel 21, a second vertical channel 22, a third transverse channel 23 and a third vertical channel 24 into one flue gas outlet 25 serving as an exhaust connection.
  • transverse ribs are provided in the course of the flue gas duct 17, namely a first transverse rib 26, a second transverse rib 27, a third transverse rib 28, a fourth transverse rib 29 and a fifth transverse rib 30.
  • Each of the transverse ribs 26 to 30 extends substantially perpendicular to one Flow direction of the flue gas and is in one piece with its long side molded onto an associated inner wall 31 or 32 of the housing shells 10, 11.
  • the end faces of the transverse ribs 26 to 30 run into the narrower ones Inner or side walls of the housing shells 10, 11.
  • the first, third and fifth transverse ribs 26, 28, 30 are on one housing shell 10 formed while the second and fourth transverse ribs 27, 29 the other housing shell 11 are provided. That means the cross ribs 26 to 30 alternately on the two opposite inner walls 31, 32 of the flue gas duct 17 are arranged. Due to the special arrangement the transverse ribs 26 to 30 take the one passing through the flue gas duct 17 Flue gas flow a serpentine course.
  • the as flow obstacles acting cross ribs 26 to 30 force the flue gas flow each in a different direction, opposite the transverse rib in question, whereby the flow at the cross rib breaks off and only in the further course, with a certain distance after the cross rib, to rest against the walls of the housing shells 10, 11 come through before the flue gas flow the next cross rib in the other direction, d. H. now to the opposite Housing shell, is deflected.
  • transverse ribs can be seen particularly well from FIG a section along the line A in Fig. 1, but in the assembled state of the heat exchanger shows.
  • FIG. 2 shows in particular the first, the second and the third transverse rib 26, 27, 28 recognizable, each alternately on the opposite inner walls are arranged.
  • the hot flowing up from the riser 18 Flue gas flow is in the first after the flue gas duct 17 has been bent
  • Cross channel 19 first from the first transverse rib 26 in the direction of the housing shell 11 deflected before passing through the second transverse rib 27 in the direction the other housing shell 10 is forced.
  • the third transverse rib 28 in turn redirects the flue gas flow towards the housing shell 11.
  • transverse ribs which extend from the side, narrower inner walls of the housing shells, however, only occupy part of the width of the flue gas duct.
  • both casing shells consequently have inner ribs at the same point, which, however, only cover part of the canal.
  • the transverse ribs can be arranged such that they are screw-shaped or vortex-shaped Force the course of the flue gas flow.
  • the transverse ribs are in Form of crosspieces provided that the flue gas flow from the center of the Displace the flue gas duct to the side walls.
  • the number and arrangement of the transverse ribs 26 to 30 is for the function of the Heat exchanger, d. H. especially for reliable cold start behavior and crucial for optimizing heat transfer.
  • the number of five transverse ribs has been shown in numerous laboratory tests proven to be particularly useful, since it is precisely this division that ensures is that the core flow always goes over a cross rib comes fully back to the side walls, d. H. the spatial distance between the transverse ribs is large enough.
  • a larger number of cross ribs would only increase the heat exchanger weight lead, but no noticeable improvement in efficiency or Heat distribution on the outside of the housing shells 10, 11 cause. With A smaller number of cross ribs can provide the desired heat distribution not be adjusted as well anymore.
  • the transverse ribs 26 to 30 should be arranged in the flue gas duct 17 in this way be that on the outside of the heat exchanger as uniform as possible Temperature curve is reached.
  • the position is particularly important the first transverse rib 26, which is flown by the flue gas with the highest temperature becomes.
  • the first transverse rib 26 is located in the first transverse channel 19, ie immediately after the riser 18 of the heat exchanger, in the the flue gas is the hottest.
  • the flow velocity is determined by the first transverse rib 26 significantly reduced, so the hot flue gases last longer Linger time in riser 18, which resulted in a significantly improved Heat transfer leads.
