DE19546190C1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Wärmetransportfluids, bei der ein Wärmelieferfluid einen Wärme­ tauscher mit getrennten Kanälen für das Wärmelieferfluid und das Wärmetransportfluid durchströmt Wärmetauscher mit getrennten Kanälen für die am Wärmetauschprozeß beteiligten Fluide sind Stand der Technik.

Herkömmliche Wärmetauscher der genannten Art werden z. B. bei Heizkesseln eingesetzt. Bei solchen Wärmetauschern besteht grundsätzlich das Problem einer Optimierung der Wärmeübertragung von den Heizgasen auf das als Wärmetransportfluid dienende Wasser. Dabei ist auch zu beachten, daß die Wärmetauscher aus wirtschaftlichen Gründen möglichst klein und kompakt sein sollten.

Als nächstliegender Stand der Technik zeigt die DE 41.40 953 A1 einen Lufterwärmungsapparat, der einen kastenförmigen Strömungsraum aufweist, in dem mehrere, parallele, runde Rohre den zweiten Strömungsraum bilden.

Die DE 36 02 608 A1 zeigt ein in den Querschnitten rundes Doppelrohr zur Anwendung für die Kühlung von heißen, hydraulischen Flüssigkeiten in Motoren. Dieses runde Doppelrohr weist an beiden runden Rohren eine rundum verlaufende und wenn in Längsrichtung betrachtet eine die Radialebenen regelmäßig verändernde Profilierung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die optimale Wärmeübergangseigenschaften hat, die das Wärmelieferfluid auch unter Vollastbedingungen optimal herunter­ kühlt, kompakt ist und preiswert hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kanäle durch ein Doppelrohr gebildet sind, daß das Innenrohr den Kanal für das Wärmelieferfluid und der Mantelraum zwischen Innen- und Außenrohr den Kanal für das Wärmetransportfluid bilden, daß die Rohre plattenförmig mit annähernd rechteckigem Querschnitt ausge­ bildet sind und daß mindestens die großflächigen Außenseiten des Innenrohres und die ihnen gegenüberliegenden großflächigen Innen­ seiten des Außenrohres zueinander beabstandet sind, wobei das Wärmetransportfluid im Gegenstrom zum Wärmelieferfluid strömt.

Die entsprechenden Kantenseiten des beschriebenen Innenrohres und Mantelrohres können jeweils beabstandet sein oder als Seitenwände zu gemeinsamen zusammenfallen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also eine Wärmetauscher­ platte auf, die drei Kanäle besitzt: den plattenförmigen Wärme­ lieferfluidkanal, und die beiden großflächenseitigen Wärmetrans­ portfluidplattenkanäle. Da das Doppelrohr einmal oder mehrfach umgebogen ist, weisen alle drei Kanäle Umlenkungen, vorzugsweise um 180°, auf, so daß die dreikanalige Struktur der Wärmetauscher­ platte auch in dem gemeinsamen Umlenkungsbereich voll erhalten bleibt. Bei horizontalem Einbau der Wärmetauscherplatte wechseln die Wärmetransportfluidplatten nach einer 180°-Umlenkung jeweils die Positionen "oberhalb des Wärmelieferfluidkanales" und "unter­ halb der Wärmelieferfluidkanales".

Die beiden Wärmetransportfluidplatten können kantenseitig ein­ seitig oder beidseitig miteinander verbunden sein, so daß in diesen Fällen nicht ein zweigeteilter Gegenstrom des Wärmetransportfluids erfolgt, sondern ein ungeteilter Gegenstrom des Wärmetransport­ fluids den plattenförmigen Wärmelieferfluidkanal dreiseitig oder allseitig umfließt, und das auch im Bereich der Umbiegungen, bzw. der 180°-Umlenkung. Die drei möglichen Querschnitte der Wärmetau­ scherplatte zeigen also um den plattenförmigen Wärmelieferfluid­ kanal zwei flächenseitige, plattenförmige Wärmetransportfluid­ kanäle oder einen U-flächen-förmigen oder einen peripherrechteck­ flächensektorförmigen Wärmetransportfluidkanal.

Im Falle der hier beschriebenen, seitlichen Verbindung der Wärme­ transportfluidplatten besteht diese einseitige oder beidseitige kantenseitige Verbindung auch im Bereich der Umbiegung bzw. der 180°-Umlenkung, falls eine erfindungsgemäße Wärmetauscherplatte umgebogen ist.

Wenn der Massenstrom des Wärmelieferfluides vom Massenstrom des Wärmetransportfluides nicht nur an der Ober- und Unterseite von zwei getrennten Transportfluidteilströmen sondern von einem unge­ teilten Massenstrom entweder dreiseitig, also an Ober-, Unter- und einer Kantenseite, oder allseitig, also an Ober-, Unter- und bei­ den Kantenseiten, im Gegenstrom umströmt wird, ist eine Zweitei­ lung des Wärmetransportfluidstromes durch eine einfache Verzwei­ gung des unteren Einströmrohres nicht erforderlich. In diesem Falle ist eine einfache Rohranbindung ausreichend.

