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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Heizungsanlagen,
bestehend aus einem insbesondere zylindrischen Gehäuse und einer in dem
Gehäuse verlegten Rohrleitung, wobei die Rohrleitung aus einem Wellschlauch
aufgebaut ist.
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Zur Verwendung in Heizungsanlagen finden oft aus Alugussgehäusen
bestehende Wärmetauscher Anwendung, die neben dem Brennerbereich einen
integrierten Strömungskanal für das aufzuheizende Medium aufweisen. Neuere
Bauformen von Abgas-Wärmetauschern bestehen aus einem zylindrischen Gehäuse
mit einer senkrecht angeordneten Glattrohr- oder Wellschlauchwendel. Im
oberen Bereich des Gehäuses ist bei dieser Bauform der Brenner innerhalb der
Wellschlauchwendel angeordnet, wobei das Abgas von oben nach unten strömt
und die Flammen des Brenners entsprechend seitlich und nach unten gerichtet
sind. Im Gegensatz dazu strömt das zu erwärmende Medium, also das Wasser
innerhalb der Wellschlauchwendel von unten nach oben. Die Erwärmung des
Wassers erfolgt derart, dass im oberen Bereich durch erzwungene Konvektion
und Strahlung Wärme vom Abgas auf das Wasser übertragen wird und dass im
unteren Bereich erzwungene Konvektion und Kondensation zur
Wärmeübertragung führen. Das bei der Kondensation anfallende Kondensat läuft unten aus
dem Wärmetauschergehäuse ab.
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Während eine Wellschlauchwendel wegen der vergrößerten
Wärmeübertragungsoberfläche und somit verbesserten Tauscherleistung zu bevorzugen ist,
liegt der Vorteil einer Glattrohrwendel wegen der verbesserten
Strömungsverhältnisse in einem besseren Stoffaustausch und Wärmetransport. Gleichzeitig
heißt dies aber auch, dass insbesondere bei enggewellten Wellschlauchwendeln
hohe Temperaturen wegen des schlechten Wärmetransports lokale
Überhitzungen der Leitung und die Bildung von unerwünschten Dampfblasen hervorrufen
können, während Glattrohrwendel verglichen mit Wellschlauchwendeln einen
ungünstigeren Wirkungsgrad aufweisen. Schließlich ist noch zu berücksichtigen,
dass enggewellte Schlauchleitungen in den strömungsärmeren Bereichen
Kalkablagerungen begünstigen.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art mit verbesserten
Gebrauchseigenschaften wie Tauscherleistung, Störanfälligkeit etc. zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rohrleitung zur
Optimierung der Wärmeübertragungseigenschaften in verschiedenen Bereichen
des Wärmetauschergehäuses Leitungsabschnitte mit unterschiedlich
ausgeprägten und an die in den jeweiligen Bereichen vorherrschenden Verhältnisse
angepassten Bauformen aufweist, wobei hier insbesondere unterschiedliche
Schlauch- und/oder Wellengeometrien oder auch unterschiedliche Materialien in
Frage kommen. Somit lassen sich die Vorteile der bekannten
Wärmetauschervarianten in optimaler Weise kombinieren, indem man jeweils diejenige Bauform
auswählt, die zu den jeweiligen Verhältnissen am besten passt.
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Für den erwähnten, aber nicht schutzbeschränkend gemeinten Anwendungsfall
eines Wärmetauschers für Heizungsanlagen heißt dies demnach insbesondere,
dass die zumindest zwei übereinander angeordneten Bereiche aus einem
Heißbereich mit Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion und Strahlung
und einem Kondensationsbereich mit Wärmeübertragung durch erzwungen
Konvektion und Kondensation bestehen, so dass sich die Leitung ausgehend vom
oberen Heißbereich in den unteren Kondensationsbereich erstreckt und im
oberen Heißbereich mit einer weiteren Schlauchwellung mit größerer Wellenlänge
und gegebenenfalls flacheren Wellenflanken als im unteren
Kondensationsbereich versehen sein kann.
