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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für eine Anwendung
in einer direkten Befeuerung oder zur Abgaswärmerückgewinnung in einer Heizungsanlage,
welcher wenigstens einen Strömungskanal
zur Durchströmung
mittels eines gasförmigen
und/oder flüssigen
Wärmeträgermediums
aufweist, und ein Wärmeübergang
vom oder an das gasförmige
und/oder flüssige
Wärmeträgermedium
erfolgt.
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Derartige
Wärmetauscher
werden auch als Wärmetauscherplatten
bezeichnet und sind zur Übertragung
von Strahlungs- und/oder Konvektionswärme geeignet. Die Wärmetauscherplatten
können im
direkt befeuerten Betrieb oder in der Abgaswärmerückgewinnung zum Aufheizen von
Luft oder Flüssigkeiten
und in der Abgaswärmerückgewinnung
als nachgeschaltete Heizfläche
an Heizkesseln für
Gas und Öl
eingesetzt werden.
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Allgemein
bekannt sind Röhrenwärmetauscher,
bei denen eine Wärmeträgerflüssigkeit
mittels eines Wärmeträgergases
erwärmt
wird, welches über
Wärmeübertragungsrohre
durch einen mit der Flüssigkeit
befüllten
Kessel geführt
wird und seine Wärme
durch die Rohrwände
hindurch auf die Flüssigkeit überträgt. Weiterhin
sind Rippenrohrwärmetauscher
bekannt, wobei ein Gas durch ein Innenrohr hindurchströmt, und
eine Rippenstruktur in dieses Rohr radial nach innen ragt. Konzentrisch
zum Innenrohr fließt
eine Flüssigkeit
durch eine Außenkammer, welche
um das Innenrohr herum ausgebildet ist. Somit kann eine Wärmeübertragung
durch die Wandung des Innenrohres vom bzw. an das Gas übertragen
werden.
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Aus
der
DE 199 54 465
A1 ist ein Wärmetauscher
bekannt, welcher eine Innenkammer aufweist, die von einer Außenkammer
radial umschlossen ist. Innerhalb der Außenkammer ist eine die Innenkammer
ringförmig
umgebende Zwischenkammer vorgesehen, welche mit der Innenkammer
strömungsmäßig verbunden
ist. Die Innenkammer wird durch ein Wärmeträgergas durchströmt, wobei
die Außenkammer
durch eine Wärmeträgerflüssigkeit
durchströmt wird.
In physikalisch vorteilhafter Weise wirkt die innere Wand der Zwischenkammer
mit ihrer größeren Außenfläche mit
dem Wärmeträgergas und
mit ihrer kleineren Innenfläche
mit der Wärmeträgerflüssigkeit zusammen.
Mit dieser Anordnung ist zwar der Wirkungsgrad einer Wärmeübertragung
zwischen den verschiedenen Wärmeträgermedien
erhöht,
jedoch weist der Aufbau des Wärmetauschers
einen erheblichen konstruktiven Aufwand auf.
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Die
DE 359 006 802 offenbart
einen Plattenwärmetauscher
für flüssige Medien,
welche Schlamm, Abwasser, industrielle Prozesswasser oder dergleichen
betreffen. Dieser Plattenwärmetauscher
umfasst Strömungskanäle, welche
mit Platten gebildet sind, zwischen denen Leitwände angeordnet sind. Zwischen
den Plattenwänden
sind Verbindungskanäle
vorhanden, wobei mit einem Rahmenwerk, mittels welchem die Leitwände zwischen
den Platten festgeklemmt sind, die Abmessungen der Leitwände bei
gelöstem
Rahmenwerk variierbar sind. Damit kann der Plattenwärmetauscher
an die durch die Flüssigkeiten
vorgegebenen Bedingungen wie Temperatur und Viskositätsunterschied
zwar angepasst werden, jedoch weist auch bei dieser vorliegenden
Ausführung
die Konstruktion aus dem Rahmenwerk, den Leitwänden sowie den Verbindungskanälen und
den Strömungskanälen einen
sehr komplexen Aufbau mit einer Vielzahl von Einzelteilen auf, welche
aufwendig durch Schweißverfahren
oder dergleichen zusammengefügt
werden müssen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher
zu schaffen, der eine einfache und kostengünstige Konstruktion sowie einen
hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung aufweist.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff
des Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Durch
die Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wärmetauscher wenigstens einen
Ringkörper aufweist,
welcher zumindest eine Anschlussöffnung zur
Einleitung und wenigstens eine weitere Anschlussöffnung zur Ausleitung des Wärmeträgermediums aufweist, wobei
das Wärmeträgermedium
den Ringkörper
in Umfangsrichtung durchströmt.