Im Falle der zweigeteilten Ausgestaltung des Einströmrohres werden bevorzugt jeweils an das untere Abzweigrohr bzw. das obere Ab­ zweigrohr Verteilerohre gesetzt in der Weise, daß sie endständig auf jeweils das Ende der einen Wärmetransportfluidplatte bzw. das Ende der anderen Wärmetransportfluidplatte endkantenseitigver­ laufend aufgeschweißt sind, die natürlich zum einen jeweils zu den Rohrabzweigen einen Strömungsdurchgang haben und zum anderen an ihren aufgeschweißten Längsseiten als Durchgänge zu den Wärme­ transportfluidplatten Bohrungen besitzen.

Ist im Falle der dreiseitigen oder allseitigen Ummantelung des Wärmelieferfluidkanales durch den Wärmetransportfluidkanal der Einströmrohrstutzen ungeteilt, dann ist nur ein wie zuletzt be­ schriebenes Verteilerrohr notwendig.

Die hier beschriebenen endständigen Verteilerrohre ermöglichen ei­ nen Gegenstrom auch im endständigen Bereich der oben beschriebe­ nen, dreikanaligen Wärmetauscherplatte.

Bei der beschriebenen Vorrichtung ist der Wärmelieferfluidkanal auch dann, wenn eine Brennkammer bzw. eine Heizgaskammer der be­ schriebenen Wärmetauscherplatte vorgeschaltet ist, vom Eintritt der Brenn- bzw. Heizkammer am Flansch und weiter über die kanal­ förmige Anbindung an den plattenförmigen Heizgaskanal, der mitt­ leren Lage der beschriebenen Wärmetauscherplatte, und im weiteren Verlauf des plattenförmigen Heizgaskanales bis zum Austrittsstut­ zen immer ein ungeteilter Kanal, der einen ungeteilten Strom des Wärmelieferfluides bzw. Heizgases bedingt. Dieser Wärmeliefer­ fluidstrom ist im Bereich des innenliegenden Lieferfluidkanales immer ungeteilt und plattenförmig.

Die Außenwände der erfindungsgemäßen Wärmetauscherplatte, die wenn durch die 180°-Umlenkung umgebogen die Positionen "oben" und "un­ ten" von Etage zu Etage wechseln, sind zwecks eines homogeneren Wärmeüberganges vom Lieferfluid in das Transportfluid voneinder getrennt und vorzugsweise auch mit isoliermaterial voneinander ab­ geschirmt.

Zwecks wirtschaftlicherer Materialnutzung und wegen kompakterer Bauweise können diese ober-, bez. unterseitigen Außenwände der Übereinanderliegenden Lagen der beschriebenen Wärmetauscherplatte gemeinsame, identische Trennwände sein.

Durch die plattenförmige Führung des Wärmetransportfluides im Ge­ genstrom zum Plattenförmigen Strom des Wärmelieferfluides unter konsequenter Beibehaltung dieser im Querschnitt annähernd recht­ eckigen Stromführungen auch im Bereich der Umlenkung bzw. der Um­ lenkungen wird der unter diesen Bedingungen mögliche Wärmeübergang optimiert und an den physikalisch idealen Wärmeübergang angenä­ hert.

Die annähernd rechteckigen Querschnitte der Strömungskanäle im Bereich der Umlenkungen sollten mindestens so grob sein, wie die kleinsten Querschnitte des Wärmelieferfluidkanales bzw. des oder der Wärmetransportfluidkanäle. Dadurch werden die an dieser Stelle ungewollten Strömungswiderstände im inneren dieser Strömungskanäle minimiert, was für die optimale Auslegung der Leistung der Gebläse bzw. Förderpumpen wichtig ist.

Der spezifische Wärmeübergang zweier Fluide im Gegenstrom ist un­ ter idealen Bedingungen um die Hälfte besser als der Spezifische Wärmeübergang zweier Fluide im Kreuzstrom.

Durch die plattenförmige Ausgestaltung und Verlängerung der Kanäle, die beliebig bis zur technischen und materialökonomischen Opti­ mierung möglich ist, können aufgrund der groben Wärmeübergangs flächen zwischen dem Strom des Wärmelieferfluides und dem Strom des Wärmetransportfluides entsprechend hohe Wärmemengen übertragen werden.

Für einen noch besseren Wärmeübergang sind die Umbiegung bzw. die Umbiegungen, bevorzugt die 180°-Umlenkung bzw. die 180°-Umlen­ kungen notwendig, weil dadurch die laminaren Teilströme des Wärme­ lieferfluidstromes, die eine Wärmeschichtung verursachen, aufgrund der entstehenden Turbulenzen zerstört werden.

Die Verkürzung der Wärmeübergangsflächen - und somit eine kompak­ tere, kleinere Bauweise des Gerätes - des schon durch das Gegen­ stromprinzip optimierten Wärmetauschers mit glatten Trennwänden zwischen Wärmelieferfluid und Wärmetransportfluid wird durch eine Profilierung dieser Wärmeübergangswände erreicht, welche die flächigen Seitenbleche der Wärmetransportfluidplatten sind, die den innenliegenden Kanal des Wärmelieferfluides bzw. den Heiz­ gaskanal bilden. Zur Erzeugung von wärmeübergangsfördernden Tur­ bulenzen verläuft die Profilierung quer zur Strömungsrichtung der Fluidströme, die im Gegenstrom fließen.

