EP2851628A2 - Wärmeaustauschermodul mit Zyklonrippen sowie aus diesem Modul gebildete Wärmeaustauscherzelle - Google Patents

Wärmeaustauschermodul mit Zyklonrippen sowie aus diesem Modul gebildete Wärmeaustauscherzelle Download PDF

Info

Publication number
EP2851628A2
EP2851628A2 EP14181702.3A EP14181702A EP2851628A2 EP 2851628 A2 EP2851628 A2 EP 2851628A2 EP 14181702 A EP14181702 A EP 14181702A EP 2851628 A2 EP2851628 A2 EP 2851628A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
medium
heat exchanger
cell
module
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14181702.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2851628A3 (de
Inventor
Turgut Yilmaz
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2851628A2 publication Critical patent/EP2851628A2/de
Publication of EP2851628A3 publication Critical patent/EP2851628A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0005—Details for water heaters
    • F24H9/001—Guiding means
    • F24H9/0026—Guiding means in combustion gas channels
    • 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
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers

Definitions

  • the present invention relates to condensation heat exchangers.
  • the invention relates in particular to condensation heat exchangers designed for gas-fired condensing boilers.
  • the main purpose of the invention is efficient heat transfer between two media, i. the transmission of sensible and latent heat energy from a high temperature heating gas to low temperature water.
  • a Kondensations slaughterhouse is one of the main components of a gas-fired combi boiler and should ensure efficient heat energy transfer from the burned gas to the house water and / or central heating water, so that the predetermined temperature is maintained at the extraction point.
  • Key design and functional features include modularity and compact size, low pressure drop, high overall heat transfer coefficient and efficient transfer of latent heat energy.
  • an expedient and feasible condensation heat cell for commercial heating appliances such as wall-mounted boilers in addition to the features mentioned also some critical aspects such as dimensioning, cost manufacturability, leak safety, life, etc. to be considered.
  • each module should deliver a certain amount of heat transfer energy, regardless of the number of modules that make up the complete heat cell.
  • each module should be expertly, e.g. by means of precision welding, be connected to the other.
  • the condensation heat exchanger is made of a flat sheet of metallic material with a laminated layer of polypropylene film. Each condensation heat exchanger is provided with a serpentine condensation flow channel formed in the laminated flat metallic material sheet such that the polypropylene layer is on the side of the exhaust gas / condensate environment, thus protecting the metal from corrosion.
  • the exchanger has an exhaust duct with inspection access opening and is surrounded by heat exchanger walls.
  • the exchanger walls have a surface structured by rows of nubs, which protrude from the walls and extend at right angles to the direction of the gas flow. In the direction of the gas flow, nubs of adjacent rows are each arranged in gap and have an inlet section of continuously increasing cross-section.
  • European patent no. EP0546969B1 refers to a cylindrical shell to be cooled by a cooling liquid.
  • the cylinder has a large diameter and has a smooth outer surface which is at least partially provided with heat exchange ribs which are kept under tension by overlapping at least partially in regions.
  • the invention further comprises a method for the production of such sheaths and an apparatus for carrying out this method.
  • the invention no. DE10038624 discloses a heat transfer tube with twisted inner ribs.
  • the heat transfer tube provided with a number of spiral inner ribs symmetrically rotated about the longitudinal axis, has a clearance between the free ends of the ribs and the axis.
  • the ratio of the distance to the inner diameter of the tube is 1:12 to 1: 3.
  • the spiral ribs are all twisted in the same direction and have the same twist length.
  • the ribs are in the shape of an equilateral triangle or a tooth.
  • the tube is made of metal or plastic.
  • the ribs disclosed in this application differ significantly in shape from the cyclone ribs of the present invention.
  • the in the application no. DE10038624 revealed ribs are designed for the flow of liquids. In this way, the formation of turbulence in liquids can be achieved.
  • the fins disclosed in the present application are specifically arranged at suitable intervals to allow the flow of gaseous media.
  • the angle of inclination between the ribs and the inner surface of the module to which the ribs are connected is very small, so that for a gaseous medium greater contact with the ribs and the inner surface of the module is made possible.
  • the main object of the present invention is to develop the new method of transferring heat energy between gas and water by creating a cyclone (vortex) movement of the gas, thereby enabling the design and development of more efficient, compact and economical heat cells.
  • the main idea is to create a longer path for the exhaust gas to increase thermal energy transfer in a given volume.
  • cyclone (vortex) channels are opened within the heat cell.
  • the total number, the vortex angle and the Height of the channels are the most critical geometrical parameters that influence the pressure drop and the velocity of the exhaust gas, the total heat transfer coefficient and the thermal performance of the heat cell.
  • the corresponding geometric parameters can be adapted during the design process of the heat cell.
  • the embodiment proposed in this specification allows more efficient heat transfer between the exhaust gas and the central heating water thanks to the swirling motion of the exhaust gas through the spiral channels.
  • Such a helical formation of the channels prolongs the path that the exhaust travels in a certain volume, which at the same time creates a larger heat exchange surface.
  • a compact and at the same time efficient heat cell can be produced with less raw material expenditure, whereby the manufacturing costs are reduced compared to conventional heat cells.
  • the forced convection through the side walls of the heat cell can be enhanced, whereby a uniform and efficient heat transfer between two media can be maintained throughout the heat cell.
  • the thermal performance and the effective heat transfer coefficient can be increased.
  • the pressure drop is another important design parameter for condensation heat cells. From a process engineering point of view, the Pressure drop should be kept as low as possible to reduce operating costs, such as by the power consumption for fan and / or pump. Reducing the pressure drop also reduces the negative fouling and erosion effects over the life of the heat cell.
  • Preliminary computational studies have shown that the pressure drop across the gas side of the proposed design is significantly less compared to integrated stave heat cells. The results of the preliminary computational studies showed that the pressure drop gradually decreased (43%) compared to a conventional conventional heat cell module with round ribs.
  • the heat exchanger module (or heat exchanger modules) comprises a buffer disposed in its center, the buffer being provided with a pressure relief opening in the bottom to allow for pressure increase due to the expansion of the air in the bottom Buffer to maintain pressure equalization.
  • the cylindrical structure surrounding the burner module comprises an inner housing and an outer housing surrounding the inner housing, as well as a housing between the inner and the outer housing designed channel for a second medium.
  • the burner module also consists of a second media channel which surrounds the burner module and is configured between the inner and outer housings.