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Die
Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass der Wärmetauscher
aus einer minimalen Anzahl von Einzelteilen gebildet wird. Zugleich
wird der ausgebildete Wärmetauscher
der Forderung gerecht, dass eine große Wärmeübertragungsoberfläche zur
Verfügung
steht und der Wärmetauscher
einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Der Strömungskanal zur Durchströmung mittels
des gasförmigen und/oder
flüssigen
Wärmeträgermediums
ist im Inneren des Ringkörpers
ausgebildet, so dass die Wärme zwischen
dem Medium, welches den Ringkörper
von außen
umgibt, auf das gasförmige
und/oder flüssige Wärmeträgermedium
im Ringkörper
selbst übergehen
kann. Wird der Wärmetauscher
für eine
Anwendung in einer direkten Befeuerung oder zur Abgaswärmerückgewinnung
vorgesehen, so kann der zumindest eine Ringkörper in der heißen Atmosphäre der Befeuerung
angeordnet werden, so dass aufgrund der sowohl innenseitig, als
auch außenseitig und
an den Seitenflächen
geöffneten
Gestalt des Ringkörpers
ein Wärmeübergang
stattfinden kann. Die Querschnittsform des Ringkörpers ist aufgrund einer eher
plattenförmigen
Gestalt flach ausgebildet, so dass die Breite des Ringkörpers beispielsweise geringer
ist, als die Differenz zwischen Außenradius und Innenradius der
Ringstruktur.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor,
dass der Wärmetauscher mehrere
Ringkörper
aufweist, welche parallel beabstandet zueinander angeordnet sind.
Dabei sind die jeweiligen Anschlussöffnungen der parallel beabstandeten
Anordnung der Ringköper
fluidisch miteinander verbunden, so dass zum Beispiel eine aufeinander
folgende Durchströmung
oder eine parallele Durchströmung
der Ringkörper
mit dem Wärmeträgermedium
erfolgt. Dabei werden die Ringkörper
in Wechselrichtung nachein ander mit dem Wärmeträgermedium durchströmt, wobei
jeweils eine Anschlussöffnung
verschlossen ist und die Ringkörper miteinander
verschweißt
oder miteinander verpresst sind.
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Die
Anzahl der Ringkörper,
welche den gesamten Wärmetauscher
bilden, ist dabei nicht festgelegt und kann an den verfügbaren Bauraum
sowie an die Größe der Befeuerung
bzw. der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung
angepasst werden. Der Abstand der jeweiligen Ringkörper zueinander
kann konstant gehalten werden oder beliebig variieren, wobei auch
eine andersartige Anordnung vorgesehen sein kann, welche die Ringkörper nicht
parallel zueinander ausrichtet. Der Abstand der Ringköper zueinander
sollte vorteilhafter Weise jedoch einen Mindestabstand umfassen,
um ein Umströmen
der Ringkörper
mit dem Wärmeträgermedium
außerhalb der
Ringkörper
zu ermöglichen.
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Das
Wärmeträgermedium,
welches die Ringkörper
durchströmt,
tritt durch die Anschlussöffnungen
in die Ringkörper
ein und durchströmt
zunächst die
Ringkörper
in Umfangsrichtung, und tritt aus der zumindest einen weiteren Anschlussöffnung des Ringkörpers wieder
aus. Aufgrund der fluidischen Verbindung der Anschlussöffnungen
mit den Anschlussöffnungen
der benachbarten Ringkörper
können
zum Beispiel diese nacheinander oder parallel durchströmt werden.
Die Anschlussöffnungen
der jeweiligen Ringkörper
weisen eine Erhebung aus den planen Seitenflächen der Ringkörper auf,
so dass die Anschlussöffnungen
der jeweiligen Ringkörper
aufeinander gefügt
werden können.
Somit bleibt ein Mindestabstand zwischen den Ringkörpern erhalten, welcher
jeweils miteinander über
die Anschlussöffnungen
in Verbindung gebracht sind.