  • the first transverse rib 26 must not be directly on the Deflection from the riser 18 to the first transverse channel 19, to prevent the hot flue gases from burning. As optimal a position for the first transverse rib 26 after approximately one fifth to one Quarter of the total length of the transverse channel 19 result.
  • the second transverse rib 27 is shortly before the transition of the first transverse channel 19 provided in the first vertical channel 20, because there is still a vertical impact of the flue gas flow is possible, which makes it special high heat transfer coefficients can be achieved.
  • the third transverse rib 28 is in the transition between the first vertical Channel 20 and the second transverse channel 21 arranged and facing the second Cross rib 27 at about the same distance, i.e. H. mean flow path length, like the second transverse rib 27 to the first transverse rib 26.
  • the fourth transverse rib 29 is exactly in the middle of the third transverse channel 23 with approximately the same Distance to the third transverse rib 28 is arranged.
  • the fifth transverse rib 30 in turn points to the fourth transverse rib 29 the same distance as the previous transverse ribs 26 to 29 and is positioned immediately in front of the flue gas outlet 25. To achieve a the flow onto the transverse ribs 26 to 30 should have good heat transfer as vertical as possible.
  • the height of the transverse ribs plays an important role in terms of starting behavior, efficiency, maximum heat exchanger temperatures and low pollutant emissions in the different operating modes.
  • Height means the value around which a cross rib touches the one with its long side Raises inner wall of the housing shells 10, 11.
  • the height of the cross ribs 26 to 30 is the cross section of the flue gas duct 17 on the relevant one Places significantly reduced, which increases the flow resistance.
  • the height of each of the transverse ribs 26 to 30 is such that none Cross rib more than half of the flue gas duct cross section on the relevant one Spot covers. The transverse ribs 26 to 30 should therefore not be higher than the flue gas duct depth in the associated housing shell 10, 11.
  • the current effect leads to a recirculation area and therefore very small heat transfer coefficients.
  • the pronounced recirculation area leads downstream from the transverse rib the proximity of the re-application point of the flow to a maximum heat transfer, d. H. at these positions, a lot of heat is released to the outside headed.
  • the transverse rib 34 is perpendicular to the direction of flow of the flue gas and has an upper edge rising towards one side of the flue gas duct 33 as well as two openings. Flue gas is selectively swirled through the openings, to get a changed heat transfer.
  • the transverse rib 35 is slightly curved in relation to the direction of flow. She is still essentially perpendicular to the direction of flow. Similar thing applies to the transverse rib 36, which consists of two mutually angular Sections exists. Even if they are no longer exactly perpendicular to the direction of flow of the flue gas, a similar effect can be achieved with it.
  • transverse ribs 35 and 36 As an alternative to the transverse ribs 35 and 36, the transverse ribs 37 and 38 are shown where the transverse ribs are each by a serpentine or zigzag course.
  • the cross rib 39 finally stands obliquely in the flue gas duct 33. Although it does not have a section that is exactly perpendicular to the flow direction of the Is flue gas, this transverse rib 39 should also be substantially vertical be viewed standing. In any case, also with the sloping one Cross rib 39 to achieve an effect according to the invention.

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Abstract

Ein aus zwei Gehäuseschalen (10, 11) zusammengesetzter Rauchgas-Wärmetauscher weist einen mit einer Brennkammer (15) gekoppelten Rauchgaseinlass (16) und einen den Rauchgaseinlass (16) mit einem Rauchgasauslass (25) verbindenden Rauchgaskanal (17) auf. An wenigstens einer der Innenwände (31, 32) des Rauchgaskanals (17) ist wenigstens eine Querrippe (26 bis 30) vorgesehen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Rauchgases erstreckt. Durch die Querrippe lässt sich der Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessern. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauchgas-Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein derartiger Wärmetauscher wird z. B. in Gasheizungen dazu benutzt, die durch eine Gasflamme erzeugte und mit dem Rauchgasstrom von der Flamme abtransportierte Wärme zum Erwärmen von Raumluft oder Wasser zu gewinnen. Zu diesem Zweck wird der heiße Rauchgasstrom durch einen Rauchgaskanal geführt, während das zu erwärmende Medium an der Außenseite des Rauchgaskanals vorbeiströmt.
