DE202007011203U1

DE202007011203U1 - Brennrohr

Info

Publication number: DE202007011203U1
Application number: DE200720011203
Authority: DE
Original assignee: Spheros GmbH
Current assignee: Valeo Thermal Commercial Vehicles Germany GmbH
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2017-08-11

Abstract

Brennrohr (10) für ein Heizgerät (1), das einen Brennrohrkopf (14) und einen sich an diesen anschließenden, kreiszylindrischen Brennrohrschaft (12) mit einem dem Brennrohrkopf (14) gegenüberliegenden, offenen Ende (24) umfasst und sich im eingebauten Zustand koaxial in einen kreiszylindrischen, becherförmigen Hohlraum (22) eines Wärmetauschers (5) so hinein erstreckt, dass der Boden (26) des becherförmigen Hohlraums (22) dem offenen Ende (24) des Brennrohrs (10) im Abstand gegenüberliegt, wobei der Innendurchmesser des becherförmigen Hohlraums (22) größer als der Außendurchmesser des Brennrohrschaftes (12) ist, so dass zwischen dem Brennrohrschaft (12) und der Hohlrauminnenwand (16) ein kreisringzylindrischer Gegenstromkanal (27) gebildet ist, wobei im Betrieb vom Brennrohrkopf (14) her ein Brennstoff/Luftgemisch zur Erzeugung einer Flamme (28) eingeblasen wird, die sich in etwa koaxial zum Brennrohr (10) zu dessen offenen Ende (24) hin erstreckt, durch das die Verbrennungsabgase (AG) austreten, um am Boden (26) des becherförmigen Hohlraums (22) umgelenkt zu werden und entgegen der Richtung der Flamme...

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennrohr für ein Heizgerät der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art.
Solche Heizgeräte können entweder zum Aufheizen von Wasser oder zum Erwärmen von Luft ausgebildet sein und kommen insbesondere bei Personen-Transportfahrzeugen wie zum Beispiel Omnibussen zum Einsatz.
Das Brennrohr umschließt mit seinem Brennrohrschaft eine lang gestreckte, kreiszylindrische Brennkammer, an deren einen Ende sich der Brennrohrkopf befindet, der zur Aufnahme zumindest einer Vorrichtung zum Einblasen eines Brennstoff/Luftgemisches in die Brennkammer in axialer Richtung sowie einer Zündvorrichtung zum Zünden dieses Brennstoff/Luft Gemisches dient. Das andere Ende des Brennrohrs ist offen.
Im montierten Zustand ragt das Brennrohr, das auch als Flamm- oder Flammstützrohr bezeichnet wird, in den becherförmigen Innenhohlraum eines doppelwandigen Wärmetauschers hinein, zwischen dessen Innen- und Außenwand ein Strömungsweg für den zu erwärmenden Wärmeträger, das heißt entweder für Wasser oder Luft ausgebildet ist. Der becherförmige Innenhohlraum des Wärmetauschers besitzt einen Durchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Brennrohrs, und zwischen dem Boden des becherförmigen Innenhohlraums und dem offenen Ende des Brennrohrs ist ein Abstand vorhanden, so dass die beim Brennen der Flamme erzeugten Gase aus dem offenen Ende des Brennrohrs austreten und im Gegenstromverfahren auf dem zwischen dem Brennrohr und der Innenwand des becherförmigen Innenhohlraums des Wärmetauschers vorhandenen Strömungsweg zu einem im Bereich des Brennrohrkopfes angeordneten Abgas-Auslassstutzen strömen können. Auf diese Weise erhitzt die Flamme das Brennrohr auf sehr hohe Temperaturen im Bereich von 1000 °C bis 1200 °C. Von dem weiß glühenden Brennrohr wird die Wärme dann einerseits durch Strahlung und andererseits durch die heißen Abgase, die das Brennrohr ihm Gegenstrom umspülen, durch Konvektion an die Innenwand des Wärmetauschers übertragen.