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So lässt sich im oberen, überhitzungskritischen Heißbereich die
Schlauchwellung quasi leicht an eine Glattrohrwendel annähern, was zu den gewünschten
günstigen Strömungsverhältnissen und somit zur Vermeidung von lokalen
Überhitzungen in diesem Bereich führt. Die weite Wellung vermeidet hierbei in den
Wellentälern das Auftreten von Sekundärwirbeln, die die Wärmeübertragung
behindern würden. Gleichzeitig vergrößert eine weite Wellung die Durchmesser
der abgelösten Wirbel nach dem Prinzip der Kármánschen Wirbelstraße und
trägt damit zusätzlich zur Verbesserung der Wärmeübertragung bei. Der im
Gegensatz dazu im unteren Kondensationsbereich vorgesehene Leitungsabschnitt
mit engerer Schlauchwellung, kleinerer Wellenlänge und insbesondere steileren
Wellenflanken besitzt wiederum die angestrebte möglichst große Oberfläche, die
in einem bevorzugten Anwendungsfall um das 2,5-fache höher liegt als bei
einem vergleichbaren Glattrohr. Die zuvor erwähnten Wirbel bzw.
Strömungsverhältnisse sind im Kondensationsbereich aufgrund der dort vorherrschenden
geringeren Temperaturen unkritisch.
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Anstelle der Anpassung der Wellengeometrien kann ein Schritt zur Optimierung
des Wärmetauschers aber auch schon darin liegen, Leitungsabschnitte mit
unterschiedlichen Materialien zur Verfügung zu stellen, die eine unterschiedliche
Korrosionsbeständigkeit aufweisen. So kann man den Einsatz teurer Materialien
mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit gezielt auf die Bereiche beschränken, in
denen sie unbedingt erforderlich sind, während andere Bereiche der Leitung mit
weniger korrosionsbegünstigender Umgebung aus kostengünstigerem Material
gebildet sein können.
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Bevorzugterweise ist - wie schon beim beschriebenen Stand der Technik - die
Rohrleitung als Wendel ausgebildet und so wendelförmig im
Wärmetauschergehäuse verlegt.
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Bei der Wahl der Schlauch- und/oder Wellengeometrien lassen sich zur
Optimierung der jeweiligen Wärmeübertragungseigenschaften insbesondere folgende
Parameter variieren: Wellschlauchdurchmesser, Schlauchgeometrien wie
Wanddicke oder bzw. Wellengeometrie wie Wellenlänge und Wellenhöhe. Darüber
hinaus ist auch eine Anpassung des Materials möglich.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, lässt sich die vorliegende Erfindung nicht nur
bei den beispielhaft angeführten Wärmetauschern für Heizungsanlagen
einsetzen, sondern auch bei beliebigen anderen Wärmetauschern, die Bereiche mit
unterschiedlichen Verhältnissen wie Temperaturen, Wärmestrahlungen etc.
aufweisen. Bei einem solchen Wärmetauscher weist die Leitung erfindungsgemäß
zumindest zwei Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen Schlauch- und/oder
Wellengeometrien auf, nämlich bevorzugterweise einen Leitungsabschnitt mit
weiterer Schlauchwellung und größerer Wellenfänge mit insbesondere flacheren
Wellenflanken und einen Abschnitt mit engerer Schlauchwellung kleinerer
Wellenlänge und mit steileren Wellenflanken. Die weite Schlauchwellung mit flachen
Wellenflanken ist ähnlich einer Glattrohrwendel dazu vorgesehen, in
Wärmetauscherbereichen mit hohen Temperaturen verlegt zu werden, da die weite
Wellung dafür sorgt, dass sich keine Gasbläschen an der Leitungsinnenwand
absetzen können, die den Wärmeabtransport beeinträchtigen würden. Daneben ist
der Leitungsabschnitt mit engerer Schlauchwellung für solche Bereiche
geeignet, die zur Optimierung der Wärmetauscherfläche eine möglichst große
Oberfläche aufweisen, ohne dass es in den enggewellten Bereichen der Wellentäler
bzw. Wellenberge zu kritischen Strömungs- oder Temperatureinflüssen kommt.