  • the heat exchanger cell according to the invention further comprises fins connected to the inner housing, which extend from the inner housing in the direction of the buffer and thus form channels for the first medium, which are spirally formed and thus allow circulation of the first medium within the KMermoduls.
  • the outer channel for the second medium in a spiral shape and at a certain angle, allowing a slight inclination from the bottom to the top and having the shape of a recess whose width is greater than their depth is.
  • the inner and outer casings are provided with a vertical inner channel for the second medium, formed by extending the heat cell towards the burner located in the central part, to allow the flow of the second medium with this inner channel for the second medium being connected to the outer channel of the heat cell for the second medium via a connecting channel.
  • the heat exchanger module further comprises at least one channel inlet for the second medium, which allows the second medium to enter the cell, and at least one channel outlet for the second medium, which allows it to exit the cell.
  • the burner module each comprises a channel inlet and a channel outlet for the second medium configured with the same structure as in the heat exchanger module.
  • the invention further comprises a lid which covers the burner module at the top and which is sealed in the center to the burner and at the edges to the inner and outer casings, the lid being provided with a circular inlet for the first medium through which the first medium can flow.
  • the second medium in the cell moves in a manner such that it would swirl in a direction opposite to the vortex direction of the first medium.
  • the invention also relates to a heater comprising a heat exchanger cell having the features set forth above.
  • the present invention is an easily applicable novel embodiment of a heat cell (1) which allows modularity. It proposes two different embodiments of the heat exchanger modules (20), which are the inventive Form heat cell (1). The first of these will be in the FIGS. 1 to 4 , the second in the Figures 5 and 6 shown.
  • each heat exchanger module (20) substantially comprises: a cylindrical inner casing (3); Ribs (21) extending at certain intervals from the housing (3) towards the center and connected to said inner housing (3) in cyclone form; and an outer casing (2) surrounding the inner casing (3).
  • the first top-down flowing medium (F1) is a warm gas which, when passing the media channels (22) formed between the ribs (21), performs a naturally circulating movement due to the structure of the ribs (21) and within the module (20) comes into contact with all the ribs (21) and the entire inner surface of the housing (3). Since the ribs (21) are formed so that the channels have a spiral configuration, a longer path is provided here for the circulation of the first medium (F1) within a certain volume range, thereby providing a larger surface area for heat transfer.
  • FIG. 3 shows the module (20) without the outer housing (2). While the warm first medium (F1) in the module (20) flows from top to bottom, flows a cold second medium (F2) in a cyclic movement in the outer channel for the second medium (231) from bottom to top and leaves the module ( 20) with elevated temperature.
  • the outer channel for the second medium (231) is preferably embedded in the outer wall of the inner casing (3) in the form of a recess extending transversely to the casings (2, 3) and at a certain angle so as to form a closed channel as soon as possible the outer housing (2) the inner Covered housing (3).
  • the structure of the outer channel for the second medium (231) is in FIG. 1 and FIG. 4 shown in section.
  • the outer channel for the second medium (231) extends transversely between the inner housing (3) and the outer housing (2) so as to circumnavigate the housing (3), rising slightly from bottom to top ,
  • the in FIG. 1 It can be seen that the width (L) of the outer channel (231) is dimensioned larger than its depth (T) and thus the surface for the heat exchange between the second medium (F2) flowing through the outer channel (231). and the first medium (F1) circulating between the ribs (21). This increases directly proportional to the heat exchange surface and the amount of heat exchange.
  • the outer channel for the second medium (231) can also be formed by the combination of two half-channels, which are for example symmetrically incorporated into the contact surfaces of the outer housing (2) and the inner housing (3).
  • FIG. 2 shows, formed on the outer housing (2), the channel inlet for the second medium (24) and the channel outlet for the second medium (25).
  • the second medium (F2) after entering from the channel inlet (24) into the outer channel for the second medium (231), preferably flows along the outer wall of the inner casing (3) in a swirling motion in the opposite direction to the swirling direction of the first medium (F1), then leaves the module (20) through the duct outlet (25) and flows into the upper heat exchanger module (20) or the burner module (10).
  • these connections can be provided between the passages and channels (231) on the outside of the outer housing (2), they can also on the inside of the outer housing (2) are provided.
  • the second medium enters the heat cell (1) through the lowermost module (20) and, after being heated, exits the heat cell (1) from the top burner module (10).
  • the entrance-exit directions of the first medium (F1) and the second medium (F2) into and out of the module (20) and the directions of their cyclical movement within the module (20) are completely opposite each other.
  • the purpose of this is to bring the heated second medium (F2) from below into the uppermost area of the module (20), where the first medium (F1) is in its warmest condition, and then to reduce the temperature difference between these two media and thus to prevent condensation of the water vapor in the first medium (F1).
  • FIG. 1 is the perspective view of a longitudinal section of the heat exchanger cell (1) according to the invention.
  • the total number of modules (20) of the heat cell (1) which is formed by combining a certain number of modules (20), also determines the maximum power of this cell (1). Accordingly, the number of modules (20) of the heat exchanger cell (1) may vary depending on the purpose of use and the size of the area to be heated.
  • the heat exchanger cell (1) comprises substantially: at least one burner module (20) connected to the heat exchanger module (20) from above and at least one buffer (40) arranged at the center of the heat exchanger modules (20) in FIG is arranged such that it is not connected to the ribs (21), but only touches them.
  • the buffer (40) is a preferably made of ceramic or stainless steel member having a hollow interior and a wall thickness of 2-4 mm and is resistant to high temperatures.
  • a pressure relief port (41) is provided to provide compensation in the event of pressure increase due to the expansion of the air in the buffer.
  • the burner module (10) is similar in terms of its housing (2, 3) the heat exchanger module (20); however, instead of the ribs (21), it comprises at least one burner (30) arranged above the buffer (40) but at a distance from it.
  • the module (10) is provided with a lid (12), said lid (12) sealingly in the center with the burner (30) and at the edges with the inner housing (3) and the outer housing (2) connected is.
  • In the center of the lid (12) is a circular inlet for the first medium (13) so that the first medium (F1) which would enter the burner (30) can flow therethrough.
  • the burner module (10) has channels for the second medium (11) with the same structure as in the heat exchanger module (20).
  • the second medium (F2) enters these channels (11) through the outer channel for the second medium (231) of the lower heat exchanger module (20) to which the burner module (10) is connected, while the second medium ( F2) from the burner module (10) through the channel outlet for the second medium (15), which is also located on the outer housing (2).