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Eine
Durchströmung
der Ringkörper
in Wechselrichtung mit dem Wärmeträgermedium
ermöglicht
eine gleichmäßigere Übertragung der
Wärme von
der Außenseite
der Ringkörper
an das Medium im Inneren des Ringkörpers, so dass keine einseitige
Vorzugsrichtung mit einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung im Wärmetauscher
entsteht, wobei jeweils eine nicht durchströmte Anschlussöffnung verschlossen
werden muss, damit ein wechselseitiges Ein- bzw. Ausströmen des
Wärmeträgermediums
nach Durchströmen
des Ringkörpers
in Umfangsrichtung erfolgen kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass zwischen den Anschlussöffnungen der jeweiligen Ringkörper Rohrelemente angeordnet
sind, um sowohl eine mechanische als auch eine fluidische Verbindung
der Ringkörper
zueinander zu schaffen. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, die Ringkörper mit
einem größeren Abstand
zueinander anzuordnen, wobei die einzelnen Ringkörper durch die Rohrelemente
befestigt werden und an diesen gehalten werden. Somit können je nach
Leistungsbedarf mehrere Ringkörper über die Anschlussöffnungen
miteinander verbunden werden, wobei die Anbindung an die Rohrelemente
durch ein Verschweißen
erfolgen kann oder durch eine mechanische Fügeverbindung erfolgt, wobei
O-Ringdichtungen zur fluidischen Abdichtung vorgesehen werden können. Auch
ist eine Anwendung von Zugankern denkbar, welche die Ringkörper insgesamt
auf Block ziehen und so eine mechanische Gesamtanordnung bilden.
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Je
nach Erfordernis können
die Rohrelemente als gerade Rohrverbindungen ausgebildet sein oder
gebogene oder gekröpfte
Rohre umfassen, so dass auch Anschlussöffnungen miteinander verbunden
werden, welche sich zwischen den Ringkörpern nicht gegenüber stehen.
So ist es zum Beispiel möglich,
Anschlussöffnungen
miteinander zu verbinden, welche sich auf dem Ringkörper in
einer 180° zueinander
versetzten Position befinden.
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Der
Ringkörper
ist vorteilhafter Weise aus zwei Halbschalen gebildet, welche einen
jeweiligen ringförmigen
Hohlraum aufweisen, wobei die Halbschalen hohlraumseitig aufeinander
gebracht sind, um den Strömungskanal
zu bilden. Damit kann der Wärmetauscher
fertigungstechnisch einfach ausgestaltet werden, in dem die Ringkörper aus
Blechbauteilen hergestellt werden, welche in einer kreisrunden Halbschalenform
jeweils gegenüberliegend
so aufeinander gebracht werden, dass der innenseitige Hohlraum zur
Bildung des Strömungskanals
entsteht.
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Die
Halbschalen zur Bildung des Ringkörpers sind dabei mittels eines
Fügeverfahrens
druckdicht miteinander in Verbindung gebracht, wobei das Fügeverfahren
insbesondere ein Schweiß-
und/oder ein Lötverfahren
und/oder ein Pressverfahren umfasst. Eine einfache Möglichkeit
der Herstellung der Halbschalen zur Bildung des Ringkörpers kann
im Umformverfahren des Blechmaterials gesehen werden, wobei das
Umformverfahren Stanz- und Tiefziehverfahren betreffen kann. Damit
ist eine sehr preiswerte und massenproduktionstaugliche Herstellung
der Blechkomponenten des Wärmetauschers möglich, wobei
die Halbschalen des Ringkörpers symmetrisch
ausgebildet werden können,
um die Teilevarianz zur Bildung des Wärmetauschers zu minimieren.
Die geometrischen Ausbildungen der Halbschalen können jeweils im Stanz- und
Tiefziehverfahren hergestellt werden, ohne weitere aufwendige Fertigungsschritte
auszuführen.
Somit ist lediglich ein Tiefziehvorgang mit abschließendem Scherschnitt
ausreichend, wobei nachfolgend die Halbschalen aufeinander gebracht
werden und miteinander verschweißt oder verlötet oder
verpresst werden. Der Innen- und Außendurchmesser der Ringkörper ist
je nach Leistungsbedarf in Bezug auf die Heizfläche oder Kühlfläche variabel, wobei in Anhängigkeit vom
Leistungsbedarf des Wärmetauschers
die Breite der Ringkörper
an die Menge der Wärmeträgerflüssigkeit
angepasst werden kann, welche pro Zeiteinheit die Ringkörper durchströmt.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anschlussöffnungen
in der Einbaulage des Wärmetauschers
bezogen auf eine in Richtung einer Unterseite wirkende Schwerkraft oberseitig
angeordnet sind. Damit kann bei einer Kondensatbildung im gasförmigen Wärmeträgermedium
oder in einem anderen zu entwärmenden
oder aufzuheizenden Medium ungehindert nach unten ablaufen, ohne
sich zu stauen und über
einen Ablauf im umschließenden
Gehäuse
des Wärmetauschers nach
außen
abgeführt
werden. Ebenso ist durch die oberseitige Anordnung der Anschlussöffnungen
eine einwandfreie Entlüftung
der Ringkörper
für das durchströmende Medium
wie Wasser, Öl
oder Kältemittel
gewährleistet,
da die Luft in den Ringkörpern ungehindert
nach oben entweichen kann und somit für ein gutes Durchströmen sorgt.