Ein derartiger Rauchgas-Wärmetauscher ist aus der DE 197 45 424 A1 bekannt, bei der Rauchgas über einen Rauchgaseinlass in einen Behälter geführt wird, in dem mehrere parallel zueinander und sich in Strömungsrichtung erstreckende Umlenkböden angeordnet sind, die das Rauchgas in eine schlangenförmige Strömungsrichtung im Inneren des Behälters zwingen, bis das Rauchgas über einen Rauchgasauslass den Behälter wieder verlässt. Aufgrund der längeren Strömungsdauer des Rauchgases und damit der längeren Verweilzeit in dem Behälter kann die Wärme effizienter an ein an der Außenseite des Behälters vorhandenes Medium abgegeben werden.
Ein anderer Rauchgas-Wärmetauscher wird anhand von Fig. 3 erläutert, die eine Draufsicht auf das Innere einer Gehäusehalbschale eines bekannten Wärmetauschers zeigt. Nicht dargestellt ist eine zugehörige zweite Gehäuseschale, die zu der ersten Gehäuseschale im wesentlichen symmetrisch ist und auf die erste Gehäuseschale aufgesetzt werden kann.
Durch Zusammenfügen der beiden Gehäuseschalen entsteht an einer Unterseite eine Öffnung 1, an der ein Brenner, z. B. ein atmosphärischer Flüssiggasbrenner angesetzt werden kann. Eine von dem nicht dargestellten Brenner erzeugte Gasflamme erstreckt sich in eine Brennkammer 2. Die Brennkammer 2 geht stufenlos in einen Rauchgaskanal 3 über, der an einem über der Flamme angeordneten imaginären Rauchgaseinlass 4 beginnt und an einem Rauchgasauslass 5 endet. An dem Rauchgasauslass 5 ist eine nicht dargestellte Abgasleitung anschließbar, über die das Rauchgas zu einem Kamin abgeführt werden kann.
Der Rauchgaskanal 3 verläuft zwischen dem Rauchgaseinlass 4 und dem Rauchgasauslass 5 mäanderförmig und vollzieht mehrere 90°-Umlenkungen, um einen möglichst langen Weg für die Rauchgasströmung zu erzielen und einen kompakten Aufbau des Wärmetauschers zu ermöglichen.
An den Außenseiten der beiden Wärmetauscher-Gehäusehalbschalen sind jeweils nicht dargestellte Rippen vorgesehen, um die Oberfläche nach außen zu vergrößern und damit die Wärmeabgabe zum Umgebungsmedium (hier: die zu erwärmende Luft) zu verbessern. Weiterhin sind an den Innenseiten der Gehäusehalbschalen eine Vielzahl von Längsrippen 6 vorgesehen, die für eine Vergrößerung der inneren Oberfläche des Wärmetauschers und damit ebenfalls für eine Erhöhung des Wärmeübergangs sorgen. Das Rauchgas wird durch die Längsrippen 6 in Strömungsrichtung geführt. Lediglich an den Umlenkstellen sind keine Längsrippen vorgesehen. Die große Anzahl der Längsrippen sorgt für eine deutliche Kanalverengung und damit Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ebenfalls der Wärmeübergang verbessert wird.
Bei dem beschriebenen Wärmetauscher ist es nachteilig, dass die zusätzlichen Längsrippen auf der Innenwand der Halbschalen einen erheblichen Materialaufwand erfordern, um die heutzutage üblichen Wirkungsgrade zu erzielen. Der Materialaufwand erhöht nicht nur die Herstellkosten, sondern auch das Gewicht des Wärmetauschers, was insbesondere für transportable Heizungen, wie sie z. B. in Wohnwagen verwendet werden, von Nachteil ist.