  • the channel inlet for the second medium (14), which allows its entry, is not shown in the drawings.
  • the buffer (40) used in the first embodiment in the middle part of the heat cell (1) is not present. Instead, a vertical inner channel is provided for the second medium (232) for the flow of the second medium (F2).
  • This inner channel for the second medium (232) is formed by an extension of the inner housing (3) and the outer housing (2) in the direction of the in the middle of the heat cell (1) located burner (30), wherein the channel (232 ) is connected via the connecting channel (233) to the outer channel (231) of the heat exchanger module (20), which forms the lowest part of the heat cell (1).
  • each heat exchanger module (20) in each heat exchanger module (20), the central ends of the fins (21) are not exposed as in the first described embodiment of the heat cell (1) but with the cylindrical structure formed in the center via the inner casing (3). connected. In this way, both on the outer wall and the central wall of the module (20) a larger heat transfer area between the hot and the cold medium can be formed.
  • the circulation of the second medium (F2) proposed in this embodiment is also different.
  • the second medium (F2) enters the inner channel for the second medium (232) in the middle of the heat cell (1) through the channel for the second medium (24), and after it has entered the inner channel for the second medium (232 ) by flowing up and down, it flows through the communication channel (233) further into the outer channel for the second medium (231).
  • the second medium (F2) flowing through the outer channel for the second medium (231) follows the path described for the first embodiment and therefore leaves the heat cell (1) in a heated state through the second medium channel outlet (10) in the burner module (10). 15).
  • This path of the second medium (F2) is in FIG. 6 indicated by arrows.
  • the thermal power and the effective heat transfer coefficient can be determined by the Incorporation of small-sized surface enlargements, such as round ribs, can be increased on the inner side walls.
  • the invention is useful in the design and development of next generation condensation heat cells for wall-mounted combi steamers. Similarly, the invention can be used for the development of heat cells in other applications in which a gas-fired burner system is used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauscherzelle, die mindestens ein Brennermodul mit integriertem Brenner und mindestens ein Wärmeaustauschermodul mit in bestimmten Intervallen zyklonförmig gestalteten Zyklonrippen zur Erzielung des Wärmeaustausches umfasst, und auf ein Heizgerät mit dieser Zelle.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kondensationswärmeaustauscher.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Kondensationswärmeaustauscher, die für gasbeheizte Brennwertanlagen konzipiert sind. Hauptzweck der Erfindung ist die effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Medien, d.h. die Übertragung von fühlbarer und latenter Wärmeenergie von einem Heizgas hoher Temperatur auf Wasser niedriger Temperatur.
    • Stand der Technik
  • Eine Kondensationswärmeaustauscherzelle ist einer der Hauptbestandteile eines gasbeheizten Kombiboilers und soll eine effiziente Wärmeenergieübertragung vom verbrannten Gas auf das Hauswasser und/oder Zentralheizungswasser gewährleisten, so dass die vorbestimmte Temperatur an der Entnahmestelle eingehalten wird. Zu den wichtigsten Konstruktions- und Funktionsmerkmalen gehören Modularität und kompakte Größe, geringer Druckabfall, ein hoher Gesamt-Wärmeübergangskoeffizient und eine effiziente Übertragung latenter Wärmeenergie. Für die Entwicklung einer zweckmäßigen und realisierbaren Kondensationswärmezelle für kommerzielle Heizgeräte wie z.B. wandmontierte Boiler sind außer den genannten Merkmalen auch einige kritische Gesichtspunkte wie z.B. die Dimensionierung, kostengünstige Herstellbarkeit, Lecksicherheit, Lebensdauer usw. zu berücksichtigen.
  • Im Allgemeinen ist für Hersteller und Endabnehmer (Kunden) eines der wichtigsten erforderlichen bzw. erwünschten Merkmale einer Kondensationswärmezelle deren Modularität. Die Modularität einer Wärmezelle bedeutet, dass sie in einem gewünschten Wärmeleistungsbereich eingesetzt werden kann, der den Benutzern eine wirtschaftliche Heizlösung bietet. Außerdem ermöglicht Modularität für die Hersteller eine erhebliche Kosten- und Zeiteffizienz bei der Massenfertigung einer Wärmezelle. So kann zum Beispiel die maximale Leistung einer Wärmezelle während des Fertigungsprozesses auf einfache Weise mittels der Anzahl der in einem Heizgerät zu vereinenden Module eingestellt werden. Allerdings stellen die Konstruktions- und Fertigungsprozesse für eine modulare Kondensationswärmezelle sehr anspruchsvolle Aufgaben dar. Vor allem soll jedes einzelne Modul einen bestimmten Betrag an Wärmeübertragungsenergie liefern, unabhängig von der Anzahl der Module, welche die komplette Wärmezelle bilden. Weiterhin sollte im Interesse eines schnellen, reibungslosen und wirtschaftlichen Fertigungsprozesses jedes Modul auf fachmännische Weise, z.B. mittels Präzisionsschweißung, mit dem anderen verbunden werden.
  • Zur Erreichung der vorgenannten Zwecke wurden zahlreiche Wärmezellenmodelle für Gasboiler entwickelt.
  • Eines davon wird im US-Patent Nr. 4.738.307 beschrieben. Offenbart wird ein gasbeheiztes Kondensationsheizgerät mit einem korrosionsbeständigen Kondensationswärmeaustauscher. Der Kondensationswärmeaustauscher wird aus einem flachen Blech aus metallischem Werkstoff mit einer auflaminierten Schicht aus Polypropylenfolie gefertigt. Jeder Kondensationswärmeaustauscher ist mit einem in dem laminierten flachen Blech aus metallischem Werkstoff geformten schlangenförmigen Kondensationsdurchflusskanal in der Weise versehen, dass sich die Polypropylenschicht auf der Seite des Abgas/Kondensat-Milieus befindet und so das Metall gegen Korrosion schützt.
  • Ein anderer Wärmeaustauscher wird in EP1136764 offenbart. Der Austauscher hat einen Abgaskanal mit Inspektions-Zugangsöffnung und ist von Wärmeaustauscherwänden umgeben. Die Austauscherwände haben eine durch Reihen von Noppen strukturierte Oberfläche, welche von den Wänden abstehen und sich rechtwinklig zur Richtung des Gasstroms erstrecken. In der Richtung des Gasstroms sind Noppen benachbarter Reihen jeweils auf Lücke angeordnet und haben einen Eingangsabschnitt mit kontinuierlich zunehmendem Querschnitt.
  • Das Europäische Patent Nr. EP0546969B1 bezieht sich auf einen zylindrischen Mantel, der durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt werden soll. Der Zylinder weist einen großen Durchmesser auf und besitzt eine glatte Außenoberfläche, die wenigstens teilweise mit Wärmeaustauschrippen versehen ist, welche unter Spannung gehalten werden, indem sie sich mindestens teilweise bereichsweise überlappen. Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren für die Herstellung solcher Mäntel sowie eine Vorrichtung für die Durchführung dieses Verfahrens. Anwendung für die Positionierung von Teilen, die durch ein externes Medium zu kühlen sind, besonders von elektronischen Leistungsgeräten für Transportmittel.
  • Die Erfindung Nr. DE10038624 offenbart ein Wärmeübertragungsrohr mit gedrallten Innenrippen. Das Wärmeübertragungsrohr, versehen mit einer Anzahl spiralförmiger, symmetrisch um die Längsachse gedrallter Innenrippen, weist einen Abstand zwischen den freien Enden der Rippen und der Achse auf. Das Verhältnis des Abstands zum Innendurchmesser des Rohrs beträgt 1:12 bis 1:3. Die Spiralrippen sind sämtlich in gleicher Richtung gedrallt und haben gleiche Dralllänge. Die Rippen haben die Form eines gleichseitigen Dreiecks oder eines Zahns. Das Rohr besteht aus Metall oder Kunststoff.
  • Die in dieser Anmeldung offenbarten Rippen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Form deutlich von den Zyklonrippen der vorliegenden Erfindung. Die in der Anmeldung Nr. DE10038624 offenbarten Rippen sind für den Durchfluss von Flüssigkeiten ausgelegt. Auf diese Weise kann die Bildung von Turbulenzen bei Flüssigkeiten erreicht werden.
