DE102010006277A1

DE102010006277A1 - Wärmetauscher, insbesondere zur Vorwärmung von Verbrennungsluft von Warmwasserheizkesseln

Info

Publication number: DE102010006277A1
Application number: DE102010006277A
Authority: DE
Inventors: Stefan 72411 Heinz; Benjamin 72411 Diehl
Original assignee: Joma Polytec GmbH
Current assignee: Joma Polytec GmbH
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2011089266A2; WO2011089266A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (10), insbesondere zur Vorwärmung von Verbrennungsluft von insbesondere Warmwasserheizkesseln, mit einem Gehäuse, das einen ersten Einlass (16), einen ersten Auslass (18), einen zweiten Einlass (20) und einen zweiten Auslass (22) aufweist, wobei das Gehäuse ein Grundteil (12) und einen Deckelteil (14) umfasst, welche einen Hohlraum umschließen, und dass in den Hohlraum eine die Warmluft (28) von der Kaltluft (32) trennende Trennwand (34) derart eingesetzt ist, dass die Trennwand (34) zusammen mit dem Grundteil (12) Strömungskanäle (36 bzw. 38) für die Warmluft bzw. die Kaltluft und zusammen mit dem Deckelteil Strömungskanäle (36 bzw. 38) für die Kaltluft bzw. die Warmluft bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere zur Vorwärmung von Verbrennungsluft von insbesondere Warmwasserheizkesseln, mit einem Gehäuse, das einen ersten Einlass, einen ersten Auslass, einen zweiten Einlass und einen zweiten Auslass aufweist. Über den ersten Einlass wird ein erstes Medium, insbesondere Warmluft und vorzugsweise Abgas, zugeführt und über den ersten Auslass wieder abgeführt. Über den zweiten Einlass wird insbesondere das zu erwärmende Medium, insbesondere Kaltluft und vorzugsweise Verbrennungsluft, zugeführt und über den zweiten Auslass wieder abgeführt. Im Wärmetauscher kühlt sich folglich das erste Medium ab und das zweite Medium wird erwärmt.
Findet der Wärmetauscher im Zusammenhang mit Warmwasserheizkesseln Verwendung, so wird die derart erwärmte Verbrennungsluft dann, insbesondere über ein Gebläse, einer Brennerkammer zugeführt, wo sie zusammen mit dem Brenngas verbrannt wird.
Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise aus der DE 298 19 926 U1 vorbekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscher derart weiterzubilden, dass sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und dennoch auf einfache Art und Weise bereitstellbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser sieht insbesondere vor, dass das Gehäuse einen Grundteil und einen Deckel umfasst, welche einen Hohlraum umschließen, und dass in dem Hohlraum eine das erste Medium, insbesondere Warmluft, vom zweiten Medium, insbesondere Kaltluft, trennende Trennwand derart eingesetzt ist, dass die Trennwand zusammen mit dem Grundteil Strömungskanäle für das erste Medium bzw. das zweite Medium und zusammen mit dem Deckelteil Strömungskanäle für das zweite Medium bzw. das erste Medium bildet. Ein derartiger Wärmetauscher, der auf dem Gegen- oder auch Kreuzstromprinzip beruhen kann, sieht folglich vor, dass insbesondere nur drei Funktionsbauteile Verwendung finden. Zum einen das Grundteil und zum anderen das Deckelteil. Zur Bildung der Strömungskanäle wird dann das dritte Teil, nämlich die Trennwand, entsprechend in den vom Grundteil und Deckelteil gebildeten Hohlraum eingesetzt. Insbesondere können dabei das Grundteil und das Deckelteil, und auch die Trennwand, aus Kunststoff sein. Ein besonderer Vorteil ist, dass verschiedenartig ausgebildete Trennwände, je nach Art und Leistung des Wärmetauschers, in gleiche Grundteile und zugehörige Deckelteile eingesetzt werden können. Gerade dann, wenn die Grundteile und Deckelteile aus Kunststoff sind, können für Wärmetauscher verschiedener Art und verschiedener Leistung identische Grundteile und Deckelteile Verwendung finden, in welche dann unterschiedlich ausgebildete Trennwände eingesetzt werden können.