Aus der DE 37 30 137 A1 ist ein keramischer Wärmetauscher bekannt, bei dem in einem nach außen isolierten Wärmetauscher-Innenraum eine Vielzahl von keramischen Grundplatten parallel zueinander und gegeneinander versetzt angeordnet sind. Auf der Oberseite einer jeden Grundplatte sind quer zum Rauchgasstrom verlaufende Rippen angeordnet. Gegenüber von Zwischenräumen zwischen den Rippen sind auf der Unterseite einer gegenüberliegenden Grundplatte im Keramikmaterial der Grundplatte jeweils Rohrleitungen ausgebildet, durch die das zu erwärmende Medium strömt. Die Oberflächen der Rohrleitungen sind im Verhältnis zur Gesamtdimension des Wärmetauschers gering, sodass jeweils nur geringe Wärmemengen übertragen werden können. Weiterhin bestehen die Grundplatten aus keramischem Material, welches zwar gute Korrosionsfestigkeit, jedoch nur geringe Wärmeleitungseigenschaften aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Rauchgas-Wärmetauscher anzugeben, bei dem mit einem geringen Materialaufwand wenigstens ein Wirkungsgrad erzielt werden kann, der dem Wirkungsgrad von Wärmetauschern mit Längsberippung entspricht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Rauchgas-Wärmetauscher mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Rauchgas-Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer der Innenwände des Rauchgaskanals wenigstens eine Querrippe vorgesehen ist, die sich im wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Rauchgases erstreckt. Vorteilhafterweise sind mehrere Querrippen vorgesehen, die an verschiedenen Innenwänden des Rauchgaskanals angeordnet sind.
In ausführlichen Tests hat sich herausgestellt, dass durch das Einsetzen von Querrippen in den Rauchgaskanal, d. h. auf die Innenwände des Rauchgaskanals, die Rauchgasströmung in einen längeren Weg zwischen Rauchgaseinlass und Rauchgasauslass gezwungen werden kann. Gleichzeitig wird die Geschwindigkeit der Strömung reduziert, sodass die Verweilzeit des heißen Rauchgases und damit der Wärmeübergang erheblich verbessert werden kann. Dabei wurde auch festgestellt, dass nur wenige Querrippen erforderlich sind, um die gewünschte Wirkungsgradverbesserung zu erzielen. Dementsprechend leistet ein Wärmetauscher mit Querrippen gegenüber einem mit Längsberippung bei deutlich geringerem Gewicht einen ähnlichen oder besseren Wirkungsgrad.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Querrippen wechselweise an zwei gegenüberliegenden Innenwänden des Rauchgaskanals angeordnet. Dadurch ist der Rauchgasstrom gezwungen, schlangenförmig zwischen den beiden Gehäuseschalen hin und her zu mäandrieren, wodurch eine merkliche Verlängerung des mittleren Strömungswegs erreicht wird.
Die Anzahl und der Abstand der Querrippen ist vorteilhafterweise so gewählt, dass die Kernströmung, die bei Überströmen einer Querrippe zunächst abreißt und verwirbelt, wieder zum Anliegen an die Innenwände des Rauchgaskanals kommt, bevor sie durch die nächste Querrippe erneut gestört wird. Dadurch lässt sich besonders wirkungsvoll die Wärme des Rauchgasstroms an die metallische Außenwand des Rauchgaskanals führen, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen erfindungsgemäßen Rauchgas-Wärmetauscher in zerlegtem Zustand;
Fig. 2
einen Schnitt durch den zusammengebauten Wärmetauscher entlang einer Linie A in Fig. 1;
Fig. 3
eine Draufsicht auf die Innenseite einer Gehäusehalbschale eines bekannten Wärmetauschers; und
Fig. 4
Beispiele für unterschiedliche Querrippenformen bei dem erfindungsgemäßen Rauchgas-Wärmetauscher.
Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Rauchgas-Wärmetauscher in demontiertem Zustand, in dem zwei Gehäuseschalen 10, 11 voneinander getrennt sind. Zum Zusammenbau können die beiden Gehäuseschalen 10, 11 an einer fiktiven Linie B hochgeklappt und mittels ihrer Flansche 12, 13 in geeigneter und an sich bekannter Weise miteinander verbunden werden. Zweckmäßigerweise wird zwischen die Flansche 12 und 13 vor dem Zusammenbau eine Dichtung eingebracht. Die Gehäuseschalen 10, 11 werden vorzugsweise durch Aluminiumguss hergestellt.
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung jedoch nicht an dem zusammengebauten Wärmetauscher, sondern anhand der beiden offen daliegenden Gehäuseschalen 10, 11 erläutert, deren Innenseiten in Fig. 1 gut erkennbar sind.
Analog zu dem bekannten und anhand von Fig. 3 erläuterten Wärmetauscher bilden die Gehäuseschalen 10, 11 an ihrer Unterseite eine Öffnung 14, an der ein nicht dargestellter atmosphärischer Brenner angesetzt werden kann. Der Brenner wird vorzugsweise mit Flüssiggas betrieben und bildet zusammen mit dem Wärmetauscher eine Heizung, die sich insbesondere für Wohnwagen eignet.
Die von dem Brenner erzeugte Flamme erstreckt sich in eine Brennkammer 15, die nahtlos an einem zur Erläuterung der Erfindung definierten, aber ansonsten nicht merkmalsmäßig erkennbaren Rauchgaseinlass 16 in einen Rauchgaskanal 17 übergeht. Der Rauchgaskanal 17 erstreckt sich mäanderförmig in einem Steigschacht 18, einem ersten Querkanal 19, einem ersten senkrechten Kanal 20, einem zweiten Querkanal 21, einem zweiten senkrechten Kanal 22, einem dritten Querkanal 23 und einem dritten senkrechten Kanal 24 zu einem als Abgasstutzen dienenden Rauchgasauslass 25.
In dem Verlauf des Rauchgaskanals 17 sind fünf Querrippen vorgesehen, nämlich eine erste Querrippe 26, eine zweite Querrippe 27, eine dritte Querrippe 28, eine vierte Querrippe 29 und eine fünfte Querrippe 30.
Jede der Querrippen 26 bis 30 erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Rauchgases und ist mit ihrer Längsseite einstückig an einer zugehörigen Innenwand 31 bzw. 32 der Gehäuseschalen 10, 11 angeformt. Die Stirnseiten der Querrippen 26 bis 30 verlaufen in die schmaleren Innen- bzw. Seitenwände der Gehäuseschalen 10, 11.
Die erste, dritte und fünfte Querrippe 26, 28, 30 sind an der einen Gehäuseschale 10 ausgebildet, während die zweite und die vierte Querrippe 27, 29 an der anderen Gehäuseschale 11 vorgesehen sind. Das bedeutet, dass die Querrippen 26 bis 30 wechselweise an den zwei gegenüberliegenden Innenwänden 31, 32 des Rauchgaskanals 17 angeordnet sind. Durch die spezielle Anordnung der Querrippen 26 bis 30 nimmt der durch den Rauchgaskanal 17 gelangende Rauchgasstrom einen schlangenförmigen Verlauf ein. Die als Strömungshindernisse fungierenden Querrippen 26 bis 30 zwingen den Rauchgasstrom jeweils in eine andere, der betreffenden Querrippe gegenüberliegende Richtung, wodurch die Strömung an der Querrippe abreißt und erst im weiteren Verlauf, mit einem bestimmten Abstand nach der Querrippe, wieder zum Anliegen an die Wände der Gehäuseschalen 10, 11 kommt, bevor der Rauchgasstrom durch die nächste Querrippe in die andere Richtung, d. h. jetzt zur gegenüberliegenden Gehäuseschale, umgelenkt wird.
Die Anordnung der Querrippen wird besonders gut aus Fig. 2 erkennbar, die einen Schnitt entlang der Linie A in Fig. 1, jedoch in zusammengebautem Zustand des Wärmetauschers zeigt.