  • Demgegenüber sind die in vorliegender Anmeldung offenbarten Rippen speziell in geeigneten Intervallen angeordnet, um den Durchfluss gasförmiger Medien zu ermöglichen. Der Neigungswinkel zwischen den Rippen und der Innenfläche des Moduls, mit der die Rippen verbunden sind, ist sehr klein, so dass für ein gasförmiges Medium ein größerer Kontakt mit den Rippen und der Innenfläche des Moduls ermöglicht wird.
  • Überdies haben vorläufige rechentechnische Untersuchungen gezeigt, dass der Druckabfall durch die Gasseite der vorgeschlagenen Konstruktion im Vergleich zu den Wärmezellen mit integrierten Stabrippen beträchtlich geringer ist. Die Ergebnisse strömungsdynamischer Berechnungen zeigten, dass sich der Druckabfall, verglichen mit einem gleichgroßen konventionellen Wärmezellenmodul mit Rundstabrippen sukzessive um 43% verringerte.
  • Die oben zitierten Patente umfassen zwar verschiedene Wärmezellenkonstruktionen; die in nachfolgender Beschreibung offenbarte Wärmezelle ist jedoch im Stand der Technik nicht vorhanden.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung des neuen Verfahrens der Übertragung von Wärmeenergie zwischen Gas und Wasser durch Erzeugung einer Zyklon(Wirbel)-Bewegung des Gases, wodurch die Konstruktion und Entwicklung effizienterer, kompakterer und wirtschaftlicherer Wärmezellen möglich wird.
  • Der Hauptgedanke dabei ist die Schaffung eines längeren Weges für das Abgas, um die thermische Energieübertragung in einem bestimmten Volumen zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden innerhalb der Wärmezelle Zyklon(Wirbel)-Kanäle geöffnet. Die Gesamtzahl, der Wirbelwinkel und die Höhe der Kanäle sind die kritischsten geometrischen Parameter, die den Druckabfall und die Geschwindigkeit des Abgases, den Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizienten und die thermische Leistung der Wärmezelle beeinflussen. Je nach den Anforderungen und Einschränkungen wie Wärmeabgabe, Energieeffizienz, Behaglichkeitsniveau und Druckabfall lassen sich die entsprechenden geometrischen Parameter während des Entwurfsprozesses der Wärmezelle anpassen.
  • Die in dieser Beschreibung vorgeschlagene Ausführungsform ermöglicht dank der Wirbelbewegung des Abgases durch die spiralförmigen Kanäle eine effizientere Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Zentralheizungswasser. Eine solche spiralförmige Ausbildung der Kanäle verlängert den Weg, den das Abgas in einem bestimmten Volumen zurücklegt, wodurch gleichzeitig eine größere Wärmeaustauschfläche entsteht. Somit kann eine kompakte und gleichzeitig leistungsfähige Wärmezelle mit weniger Rohmaterialaufwand hergestellt werden, wodurch im Vergleich zu konventionellen Wärmezellen die Fertigungskosten verringert werden.
  • Außerdem kann, auf Grund der zentrifugalen Trägheitseffekte der Wirbelbewegung des Abgases, die Zwangskonvektion durch die Seitenwände der Wärmezelle verstärkt werden, wodurch innerhalb der gesamten Wärmezelle eine gleichmäßige und effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Medien aufrechterhalten werden kann.
  • Weiterhin können in einer alternativen Ausführungsform durch Einbau einiger kleindimensionierter Oberflächenvergrößerungen an den inneren Seitenwänden, z.B. Rundstabrippen, die thermische Leistung und der effektive Wärmeübertragungskoeffizient erhöht werden.
  • Neben den Merkmalen, die sich auf die thermische Leistung beziehen, stellt der Druckabfall einen weiteren wichtigen Konstruktionsparameter für Kondensationswärmezellen dar. Aus verfahrenstechnischer Sicht sollte der Druckabfall so gering wie möglich gehalten werden, um die Betriebskosten, wie z.B. durch den Stromverbrauch für Lüfter und/oder Pumpe zu verringern. Durch eine Verringerung des Druckabfalls verringern sich auch die negativen Verschmutzungs- und Abtragseffekte während der Lebensdauer der Wärmezelle. Die vorläufigen rechentechnischen Untersuchungen haben gezeigt, dass der Druckabfall über die Gasseite der vorgeschlagenen Konstruktion im Vergleich zu den Wärmezellen mit integrierten Stabrippen beträchtlich geringer ist. Die Ergebnisse der vorläufigen rechentechnischen Untersuchungen zeigten, dass sich der Druckabfall, verglichen mit einem gleichgroßen konventionellen Wärmezellenmodul mit Rundstabrippen, sukzessive verringerte (43%).
  • Die vorläufigen Ergebnisse aus der Analyse strömungsdynamischer Berechnungen haben gezeigt, dass die vorgeschlagene Konstruktion in der Lage ist, eine hohe Leistung, z.B. 35 kW abzugeben, ohne dass dabei Probleme mit siedendem Wasser in den Kanälen und unerwünscht hohe Temperaturen an den Dichtflächen (an den Kanalflächen, an denen Gas entlangströmt) entstehen.
  • Auch hier haben die Ergebnisse strömungsdynamischer Berechnungen gezeigt, dass, während an den Rippen des konventionellen Wärmezellenmodells Oberflächenbereiche mit hoher Temperatur auftreten, in dem hier vorgeschlagenen Modell niedrige Temperaturen beobachtet werden. Auf diese Weise würde sich auch der durch hohe Temperatur verursachte gasseitige Materialabtrag verringern.
  • Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung (ungleichförmiger Wärmefluss) bildet für zylindrische Wärmezellen/Module (50) gemäß dem Stand der Technik nach Figur 7 ein unvermeidbares Problem, nämlich auf Grund der Anordnung der runden Endrippen (51) an der Innenwand in nur einer Richtung. Mit der vorgeschlagenen Wärmezellenkonfiguration kann dagegen eine gleichmäßige Wärmeflussverteilung durch die Wände zwischen dem Abgas und dem Zentralheizungswasser erreicht werden. Die Temperaturverteilung über diese Wände wird ebenfalls durch Tests bestätigt.
  • Dieselben Tests belegen auch, dass an den Rippen des konventionellen Wärmezellenmodells Oberflächenbereiche mit hoher Temperatur vorhanden sind, welche den Materialabtrag und die thermische Ermüdung der Rippen beschleunigen. Dagegen ist auf den Oberflächen der Zyklon-Wärmezelle eine niedrigere Temperatur festzustellen, wodurch sich die zu erwartende Lebensdauer der Wärmezelle erhöht.
  • Die vorgenannten Aufgaben und Vorteile gemäß der Erfindung lassen sich durch die Merkmale gemäß den Hauptansprüchen 1 und 13 erreichen. Weitere nützliche Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauscherzelle zur Erzielung eines Wärmeaustausches zwischen einem ersten Medium und einem zweiten Medium, dadurch gekennzeichnet, dass es
    • ein Brennermodul, in das ein Brenner integriert ist, und
    • mindestens ein Wärmeaustauschermodul mit in bestimmten Intervallen in Zyklonform
    konfigurierten Rippen zur Erzeugung eines Wärmeaustauschs umfasst.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wärmeaustauschermodul (bzw. umfassen die Wärmeaustauschermodule) einen in seiner (bzw. ihrer) Mitte angeordneten Puffer, wobei der Puffer mit einer Druckentlastungsöffnung im Boden versehen ist, um im Falle einer Druckerhöhung auf Grund der Ausdehnung der Luft im Puffer den Druckausgleich aufrechtzuerhalten.
  • In einer grundlegenden Ausführungsform der Erfindung umfasst die das Brennermodul umgebende zylindrische Struktur ein inneres Gehäuse und ein äußeres Gehäuse, welches das innere Gehäuse umgibt, sowie einen zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse gestalteten Kanal für ein zweites Medium. In gleicher Weise besteht das Brennermodul auch aus einem Kanal für ein zweites Medium, welcher das Brennermodul umgibt und zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse konfiguriert ist.
  • Die erfindungsgemäße Wärmeaustauscherzelle umfasst ferner mit dem inneren Gehäuse verbundene Rippen, welche sich vom inneren Gehäuse in Richtung des Puffers erstrecken und damit Kanäle für das erste Medium bilden, welche spiralförmig ausgebildet sind und so eine Zirkulation des ersten Mediums innerhalb des Wärmeaustauschermoduls ermöglichen.