Diese Profilierung der Wärmeüber­ gangswände, die sich zwischen den im Gegenstrom fliegenden Fluid­ strömen befinden, ist quer zu den Strömungsrichtungen strukturiert und wellenartig oder im Querschnitt teilkreisförmig bzw. krummlinig dergestalt, daß gegenüberliegend an den beiden, den Wärmeliefer­ fluidkanal flächenseitig begrenzenden Wärmeübergangswänden im Pro­ filquerschnitt teilkreisförmige bzw. krummlinige, ge­ genüberliegende Ausbauchungen in die Wärmetransportfluidkanäle bzw. den Wärmelieferfluidkanal hinein resultieren.

Dadurch werden quer zur Strömungsrichtung liegende Strömungsräume, sogenannte Turbulatorräume, im Wärmelieferfluidkanal gebildet, welche unterschiedliche Querschnitte haben, wobei entweder jeweils größere, säulenförmige z. B. zylinderförmige Strömungsräume von­ einander durch kleinere, säulenförmige z. B. quaderförmige Strö­ mungsräume oder jeweils gleichgroße, säulenförmige Strömungs­ räume voneinander durch spitzkantige, blendenartige oder rundwul­ stige Verengungen getrennt sind.

Diese Struktur des Heizgaskanales mit periodisch auftretender Er­ weiterung bzw. Verringerung des Strömungsquerschnittes durch runde Ausbauchungen der Wände des Wärmelieferfluidkanales bzw. durch ein­ kantige, mehrkantige oder runde Einbuchtungen in den plattenförmi­ gen Wärmelieferfluidkanal hinein erzeugt im Massenstrom des Wärme­ lieferfluides unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke.

Die Strömung eines gasförmigen Wärmelieferfluides durch die Abfol­ ge von querliegenden zylinderförmigen und quaderförmigen Räumen hat einen Wechsel von Gaskompression und Gasexpansion zur Folge. Beim Eintritt des Massenstromes in den quaderförmigen Raum erfolgt eine Gaskompression und somit eine Erhöhung der kinetischen Ener­ gie und entsprechend eine Temperaturerhöhung, also eine Tempera­ turdifferenzerhöhung und eine Förderung des Wärmeüberganges zum Transportfluid hin. Beim Einströmen in den größeren, zylinderför­ migen Raum geschieht eine Turbulenz verursachende Gasexpansion und aufgrund der Volumenerweiterung eine Herabsetzung der Strömungsge­ schwindigkeit. Durch die so erzeugte Turbulenz und durch die Verhinderung von laminaren Gasschichtungen mit einem Wärmegra­ dienten bei gleichzeitiger Verlangsamung des Gasmassenstromes wird die Wärmeabgabe des Wärmelieferfluides an die wärmeleitende Trennwand zum Wärmeübergang in das wärmeaufnehmende Wärmetransportfluid optimal gefördert.

Die Wärme des Heizgasmassenstromes wird durch diese periodisch aufeinanderfolgenden Kompressions- und Expansionsschritte gleich­ sam ausgewrungen und an das Wärmetransportfluid abgegeben.

Mathematisch können diese dynamischen Gaszustande im Heizgaskanal durch eine vereinigte Ableitung von Allgemeiner Gasgleichung und Bernoulli′scher Gleichung annäherungsweise dargestellt werden.

Die zwei großflächigen Außenwände der zwei Wärmetransportfluid­ platten, die identisch sind mit den beiden großflächigen Außen­ wänden der oben beschriebenen, dreikanaligen Wärmetauscherplatte, können zwecks größerer Turbulenz im Wärmetransportfluidstrom, welche für die Wärmeaufnahme forderlich ist, ebenfalls insbeson­ dere wellenartig quer zur Strömungsrichtung profiliert sein.

Ein noch wirksameres teilkreisförmiges, bzw. krummliniges Platten­ profil ist, wenn die zwei im oben beschriebenen Profil zur Strö­ mung querlaufenden Längsschnittflächen des Wärmelieferfluidkana­ les, die gleichzeitig begrenzende Seitenflächen des quaderförmi­ gen Strömungsraumes sind, miteinander zum quaderförmigen Raum hin zur Deckung gebracht werden. Dadurch verschwindet der quaderför­ mige Strömungsraum, es liegt anstatt der zur Strömungsrichtung querverlaufenden, im Querschnitt stumpfen Profilrippe eine im Querschnitt spitze Profilrippe vor. Anstatt zweier verschiedenar­ tiger Strömungsräume, nämlich quaderförmiger und zylinderförmiger liegt nur eine Art von Strö­ mungsräumen vor, nämlich säulenförmige. Bei dieser zuletzt beschrie­ benen, teilkreisartigen bzw. krummlinigen Profilierung mit spitzen Profilrippen funktioniert das oben beschriebene Prinzip der perio­ disch aufeinanderfolgenden Gaskommpression und Gasexpansion noch besser, weil aufgrund des anstatt kanalförmigen, quaderförmigen Durchganges zwischen den größeren, zylinderförmigen Strömungs­ räumen jetzt zwischen den säulenförmigen Strömungsräumen an den spitzen, einkantigen und gegenüberliegenden Profilrippen der beiden flächigen Heizgaskanalwände ein rechteckblendenartiger Durchgang vorliegt, der zwar die Gaskompression und Gasexpansion und somit die gewünschten Turbulenzen zuläßt, aber wodurch gleich­ zeitig die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, die sich negativ auf den Wärmeübergang auswirkt, bezogen auf die Zeit und den Raum minimiert wird.