In Fig. 2 sind insbesondere die erste, die zweite und die dritte Querrippe 26, 27, 28 erkennbar, die jeweils abwechselnd an den gegenüberliegenden Innenwänden angeordnet sind. Der aus dem Steigschacht 18 hochströmende heiße Rauchgasstrom wird nach dem Abknicken des Rauchgaskanals 17 in den ersten Querkanal 19 zunächst von der ersten Querrippe 26 in Richtung der Gehäuseschale 11 umgelenkt, bevor er durch die zweite Querrippe 27 in Richtung der anderen Gehäuseschale 10 gezwungen wird. Die dritte Querrippe 28 wiederum leitet den Rauchgasstrom erneut in Richtung der Gehäuseschale 11.
Bei anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist es auch möglich, sämtliche Querrippen nur auf einer der Innenwände anzuordnen. In diesem Fall fällt die schlangenförmige Strömungsbewegung des Rauchgases nicht so gravierend aus, wie bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel.
Eine andere, ebenfalls nicht gezeigte Ausführungsform weist Querrippen auf, die sich von den seitlichen, schmaleren Innenwänden der Gehäuseschalen erstrecken, jedoch nur einen Teil der Breite des Rauchgaskanals einnehmen. In diesem Fall tragen folglich beide Gehäuseschalen an der gleichen Stelle Innenrippen, die jedoch nur einen Teil des Kanals abdecken.
Bei wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Querrippen derart angeordnet sein, dass sie einen schrauben- bzw. strudelförmigen Verlauf der Rauchgasströmung erzwingen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Querrippen in Form von Querstegen vorgesehen, die den Rauchgasstrom aus der Mitte des Rauchgaskanals zu den Seitenwänden hin verdrängen.
Die Anzahl und Anordnung der Querrippen 26 bis 30 ist für die Funktion des Wärmetauschers, d. h. insbsondere für ein zuverlässiges Kaltstartverhalten und für eine Optimierung des Wärmeübergangs, von entscheidender Bedeutung. Die Anzahl von fünf Querrippen hat sich in zahlreichen Laborversuchen als besonders zweckmäßig erwiesen, da gerade bei dieser Aufteilung gewährleistet wird, dass die Kernströmung nach dem Überstreichen einer Querrippe immer wieder voll zum Wiederanliegen an die Seitenwände kommt, d. h. der räumliche Abstand zwischen den Querrippen groß genug ist. Eine größere Anzahl von Querrippen würde lediglich zu einer Erhöhung des Wärmetauschergewichts führen, aber keine spürbare Verbesserung des Wirkungsgrads oder der Wärmeverteilung an der Außenseite der Gehäuseschalen 10, 11 bewirken. Mit einer geringeren Anzahl von Querrippen kann die gewünschte Wärmeverteilung nicht mehr so gut eingestellt werden.
Die Querrippen 26 bis 30 sollten derart in dem Rauchgaskanal 17 angeordnet werden, dass an der Außenseite des Wärmetauschers ein möglichst gleichmäßiger Temperaturverlauf erreicht wird. Besonders wichtig ist dabei die Position der ersten Querrippe 26, die von dem Rauchgas mit höchster Temperatur angeströmt wird. Die erste Querrippe 26 befindet sich in dem ersten Querkanal 19, also unmittelbar nach dem Steigschacht 18 des Wärmetauschers, in dem das Rauchgas am heißesten ist. Durch die erste Querrippe 26 wird die Strömungsgeschwindigkeit erheblich reduziert, sodass die heißen Rauchgase längere Zeit im Steigschacht 18 verweilen, was zu einem deutlich verbesserten Wärmeübergang führt. Die erste Querrippe 26 darf jedoch nicht direkt an der Umlenkung vom Steigschacht 18 zum ersten Querkanal 19 positioniert sein, um einen Abbrand durch die heißen Rauchgase zu vermeiden. Als optimal hat sich für die erste Querrippe 26 eine Position nach ca. einem Fünftel bis einem Viertel der gesamten Länge des Querkanals 19 ergeben.