Die Erfindung betrifft dabei Wärmetauscher ganz allgemein, bei denen Wärme von einem wärmeren ersten Medium zu einem kälteren zweiten Medium übertragen wird. Insbesondere eignet sich die Erfindung zum Vorwärmen von Verbrennungsluft mittels heißer Luft, insbesondere mittels Abgas. Die Erfindung kann dabei in Verbrennungseinrichtungen und insbesondere in Warmwasserheizkesseln zur Anwendung kommen.
Bei anderen Anwendungen ist auch denkbar, dass das das erste Medium und/oder das zweite Medium nicht von einem Gas gebildet wird, sondern von einer Flüssigkeit realisiert wird.
Die einzusetzende Trennwand ist insbesondere aus einem folienartigen Kunststoff hergestellt. Die Trennwand kann dabei ausgehend von einer ebenen Kunststoffbahn insbesondere durch Thermoumformen oder durch entsprechendes Tiefziehen so geformt werden, dass Strömungskanäle für das erste Medium bzw. das zweite Medium entstehen. Die Trennwand kann alternativ aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Edelstahl, sein.
Ferner ist vorteilhaft, wenn die Trennwand eine weitgehend konstante Dicke aufweist, die insbesondere im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm und insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm liegt. Je dünner die Trennwand ausgebildet ist, desto günstiger ist der Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien.
Vorteilhafterweise weist die Trennwand einen umlaufenden Randabschnitt auf, der zwischen dem Grundteil und dem Deckelteil dicht angeordnet ist. Dieser umlaufende Randabschnitt kann insbesondere zwischen dem Grundteil und dem Deckelteil geklemmt, geklebt oder verschweißt gehaltert sein. Hierdurch wird gewährleistet, dass im Randbereich der Trennwand kein Austausch zwischen den beiden Medien stattfindet. Zudem wird die Trennwand innerhalb des Hohlraums fixiert.
Vorteilhafterweise ist die Trennwand im Querschnitt, also quer zur Hauptströmungsrichtung betrachtet, wellenförmig verlaufend so ausgebildet, dass mehrere nebeneinander verlaufende Kanäle gebildet werden. Dies kann derart erfolgen, dass zwei benachbarte Kanäle im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Mittelabschnitte vorsehen. An die Mittelabschnitte schließen sich dann bogenförmige Abschnitte an, welche am Deckelteil oder am Grundteil anliegen können. Je geringer die Abstände der Kanalwände zueinander sind, desto größer ist die effektive Wärmetauscherfläche. Allerdings erhöht sich bei sehr kleinen Abständen zwischen den Kanalwänden der Strömungswiderstand des Wärmetauschers.
Zudem ist vorteilhaft, wenn die Trennwand in Draufsicht und/oder in Unteransicht in Strömungsrichtung verlaufend wellenförmig gebogene Kanalabschnitte bildet. Das in den Kanalabschnitten strömende Medium strömt dann nicht entlang einer geraden Linie, sondern entlang einer wellenförmig gebogenen Linie. Hierdurch wird die Durchmischung des Mediums im jeweiligen Kanal erhöht, wodurch insgesamt der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht wird.
Denkbar ist auch, dass die Oberfläche der Trennwand eine Riffelung aufweist, so dass unmittelbar an der Oberfläche der Trennwand keine laminare, sondern eine turbulente Strömung auftritt. Auch hierdurch wird eine Durchmischung des entsprechenden Mediums verbessert und der Wirkungsgrand des Wärmetauschers erhöht.