Die wellenartige oder teilkreisförmige bzw. krummlinige Profilie­ rung ist von den Maßen her so dimensioniert, daß die spezifische Länge von einem Meter des Wärmelieferfluidkanales je nach Art des Profiles und speziell im Falle der Kombination von zylinder­ förmigen mit quaderförmigen Strömungsräumen etwa sieben bis neun zylinderförmige und entsprechend quaderförmige quer zur Strömungs­ richtung liegende Strömungsräume aufweist. Der Radius des Quer­ schnittes der zylinderförmigen Strömungsräume beträgt etwa fünf bis sieben Zentimeter und entsprechend der Durchmesser etwa zehn bis vierzehn Zentimeter.

Im Falle anderer wellenartiger, teilkreisförmiger bzw. krummliniger Profile wie z. B. wie oben beschrieben mit einer Profilierung, die nur eine Sorte von säulenförmigen Strömungsräumen besitzt, hat die spezifische Länge von einem Meter (1 m) des Wärmelieferfluidkanales auch etwa sieben bis neun jetzt säulenförmige Strömungsräume. Der Durchmesser des Querschnittes des zylindrischen Anteiles dieses säulenförmigen Raumes beträgt ebenfalls etwa zehn bis vierzehn Zentimeter. Der Außenradius der Querschnitte dieser Säulen, der die seitlichen Kantenschnitt punkte der Säulenquerschnitte durch­ läuft, liegt je nach Profilart zwischen etwa fünf und zwölf Zentimeter.

Für eine noch bessere Turbulenz im Massenstrom des Wärmeliefer­ fluides können die aufeinanderfolgenden, querliegenden Stromungs­ räume auch zueinander versetzt angeordnet sein, wodurch zusätz­ liche Umkehrungen eingeführt werden. Dieses Prinzip der seitlichen Versetzung der Strömungsräume bzw. der unsymmetrischen Versetzung der Durchgänge kann auf alle Typen der wellenartigen bzw. teil­ kreisförmigen bzw. krummlinigen Profilierung angewendet werden, also auch auf den Profiltyp mit nur einer Sorte säulenförmiger Stromungsraume und den spitzen, kantigen Profilrippen.

Das preisgünstigste Profil aller verschiedenen möglichen, mehr oder oder weniger speziellen Profilierungen ist das punktsymme­ trische, handelsübliche Wellblech. Bei dieser Profilierung sind an den Flächen der Heizkanalwände runde Profilrippen und auch nur eine Sorte von querliegenden, säulenförmigen Strömungsräumen.

Verschiedene Profilierungen mit niedriger Profiltiefe bei heizgas­ führenden Rohren sind Stand der Technik. Profilierte Rohre haben im Vergleich zu profilierten Plattenkanälen den Nachteil, daß sie bezogen auf den durchzusetzenden Massenstrom eine geringere Kapa­ zität besitzen und entsprechend teurer in puncto Material und Verarbeitung sind.

Die erfindungsgemäße, dreikanalige Wärmetauscherplatte auch, wenn ein- oder mehrfach umgebogen, wird bevorzugt in etwa horizontaler Lage eingebaut, grundsätzlich ist jedoch auch ein vertikaler Einbau möglich.

Die beschriebenen Bestandteile der dreikanaligen Wärmetauscher­ platte, die zwei Wärmetransportfluidplatten, von denen jeweils eine Seite die Trennwand zum innenliegenden Wärmelieferfluidkanal bildet, können preiswert mit hoher Qualität und langer Lebensdauer hergestellt werden. Für die Produktion der erfindungsmäßigen Vor­ richtung werden im einfachsten Falle z. B. etwa 3 mm dicke Stahl­ bleche, die ihre einbaufertige Formgebung durch einfaches Umbiegen und Abkanten erhalten.

Die seitliche Abdichtung der plattenförmigen Kanäle erfolgt bei der Herstellung des Wärmetauschers durch Verschweißung und/oder mit Hilfe von gleichen oder verschiedenen Seitenplatten bzw. plat­ tenförmigen Stücken, die aufgeschraubt, aufgeschweißt oder sonstwie dicht befestigt werden können.

Im Falle der wellblechartigen oder auch spezielleren Profilierung der plattenförmigen Wärmeübergangswände, die den Wärmelieferfluid­ kanal großflächig begrenzen, können z. B. 3 mm dicke, speziell profi­ lierte oder handelsüblich profilierte Bleche eingesetzt werden, die längsprofiliert sind wie zum Beispiel im einfachsten Falle des punktsymmetrischen Wellbleches. Die handelsüblichen, längsprofi­ lierten Bleche werden auf die erforderlichen Längen mittels Quer­ teilanlagen abgelängt und dann bei der Herstellung des Wärmetau­ schers entsprechend weiterverarbeitet.