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Vorteilhafterweise
weist wenigstens eine der einen Ringkörper bildenden Halbschalen
noppenartige Erhebungen auf, um einen Mindestabstand zum benachbarten
Ringkörper
zu schaffen. Die noppenartigen Erhebungen können in die aus Blechmaterial ausgebildeten
Halbschalen eingestanzt bzw. eingeprägt sein, und sind über den
Umfang des Ringkörpers
gleichverteilt angeordnet. Werden nun wenigstens zwei Ringkörper parallel
zueinander angeordnet, so berühren
die noppenartigen Erhebungen der Halbschalen die jeweils angrenzende
Halbschale, und ermöglichen
die Einhaltung eines Mindestabstandes der Ringkörper zueinander. Dabei ist
es ausreichend, auf jeweils nur einer Halbschale die noppenartigen
Erhebungen vorzusehen, da diese für die Einhaltung eines Mindestabstandes
zwischen zwei aneinander grenzenden Halbschalen hinreichend sind.
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Gemäß einer
weiteren die Erfindung verbessernden Ausführungsform ist es vorgesehen,
dass im Strömungskanal
ein Trennsteg angeordnet ist, welcher zwischen den Anschlussöffnungen
eingebracht ist, um ein Durchströmen
des Strömungskanals
mit dem Wärmeträgermedium
in eine umlaufende Richtung im Ringkörper vorzugeben. Der Trennsteg
bewirkt eine fluidische Trennung zwischen den Anschlussöffnungen,
so dass beim Einströmen
des Wärmeträgermediums
in den Innenraum des Ringkörpers
dieses nicht sofort über
die benachbarte Anschlussöffnung
wieder austreten kann, sondern den Ringkörper in umlaufender Richtung
vollständig durchströmt. Der
Trennsteg kann als Metallelement in den Halbschalen angeordnet werden,
wobei dieses beispielsweise durch eine Schweißverbindung oder eine Lötverbindung
innerhalb des Strömungskanals
in den Halbschalen befestigt wird. Der Trennsteg kann auch ein Kunststoff- oder ein anderes
Dichtelement sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Vertiefungen, welche in
den Halbschalen auf dem Umfang verteilt eingeprägt sind, und welche an gegenüberliegende
Vertiefungen der den Ringkörper
bildenden zweiten Halbschale angrenzen. Damit wird die Möglichkeit
geschaffen, die Halbschalen mittels Punktschweißungen miteinander zu verbinden,
um ein Auswölben
der Halbschalen unter Druckeinfluss des Wärmeträgermediums zu verhindern. Die
Punktschweißungen
werden innerhalb der Vertiefungen eingebracht, da sich die Halbschalen
an den jeweiligen Ebenen in den Vertiefungen berühren bzw. aufeinander liegen.
Wird nun der Ringkörper
mit dem Wärmeträgermedium
unter Druck gesetzt, so kann aufgrund der stabilitätserhöhenden Wirkung
der Punktschweißungen
verhindert werden, dass sich die Halbschalen auswölben bzw.
dass es zu einem Platzen des Ringkörpers kommt. Die Vertiefungen sind
dabei auf dem Umfang verteilt angeordnet und befinden sich etwa
auf der halben Breite des Ringkör pers,
so dass diese auf der Hälfte
der Durchmesserdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite
in radialer Richtung angeordnet sind. Damit ist weiterhin die Möglichkeit
geschaffen, für
die Bildung der Halbschalen ein vergleichsweise dünnes Blechmaterial
zu verwenden, welches aufgrund der eingebrachten Punktschweißungen dem
Ringkörper
eine jeweils ausreichende Stabilität verleiht und zugleich zur
Erhöhung
des Wirkungsgrades des Wärmetauschers dient,
um einen guten Wärmeübergang
zwischen dem inneren und dem äußeren Wärmeträgermedium des
Ringkörpers
zu schaffen.
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Der
Ringkörper
ist durch eine Innenseite, eine Außenseite und die jeweils linke
und rechte Seitenfläche
begrenzt. Dabei tauscht das den Strömungskanal im Ringkörper durchlaufende
Wärmeträgermedium
Wärme mit
der Umgebung des Ringkörpers
aus, wobei über
die Innenseite und/oder über die
Außenseite
eine Strahlungswärmeübertragung erfolgt.
