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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Übertragung
von Wärme
von einer Wärmequelle zu
einem Fluidum, wobei eine Seite des Wärmetauschers zur Wärmequelle
gerichtet ist, welcher Wärmetauscher
ein Rohr umfasst, wobei das Rohr einen Kanal umfasst, der sich entlang
einer Länge
des Rohrs zum Durchfließen
des Fluidums erstreckt. Weiter betrifft die Erfindung eine Verbrennungsvorrichtung,
einen solchen Wärmetauscher
umfassend, und ein Absperrelement zur Verwendung in einem solchen
Wärmetauscher.
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Aus
EP 0570201 A1 ist
ein Wärmetauscher mit
einem Heizrohr bekannt, der schraubenförmig um einen Brenner gewunden
ist, wobei sich zwischen dem Brenner und dem Rohr ein vorher festgelegter Abstand
befindet. Das Heizrohr umfasst ein Brauchwasserrohr, welches koaxial
im Heizrohr zur Erwärmung
von sowohl Brauchwasser als auch Heizwasser angeordnet ist. Die
Außenseite
des Brauchwasserrohrs kann mit spiralförmigen Rillen zur Erreichung
einer Turbulenz von Heizwasser versehen sein.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, den bekannten Wärmetauscher zu verbessern,
und eine gleichmäßige Erwärmung des
Fluidums, welches durch das Rohr fließt, bereitzustellen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet,
dass der Kanal schraubenförmig
hinsichtlich einer Längsachse
des Rohrs angeordnet ist. Durch den schraubenförmig verlaufenden Kanal wird Fluidum,
welches in den Kanal fließt,
immer abwechselnd an einer der Wärmequelle
zugewandten Seite des Wärmetauschers
und an einer von der Wärmequelle
abgewandten Seite des Wärmetauschers
fließen.
Dadurch wird erreicht, dass das Fluidum über dessen gesamtes Volumen
im Wesentlichen gleichmäßig erwärmt wird,
so dass eine Überhitzung,
zum Beispiel Kochen, eines Teils des Fluidums, welches sich an einer
der Wärmequelle
zugewandten Seite befindet und ungenügendes Erwärmen eines anderen Teils des
Fluidums, welches sich an einer von der Wärmequelle abgewandten Seite
befindet, zweckmäßig vermieden
werden kann. Im Allgemeinen generiert die Wärmequelle, wie ein Brenner,
Strahlungswärme,
Konvektionswärme
und Leitungswärme,
wobei die Leitungswärme
durch entlang dem Rohr oder um das Rohr fließende Gase, wie Rauchgase,
auf den Wärmetauscher übertragen
werden kann. Mit der Erfindung wird erzielt, dass sich das Fluidum,
welches sich im Kanal befindet, über
einen Teil der Länge
des Rohrs an einer der Wärmequelle zugewandten
Seite des Wärmetauschers
befindet und vor allem Strahlungswärme und Konvektionswärme empfängt, und
sich über
einen anderen Teil der Länge
des Rohrs an einer von der Wärmequelle abgewandten
Seite befindet und vor allem Leitungswärme empfängt, so dass nachteilhafte
Auswirkungen von Unterschieden in der Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle
zugewandten und von der Wärmequelle
abgewandten Teilen des Fluidums vermieden werden. Vor allem im Falle
eines Wärmetauschers
mit einer hohen Wärmeübertragung
pro Längeneinheit
des Rohrs, wie heutzutage häufig
beabsichtigt wird, und ein damit zusammenhängender großer Durchmesser des Rohrs,
sind die Vorteile der Erfindung groß, da große Unterschiede in der Wärmeübertragung
zwischen den der Wärmequelle
zugewandten und der von der Wärmequelle
abgewandten Seite des Rohrs vermieden werden können. Das Rohr kann einen runden,
rechteckigen, abgeflachten oder anderen Durchmesser haben.
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Vorzugsweise
umfasst das Rohr mindestens einen weiter schraubenförmig hinsichtlich
dessen Längsachse
verlaufenden Kanal, der sich entlang der Länge des Rohrs zum Durchfließen dieses
Rohrs von jedenfalls einem Teil des Fluidums erstreckt. Durch die
mindestens zwei Kanäle,
welche der Kanal und mindestens ein weiterer Kanal sind, kann ein
sehr guter Austausch des Fluidums zwischen einer von der Wärmequelle
abgewandten und einer der Wärmequelle
zugewandten Seite des Rohrs erreicht werden. Die Kanäle können parallel
geschaltet sein.
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Der
Kanal und mindestens ein weiterer Kanal können sich entlang einer Wand
des Rohrs zwecks guter Übertragung
von Strahlungswärme
und Leitungswärme
zum Fluidum, welches sich in den Kanälen befindet, erstrecken.