  • Zusätzlich dazu verläuft an der Außenwand des inneren Gehäuses quer zum Gehäuse der äußere Kanal für das zweite Medium, und zwar in Spiralform und mit einem bestimmten Winkel, der eine leichte Neigung von unten nach oben ermöglicht und die Form einer Vertiefung aufweist, deren Breite größer als ihre Tiefe ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ohne Verwendung eines Puffers sind das innere und das äußere Gehäuse mit einem senkrechten inneren Kanal für das zweite Medium ausgestattet, welcher durch Verlängerung der Wärmezelle in Richtung des in deren Mittelteil befindlichen Brenners gebildet ist, um den Durchfluss des zweiten Mediums zu ermöglichen, wobei dieser innere Kanal für das zweite Medium mit dem äußeren Kanal der Wärmezelle für das zweite Medium über einen Verbindungskanal verbunden ist.
  • In der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherzelle umfasst das Wärmeaustauschermodul weiterhin mindestens einen Kanaleinlass für das zweite Medium, der den Eintritt des zweiten Mediums in die Zelle ermöglicht, sowie mindestens einen Kanalauslass für das zweite Medium, der dessen Austritt aus der Zelle ermöglicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Brennermodul jeweils einen Kanaleinlass und einen Kanalauslass für das zweite Medium, die mit derselben Struktur wie im Wärmeaustauschermodul konfiguriert sind.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin einen Deckel, welcher das Brennermodul oben abdeckt und welcher in abgedichteter Weise in der Mitte mit dem Brenner und an den Rändern mit dem inneren und dem äußeren Gehäuse verbunden ist, wobei der Deckel mit einem kreisrunden Einlass für das erste Medium versehen ist, durch welchen das erste Medium fließen kann.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Wärmeaustauschverfahren, welches mittels der die oben genannten Merkmale aufweisenden Wärmeaustauscherzelle durchgeführt wird und folgende Arbeitsschritte umfasst:
    • das durch den Einlass für das erste Medium in das Brennermodul eingetretene erste Medium wird, während es durch das Brennermodul strömt, aufgeheizt, wonach es in das Wärmeaustauschermodul übertritt;
    • das im Wärmeaustauschermodul zirkulierende erste Medium vollführt eine zirkulierende Bewegung, während es die Kanäle für das erste Medium durchströmt, wobei diese Kanäle zwischen den Rippen gebildet werden, die in Verbindung mit dem Gehäuse und von diesem ausgehend sich in bestimmten Intervallen zyklonförmig zur Mitte hin erstrecken, und wobei das erste Medium in Kontakt mit den Rippen und der Oberfläche des inneren Gehäuses innerhalb des Moduls in Kontakt kommt und diese erwärmt;
    • das zweite Medium tritt durch den Kanaleinlass des Wärmeaustauschermoduls für das zweite Medium in die Zelle ein, durchläuft den äußeren Kanal für das zweite Medium in einer Wirbelbewegung von unten nach oben bzw. den Kanal für das zweite Medium, wodurch sich die Temperatur des zweiten Mediums mittels der Wärme der Rippen und des inneren Gehäuses erhöht;
    • das erwärmte zweite Medium verlässt die Zelle durch den Kanalauslass des Brennermoduls für das zweite Medium.
  • In dem oben beschriebenen Verfahren bewegt sich das zweite Medium in der Zelle in einer Weise, dass es in einer Richtung entgegengesetzt zur Wirbelrichtung des ersten Mediums wirbeln würde.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Heizgerät, welches eine Wärmeaustauscherzelle mit den oben dargelegten Merkmalen umfasst.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die strukturellen und typischen Merkmale der Erfindung werden verständlicher mit Hilfe der nachstehend genannten Zeichnungen und der ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Für die Beurteilung sollten daher die Zeichnungen und die ausführliche Beschreibung mit in Betracht gezogen werden.
    • Figur 1 ist die Perspektivansicht des Längsschnitts der Wärmeaustauscherzelle gemäß vorliegender Erfindung;
    • Figur 2 ist die Perspektivansicht eines der Wärmeaustauscherzellenmodule gemäß vorliegender Erfindung;
    • Figur 3 ist die Perspektivansicht, welche auch die Wasserkanäle eines der Wärmeaustauscherzellenmodule gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
    • Figur 4 ist die Perspektivansicht des Längsschnitts eines der Wärmeaustauscherzellenmodule gemäß vorliegender Erfindung;
    • Figur 5 ist die Perspektivansicht des Längsschnitts einer alternativen Ausführungsform der Wärmeaustauscherzelle gemäß vorliegender Erfindung;
    • Figur 6 zeigt die Bewegung des zweiten Mediums in der Zelle in einer alternativen Ausführungsform der Wärmeaustauscherzelle gemäß vorliegender Erfindung;
    • Figur 7 ist eine Perspektivansicht der Draufsicht des gebräuchlichen Wärmeaustauschermoduls gemäß dem Stand der Technik.
    Bezugszahlen
    • 1
    Wärme(austauscher)zelle
    2
    äußeres Gehäuse
    3
    inneres Gehäuse
    10
    Brennermodul
    11
    Kanal für das zweite Medium
    12
    Deckel
    13
    Einlass für das erste Medium
    14
    Kanaleinlass für das zweite Medium
    15
    Kanalauslass für das zweite Medium
    20
    Wärmeaustauschermodul
    21
    Stabrippe
    22
    Kanal für das erste Medium
    231
    äußerer Kanal für das zweite Medium
    232
    innerer Kanal für das zweite Medium
    233
    Verbindungskanal
    24
    Kanaleinlass für das zweite Medium
    25
    Kanalauslass für das zweite Medium
    30
    Brenner
    40
    Puffer
    41
    Druckentlastungsöffnung
    50
    Wärmezelle/Modul (Stand der Technik)
    51
    Endrippe
    F1
    erstes Medium
    F2
    zweites Medium
    T
    Tiefe des äußeren Kanals für das zweite Medium
    L
    Breite des äußeren Kanals für das zweite Medium
    Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist eine leicht anwendbare neuartige Ausführungsform einer Wärmezelle (1), welche Modularität ermöglicht. Vorgeschlagen werden zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Wärmeaustauschermodule (20), welche die erfindungsgemäße Wärmezelle (1) bilden. Die erste davon wird in den Figuren 1 bis 4, die zweite in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
  • Für die erste Ausführungsform der Modulgruppen ist es zunächst erforderlich, das Wärmeaustauschermodul (20) unabhängig von der Wärmezelle (1) zu beschreiben. Figur 2 zeigt die Perspektivansicht eines der Wärmeaustauschermodule (20), welche eine Wärmezelle (1) bilden. Danach umfasst jedes Wärmeaustauschermodul (20) im Wesentlichen: ein zylinderförmiges inneres Gehäuse (3); Rippen (21), welche sich in bestimmten Intervallen vom Gehäuse (3) zur Mitte hin erstrecken und mit diesem inneren Gehäuse (3) in Zyklonform verbunden sind; sowie ein äußeres Gehäuse (2), welches das innere Gehäuse (3) umgibt.
  • Das erste, von oben nach unten strömende Medium (F1) ist ein warmes Gas, welches beim Passieren der zwischen den Rippen (21) gebildeten Medienkanäle (22) auf Grund der Struktur der Rippen (21) eine natürlich zirkulierende Bewegung vollführt und innerhalb des Moduls (20) mit allen Rippen (21) und der gesamten inneren Oberfläche des Gehäuses (3) in Kontakt kommt. Da die Rippen (21) so ausgebildet sind, dass die Kanäle eine spiralförmige Konfiguration aufweisen, wird hier für die Zirkulation des ersten Medium (F1) innerhalb eines bestimmten Volumenbereichs ein längerer Weg zur Verfügung gestellt, wodurch eine größere Oberfläche für die Wärmeübertragung geschaffen wird.
  • Figur 3 zeigt das Modul (20) ohne das äußere Gehäuse (2). Während das warme erste Medium (F1) im Modul (20) von oben nach unten strömt, strömt ein kaltes zweites Medium (F2) in einer zyklischen Bewegung im äußeren Kanal für das zweite Medium (231) von unten nach oben und verlässt das Modul (20) mit erhöhter Temperatur. Der äußere Kanal für das zweite Medium (231) ist vorzugsweise in die Außenwand des inneren Gehäuses (3) in Form einer quer zu den Gehäusen (2, 3) und in einem bestimmten Winkel verlaufenden Vertiefung eingelassen, so dass ein geschlossener Kanal entsteht, sobald das äußere Gehäuse (2) das innere Gehäuse (3) bedeckt. Die Struktur des äußeren Kanals für das zweite Medium (231) ist in Figur 1 und Figur 4 im Schnitt dargestellt.