Da diese Heizgeräte nicht ununterbrochen sondern nur bei Bedarf betrieben werden, unterliegen die geschilderten Bauteile und insbesondere das Brennrohr einer starken thermischen Wechselbeanspruchung, da sich das gesamte Heizgerät in längeren Betriebspausen auf Umgebungstemperatur abkühlt. Auf Dauer führen diese thermischen Lasten, vor allem bei hohen Leistungen (30 bis 40 kW) zu einer bleibenden geometrischen Veränderung insbesondere im Bereich des offenen Endes des Brennrohrs, das nach einer gewissen Zeitdauer der thermischen Einwirkung nicht mehr zu seiner ursprünglichen, kreisrunden Form zurückkehrt. Dies kann dazu führen, dass sich das Brennrohr im becherförmigen Innenhohlraum des Wärmetauschers verkantet.
Bei Servicearbeiten ist es jedoch erforderlich, das Brennrohr bei geöffnetem Wärmetauscher aus dessen becherförmigen Innenhohlraum in axialer Richtung heraus zu ziehen. Sind die eben erwähnten Verformungen zu stark, so ist dies nicht mehr oder nur mit erhöhtem kräftemäßigen und technischen Aufwand möglich. Auch muss in solchen Fällen das gebrauchte Brennrohr durch ein neues ersetzt werden.
Um dieser Problematik zu begegnen, wurden bisher teilweise Brennrohre verwendet, die nicht mehr mit durchgehend gleich bleibendem Innendurchmesser ausgebildet waren sondern im Bereich ihres offenen Endes einen kleineren Durchmesser aufwiesen. Dies ist jedoch mit einem konstruktiven Mehraufwand und damit höheren Bauteilkosten verbunden. Auch wird die Rauchgasströmung durch die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte beeinflusst. Da solche Brennrohre aus einem zunächst flachen Blech gerollt und dann in Bereich ihrer einander überlappenden Kanten durch eine Längsnaht verschweißt werden, ist bei unterschiedlichen Durchmessern eine wesentlich komplexere Schweißvorrichtung erforderlich, die zu einem erhöhten Kostenaufwand führt. Außerdem ergibt sich eine höhere Wanddicke, was zu einer Zunahme der Gesamtmasse des Systems führt.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Brennrohr der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es auch bei langer Betriebsdauer und häufigem Wechsel zwischen hoher Betriebstemperatur und niedriger Temperatur im abgeschalteten Zustand des Heizgerätes eine verbesserte Formstabilität aufweist, die ein problemloses Herausziehen des Brennrohrschaftes aus dem becherförmigen Innenhohlraum des Wärmetauschers ermöglicht, ohne dass hierfür ein höherer Materialaufwand und wesentlich erhöhte Herstellungskosten in Kauf genommen werden müssen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 niedergelegten Merkmale vor.
Dadurch, dass im Bereich des offenen Endes des Brennrohrschaftes wenigstens eine, vorzugsweise aber zwei voneinander im axialen Abstand angeordnete, radial nach innen vorspringende Sicken eingeprägt werden, erhält ein erfindungsgemäßes Brennrohr eine wesentlich erhöhte Formstabilität, so dass es seine Geometrie auch bei langer Betriebsdauer und häufigen Temperaturwechseln nicht oder nur unwesentlich verändert. Somit wirkt die wenigstens eine Sicke im vorderen Bereich des Brennrohrschaftes unter dem Einfluss der thermischen Lastwechsel als Versteifung.
Das Einprägen von einer oder mehreren Sicken erfordert nur einen sehr geringen zusätzlichen Herstellungsaufwand, so dass kaum Mehrkosten entstehen. Der Materialbedarf bleibt gegenüber einem einen durchgehend gleich bleibenden Durchmesser aufweisenden Brennrohrschaft unverändert. Die Tiefe der Sicken kann zur Erzielung des durch die Erfindung angestrebten Effektes vergleichsweise klein gewählt werden, so dass sie nur wenig in das Innere des Brennrohrschaftes hinein vorspringen und somit die Rauchgasströmung praktisch nicht beeinflussen.
Die Servicearbeiten werden durch das erfindungsgemäße Brennrohr erheblich erleichtert und ein Brennrohraustausch ist erst nach wesentlich längerer Gebrauchszeit als bisher erforderlich.