Eine Konvektionswärmeübertragung
erfolgt hingegen über
die Seitenflächen
der Halbschalen. Dabei ist zu bemerken, dass eine Konvektionswärmeübertragung
jeweils auch über
die Innenseite sowie die Außenseite
erfolgen kann, wo hingegen auch über
die Seitenflächen
eine Strahlungswärmeübertragung
ermöglicht
sein kann und die jeweiligen Formen des Wärmeübergangs nicht auf die genannten Bereiche
begrenzt ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die bevorzugten Wärmeübertragungen über die
Innenseite und/oder die Außenseite
betreffend die Strahlungswärmeübertragung
und die Konvektionswärmeübertragung über die
Seitenflächen lediglich
als eine jeweils bevorzugte Form der Wärmeübertragung zu sehen. Die Innenseite
begrenzt den umlaufenden Ring des Ringkörpers radial nach innen, und
die Außenfläche begrenzt
den umlaufenden Ring des Ringkörpers
radial nach außen.
Die Seitenflächen
werden durch die Planflächen
der Halbschalen gebildet, und begrenzen den Ringkörper jeweils
seitlich. Dabei sind in den Seitenflächen die Anschlussöffnungen
eingebracht, wohingegen die Fügeverbindung
der beiden Halbschalen an der Innenseite bzw. an der Außenseite
vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise
können
der Ringkörper und/oder
die Rohrelemente ein Edelstahl und/oder ein schwarzes Stahlblech
aufweisen, wobei das schwarze Stahlblech insbesondere außenseitig
eine schwarze Kunststoffbeschichtung umfasst. Edelstahl zeichnet
sich dabei als ein rostfreies Material aus, und verhält sich
gegenüber
den meisten Wärmeträgermedien
nicht reaktiv. Die Verwendung eines schwarzen Stahlbleches ist besonders
für den
Einsatz einer Wärmerückgewinnung
bei Öl-
oder Gasheizkesseln möglich,
wobei nach dem Verschweißen der
beiden Halbschalen auf der abgasberührten Seite eine geeignete
Kunststoffbeschichtung aufgebracht wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass der Ringkörper aus Graphit und/oder im
Sinterverfahren, umfassend eine Keramik, hergestellt ist, wobei
zur Verbindung der Halbschalen des Ringkörpers oder zur Verbindung der
Ringkörper
zu einem Wärmetauscher
ein mechanisches Fügeverfahren
verwendbar ist, und zwischen den Halbschalen Ringdichtungen zur
fluidischen Abdichtung verwendbar sind. Bei einer derartigen Fertigungsmethode
muss bei der späteren
Verbindung eine Ringdichtung wie beispielsweise eine O-Ringdichtung
als Dichtung eingesetzt werden, da fluidisch dichtende Fügeverfahren
wie ein Schweißen
der Halbschalen aufgrund der Materialauswahl entfallen.
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Am
Ringkörper
und/oder an den Rohrelementen können
zusätzliche
Wärmetauscherflächen in
Form von Rippen oder dergleichen vorgesehen sein, um den Wärmeübergang
zwischen dem innenseitigen und dem außenseitigen Wärmeträgermedium
weiter zu verbessern.
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Die
rippenförmigen
Wärmeaustauschflächen können zugleich
als mechanische Versteifungselemente zwischen den Ringkörpern bzw.
zwischen den Rohrelementen und den Ringkörpern nutzbar gemacht werden.
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Auch
ist die Form der Ringkörper
nicht auf eine kreisrunde oder ovale Kontur beschränkt, z.
B. ist auch eine rechteckige oder quadratische Außen- und/oder
Innenkontur denkbar, die trotzdem als ringförmig angesehen wird. Auch bei
diesen Formen strömt
das innere Wärmeträgermedium
in Umfangsrichtung durch den Ringkörper.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen der
Erfindung anhand der Figuren näher
dargestellt. Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
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1 eine
perspektivische Ansicht des Wärmetauschers;
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2 eine
Ansicht des Wärmetauschers
gemäß 1;
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3 eine
Ansicht des Wärmetauschers
mit geradlinig ausgebildeten Rohrelementen zwischen den Ringkörpern;
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4 eine
Ansicht des Wärmetauschers
mit gebogenen Rohrelementen zwischen den Ringkörpern;
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5a eine
Ansicht eines Ringkörpers;
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5b eine
Seitenansicht des Ringkörpers gemäß 5a;
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6a eine
Ansicht eines Ringkörpers
mit einer geänderten
Durchströmungsrichtung;
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6b eine
Seitenansicht des Ringkörpers gemäß 6a;
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7a eine
Ansicht eines Ringkörpers
mit geänderter
Durchströmungsrichtung;
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7b eine
Seitenansicht eines Wärmetauschers
mit vier zusammengefügten
Ringkörpern;
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8a eine
Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines Ringkörpers
mit einem Trennelement;
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8b eine
Seitenansicht des Ringkörpers gemäß 8a;
und
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9 eine
Ansicht eines Ringkörpers
mit einer rechteckigen Außenkontur.