Um aber die Zahl der Schweißnähte zu reduzieren, ist es besser, auf ein "endlos" aufgerolltes und auf die gewünschte Breite ge­ schnittenes Blech "endlos" mit einem entsprechenden Rollprofilie­ rungswerkzeug das gewünschte Profil aufzubringen.

Von diesem "endlos" profilierten Blech wird dann die gewünschte Länge abgeschnitten, entsprechend, wie die 180°-Umlenkungen es erfordern, umgebogen und seitlich zwischen Blechstreifen, bzw. Blechplatten fixiert und zugeschweißt oder sonstwie abgedichtet, so daß gas- bzw. flüssigkeitsdichte, plattenförmige Kanäle ent­ stehen. Zweckmäßigerweise läßt man die Profilierung auch im 180°-Umlenkungsbereich durchlaufen, in der Weise, daß die "endlos" profilierten Bleche nur entsprechend umgebogen werden.

Vorzugsweise ist eine der seitlichen Platten von der Wärmetau­ scherkonstruktion abnehmbar, so daß der Wärmelieferfluidkanal bei einer Wartung seitlich zu öffnen und bei Verschmutzung bequem gereinigt werden kann.

Eine Variante des beschriebenen Wärmetauschers ist, wenn der Wärmetauscher mittels einer vertikal verlaufenden Trennaht seit­ lich aufklappbar gestaltet wird und in diesem Zustande die Wärme­ transportfluidplatten seitlich durch Verschweißung verschlossen sind, der Wärmelieferfluidkanal aber auf diese Weise geöffnet, und eine Wartung des Innenraumes vorgenommen werden kann. Dabei wird in die Trennaht eine Dichtung aus Mineralfasermaterial oder aus sonstigem, hochtemperaturbeständigem Dichtstoff eingelegt. Diese Variante hat den Vorteil, daß nicht nur die beiden großflächigen sondern auch beide Kantenseiten des Wärmelieferfluidkanales im Gegenstrom vom Wärmetransportfluid umströmt werden.

Die Verwendung von anderen Metallen als Stahlblech oder Kunststoff oder Keramik als Werkstoff für die Herstellung ist je nach Verwen­ dung des Wärmetauschers mit profilierten oder nichtprofilierten Wärmeübergangswänden, z. B. bei Verwendung als unter dem Taupunkt betriebenem korrosionsfestem, primärem Metall- oder Keramik­ wärmetauscher oder bei Verwendung als dem primären Heizkessel­ wärmetauscher nachgeschalteten Kondensator, ebenfalls möglich.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird vorzugsweise einer Heiz- oder Brennkammer nachgeschaltet, in die das Wärmelieferfluid ein­ geleitet oder in der es durch Verbrennung erzeugt wird.

Beim Einsatz des Wärmetauschers in einer Heizungsanlage ist die bevorzugt liegend-säulenförmige Brennkammer des Heizkessels vor­ zugsweise von einem wasserführenden zylindrischen, quaderförmigen oder sonstwie säulenförmigen Mantel umgeben.

Die Anbindung der Brennkammer an den plattenförmigen Heizgaskanal des Wärmetauschers erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines kanal­ förmigen im frontalen Längsschnitt trapezförmigen oder im fronta­ len Längsschnitt rechteckigförmigen oder sonstwie gearteten An­ schlußstückes.

Die Anbindung des wasserführenden Mantels der Brennkammer an die Wärmetransportfluidplatten, die zwei wasserführenden Platten der oben beschriebenen, dreikanaligen Wärmetauscherplatte erfolgt über kanalförmige im frontalen Längsschnitt trapezförmige oder im frontalen Längsschnitt rechteckige Anschlußstücke und/oder mit Hilfe von Verbindungsrohren oder sonstigen Anschlußstücken.

Erfindungsgemäß wird in einem einem primären Heizkesselwärmetau­ scher unmittelbar oder mittelbar nachgeschalteten Kondensator zur Regelung des Massenstromes des Wärmelieferfluides im inneren des Wärmelieferfluidkanales ein Drucksensor für die Erzeugung eines Steuer- bzw. Regelsignales installiert.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann also auch als Kondensator in Heizungsanlagen eingesetzt werden, wobei es aus strömungs- und wärmetechnischen Gründen sinnvoll ist, den Druck des in den als Kondensator genutzten Wärmetauscher einströmenden Wärmeliefer­ fluides bzw. Heizgases zu regeln. Zur Erzeugung des entsprechenden Steuer- bzw. Regelsignales wird dann im inneren des Heizgaskanales ein Drucksensor installiert.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft veranschaulicht und wird im Nachfolgenden anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen, seitlichen Längsschnitt durch einen Heizkessel mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher,

Fig. 2 einen schematischen, seitlichen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetau­ schers angewendet in einem Heizkessel,

Fig. 3 einen schematischen, seitlichen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers angewendet in einem Heizkessel,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine vierte bzw. fünfte bzw. sechste Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Wärmetauschers angewendet in einem Heizkessel,

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch einen Heizkessel gemäß Fig. 1 längs der Linie V-V.