Ferner ist denkbar, dass der Abstand a zweier benachbarter Kanalwandungen in Querrichtung betrachtet über die Strömungsrichtung zwischen einem Minimalwert a_min und einem Maximalwert a_max variiert, wobei a_max insbesondere im Bereich von 1,5 bis 2,0 × a_min liegt. Dadurch werden in Strömungsrichtung unterschiedliche Querschnitte in den einzelnen Kanälen realisiert. Die Kanäle verengen sich auf den Minimalwert a_min und erweitern sich dann auf den Maximalwert a_max. Die Änderung der Querschnittsfläche des Kanals in Strömungsrichtung erfolgt hierbei vorzugsweise stetig, d. h. ohne Sprünge. Aufgrund der Verringerung des Strömungsquerschnitts bzw. dessen Erweiterung in Strömungsrichtung wird eine bessere Durchmischung des im Kanal strömenden Mediums erzielt, wodurch insgesamt der Wirkungsgrad des Wärmetauschers gesteigert wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Grundteil der ersten Einlass und der ersten Auslass bzw. der zweiten Einlass und der zweiten Auslass und dass im Deckelteil der zweiten Einlass und der zweiten Auslass bzw. der ersten Einlass und der ersten Auslass integriert sind. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Gestaltung, wobei an die entsprechenden Einlässe bzw. Auslässe entsprechende Leitungen angeschlossen werden können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Grundteil einen Doppelrohrstutzen mit einem innen liegenden Rohranschluss und einem äußeren Rohranschluss zum Anschließen eines doppelwandigen Abgasrohres aufweist. Der erste Auslass wird dabei vom innen liegenden Rohranschluss gebildet. Am äußeren Rohranschluss ist dann eine Leitung zum zweiten Einlass vorgesehen. Gerade bei moderneren Warmwasserheizkesselanlagen finden doppelwandige Abgasrohre Verwendung. Im inneren Rohr wird das Abgas abgeführt. Im äußeren Ringraum wird Verbrennungsluft angesaugt. Aufgrund der vorliegenden Ausbildung des Grundteils können derart bekannte, als Doppelrohre ausgebildete Abgasrohre an den Wärmetauscher angeschlossen werden. Die Warmluft bzw. das Abgas, das den Wärmetauscher durchströmt, gelangt dann in das innen liegende Abgasrohr. Die Kaltluft bzw. die zu erwärmende Verbrennungsluft wird vom außen liegenden Ringrohr in den Wärmetauscher zu deren Erwärmung geführt.
Weiterhin kann vorteilhaft sein, wenn im Deckelteil oder im Grundteil wenigstens Gehäuseabschnitte und/oder Bauteile eines Gasmischers, eines Gebläses und/oder einer Brennerzelle integriert sind. Gerade bei der Anwendung der Erfindung bei Warmwasserheizkesseln kann der zweite Auslass, aus dem die erwärmte Kaltluft strömt, dann direkt in den Bereich münden, in dem der Gasmischer, das Gebläse und/oder die Brennerzelle vorgesehen ist.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel näher beschrieben und erläutert ist.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers,
2 die Draufsicht auf den Wärmetauscher gemäß 1,
3 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher gemäß 2 entlang der Linie III-III,
4 die in 3 gezeigte Trennwand in perspektivischer Ansicht,
5 die Trennwand gemäß 4 in Draufsicht und
6 einen vergrößerten Ausschnitt aus 5.
In der 1 ist ein Wärmetauscher 10 gezeigt, der zur Vorwärmung von Verbrennungsluft eines Warmwasserheizkessels vorgesehen ist. Der Wärmetauscher 10 umfasst ein Gehäuse, das von einem Grundteil 12 und einem Deckelteil 14 gebildet ist. Das Grundteil 12 sieht dabei einen ersten Einlass 16 vor, durch welchen ein erstes Medium in Form von heißem Abgas 28 in den Wärmetauscher 10 einströmen kann. Ferner sieht der Grundteil 12 einen ersten Auslass 18 vor, durch welchen das Abgas 28 aus dem Wärmetauscher 10 abströmen kann. Das Deckelteil 14 sieht einen zweiten Einlass 20 für ein zweites, zu erwärmendes Medium, im vorliegen Ausführungsbeispiel für zu erwärmende Verbrennungsluft 32 vor. Ferner sieht das Deckelteil 14 einen zweiten Auslass 22 vor, durch welchen die erwärmte Verbrennungsluft 32 aus dem Wärmetauscher 10 in eine Brennerzelle geführt werden kann.
Wie aus 1 deutlich wird, wird der ersten Auslass 18 von einem radial innen liegenden Rohranschluss eines Doppelrohrstutzens gebildet. Um den ersten Auslass 18 ist ein ringkanalförmiger Rohranschluss 26 vorgesehen, über den zu erwärmende Verbrennungsluft 32 in eine Leitung 30 strömen kann, welche zum zweiten Einlass 20 führt. Der Doppelrohrstutzen 24 bildet eine Schnittstelle, welche mit bekannten doppelwandigen Abgasrohren, welche in der Regel durch einen Kamin ins Freie führen, verbunden werden kann.