  • Auf Grund des Winkels verläuft der äußere Kanal für das zweite Medium (231) in Querrichtung zwischen dem inneren Gehäuse (3) und dem äußeren Gehäuse (2) dergestalt, dass er das Gehäuse (3) umrunden würde und dabei leicht von unten nach oben ansteigt. Dem in Figur 1 gezeigten Schnitt ist zu entnehmen, dass die Breite (L) des äußeren Kanals (231) größer bemessen ist als seine Tiefe (T) und sich somit die Oberfläche für den Wärmeaustausch zwischen dem durch den äußeren Kanal (231) strömenden zweiten Medium (F2) und dem zwischen den Rippen (21) zirkulierenden ersten Medium (F1) vergrößert. Dadurch vergrößert sich direkt proportional zu der Wärmeaustauschfläche auch der Betrag des Wärmeaustauschs.
  • Da ein solcher Kanal (231) lediglich in die Außenwand des inneren Gehäuses (3) eingearbeitet ist, ist auch die Herstellung einfach und problemlos möglich. Übrigens kann in alternativen Ausführungsformen der Erfindung der äußere Kanal für das zweite Medium (231) auch durch die Kombination zweier Halbkanäle gebildet werden, die beispielsweise symmetrisch in die Kontaktflächen des äußeren Gehäuses (2) und des inneren Gehäuses (3) eingearbeitet werden.
  • Figur 2 zeigt, gestaltet am äußeren Gehäuse (2), den Kanaleinlass für das zweite Medium (24) und den Kanalauslass für das zweite Medium (25). Gemäß der Erfindung strömt das zweite Medium (F2), nachdem es vom Kanaleinlass (24) in den äußeren Kanal für das zweite Medium (231) eingetreten ist, vorzugsweise entlang der Außenwand des inneren Gehäuses (3) in einer Wirbelbewegung in entgegengesetzter Richtung zur Wirbelrichtung des ersten Mediums (F1), verlässt sodann das Modul (20) durch den Kanalauslass (25) und strömt in das obere Wärmeaustauschermodul (20) oder das Brennermodul (10). Während diese Verbindungen zwischen den Durchlässen und Kanälen (231) außen am äußeren Gehäuse (2) vorgesehen werden können, können sie jedoch auch auf der Innenseite des äußeren Gehäuses (2) vorgesehen werden. Kurz gesagt, das zweite Medium tritt in die Wärmezelle (1) durch das unterste Modul (20) ein und verlässt nach seiner Erwärmung die Wärmezelle (1) aus dem zuoberst befindlichen Brennermodul (10).
  • Im Allgemeinen sind die Eintritts-Austritts-Richtungen des ersten Mediums (F1) und des zweiten Mediums (F2) in das Modul (20) und aus demselben sowie die Richtungen ihrer zyklischen Bewegung innerhalb des Moduls (20) einander völlig entgegengesetzt. Der Zweck davon ist, das erwärmte zweite Medium (F2) von unten in den obersten Bereich des Moduls (20) zu bringen, wo das erste Medium (F1) sich in seinem wärmsten Zustand befindet, und dann die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Medien zu verringern und somit eine Kondensation des Wasserdampfs im ersten Medium (F1) zu verhindern. Darüber hinaus ist es erwünscht, dass die Kondensation am unteren Teil der Wärmezelle (1) stattfindet. Die Gastemperatur wird deshalb in den auslassnahen Bereichen so weit wie möglich verringert.
  • Figur 1 ist die Perspektivansicht eines Längsschnitts der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherzelle (1). Die Gesamtzahl der Module (20) der Wärmezelle (1), die durch Kombination einer bestimmten Anzahl von Modulen (20) gebildet wird, legt auch die maximale Leistung dieser Zelle (1) fest. Demgemäß kann die Anzahl der Module (20) der Wärmeaustauscherzelle (1) je nach dem Verwendungszweck und der Größe des zu beheizenden Bereiches variieren.
  • Gemäß Figur 1 umfasst die erfindungsgemäße Wärmeaustauscherzelle (1) im Wesentlichen: mindestens ein Wärmeaustauschermodul (20), mindestens ein mit dem Wärmeaustauschermodul (20) von oben verbundenes Brennermodul (10) und mindestens einen Puffer (40), der in der Mitte der Wärmeaustauschermodule (20) in einer Weise angeordnet ist, dass er nicht mit den Rippen (21) verbunden ist, sondern diese lediglich berührt. Der Puffer (40) ist ein vorzugsweise aus Keramik oder nichtrostendem Stahl bestehendes Bauteil mit einem hohlen Innenraum und einer Wanddicke von 2-4 mm und ist beständig gegen hohe Temperaturen. Am Boden des Puffers (40) ist eine Druckentlastungsöffnung (41) vorgesehen, um im Fall einer Druckerhöhung auf Grund der Ausdehnung der Luft im Puffer für Ausgleich zu sorgen.
  • Das Brennermodul (10) ist hinsichtlich seiner Gehäuse (2, 3) dem Wärmeaustauschermodul (20) ähnlich; jedoch umfasst es statt der Rippen (21) mindestens einen Brenner (30), welcher über dem Puffer (40), jedoch in einem Abstand von diesem angeordnet ist. Das Modul (10) ist mit einem Deckel (12) versehen, wobei dieser Deckel (12) in abgedichteter Weise in der Mitte mit dem Brenner (30) und an den Rändern mit dem inneren Gehäuse (3) und dem äußeren Gehäuse (2) verbunden ist. In der Mitte des Deckels (12) befindet sich ein kreisrunder Einlass für das erste Medium (13), so dass das erste Medium (F1), das in den Brenner (30) eintreten würde, hindurchfließen kann.
  • Das Brennermodul (10) hat Kanäle für das zweite Medium (11) mit derselben Struktur wie im Wärmeaustauschermodul (20). Der Eintritt des zweiten Mediums (F2) in diese Kanäle (11) erfolgt durch den äußeren Kanal für das zweite Medium (231) des unteren Wärmeaustauschermoduls (20), mit dem das Brennermodul (10) verbunden ist, während der Austritt des zweiten Mediums (F2) aus dem Brennermodul (10) durch den Kanalauslass für das zweite Medium (15) erfolgt, welcher sich ebenfalls am äußeren Gehäuse (2) befindet. Der Kanaleinlass für das zweite Medium (14), welcher dessen Eintritt ermöglicht, ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.
  • Auf Grund des breiten Anwendungsbereiches der hierin beschriebenen vorliegenden Erfindung ist es möglich, diverse alternative Anwendungen mit der Funktion dieser Erfindung zu entwickeln. In diesem Zusammenhang wird nachfolgend eine alternative Ausführungsform einer für wandmontierte Kombiboiler bestimmten Kondensationswärmezelle (1) beschrieben.
  • In der in Figur 5 dargestellten alternativen Ausführungsform ist der in der ersten Ausführung im Mittelteil der Wärmezelle (1) verwendete Puffer (40) nicht vorhanden. Stattdessen ist ein senkrechter innerer Kanal für das zweite Medium (232) für den Durchfluss des zweiten Mediums (F2) vorgesehen. Dieser innere Kanal für das zweite Medium (232) wird gebildet durch eine Erweiterung des inneren Gehäuses (3) und des äußeren Gehäuses (2) in Richtung des in der Mitte der Wärmezelle (1) befindlichen Brenners (30), wobei der Kanal (232) über den Verbindungskanal (233) mit dem äußeren Kanal (231) des Wärmeaustauschermoduls (20) verbunden ist, welches den untersten Teil der Wärmezelle (1) bildet. Außerdem sind in einer solchen Ausführungsform in jedem Wärmeaustauschermodul (20) die zentralen Enden der Rippen (21) nicht freiliegend wie in der zuerst beschriebenen Ausführungsform der Wärmezelle (1), sondern mit der in der Mitte gebildeten zylindrischen Struktur über das innere Gehäuse (3) verbunden. Auf diese Weise kann sowohl an der Außenwand und der zentral gelegenen Wand des Moduls (20) eine größere Wärmeübertragungsfläche zwischen dem warmen und dem kalten Medium gebildet werden.
  • Die in dieser Ausführungsform vorgeschlagene Zirkulation des zweiten Mediums (F2) ist ebenfalls anders. Gemäß Figur 5 tritt das zweite Medium (F2) durch den Kanaleinlass für das zweite Medium (24) in den inneren Kanal für das zweite Medium (232) in der Mitte der Wärmezelle (1) ein, und nachdem es im inneren Kanal für das zweite Medium (232) durch Auf- und Abströmen zirkuliert, strömt es durch den Verbindungskanal (233) weiter in den äußeren Kanal für das zweite Medium (231). Das den äußeren Kanal für das zweite Medium (231) durchströmende zweite Medium (F2) folgt dem für die erste Ausführungsform beschriebenen Weg und verlässt daher die Wärmezelle (1) in erwärmtem Zustand durch den im Brennermodul (10) befindlichen Kanalauslass für das zweite Medium (15). Dieser Weg des zweiten Mediums (F2) ist in Figur 6 durch Pfeile angezeigt.
  • In einer weiteren Ausführungsform können außerdem die thermische Leistung und der effektive Wärmeübertragungskoeffizient durch den Einbau kleindimensionierter Oberflächenvergrößerungen, wie z.B. Rundstabrippen, an den inneren Seitenwänden erhöht werden.
  • Die Erfindung ist nutzbar für die Konstruktion und Entwicklung von Kondensationswärmezellen der nächsten Generation für wandmontierte Kombiboiler. Ebenso kann die Erfindung für die Entwicklung von Wärmezellen in anderen Anwendungen genutzt werden, in denen ein gasbeheiztes Brennersystem eingesetzt wird.