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Der
in 1 dargestellte Wärmetauscher 100 umfasst
beispielhaft drei Ringkörper 10,
welche über
Rohrelemente 14 miteinander verbunden sind. Die Rohrelemente 14 erstrecken
sich jeweils paarweise zwischen den Ringkörpern 10 und sind
an diesen oberseitig angeordnet. Die Anschlüsse zur Zuleitung bzw. Abführung des
Wärmeträgermediums,
welches die Ringkörper
bzw. die Rohrelemente durchströmt,
sind nicht dargestellt. Die Ringkörper 10 werden durch
die Rohrelemente 14 gehalten und parallel benachbart zueinander
auf einem vorgegebenen Abstand fest angeordnet. Der Abstand zwischen
den Ringelementen 10 bestimmt sich somit durch die Länge der
Rohrelemente 14, durch welche zugleich das Wärmeträ germedium
von Ringkörper
zu Ringkörper
strömen
kann. Damit nehmen die Rohrelemente 14 sowohl die Aufgabe
der mechanischen Verbindung der Ringkörper 10 zueinander
wahr, und schaffen zugleich eine fluidische Verbindung zwischen
den Ringkörpern 10.
Die gesamte Einheit des Wärmetauschers 100 wird – wie in 1 dargestellt – außenseitig
mit dem Wärmeträgermedium
umströmt,
welches die Wärme
mit dem Medium tauscht, das durch die Ringkörper hindurchströmt. Somit
kann die dargestellte Einheit beispielsweise in die Feuerungsanlage
einer Heizung oder in den Bereich der Abgaswärmerückgewinnung des Abgases einer
Heizungsanlage installiert werden. Die Ringkörper 10 bieten aufgrund
ihrer offenen bzw. freien Anordnung eine große Oberfläche zum Austausch bzw. zum Übergang
der Wärme
des umgebenden Mediums mit dem durchströmenden Medium, so dass ein
hoher Wirkungsgrad des Wärmetauschers
erzielbar ist.
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2 zeigt
eine isometrische Ansicht des Wärmetauschers 100 gemäß 1,
wobei auch in dieser Darstellung drei Ringkörper 10 über jeweilige Rohrelemente 14 miteinander
in Verbindung stehen. Der Strömungskanal,
welcher sich innerhalb der Ringkörper 10 umlaufend
erstreckt, ist durch gestrichelte Linien angedeutet.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Wärmetauschers 100,
wobei die Ringkörper 10 über Rohrelemente 14 miteinander
verbunden sind, welche nicht vollständig oberseitig an den Ringkörpern 10 angeordnet
sind. Vielmehr befinden sich die Rohrelemente 14 in einer
um 180° versetzten
Position zueinander, so dass die Durchströmung der Ringkörper 10 gemäß dieser
Ausgestaltung anders geartet erfolgen kann. Beispielsweise ist es
möglich,
das Wärmeträgermedium
in den Ringkörper 10 über ein Rohrelement 14 einzuleiten,
so dass es sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen des Uhrzeigersinns den
Ringkörper 10 durchströmt und auf
der 180° versetzten
Stelle wieder aus dem Ringkörper 10 ausgeleitet
wird, um in den nächsten
Ringkörper
zu gelangen. Die Verbindung zwischen den Ringkörpern 10 wird jeweils über gleichlange
und gerade ausgebildete Rohrelemente realisiert.
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Gemäß des Ausführungsbeispiels
in 4 sind die Ringkörper 10 jeweils wieder
dreifach parallel benachbart zueinander angeordnet, wobei die Rohrelemente 14 in
einer gebogenen Form ausgebildet sind, und wechselweise die Anschlussöffnungen der
Ringkörper 10 auf
einem Winkel von beispielsweise 180° versetzt zueinander anströmen. Mittels der
verschiedenartigen Ausbildungen der Rohrelemente 14 ist
es möglich,
die Durchströmung
der Ringkörper 10 jeweils
verschiedenartig auszubilden.
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In
den 5a und 5b ist
jeweils ein Ringkörper 10 dargstellt,
wobei die Darstellung in 5a aus
Richtung der Seitenfläche
erfolgt, wohingegen die Darstellung des Ringkörpers 10 in 5b eine
Seitenansicht umfasst. Der Ringkörper 10 ist aus
einer ersten Halbschale 12 und einer zweiten Halbschale 13 gebildet,
welche durch umlaufende Schweißnähte miteinander
verbunden sind. Die Schweißnähte befinden
sich sowohl auf dem Umfang in der Innenseite 17 des Ringkörpers 10,
als auch auf der Außenseite 18.