In der Draufsicht des Wärmetauschers 10 gemäß 2 sind zur Verdeutlichung des Gegenstromprinzips das Abgas 28 und die Verbrennungsluft 32 durch entsprechende Pfeile schematisch angedeutet. Das heiße Medium in Form des Abgases 28 strömt am ersten Einlass 16 in den Wärmetauscher hinein und verlässt ihn am ersten Auslass 18. Vom Rohranschluss 26 strömt die zu erwärmende Verbrennungsluft 32 durch die Leitung 30 zum zweiten Einlass 20. Von dort strömt die Verbrennungsluft 32 entgegen der Richtung des 28 zum zweiten Auslass 22 und verlässt dort den Wärmetauscher 10.
Wie aus dem Schnitt gemäß 3 deutlich wird, befindet sich in dem vom Grundteil 12 und Deckelteil 14 gebildeten Hohlraum eine Trennwand 34, welche das Abgas 28 von der Verbrennungsluft 32 trennt. Die Trennwand 34 ist als Kunststofffolie ausgebildet, die, wie aus in dem in 3 dargestellten Querschnitt deutlich wird, wellenförmig verlaufend ausgebildet ist. Die Trennwand 34 bildet zusammen mit dem Grundteil 12 Strömungskanäle 36 für das Abgas 28 und zusammen mit dem Deckelteil 14 Strömungskanäle 38 für die Verbrennungsluft 32. Zwischen zwei Strömungskanälen 36 ist jeweils ein Strömungskanal 38 vorgesehen. Entsprechend ist zwischen zwei Strömungskanälen 38 für die Verbrennungsluft 32 jeweils ein Strömungskanal 36 für das Abgas 28 vorgesehen. Der Wärmeaustausch von dem Abgas 28 zur Verbrennungsluft 32 findet über die Trennwand 34 statt.
Die Trennwand 34 weist dabei eine konstante Dicke auf, die insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm liegt. Die Trennwand sieht ferner einen umlaufenden Randabschnitt 40 vor, der luftdicht zwischen dem Grundteil 12 und dem Deckelteil 14 geklemmt angeordnet ist. Insofern wird gewährleistet, dass kein Luftaustausch zwischen dem Abgas 28 und der Verbrennungsluft 32 stattfinden kann.
Aus 3 wird ferner deutlich, dass die nebeneinander verlaufenden Strömungskanäle 36 und 38, die von der Trennwand 34 gebildet werden, fast parallel zueinander verlaufende, mittlere Wandungsabschnitte 42 vorsehen. An die mittleren Wandungsabschnitte 42 schließen sich dann Bogenabschnitte 44 an, welche am Grundteil 12 bzw. am Deckelteil 14 anliegen.
Aus den 4 und 5 wird deutlich, dass die Trennwand 34 in Draufsicht bzw. in Unteransicht in Strömungsrichtung verlaufend wellenförmig gebogene Kanalabschnitte 46 bildet. Aus 4 wird deutlich, dass die dort gezeigten Kanalabschnitte 46 Erhebungen darstellen.
Die Ansicht der Trennwand 34, wie sie in 4 dargestellt ist, entspricht der Unteransicht der Trennwand 34, wie sie in den 1 und 2 im Wärmetauscher 10 angeordnet ist. Bezogen auf 1 strömt folglich das heiße Abgas 28 entlang der Trennwand 34 zwischen den erhabenen Kanalabschnitten 46. Die zu erwärmende Verbrennungsluft 32 strömt innerhalb entgegengesetzter Richtung entlang der anderen Seite der Trennwand 34, und zwar in den von den Kanalabschnitten 46 gebildeten Erhebungen.
Insbesondere aus 5 wird deutlich, dass sämtliche Kanalabschnitte 46 wellenförmig verlaufend ausgebildet sind.
Wie allerdings aus der Vergrößerung gemäß 6 zu erkennen ist, ändert sich der Abstand a zwischen zwei benachbarten Kanalwandungen im Bereich ihrer mittleren Wandungsabschnitte 42, und zwar gemessen in Querrichtung, über die Strömungsrichtung s. In 6 ist ein Minimalabstand a_min sowie ein Maximalabstand a_max im gleichen Strömungskanal 36, 38 in mittlerer Höhe dargestellt. Aufgrund des sich ändernden Abstands a ergeben sich unterschiedliche Querschnittsflächen des jeweiligen Strömungskanals 36, 38 in Strömungsrichtung s.