Claims (15)

  1. Erfindungsgemäße Wärmeaustauscherzelle (1) zur Erzielung eines Wärmeaustauschs zwischen einem ersten Medium (F1) und einem zweiten Medium (F2), gekennzeichnet dadurch, dass sie
    - ein Brennermodul (10), in welchem der Brenner (30) integriert ist, und
    - mindestens ein Wärmeaustauschermodul (20), versehen mit in bestimmten Intervallen zyklonförmig angeordneten Rippen (21) für den Wärmeaustausch umfasst.
  2. Wärmeaustauscherzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschermodul (20) oder die Wärmeaustauschermodule (20) außerdem einen in seiner (bzw. ihrer) Mitte angeordneten Puffer (40) umfasst (bzw. umfassen), wobei der Puffer mit einer in seinem Boden befindlichen Druckentlastungsöffnung (41) ausgestattet ist, um im Fall einer Erhöhung des Druckes auf Grund der Ausdehnung der Luft im Puffer den Ausgleich aufrechtzuerhalten.
  3. Wärmeaustauscherzelle (1) nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der das Brennermodul (10) umgebende zylindrische Aufbau ein inneres Gehäuse (3), ein das innere Gehäuse (3) umgebendes äußeres Gehäuse (2) und einen zwischen dem inneren Gehäuse (3) und dem äußeren Gehäuse (2) angeordneten Kanal für das zweite Medium (11) umfasst.
  4. Wärmeaustauscherzelle (1) nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der das Wärmeaustauschermodul (20) umgebende zylindrische Aufbau ein inneres Gehäuse (3), ein das innere Gehäuse (3) umgebendes äußeres Gehäuse (2) und einen zwischen dem inneren Gehäuse (3) und dem äußeren Gehäuse (2) angeordneten äußeren Kanal für das zweite Medium (231) umfasst.
  5. Wärmeaustauscherzelle (1) nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem inneren Gehäuse verbundenen Rippen (21) sich vom inneren Gehäuse (3) zu dem Puffer (40) hin erstrecken und, indem sie mit dem inneren Gehäuse (3) verbunden bleiben, Kanäle für das erste Medium (22) bilden, wobei die Kanäle spiralförmig ausgebildet sind und die Zirkulation des ersten Mediums (F1) innerhalb des Wärmeaustauschermoduls (20) gestatten.
  6. Wärmeaustauscherzelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kanal für das zweite Medium (231) in der Außenwand des inneren Gehäuses (3) verläuft, sich quergerichtet zum Gehäuse (3) hin erstreckt, und zwar spiralförmig und in einem gewissen Winkel, wodurch eine leichte Neigung von unten nach oben ermöglicht wird.
  7. Wärmeaustauscherzelle (1) nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kanal für das zweite Medium (231) die Form einer Vertiefung aufweist, dessen Breite (L) größer ist als die Tiefe (T).
  8. Wärmeaustauscherzelle (1) nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ohne Verwendung des Puffers (40) das innere Gehäuse (3) und das äußere Gehäuse (2) mit einem senkrechten inneren Kanal für das zweite Medium (232) versehen sind, welcher durch Erweiterung der Wärmezelle (1) zum Brenner (30) hin in dessen zentralem Teil gebildet wird, um den Durchfluss des zweiten Mediums (F2) zu ermöglichen, wobei dieser innere Kanal für das zweite Medium (232) mit dem äußeren Kanal für das zweite Medium (231) der Wärmezelle (1) über einen Verbindungskanal (233) verbunden ist.
  9. Wärmeaustauscherzelle (1) nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschermodul (20) mindestens einen Kanaleinlass für das zweite Medium (24) zur Ermöglichung des Eintritts des zweiten Mediums (F2) in die Zelle (1) und mindestens einen Kanalauslass für das zweite Medium (25) zur Ermöglichung seines Austritts aus der Zelle (1) umfasst.
  10. Wärmeaustauscherzelle (1) nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennermodul (10) einen Kanaleinlass für das zweite Medium (14) und einen Kanalauslass für das zweite Medium (15) von gleicher Struktur wie im Wärmeaustauschermodul (20) umfasst.
  11. Wärmeaustauscherzelle (1) nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Deckel (12) umfasst, welcher das Brennermodul (10) von oben abdeckt und abgedichtete Verbindungen in der Mitte mit dem Brenner (30) und an den Rändern mit dem inneren Gehäuse (3) und dem äußeren Gehäuse (12) aufweist.
  12. Wärmeaustauscherzelle (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (12) in seiner Mitte einen kreisförmigen Einlass für das erste Medium (13) aufweist, der den Eintritt des ersten Mediums (F1) in den Brenner (30) ermöglicht.
  13. In der Wärmeaustauscherzelle (1) nach Ansprüchen 1-11 ausgeführtes Wärmeaustauschverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Verfahrensschritte umfasst:
    - das durch den Einlass für das erste Medium (13) in das Brennermodul (10) eingetretene erste Medium (F1) wird, während es durch das Brennermodul strömt, aufgeheizt, woraufhin es in das Wärmeaustauschermodul (20) übertritt;
    - das im Wärmeaustauschermodul (20) zirkulierende erste Medium (F1) vollführt eine zirkulierende Bewegung, während es die Kanäle für das erste Medium (22) durchströmt, welche gebildet werden zwischen den mit dem Gehäuse (3) verbundenen und von diesem ausgehend sich in bestimmten Intervallen zyklonförmig zur Mitte hin erstreckenden Rippen (21), wobei es mit allen Rippen (21) und der Oberfläche des inneren Gehäuses (3) im Modul (20) in Kontakt kommt und diese erwärmt;
    - das zweite Medium (F2) tritt durch den Kanaleinlass (24) des Wärmeaustauschermoduls (20) für das zweite Medium in die Zelle (1) ein, durchströmt den äußeren Kanal für das zweite Medium (231) in einer Wirbelbewegung von unten nach oben bzw. den Kanal für das zweite Medium (11), wodurch sich die Temperatur des zweiten Mediums (F2) mittels der Wärme der Rippen (21) und des inneren Gehäuses (3) erhöht; und
    - das erwärmte zweite Medium (F2) verlässt die Zelle (1) durch den Kanalauslass (15) des Brennermoduls (10) für das zweite Medium
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (F2) die Zelle (1) in einer solchen Weise durchläuft, dass es in entgegengesetzter Richtung zur Wirbelrichtung des ersten Mediums (F1) wirbelt.
  15. Heizgerät, welches eine Wärmeaustauscherzelle (1) nach den vorstehenden Ansprüchen umfasst.
EP14181702.3A 2013-08-26 2014-08-21 Wärmeaustauschermodul mit Zyklonrippen sowie aus diesem Modul gebildete Wärmeaustauscherzelle Withdrawn EP2851628A3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TR201310128 2013-08-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP2851628A2 true EP2851628A2 (de) 2015-03-25
EP2851628A3 EP2851628A3 (de) 2015-08-05