Die zweite Querrippe 27 ist kurz vor dem Übergang des ersten Querkanals 19 in den ersten senkrechten Kanal 20 vorgesehen, da an dieser Stelle noch ein senkrechtes Aufprallen der Rauchgasströmung möglich ist, wodurch besonders hohe Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden.
Die dritte Querrippe 28 ist in dem Übergang zwischen dem ersten senkrechten Kanal 20 und dem zweiten Querkanal 21 angeordnet und weist zu der zweiten Querrippe 27 etwa die gleiche Entfernung auf, d. h. mittlere Strömungsweglänge, wie die zweite Querrippe 27 zur ersten Querrippe 26.
Die vierte Querrippe 29 ist im dritten Querkanal 23 genau mittig mit etwa gleichem Abstand zu der dritten Querrippe 28 angeordnet.
Die fünfte Querrippe 30 schließlich weist wiederum zu der vierten Querrippe 29 den gleichen Abstand wie die vorherigen Querrippen 26 bis 29 auf und ist unmittelbar vor dem Rauchgasauslass 25 positioniert. Zur Erreichung eines guten Wärmeübergangs sollte die Anströmung auf die Querrippen 26 bis 30 möglichst senkrecht erfolgen.
Neben der Anzahl der Querrippen und ihrer Positionierung spielt auch die Höhe der Querrippen eine wesentliche Rolle hinsichtlich Startverhalten, Wirkungsgrad, maximalen Wärmetauschertemperaturen und geringer Schadstoffemission in den verschiedenen Betriebsarten. Unter Höhe wird der Wert verstanden, um den sich eine Querrippe über die mit ihrer Längsseite berührende Innenwand der Gehäuseschalen 10, 11 erhebt. Durch die Höhe der Querrippen 26 bis 30 wird der Querschnitt des Rauchgaskanals 17 an den betreffenden Stellen erheblich reduziert, wodurch der Strömungswiderstand erhöht wird. Die Höhe von jeder der Querrippen 26 bis 30 ist derart bemessen, dass keine Querrippe mehr als die Hälfte des Rauchgaskanalquerschnitts an der betreffenden Stelle abdeckt. Die Querrippen 26 bis 30 sollten somit nicht höher sein als die Rauchgaskanaltiefe in der jeweils zugehörigen Gehäuseschale 10, 11.
Durch die Querrippen 26 bis 30 wird sowohl die Grenzschicht als auch die Kernströmung der Rauchgasströmung unterbrochen. Vor jeder Querrippe 26 bis 30 kommt es durch die Stromaufwirkung zu einem Rezirkulationsgebiet und dadurch zu sehr kleinen Wärmeübergangskoeffizienten. Im Bereich der Querrippen selbst treten auf der gegenüberliegenden Seite Wärmeübergangsspitzen auf, die auf die lokale Beschleunigung der Strömung und die damit verbundene Produktion von turbulenter kinetischer Energie zurückzuführen sind. Stromab von der Querrippe führt das ausgeprägte Rezirkulationsgebiet in der Nähe des Wiederanlegepunktes der Strömung zu einem maximalen Wärmeübergang, d. h. an diesen Positionen wird besonders viel Wärme nach außen geleitet.
Bereits oben wurde ausführlich dargelegt, dass die Anordnung der Querrippen in vielfältiger Weise variiert werden kann. Gleiches gilt auch für die Form der Querrippen. Fig. 4 zeigt dazu dreidimensional einen Ausschnitt aus einem Rauchgaskanal 33, in den exemplarisch mehrere unterschiedlich geformte Querrippen 34 bis 39 eingesetzt worden sind. Die Abbildung von Fig. 4 dient allerdings nur zur Erläuterung und stellt keine Zeichnung eines realen erfindungsgemäßen Rauchgas-Wärmetauschers dar.
Die Querrippe 34 steht senkrecht zur Strömungsrichtung des Rauchgases und weist eine zu einer Seite des Rauchgaskanals 33 hin ansteigende Oberkante sowie zwei Öffnungen auf. Durch die Öffnungen wird Rauchgas gezielt verwirbelt, um einen geänderten Wärmeübergang zu erhalten.