Diese und weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Brennrohrs sind in en Unteransprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines zum Aufheizen von Wasser dienenden Heizgerätes, bei dem ein Brennrohr gemäß der Erfindung Verwendung finden kann,
2 eine perspektivische Ansicht des Heizgerätes aus 1 mit abgenommenen Brennluftgebläse und teilweise herausgezogenem Brennrohr,
3 einen stark vereinfachten Schnitt durch ein zum Erhitzen von Wasser dienendes Heizgerät mit einem erfindungsgemäßen Brennrohr,
4 einen der 3 entsprechenden Schnitt durch ein zum Erwärmen von Luft dienendes Heizgerät mit einem erfindungsgemäßen Brennrohr und
5 in stark vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch die obere Hälfte des offenen Endes eines erfindungsgemäßen Brennrohrs.
In den Figuren sind einander entsprechender Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das in 1 dargestellte Heizgerät 1 zum Erhitzen von Wasser umfasst eine Haube 3, unter der sich das Brennluftgebläse, die Brennstoffpumpe und weitere zum Betrieb des Heizgerätes 1 erforderliche Elemente befinden.
Weiterhin ist ein Wärmetauscher 5 dargestellt, der zwei Anschlussstutzen 7, 8 aufweist, die zum Zu- bzw. Abführen des durch das Heizgerät 1 aufzuheizenden Wassers dienen, wie dies die Pfeile Z und A andeuten.
In 2 sind die Haube und die unter ihr befindlichen Teile (Brennluft-Gebläse, Brennstoff-Pumpe usw.) abgenommen und das im becherförmigen Hohlraum des Wärmetauschers 5 angeordnete Brennrohr 10 ist in Richtung des Pfeils H teilweise aus dem Wärmetauscher 5 heraus gezogen. Man sieht, dass das Brennrohr 10 einen Brennrohrschaft 12 mit kreiszylindrischem Querschnitt und einen Brennrohrkopf 14 aufweist, der sich ausgehend vom Brennrohrschaft 12 in Richtung des Pfeils H erweitert, um die zum Einblasen des Brennstoff/Luftgemisches und die zu dessen Zündung erforderlichen Teile des Heizgerätes (nicht dargestellt) aufnehmen zu können.
Die in 3 wiedergegebene Schemazeichnung, die das Innere eines Heizgerätes 1 zum Aufheizen von Wasser zeigt, ist in axialer Richtung stark verkürzt und es sind alle zum Verständnis der Erfindung nicht unbedingt erforderlichen Teile weggelassen.
Man erkennt in dieser Schnittdarstellung, dass der Wärmetauscher 5 doppelwandig ist, d.h. eine Außenwand 18 und eine in dieser in etwa koaxial angeordnete Innenwand 16 aufweist, zwischen denen sich ein Strömungsweg 20 befindet, den das aufzuheizende Wasser von dem hier unten angesetzten Anschlussstutzen 7 kommend bis zu dem hier oben angesetzten Anschlussstutzen 8 durchströmt. Im Strömungsweg 20 befinden sich hier der Einfachheit halber nicht dargestellte Leitvorrichtungen, die das Wasser zwingen, die Innenwand 16 des Wärmetauschers auf einer möglichst langen Bahn zu umspülen, um von dieser Wärme aufzunehmen.
Die Innenwand 16 des Wärmetauschers umschließt einen becherförmigen Hohlraum 22, in den der kreiszylindrische Brennrohrschaft 12 des Brennrohres 10 von links her so weit hineinragt, dass zwischen dem offenen Ende 24 des Brennrohrs 10 und dem Boden 26 des becherförmigen Hohlraums 22 ein Abstand vorhanden ist, der es den von der Flamme 28 erzeugten Abgasen ermöglicht, in Richtung der Pfeile AG in einen hohlzylindrischen Zwischenraum zu strömen, der sich zwischen der Innenseite der Innenwand 16 des Wärmetauschers 5 und der Außenseite des Brennrohrschaftes 12 dadurch ergibt, dass der Außendurchmesser des Brennrohrschaftes 12 kleiner als der Innendurchmesser der Innenwand 16 ist. Auch in diesem hohlzylindrischen Zwischenraum können (nicht dargestellte) Leiteinrichtungen vorhanden sein, welche die Abgase AG auf ihrem Gegenströmungsweg zum Abgasauslass 30 auf eine möglichst lange Bahn zwingen, so dass die von der Flamme 28 erzeugte Wärme, die den Brennrohrschaft 12 auf Temperaturen in der Größenordnung von 1200°C aufheizt, vom weiß glühenden Brennrohrschaft 12 sowohl direkt durch Wärmestrahlung als auch durch Konvektion mit Hilfe der Abgase AG auf die Innenwand 16 des Wärmetauschers übertragen wird.