Hierdurch wird eine bessere Durchmischung der durch den jeweiligen Kanal 36, 38 hindurchströmenden Luft bewirkt, was insgesamt den Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessert. Günstige Werte ergeben sich dann, wenn a_max im Bereich von 1,5 bis 2,0 × a_min liegt.
Wie ebenfalls aus 6 deutlich wird, ist die Oberfläche der Kanalabschnitt eben und glatt ausgebildet. Bei einer nichtgezeigten Ausführungsform ist denkbar, dass in die Oberfläche eine wellenartige Riffelung eingebracht ist, um eine turbulentere Strömung im jeweiligen Kanal 36, 38 zu erhalten. Eine solche geriffelte Oberfläche ist in 6 in einem Kanal exemplarisch mit der Linie 50 angedeutet.
Im Grundteil und/oder im Deckelteil können zudem Sammel- oder Ableitabschnitte zum Sammeln und/oder Ableiten von ausfallendem Kondensat vorgesehen sein.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist denkbar, dass im Grundteil 12 oder im Deckelteil 14 ein Gehäuse oder Gehäuseabschnitte eines Gasmischers, eines Gebläses und/oder einer Brennerzelle integriert sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29819926 U1 [0003]

Claims

Wärmetauscher (10), insbesondere zur Vorwärmung von Verbrennungsluft von insbesondere Warmwasserheizkesseln, mit einem Gehäuse, das einen ersten Einlass (16), einen ersten Auslass (18), einen zweiten Einlass (20) und einen zweiten Auslass (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Grundteil (12) und einen Deckelteil (14) umfasst, welche einen Hohlraum umschließen, und dass eine Trennwand (34) in den Hohlraum derart eingesetzt ist, dass sie ein vom ersten Einlass (16) kommendes erstes, warmes Medium (28) von einem vom zweiten Einlass (20) kommenden zweiten, kalten Medium (32) trennt, wobei die Trennwand (34) zusammen mit dem Grundteil (12) Strömungskanäle (36 bzw. 38) für das erste Medium (28) bzw. das zweite Medium (32) und zusammen mit dem Deckelteil Strömungskanäle (38 bzw. 36) für das zweite Medium (32) bzw. das erste Medium (28) bildet.
Wärmetauscher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (34) aus einem folienartigen Kunststoff hergestellt ist.
Wärmetauscher (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (34) eine weitgehend konstante Dicke aufweist, die insbesondere im Bereich von 0,1 mm bis 0,6 mm und insbesondere im Bereich von 0,3 mm bis 0,5 mm liegt.
Wärmetauscher (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (34) einen umlaufenden Randabschnitt (40) aufweist, der zwischen dem Grundteil (12) und dem Deckelteil (14) dicht angeordnet ist.
Wärmetauscher (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (34) im Querschnitt wellenförmig verlaufend derart ausgebildet ist, dass mehrere nebeneinander verlaufende Kanäle (36, 38) vorhanden sind.
Wärmetauscher (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (34) in Draufsicht und/oder in Unteransicht in Strömungsrichtung (s) verlaufend wellenförmig gebogene Kanalabschnitte (46) bildet.
Wärmetauscher (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zweier benachbarter Kanalwandungen in Querrichtung betrachtet über die Strömungsrichtung (s) zwischen einem Minimalwert a_min und einem Maximalwert a_max variiert, wobei a_max insbesondere im Bereich von 1,5 bis 2,0·a_min liegt.
Wärmetauscher (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundteil (12) der ersten Einlass (16) und der ersten Auslass (18) bzw. der zweiten Einlass (20) und der zweiten Auslass (22) und dass im Deckelteil der zweiten Einlass (20) und der zweiten Auslass (22) bzw. der ersten Einlass (16) und der ersten Auslass (18) integriert sind.
Wärmetauscher (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundteil (12) einen Doppelrohrstutzen (24) mit einem innen liegenden Rohranschluss und einem äußeren Rohranschluss (26) zum Anschluss eines doppelwandigen Abgasrohres aufweist, wobei der ersten Auslass (18) vom innenliegenden Rohranschluss gebildet wird und am äußeren Rohranschluss (26) eine Leitung (30) zum zweiten Einlass vorgesehen ist.
Wärmetauscher (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Deckelteil (14) oder im Grundteil (12) wenigstens Gehäuseabschnitte und/oder Bauteile eines Gasmischers, eines Gebläses und/oder einer Brennerzelle integriert sind.