Seitlich begrenzt ist der Ringkörper 10 durch
die Seitenflächen 19.
Auf der in 5a in der Draufsicht dargestellten
Halbschale 12 sind Anschlussöffnungen 11 dargestellt,
um eine Einlass- bzw. Auslassöffnung
für das
Wärmeträgermedium
zu schaffen. An die Anschlussöffnungen 11 werden
entweder die Rohrelemente (hier nicht dargestellt) angebracht oder
die Anschlussöffnungen 11 werden
von Ringkörper 10 zu
Ringkörper 10 jeweils
auf einander gebracht und nach Möglichkeit
verschweißt.
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Zwischen
den Anschlussöffnungen 11 befindet
sich ein Trennsteg 16, welcher verhindert, dass das Wärmeträgermedium
direkt zwischen den Anschlussöffnungen 11 hindurchfließen kann.
Somit strömt
in eine der Anschlussöffnungen 11 das
Wärmeträgermedium
ein und läuft
in Umfangsrichtung durch den gesamten Ringkörper 10 hindurch und
tritt auf der gegenüber
liegenden Seite an der zweiten Anschlussöffnung 11 wieder aus.
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Auf
dem Umfang verteilt sind Erhebungen 15 vorgesehen, welche
noppenförmig
aus der Planfläche
der Halbschale 12 hervorstehen. Damit wird ermöglicht,
dass bei einer aufeinander gebrachten Montage mehrerer Ringkörper in
einer parallelen Anordnung zueinander ein Mindestabstand eingehalten werden
kann. Die Erhebungen 15 sind mittels eines Stanz- bzw.
Prägeverfahrens
in das Blechmaterial eingebracht, wobei insgesamt acht Erhebungen 15 dargestellt
sind. Dabei ist jedoch auch eine andere Anzahl von Erhebungen möglich, welche
nicht zwingend gleichverteilt auf dem Umfang vorgesehen sein müssen. Zwischen
den Erhebungen 15 sind vereinzelt Vertiefungen 20 ausgebildet,
die derart tief in das Blechmaterial der Halbschalen 12, 13 eingebracht sind,
dass sich diese bei einer aufeinander gebrachten Anordnung jeweils
von Halbschale 12 zu Halbschale 13 berühren. Mittig
in den Vertiefungen 20 sind Punktschweißungen vorgesehen, um eine
Verbindung der Halbschalen 12, 13 über die
Punktschweißverbindungen
innerhalb der Vertiefungen 20 zu schaffen. Damit kann eine
Erhöhung
der Stabilität bzw.
der Festigkeit der Ringkörper 10 erreicht
werden. Insgesamt sind vier Vertiefungen 20 mit einem jeweiligen
Winkel von 90° zueinander
vorgesehen, wobei auch hierbei eine größere oder kleinere Anzahl von
Vertiefungen 20 möglich
ist. Die Vertiefungen 20 sowie die Erhebungen 15 sind
jeweils mittig in der Ringbreite des Ringkörpers 10 angeordnet,
so dass sich diese auf der Hälfte
der Radiusdifferenz zwischen dem Außendurchmesser an der Außenseite 18 und dem
Innendurchmesser an der Innenseite 17 befinden. Dabei ist
auch eine andersartige Verteilung der genannten Merkmale möglich, so
dass sich eine unsymmetrische Ausbildung des Ringkörpers 10 ergibt.
Die Anschlussöffnungen 11 sind
jeweils als Erhebungen aus den planen Seitenflächen 19 kragenförmig ausgebildet,
so dass diese bei einem Aufeinanderfügen einen Mindestabstand der
jeweiligen Halbschalen 12 und 13 der Ringkörper 10 ermöglichen.
Sämtliche
Ausführungen
der vorgenannten Merkmale können
durch Umformverfahren bzw. durch Präge-, Stanz- und Biegeverfahren
hergestellt werden, wobei auch andere Fertigungsverfahren herangezogen
werden können.
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Die 6a und 6b sowie
die 7a und 7b zeigen
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines Ringkörpers 10,
welcher eine geänderte Durchströmungsrichtung
aufweist. Der Wärmetauscher 100 weist
vier Ringkörper 10 auf,
deren Halbschalen nach diesem Ausführungsbeispiel nur eine durchgestanzte
Anschlussöffnung 11 umfassen.