Der in Fig. 1 dargestellte Heizungskesselwärmetauscher besteht aus dem Heizkesselwärmetauscherkopf bestehend aus einer zylinderför­ migen Brennkammer 1, und aus einem die Brennkammer umgebenden, wasserführenden Mantelraum 2 mit angesetztem Rücklaufrohrstutzen und Brennerflansch und aus dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 43 bzw. 44 und aus dem kanalförmigen Anschlußstück 32 zwischen dem Heizkesselwärmetauscherkopf und dem erfindungsgemäßen Wärme­ tauscher 43 bzw. 44.

Die in der Brennkammer 1 erzeugten Heizgase gelangen durch den Heizgaskanal 32a des kanalförmigen Anschlußstückes 32 in den plat­ tenförmigen Heizgaskanal 3, dem inneren Kanal der dreikanaligen Wärmetauscherplatte 43, und passieren auf ihrem Weg durch den Heizgaskanal die drei 180°-Umlenkungen 7, 8 und 9, bis sie aus dem sich zum Rohr verengenden Abgasstutzen austreten.

Das Wärmetransportfluid, hier Wasser, strömt über das Anschlußrohr 26 und die nachfolgende Verzweigung in die zwei voneinander ge­ trennten oder seitlich verbundenen Wärmetransportfluidplatten 10 und 11, die jeweils aus zwei tafelförmigen Blechen und einem ein­ beschlossen Wärmetransportfluidströmungskanal bestehen und die den innenliegenden Heizgaskanal 3 nach oben und unten begrenzen und im Falle der kantenseitigen Verbindung der zwei Wärmetransportfluid­ platten 10 und 11 den Heizgaskanal 3 nicht nur flächig oben und unten sondern auch mindestens an einer Kante umgeben.

Die zwei dreimal um 180° umgebogenen Wärmetransportfluidplatten 10 und 11 bilden die beiden äußeren Konstruktionskomponenten der dreilagigen, dreimal um 180° umgebogenen Wärmetauscherplatte 43 bzw. 44.

Fig. 1 zeigt also drei 180°-Umlenkungen 45 der dreikanaligen, hier dreimal umgebogenen Wärmetauscherplatte 44.

Auf seinem Weg durch die Wärmetransportfluidplatten 10 und 11 pas­ siert das Wasser die 180°-Umlenkungen 18, 19, 20, 21, 22 und 23 bis es durch die Strömungskanäle 35 des Anschlußstückes 32 in den die Brennkammer umgebenden Mantel 2 gelangt, an der Brennkammer 1 entlangströmt und den Heizkessel am Kesselvorlaufstutzen 36 ver­ lädt. Wie aus Fig. 1 auch deutlich wird, wechseln die Wärmetrans­ portfluidplatten 10 und 11 bedingt durch die 180°-Umlenkungen 45 der Wärmetauscherplatte 43 ihre Positionen "oberhalb des Heizgas­ kanales" und "unterhalb des Heizgaskanales" von Etage zu Etage. Zwischen den vertikal übereinanderliegenden Etagen der Wärmetau­ scherplatte 43 sind in der in dieser Abbildung Fig. 1 gezeigten Ausführung Isolierräume 24 vorhanden, die mit Isoliermaterial z. B. Mineralwolle ausgefüllt werden können.

Die in Fig. 1 dargestellte Konstruktion erhält zusätzliche Stabi­ lität durch die eingesetzten Blechstreifen 25.

Fig. 1 zeigt das Grundelement des erfindungsgemäßen Wärmetau­ schers 43, hier eine dreimal um 180° umgebogene, also die drei 180°-Umlenkungen 45 aufweisende, dreikanalige Wärmetauscherplatte 44, die zwei Wärmetransportfluidplatten 10 und 11 als Konstruk­ tionskomponenten besitzt, die aus planen, nicht-profilierten, nur im Umlenkungsbereich umgebogenen Stahlblechen bestehen.

Demgegenüber zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 Wärme­ übergangswände 27 der Wärmetransportfluidplatten 10 und 11, die zum Heizgaskanal hin liegen und eine quer zu den Strömungsrich­ tungen teilkreisförmig bzw. krummlinige ausgebuchtete Profilierung dergestalt aufweisen, daß daraus in dem durch diese so profilier­ ten Wände 27 gebildeten, plattenförmigen Heizgaskanal verschieden grobe Strömungsräume, nämlich größere zylinderförmige 33 und klei­ nere quaderförmige 34 resultieren. Die einzelnen Etagen der drei­ mal um 180° umgebogenen Wärmetauscherplatte 44 und also die plat­ tenförmigen Wärmetransportfluidströmungskanäle der Wärmetransport­ fluidplatten 10 und 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel Fig. 2 durch eine gemeinsame Trennwand 28 voneinander getrennt, wobei also bei diesem Ausführungsbeispiel auf die Isolierzwischenräume 24 (s. Fig. 1) verzichtet wurde.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird der Heizgaskanal 3 wiederum durch die profilierten Wärmeübergangswände 27, welche die zum Heizgaskanal 3 hin liegenden Wände der Wärmetransportfluid­ platten 10 und 11 sind, begrenzt.