Bei den in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der ebenfalls kreiszylindrische Brennrohrkopf 14 den gleichen Durchmesser wie der Brennrohrschaft 12. Im Brennrohrkopf 14 ist in schematischer Weise eine Einblasanordnung 32 dargestellt, der das Brennstoff/Luftgemisch, das in die vom Brennrohrschaft 12 umschlossene Brennkammer einzublasen ist, über eine Zuführleitung 34 zugeführt wird.
Im Bereich seines offenen Endes 24 sind im Brennrohrschaft 12 zwei voneinander mit einem axialen Abstand angeordnete, in das Innere des Brennrohrschaftes 12 hinein vorspringende Sicken 36, 36 vorgesehen, die sich über den gesamten Umfang des Brennrohrschaftes 12 erstrecken und in 3 der Deutlichkeit halber im Vergleich zur Länge des Brennrohrschaftes 12 stark vergrößert wiedergegeben sind.
4 zeigt eine etwas weniger schematische, im Prinzip aber der Schnittansicht aus 3 entsprechende Schnittansicht durch ein zum Erwärmen von Luft dienendes Heizgerät 1. Der Hauptunterschied zu den bisher beschriebenen Heizgeräten besteht darin, dass die Führung der zu erwärmenden Luft, eine andere ist. Sie tritt hier durch den Anschluss-Stutzen 38 ein und verlässt den Wärmetauscher 5 nach Durchströmen des in ihm ausge bildeten Strömungsweges 20 durch die Ausgangsöffnung 40. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch die zum Zünden der Flamme 28 erforderliche Zündvorrichtung 42 dargestellt, die in 3 der Einfachheit halber weggelassen wurde. In 4 ist deutlich zu sehen, dass das Brennrohr 10 neben dem Brennrohrschaft 12, der die eigentliche Brennkammer umschließt, noch einen sich stufenförmig nach links erweiternden Brennrohr-Kopf 14 aufweist, der zur Aufnahme unter anderem der Brennstoff/Luftgemisch-Einblasdüse sowie der Brennstoff-Pumpe und des Luftgebläses dient. Nach links hin wird die Anordnung durch eine Haube 3 abgeschlossen.
Auch hier liegt dem freien Ende 24 des Brennrohrschaftes 12 der Boden 26 des im Inneren des Wärmetauschers 5 ausgebildeten, becherförmigen Hohlraums 22 gegenüber. Die Abgasführung AG ist ganz ähnlich wie bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel. Im Bereich des freien Endes 24 des Brennrohrschaftes 12 sind zwei Sicken 36, 36 ausgebildet, die auch hier der Deutlichkeit halber vergrößert wiedergegeben sind.
Die tatsächlichen, bevorzugten Größenverhältnisse der Sicken 36 sind der 5 zu entnehmen, die einen Halbschnitt durch den Endbereich des Brennrohrschaftes 12 eines erfindungsgemäßen Brennrohrs 10 wiedergibt. Vorzugsweise beträgt der axiale Abstand AX₁ des Scheitels der am nächsten beim offenen Ende 24 des Brennrohrschaftes 12 liegenden Sicke 36 von diesem Ende 24 etwa 15 mm und der axiale Abstand AX₂ der beiden Sickenscheitel voneinander etwa 20 mm. Die Tiefe T der nach innen vorspringenden Sicken 36 gemessen vom Außenumfang des Brennrohrschaftes 12 beträgt vorzugsweise etwa 3 mm.