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Unterschiedliche Wellungen haben auch einen Einfluss auf die Steifheit der
Leitung: Insbesondere bei wendelförmigen Leitungen kommt diese Steifheit zum
Tragen, wenn die ursprünglich geradlinig verlaufende gewellte Leitung in die
Wendelform gebracht werden soll. Weitgewellte Leitungsabschnitte sind steifer
als enggewellte und bleiben somit auch besser in ihrer Position, müssen also
nicht bzw. weniger abgestützt bzw. festgelegt werden.
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Neben einer Änderung der Wellengeometrie ist es darüber hinaus möglich, die
Schlauchgeometrie zu verändern und beispielsweise die Leitungsabschnitte im
Heißbereich mit einem gegenüber dem Kondensationsbereich reduzierten
Durchmesser zu versehen, was zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit
und einer vergrößerten Turbulenz führt und die Wärmeübertragung weiter
verbessert.
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Die beiden unterschiedlich ausgebildeten Leitungsabschnitte können - je nach
Anwendungsfall - lückenlos ineinander übergehen oder aber auch durch einen
- unter Umständen auch noch mit einer anderen Geometrie versehenen -
Übergangsbereich miteinander verbunden sein.
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Während sich die vorliegende Erfindung insbesondere anwenden lässt für
Wärmetauscher mit integrierter Wellschlauchwendel und somit herkömmliche
Bauformen mit Glattrohr- oder Wellschlauchwendel ersetzt, lässt sich der
erfindungswesentliche Gedanke, Leitungsabschnitte mit unterschiedlichen
Geometrien vorzusehen, auch auf herkömmliche Rohr-Wärmetauscher anwenden, die
üblicherweise mit einem Bündel parallel zueinander angeordneter Rippenrohre
ausgestattet sind. Auch dort lässt sich der Innenraum des
Wärmetauschergehäuses zumindest in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Bedingungen
aufteilen, nämlich in einen brennernahen Heißbereich und einen brennerfernen
Kondensationsbereich. Auch empfiehlt es sich dann, Leitungsabschnitte mit weiter
Schlauchwellung im Heißbereich und Leitungsabschnitte mit enger
Schlauchwellung im Kondensationsbereich vorzusehen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der
Zeichnung; hierbei zeigen
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Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher im Längsschnitt; und
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Fig. 2 einen Ausschnitt des abgewickelten Metallschlauchs des
erfindungsgemäßen Wärmetauschers aus Fig. 1.
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Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 besteht aus
einem zylindrischen Gehäuse 2 mit vertikaler Gehäuseachse. In dem Gehäuse ist
eine Wellschlauchwendel 3 mit ebenfalls vertikaler Wendelachse angeordnet,
wobei der Wellschlauch so verlegt ist, dass der Wendeldurchmesser möglichst
groß ausfällt, also der Wellschlauch entlang der Gehäuseinnenwandung verlegt
ist.
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Die Wellschlauchwendel 3 weist hierbei einen im Gehäuseboden 4
angeordneten in Vertikalrichtung orientierten Einlass 5 sowie einen unterhalb des
Gehäusedeckels 6 angeordneten und in Horizontalrichtung verlaufenden Auslaß 7 auf.
Demnach strömt das zu erwärmende Medium - also im vorliegenden Fall das
aufzuheizende Wasser - von unten nach oben durch den Wärmetauscher.