Auch bei dieser Ausführung liegen im Heizgaskanal unterschiedlich grobe Strömungsräume nämlich größere, zylinderförmige 33 und klei­ nere quaderförmige Strömungsräume vor. Daraus resultieren zweikan­ tige, stumpfe Profilrippen an der Oberfläche der profilierten Wär­ meübergangswände 27.

Dieses Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß Fig. 3 ist auch in einer Variation mit einkantigen, spitzen Profilrippen herstellbar. Dieses andere Profil der Wärmeüber­ gangswände 27 wird deutlich, wenn die gedachten, rechteckförmigen Längsschnittflächen 46 zwischen den verschiedenartigen Srömungs­ räumen 33 und 34 zur Quaderseite hin ineinander überführt und zur Deckung gebracht werden. Ein solches Beispiel eines im Querschnitt teilkreisförmigen, bzw. krummlinigen Profiles ist in Fig. 4 mit profilierten Wärmeübergangswänden 42 dargestellt. Punkt 47 mar­ kiert die in diesem Profil einkantige, spitze Profilrippe.

In Abb. 3 sind die dem Heizgaskanal abgewandten Wände 29 der Wär­ metransportfluidplatten 10 und 11 ebenfalls profiliert nämlich wellenartig, so daß ein optimales, turbulenzreiches Strömungsver­ halten des Wärmetransportfluides erzeugt wird.

Im Bereich der 180°-Umlenkungen 45 kann die Profilierung an je­ weils beiden Wänden der zwei Wärmetransportfluidplatten 10 und 11 durchlaufen, was allerdings an dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 nicht dargestellt ist.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform entspricht die tra­ gende Konstruktion dem in Fig. 2 gezeigten.

Ansonsten werden in Fig. 4 drei verschiedene Profilierungen der Wärmeübergangswände, die den plattenförmigen Heizgaskanal begren­ zen, dargestellt.

Die Wärmeübergangswände 42 sind im Querschnitt teilkreisförmig bzw. krummlinig so profiliert, daß einkantige, spitze Profilrippen 47 und nur eine Sorte von säulenförmigen Strömungsräumen 49 im plattenförmigen Heizgaskanal auftreten.

Die Wärmeübergangswände 40 weisen eine wellenartige Profilierung mit stumpfen, runden Profilrippen 41 und ebenfalls nur eine Sorte von säulenförmigen Heizgaskanalströmungsräumen 39 auf.

Im unteren Bereich von Fig. 4 zeigen die Wärmeübergangswände 48 eine Profilierung, bei der die kleineren Heizkanalströmungsräume 30 gegenüber dem größeren 31 vertikal versetzt sind.

Die in Fig. 4 dargestellten Profilierungen der den Heizkanal be­ grenzenden Wärmeübergangswände können natürlich auch in der Kon­ struktionsweise des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wie in Fig. 3 gezeigt verwirklicht werden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Schnitt ist das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 entlang der Linie V-V dargestellt. In dieser Schnitt­ darstellung ist schematisch ein trapezförmiger Schnitt durch ein entsprechendes Anschlußstück 32 zu erkennen, welches die Brenn­ kammer 1 an den Heizgaskanal 3 des Wärmetauschers 43 anbindet.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Mantelraum
3 plattenförmiger Wärmelieferfluidkanal
7 180°-Umlenkung des Wärmelieferfluidkanales
8 180°-Umlenkung des Wärmelieferfluidkanales
9 180°-Umlenkung des Wärmelieferfluidkanales
10 Wärmetransportfluidplatte
11 Wärmetransportfluidplatte
18 bis 23 180°-Umlenkungen der Wärmetransport­ fluidplatten 10 und 11
24 Isolierraum
26 Anschlußrohr
27 teilkreisförmig bzw. krummlinig profilierte Wärmeübergangswand mit zweikantigen, stumpfen Profilrippen
28 gemeinsame, nicht profilierte Außenwand zweier anein­ anderliegender Plattenabschnitte der umgebogenen Wärmetauscherplatte 43 bzw. 44
29 nicht gemeinsame, profilierte Außenwände zweier nicht anein­ anderliegender Plattenabschnitte der umgebogenen Wärmetauscherplatte 43 bzw. 44
30 kleinerer Strömungsraum im Wärmelieferfluidkanal 3
31 größerer Strömungsraum im Wärmelieferfluidkanal 3
32 Anschlußstück
32a Wärmelieferfluidkanal des Anschlußstückes 32
33 zylinderförmiger Strömungsraum
34 quaderförmiger Strömungsraum
35 Wärmetransportfluidkanäle des Anschlußstückes 32
36 Heizkesselvorlaufrohrstutzen
37 Flansch
38 Wärmelieferfluidausströmrohrstutzen (Abgasrohrstutzen)
30 säulenförmiger Strömungsraum im Heizgaskanal 3 (Wärmelieferfluidkanal 3)
40 wellenartig profilierte Wärmeübergangswand mit im Querschnitt runden, stumpfen Profilrippen
41 runde, stumpfe Profilrippe
42 teilkreisförmig bzw. krummlinig profilierte Wärmeübergangswand mit einkantigen, spitzen Profilrippen
43 erfindungsgemäße Wärmetauscherplatte
44 erfindungsgemäßer Wärmetauscher mit dreimal um 180° umgebogener, dreikanaliger Wärmetauscherplatte 43
45 180°-Umlenkung der dreikanaligen Wärmetauscherplatte 43 bzw. des Wärmetauschers 44
46 gedachte, rechteckige Längsschnittflächen
47 einkantige, spitze Profilrippe
48 speziell krummlinig profilierte Wärmeübergangswand
49 säulenförmiger Strömungsraum im Wärmelieferfluidkanal 3