Family

ID=51389998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP14181702.3A Withdrawn EP2851628A3 (de) 2013-08-26 2014-08-21 Wärmeaustauschermodul mit Zyklonrippen sowie aus diesem Modul gebildete Wärmeaustauscherzelle

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP2851628A3 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110425725A (zh) * 2019-07-29 2019-11-08 黄骅市格鑫电采暖设备有限公司 用于加热器的半导体换热模块
CN112283936A (zh) * 2020-09-16 2021-01-29 北京北机机电工业有限责任公司 一种高效换热装置
CN116557894A (zh) * 2023-04-11 2023-08-08 国家能源集团科学技术研究院有限公司 提高煤粉锅炉入口一次风粉温度的系统及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4738307A (en) 1985-09-20 1988-04-19 Carrier Corporation Heat exchanger for condensing furnace
EP0546969B1 (de) 1991-12-09 1994-08-10 Hamon Spiro-Gills Zylindrischer Mantel mit grossem Durchmesser zur Kühlung von Teilen
EP1136764A2 (de) 2000-03-18 2001-09-26 Robert Bosch Gmbh Wärmetauscher für ein Gasbrennwertgerät
DE10038624A1 (de) 2000-08-03 2002-02-21 Broekelmann Aluminium F W Wärmeübertragungsrohr mit gedrallten Innenrippen

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1980425A (en) * 1934-01-19 1934-11-13 Leigh F Morgan Water heater
FR78768E (fr) * 1960-11-30 1962-09-07 Camille Dubois Paganon & Cie E Appareil générateur d'eau chaude
DE2207446A1 (de) * 1972-02-17 1973-08-23 Paul Sommer Kessel fuer oel- und gasfeuerung
DE9202515U1 (de) * 1992-02-24 1992-06-11 Haustein, Peter, O-7063 Leipzig Heizkessel zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen
WO1996019697A1 (de) * 1994-12-20 1996-06-27 Robert Bosch Gmbh Heizgerät
DE19837159A1 (de) * 1998-08-17 2000-02-24 Harlander Norbert Heizkessel, insbesondere Brennwertkessel
WO2000032999A2 (en) * 1998-12-01 2000-06-08 Hermanus Abraham De Vries Liquid fuel water heating equipment and burner utilizing system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4738307A (en) 1985-09-20 1988-04-19 Carrier Corporation Heat exchanger for condensing furnace
EP0546969B1 (de) 1991-12-09 1994-08-10 Hamon Spiro-Gills Zylindrischer Mantel mit grossem Durchmesser zur Kühlung von Teilen
EP1136764A2 (de) 2000-03-18 2001-09-26 Robert Bosch Gmbh Wärmetauscher für ein Gasbrennwertgerät
DE10038624A1 (de) 2000-08-03 2002-02-21 Broekelmann Aluminium F W Wärmeübertragungsrohr mit gedrallten Innenrippen

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110425725A (zh) * 2019-07-29 2019-11-08 黄骅市格鑫电采暖设备有限公司 用于加热器的半导体换热模块
CN112283936A (zh) * 2020-09-16 2021-01-29 北京北机机电工业有限责任公司 一种高效换热装置
CN112283936B (zh) * 2020-09-16 2022-07-29 北京北机机电工业有限责任公司 一种高效换热装置
CN116557894A (zh) * 2023-04-11 2023-08-08 国家能源集团科学技术研究院有限公司 提高煤粉锅炉入口一次风粉温度的系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2851628A3 (de) 2015-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3301378B1 (de) Wärmeübertragerrohr und heizkessel mit einem solchen wärmeübertragerrohr
DE10038624C2 (de) Wärmeübertragungsrohr mit gedrallten Innenrippen
DE60212069T2 (de) Raketentriebwerksglied und ein verfahren zur herstellung eines raketentriebwerksglieds
DE102009047620B4 (de) Wärmeübertrager mit Rohrbündel
DE102012000549A1 (de) Wärmetauscherrohr und Verfahren zum Verwenden desselben
DE3134401T5 (en) Corrugated insert for heat exchanger
EP0201665B1 (de) Wärmeübertrager mit mehreren parallelen Rohren und auf diesen angebrachten Rippen
WO2013139507A1 (de) Wärmetauscher, verfahren zu seiner herstellung sowie verschiedene anlagen mit einem derartigen wärmetauscher
DE202007017283U1 (de) Wärmetauscher mit ringförmig ausgebildeten Strömungskanälen
DE102018122414B4 (de) Temperiervorrichtung und Verfahren zum Temperieren eines Elektromoduls
DE112010002307T5 (de) Kühlkörper
DE112013007041T5 (de) Wärmetauscher
DE2953704C2 (de) Röhren-Platten-Wärmeaustauscher
DE212013000202U1 (de) Heißluftofen
DE102008020946A1 (de) Multifunktionaler Hochleistungs-Rohrbündelkondensator
DE102004046587A1 (de) Wärmetauscher
DE112022003950T5 (de) Wärmetauscher
EP0128463A2 (de) Raumheizgerät für Kleinräume
DE102008059541A1 (de) Wärmetauscher
DE2245357A1 (de) Waermeaustauscher
DE69700285T2 (de) Ölheizkörper, dessen Ränder eine niedrige Temperatur behalten
DE2126226C3 (de) Wärmeaustauscher
DE102009026546B4 (de) Sonnenkollektor
DE112018007168T5 (de) Heißwassererhitzer vom Speichertyp mit Wirbelführungsteil
EP0618410A2 (de) Wärmetauscher für einen Brennwertkessel

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20140821

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

PUAL Search report despatched

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: F24H 1/24 20060101ALI20150626BHEP

Ipc: F24H 9/00 20060101AFI20150626BHEP

R17P Request for examination filed (corrected)

Effective date: 20160205

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

17Q First examination report despatched

Effective date: 20160628

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20181003