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Nachdem im oberen Bereich des Wärmetauschers ein Brenner 8 angeordnet ist,
strömt also das zu erwärmende Medium von dem kälteren unteren Bereich des
Wärmetauschers in den heißeren oberen Bereich. Der Brenner 8 ist so
ausgebildet, dass er ausgehend vom Gehäusedeckel 6 in Vertikalrichtung nach unten
in den Wärmetauscher hineinragt und die Flammen insbesondere in
Horizontalrichtung radial nach außen auf die Wellschlauchwendel 3 richtet, so dass in
diesem auf der Höhe des Brenners befindlichen sogenannten Heißbereich A des
Wärmetauschers die Wärme durch erzwungene Konvektion und durch Strahlung
auf den Welischlauch und damit das durch den Welischlauch fließende Medium
übertragen wird. In dem unterhalb des Brenners befindlichen und nicht direkt
von den Flammen beaufschlagten Bereich, dem sogenannten
Kondensationsbereich B, wird der Wellschlauch von der heißen Luft bzw. dem heißen Abgas,
welches den Wärmetauscher an der Unterseite durch einen im Boden
angeordneten Abgasauslass 9 verlässt, beaufschlagt, so dass die Wärme durch
erzwungene Konvektion und Kondensation übertragen wird.
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Im Bereich des Gehäusebodens 4 ist schließlich noch ein Auslass 10 für das
Kondensat vorgesehen, welches bei der Kondensation an der
Wellschlauchwendel im Kondensationsbereich B anfällt.
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Im unteren Kondensationsbereich B des Wärmetauschers 1 ist innerhalb der
Wellschlauchwendel 3 ein zylinderförmiger Verdrängungskörper 11 angeordnet,
der den Innenraum innerhalb der Wendel 3 blockiert und so den Gasstrom über
den Außenbereich des Gehäuses und vorbei an der Wellschlauchwendel 3
richtet. So wird ein möglichst effizienter Wärmeaustausch zwischen dem
Heizgas und dem zu erwärmenden Heizungswasser sichergestellt. Gleichzeitig dient
dieser Verdrängungskörper 11 dazu, die Wellschlauchwendel 3 an der
Gehäusewandung unter Belassung eines Ringspaltes festzulegen, wobei dieser Ringspalt
zwischen Gehäusewand und Verdrängungskörper von dem Wellschlauch
weitestgehend ausgefüllt wird, der mit seinen Außenkrempen, also den
Wellenbergen an Verdrängungskörper und Gehäusewandung anliegt, während der Bereich
zwischen jeweils zwei Wellenbergen Platz für das Durchströmen des heißen
Abgases lässt.
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Da aus der Schnittdarstellung aus Fig. 1 nichts über die Wellengeometrie der
Wellschlauchwendel zu entnehmen ist, zeigt Fig. 2 einen kurzen Ausschnitt der
Wellschlauchwendel in einer in die Ebene abgewickelten Darstellung: Dort ist
der weitgewellte Leitungsabschnitt 3a zu erkennen, der dem Heißbereich A
zugeordnet ist, während der enggewellte Abschnitt 3b dem Kondensationsbereich
B zugeordnet ist. Im vorliegenden Fall der Fig. 2 gehen beide Abschnitte
einstückig und übergangslos ineinander über, d. h. der durchgehende Wellschlauch
ist mit unterschiedlichen Wellungen versehen.
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Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil eines
Wärmetauschers, der an sich in üblicher Art und Weise aufgebaut ist, der aber durch
einfaches Austauschen des Leitungsbauteils derart optimiert wird, dass das
Leitungsbauteil an die jeweiligen Verhältnisse in den einzelnen
Wärmetauscherabschnitten angepasst und demgemäss mit einer unterschiedlichen Schlauch-
und/oder Wellengeometrie versehen wird.
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Dies läst sich vorteilhafterweise dazu nutzen, bei gleicher Baugröße eine höhere
Leistung des Wärmetauschers zu erzielen oder aber bei gleicher
Tauscherleistung mit kleineren Abmessungen auszukommen.