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Erwärmen eines Wärmetransportfluids, bei der ein Wärmelieferfluid einen Wärmetauscher mit getrennten Kanälen für das Wärmelieferfluid und das Wärmetransportfluid durch­ strömt, wobei die Kanäle durch ein Doppelrohr gebildet sind, bei dem das Innenrohr den Kanal für das Wärmelieferfluid und der Mantelraum zwischen Innen- und Außenrohr den Kanal oder die Kanäle für das Wärmetransportfluid bilden, die Rohre plattenförmig mit annähernd rechteckigem Querschnitt ausge­ bildet sind und mindestens die großflächigen Außenseiten des Innenrohres und die ihnen gegenüberliegenden, großflächigen Innenseiten des Außenrohres zueinander beabstandet sind und wobei das Wärmetransportfluid im Gegenstrom zum Wärmeliefer­ fluid strömt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Doppelrohr ein- oder mehrfach umge­ bogen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umbiegungen als 180°-Umlen­ kungen ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der groß­ flächigen Außenseiten des Wärmelieferfluidkanales und/oder der plattenförmigen Wärmetransportfluidkanäle eine quer zur Strö­ mungsrichtung des Wärmelieferfluides bzw. des Wärmetransport­ fluides verlaufende Profilierung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegenüberliegen­ den, großflächigen Seiten des Wärmelieferfluidkanales Profilie­ rungen aufweisen, deren Profilrippen versetzt zu den Profilrip­ pen der jeweils anderen Seite angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegenüberliegen­ den, großflächigen Seiten des Wärmelieferfluidkanales Profilie­ rungen aufweisen, wobei die Kanten bzw. Scheitellinien der Pro­ filrippen genau gegenüberliegen, so daß die gedachten Verbin­ dungsflächen zwischen den Kanten bzw. Scheitellinien der je­ weils gegenüberliegenden Profilrippen im rechten Winkel (90°) zur Strömungsrichtung stehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden gegen­ überliegenden, großflächigen Seiten des Wärmelieferfluidkana­ les Profilierungen aufweisen, deren im Querschnitt ein- oder mehrkantige oder rundwülstige Profilrippen im Wärmelieferfluid­ kanal liegen und säulenförmige oder zylinderförmige Strömungsräume bilden, die jeweils durch kleinere, qua­ derförmige Strömungsräume mit kleinerem Strömungsquerschnitt oder durch einkantige, im Querschnitt spitze, blendenartige oder rundwülstige Verengungen mit also kleinerem Strömungsquer­ schnitt voneinander getrennt werden, und wobei die Strömungs­ querschnitte der quaderförmigen Strömungsräume in der Höhe so klein sind bzw. die Strömungsquerschnitte der einkanti­ gen, blendenartigen oder rundwülstigen Verengungen in der Höhe so klein sind, daß die erzeugte Turbulenz bei Verhinde­ rung laminarer Fluidschichtungen nach Durchströmung dieser quaderförmigen Strömungsräume bzw. dieser Verengungen den gesamten Fluidstrom durchmischt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einer Heiz- oder Brennkam­ mer nachgeschaltet ist, in die das Wärmelieferfluid eingeleitet oder in der es durch Verbrennung erzeugt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heiz- oder Brennkammer von einem das Wärmetransportfluid führenden Mantelraum umgeben ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heiz- und/oder Brennkammer zylindrisch ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbindung der Heiz- oder Brennkammer an den Wärmelieferfluidkanal des Wärmetauschers mittels eines im Längsschnitt trapezförmigen oder rechteckför­ migen Anschlußstückes erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbindung des Mantelrau­ mes an die Wärmetransportfluidkanäle des Wärmetauschers mittels eines im Längsschnitt trapezförmigen oder rechteckförmigen An­ schlußstückes und/oder mittels Verbindungsrohren erfolgt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Kanäle im Bereich der Umbiegungen des Wärmelieferfluidkanales und der Wärmetransportfluidplatten mindestens flächengleich mit den kleinsten Querschnitten der entsprechenden, plattenförmigen Ka­ näle sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Kanäle im Bereich der 180°-Umlenkungen des Wärmelieferfluidkanales und der Wärmetransportfluidplatten mindestens flächengleich mit den kleinsten Querschnitten der entsprechenden, plattenförmigen Ka­ näle sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus Metall, Keramik oder Kunststoff besteht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmelieferfluidkanal ein Drucksensor installiert ist, der ein Steuersignal zur Regelung eines Gebläses liefert, das vor oder hinter dem Wärmeliefer­ fluidkanal angeordnet ist.

17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Kondensator.