Die eben angegebenen Maße können innerhalb weiterer Grenzen variiert werden. Ebenso können statt zwei Sicken 36, 36 auch nur eine einzige oder auch drei derartige Sicken mit gleichen oder verschiedenen Abständen vorgesehen werden. Auch sind andere Sickengeometrien als die in 5 gezeigten Halbkreise möglich. Auch müssen sich die Sicken 36, 36 nicht notwendigerweise über den gesamten Umfang des Brennrohrschaftes 12 erstrecken.
Entscheidend ist, dass im Bereich des offenen Endes 24 des Brennrohrschaftes 12 Strukturen eingeprägt werden, die dem Brennrohr-Schaft insgesamt und vor allem in diesem Endbereich eine erhöhte Formstabilität verleihen, so dass er seine kreiszylindrische Außenkontur auch nach langer Betriebsdauer mit häufigem Temperaturwechsel unverändert beibehält.

Claims

Brennrohr (10) für ein Heizgerät (1), das einen Brennrohrkopf (14) und einen sich an diesen anschließenden, kreiszylindrischen Brennrohrschaft (12) mit einem dem Brennrohrkopf (14) gegenüberliegenden, offenen Ende (24) umfasst und sich im eingebauten Zustand koaxial in einen kreiszylindrischen, becherförmigen Hohlraum (22) eines Wärmetauschers (5) so hinein erstreckt, dass der Boden (26) des becherförmigen Hohlraums (22) dem offenen Ende (24) des Brennrohrs (10) im Abstand gegenüberliegt, wobei der Innendurchmesser des becherförmigen Hohlraums (22) größer als der Außendurchmesser des Brennrohrschaftes (12) ist, so dass zwischen dem Brennrohrschaft (12) und der Hohlrauminnenwand (16) ein kreisringzylindrischer Gegenstromkanal (27) gebildet ist, wobei im Betrieb vom Brennrohrkopf (14) her ein Brennstoff/Luftgemisch zur Erzeugung einer Flamme (28) eingeblasen wird, die sich in etwa koaxial zum Brennrohr (10) zu dessen offenen Ende (24) hin erstreckt, durch das die Verbrennungsabgase (AG) austreten, um am Boden (26) des becherförmigen Hohlraums (22) umgelenkt zu werden und entgegen der Richtung der Flamme durch den Gegenstromkanal (27) zu einem Abgasauslass (30) zu strömen, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des offenen Endes (24) des Brennrohrschaftes (12) in dessen Wand wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Sicke (36) ausgebildet ist.
Brennrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Sicke (36) über den gesamten Umfang des Brennrohrschaftes (12) erstreckt.
Brennrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sicke (36) radial nach innen vorspringend ausgebildet ist.
Brennrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Tiefe (T) der wenigstens einen Sicke (36) im Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm liegt und vorzugsweise ungefähr 3 mm beträgt.
Brennrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand (AX₁) des Scheitels der wenigstens einen Sicke (26) vom offenen Ende (24) des Brennrohrschaftes (12) im Bereich von un gefähr 10 mm bis ungefähr 20 mm liegt und vorzugsweise ungefähr 15 mm beträgt.
Brennrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander in Axialrichtung des Brennrohrschaftes (12) beabstandete Sicken (36, 36) vorgesehen sind.
Brennrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand (AX₂) der Scheitel der beiden Sicken (36, 36) im Bereich von ungefähr 15 mm bis ungefähr 25 mm liegt und vorzugsweise ungefähr 20 mm beträgt
Brennrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennrohr (10) aus einem zunächst flachen Blech gerollt und mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Schweißnaht versehen ist.
Brennrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht vor dem Prägen der wenigstens einen Sicke (36) ausgebildet ist.
Brennrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brennrohrkopf (14) vom Brennrohrschaft (12) weg erweitert.
Heizgerät (1) für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Brennrohr (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Heizgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der den Wärmetauscher (5) durchströmende Wärmeträger Luft ist.
Heizgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der den Wärmetauscher (5) durchströmende Wärmeträger Wasser ist.