Bei der Verbindung mehrerer dieser Ringkörper 10 zu einem Wärmetauscher
besteht die Möglichkeit,
die einzelnen Ringkörper 10 wechselseitig
zu durchströmen.
Hierbei müssen
mindestens zwei Ringkörper 10 miteinander
verbunden werden, die dann jeweils gegensinnig durchströmt werden.
Bei dieser Methode werden bei der Fertigung im Wechsel jeweils zwei Anschlussöffnungen 11a verschlossen
gehalten bzw. nicht gelocht, sodass eine Anschlussöffnung 11 geöffnet ist
und eine Anschlussöffnung 11a verschlossen
ist. Die gegenseitige Anschlussöffnung 11a und die
gelochte Anschlussöffnung 11 werden
mit dem jeweils nachfolgenden Ringkörper 10 und den entsprechenden
Anschlussöffnungen 11 verbunden.
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Um
bei dieser Variante ein einwandfreies Entlüften zu gewährleisten, ist es erforderlich,
am Trennsteg 16 eine Belüftungsöffnung 21 vorzusehen, durch
die die Luft über
die Anschlussöffnung 11 überströmen kann.
Bei dieser Anordnung von Ringkörpern 10 ist
ein anderer Fertigungsablauf anzuwenden, als bei einer Verbindung
mit zwei gleichen Körpern.
Die übrigen
Merkmale des Ringkörpers 10 wie die
noppenartigen Erhebungen 15 oder die Vertiefungen 20 für die Punktschweißverbindungen
bleiben im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen
der 5a und 5b unverändert.
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In
der 8a und 8b ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Ringkörpers 10 mit
einem ringförmigen
Trennelement 22 dargestellt. Dieses befindet sich in der
Teilungsebene der beiden Halbschalen 12 und 13,
und bildet eine teilende Wandung innerhalb des Strömungskanals
im Ringkörper 10. Das
Trennelement 22 kann dabei auf gleiche Weise beispielhaft
durch ein Schweißverfahren
gefügt
sein, so wie die Halbschalen 12, 13 selbst auch
aufeinander gefügt
sind. Auf einer 180° gegenüberliegenden Seite
der einzigen pro Halbschale 12, 13 ausgebildeten
Anschlussöffnung 11 ist
eine Durchgangsöffnung 23 in
das Trennelement 22 eingebracht. Dabei entfällt der
Trennsteg (Trennsteg 16, siehe 5a, 5b).
Durch das eingebrachte Trennelement 22 strömt das Wärmeträgermedium über eine
Anschlussöffnung 11 von
einer ersten Halbschale 12 in den Ringkörper 10 ein und durchströmt diesen
auf 180°, woraufhin
das Wärmeträgermedium
durch die Durchgangsöffnung 23 strömt. Im zweiten
Abschnitt des Strömungskanals
der zweiten Halbschale 13 strömt das Wärmeträgermedium von der Durchgangsöffnung 23 wieder
zurück
zur 180° versetzt
angeordneten Anschlussöffnung 11a,
welche wie auch in der ersten Halbschale 12 in dieser nur
einfach eingebracht ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist eine Durchgangsöffnung 24 oberhalb
der Anschlussöffnung 11 eingebracht,
um eine Entlüftung
der Ringkörpers 10 zu
ermöglichen.
-
In 9 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Ringelementes 10 dargestellt, welches eine rechteckige
bzw. quadratische Außenseite 18 aufweist.
In Abhängigkeit
des Einbauraumes kann die Kontur Vorteile aufweisen, zumal eine
größere Oberfläche für einen
Wärmeübergang
zur Verfügung steht.
Bezüglich
der Anschlussöffnungen 11 und 11a sind
diese pro Halbschale zweifach dargestellt, welche jedoch auch bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel
nur einfach pro Halbschale vorgesehen sein können. Die Innenseite 17 ist
in der 9 als kreisrunde Kontur ausgebildet, welche jedoch
ebenfalls als eckige oder ovale Kontur darstellbar ist.
-
Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich in ihren Ausführungen
nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele.
Vielmehr sind eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche von den
dargestellten Lösungen
ebenfalls bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
der Erfindung Gebrauch machen.
-
- 100
- Wärmetauscher
- 10
- Ringkörper
- 11
- Anschlussöffnung
- 12
- Halbschale
- 13
- Halbschale
- 14
- Rohrelement
- 15
- Erhebung
- 16
- Trennsteg
- 17
- Innenseite
- 18
- Außenseite
- 19
- Seitenfläche
- 20
- Vertiefung
- 21
- Belüftungsöffnung
- 22
- ringförmiges Trennelement
- 23
- Durchgangsöffnung
- 24
- Durchgangsöffnung