Die Querrippe 35 ist bezogen auf die Strömungsrichtung leicht gekrümmt. Sie steht immer noch im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung. Ähnliches gilt für die Querrippe 36, die aus zwei winklig zueinander verlaufenden Abschnitten besteht. Auch wenn sie nicht mehr exakt senkrecht zur Strömungsrichtung des Rauchgases steht, ist mit ihr eine ähnliche Wirkung erzielbar.
Alternativ zu den Querrippen 35 und 36 werden die Querrippen 37 und 38 gezeigt, bei denen die Querrippen jeweils durch einen schlangenförmigen oder zickzackförmigen Verlauf gebildet werden.
Die Querrippe 39 schließlich steht schräg in dem Rauchgaskanal 33. Obwohl sie keinen Abschnitt aufweist, der exakt senkrecht zur Strömungsrichtung des Rauchgases steht, soll auch diese Querrippe 39 als im Wesentlichen senkrecht stehend angesehen werden. Jedenfalls ist auch mit der schräg stehenden Querrippe 39 eine erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen.

Claims (11)

  1. Rauchgas-Wärmetauscher, mit
    einem mit einer Brennkammer (15) gekoppelten Rauchgaseinlass (16);
    einem Rauchgasauslass (25); und mit
    einem den Rauchgaseinlass (16) mit dem Rauchgasauslass (25) verbindenden Rauchgaskanal (17), der wenigstens eine Abknickstelle aufweist;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Rauchgaskanal (17) durch Innenwände (31, 32) begrenzt ist;
    eine Wärmeübertragung überwiegend über die Innenwände (31, 32) erfolgt; und dass
    an wenigstens einer der Innenwände (31, 32) des Rauchgaskanals (17) wenigstens eine Querrippe (26 bis 30) vorgesehen ist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Rauchgases erstreckt.
  2. Rauchgas-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Querrippen (26 bis 30) vorgesehen sind, die wechselweise an verschiedenen Innenwänden (31, 32) des Rauchgaskanals (17) angeordnet sind.
  3. Rauchgas-Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querrippen (26 bis 30) wechselweise an zwei gegenüberliegenden Innenwänden (31, 32) des Rauchgaskanals (17) angeordnet sind.
  4. Rauchgas-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Querrippen (26) nach der Abknickstelle angeordnet ist.
  5. Rauchgas-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei der Querrippen (26 bis 30) derart bemessen ist, dass zwischen den beiden Querrippen (26 bis 30) ein Wiederanliegen einer Kernströmung der Rauchgasströmung an die Innenwände (31, 32) gewährleistet ist.
  6. Rauchgas-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgaskanal (17) einen an die Brennkammer (15) anschließenden, sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Steigschacht (18) und einen von dem Steigschacht in einem Winkel von 90 Grad abgehenden ersten Querkanal (19) aufweist; und dass in dem ersten Querkanal (19) eine erste Querrippe (26) angeordnet ist.
  7. Rauchgas-Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromab von der ersten Querrippe (26) in dem ersten Querkanal (19) eine zweite Querrippe (27) vorgesehen ist.
  8. Rauchgas-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromab von der zweiten Querrippe (27) eine dritte Querrippe (28) vorgesehen ist, die von der zweiten Querrippe (27) um die gleiche mittlere Strömungsweglänge beabstandet ist, wie die zweite Querrippe (27) von der ersten Querrippe (26).
  9. Rauchgas-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Strömungsrichtung gesehen letzte Querrippe (30) an dem Rauchgasauslass (25) angeordnet ist.
  10. Rauchgas-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe einer Querrippe (26 bis 30) derart bemessen ist, dass die Querrippe nicht mehr als die Hälfte des Rauchgaskanalquerschnitts abdeckt.
  11. Rauchgas-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgaskanal (17) im Wesentlichen durch ein Gehäuse gebildet wird, das aus zwei Gehäuseschalen (10, 11) besteht.
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