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Vorzugsweise
umfasst das Rohr weiter mindestens einen Verdrängerkanal, der sich entlang
jedenfalls einem Teil der Länge
des Rohrs entlang dem schraubenförmig
verlaufenden Kanal erstreckt. Durch die Anwesenheit des Verdrängerkanals
werden Gewicht und Material eingespart, da sowohl die Menge des
sich im Rohr befindlichen Fluidums als auch die Menge des benötigten Materials
zur Herstellung des Wärmetauschers
reduziert werden.
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Vorzugsweise
ist mindestens ein Verdrängerkanal
an mindestens einem Ende davon durch ein Absperrelement verschlossen.
Das Fluidum, welches in den Wärmetauscher
hineinfließt
bzw. herausfließt, wird
somit auf einfache Weise in den Kanal bzw. in die Kanäle geleitet
bzw. herausgeleitet, wobei kein Fluidum in den Verdrängerkanal
fließt.
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Vorzugsweise
läuft das
Absperrelement zu einer vom Verdrängerkanal abgewandten Seite
zum Erreichen einer strömungsgünstigen
Gestaltung des Absperrelements im Wesentlichen zapfenförmig zu. Damit
ist es möglich
Turbulenz des Fluidums, welches in jeden Kanal einfließt bzw.
aus jedem Kanal fließt
(und daher in unter einander entgegen gesetzten Richtungen das Absperrelement
passiert) zu minimalisieren, und einen Strömungswiderstand für das Fluidum
zu senken. Darüber
hinaus wird eine Erosion am Wärmetauscher
bei den Enden des Verdrängerkanals
minimalisiert.
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Auch
ist es möglich
den Verdrängerkanal
an mindestens einem Ende davon abzusperren, indem eine sich um das
Ende des Kanals befindliche Wand des Verdrängerkanals auf geeignete Art
und Weise verformt wird. Ein somit verformtes Endgebiet des Verdrängerkanals
kann eine konische oder andere zapfenförmig zum Ende zulaufende Form
haben, so dass eine strömungsgünstige Gestaltung
für das
in Betrieb um das Ende des Verdrängerkanals
fließende
Fluidum erreicht wird.
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Das
Absperrelement umfasst weiter vorzugsweise für jeden Kanal eine Aussparung,
die in der Verlängerung
des Kanals zum Einleiten des Fluidums in den Kanal bzw. zum Ausleiten
aus dem Kanal angeordnet ist, was eine weitere Senkung des Strömungswiderstands
und der Turbulenz ergibt. Ebenfalls wird Erosion am Wärmetauscher
an einer Ein- und Ausfließseite
eines jeden Kanals reduziert.
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Vorzugsweise
stehen der Kanal und mindestens ein weiterer Kanal entlang jedenfalls
einem Teil der Länge
des Rohrs für
das Fluidum mit einander in Verbindung. Damit wird eine Vermischung
des Fluidums zwischen den Kanälen
unter einander und eventuell dadurch auftretender Wärmeaustausch zwischen
dem Fluidum, welches sich in jedem der mindestens zwei Kanäle befindet,
ermöglicht.
Verbindungen zwischen den Kanälen
sind dabei so ausgeführt,
dass nur ein Teil des Fluidums über
die Länge des
Rohrs des ersten der mindestens zwei Kanäle zum zweiten der mindestens
zwei Kanäle
fließt.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
umfasst vorzugsweise ein Extrusionsprofil. Indem der Wärmetauscher,
oder mindestens eine Wand des Kanals, durch den das Fluidum fließt, aus
einem Extrusionsprofil hergestellt ist, wird eine gute Leitung von
Wärme rundum
den Kanal, durch den das Fluidum fließt, erreicht. Dadurch wird
eine relativ homogene Temperatur der Wand erreicht, so dass ein
guter Austausch von Wärme
zwischen der Wand des Kanals und dem Fluidum auftritt. Durch die
gute Wärmeleitung
des Tauschers, oder mindestens der Wand des Kanals, wird erreicht,
dass, trotzdem nur eine Seite des Wärmetauschers der Wärmequelle
zugewandt ist, die Wand des Kanals eine möglichst homogene Temperatur
hat, was einen positiven Einfluss auf den Austausch von Wärme mit
dem im Kanal fließenden
Fluidum hat. Der Wärmetauscher
ist vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium, welches eine hohe
thermische Leitung und ein niedriges Gewicht hat, hergestellt.
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Ein
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers umfaßt die Schritte der
Herstellung eines Rohrprofils durch Extrusion, in dem sich die Kanäle in gestrecktem
Zustand befinden, dem Verdrillen des Rohrprofils, und dem Formen
des somit verdrillten Rohrprofils zu einem Wärmetauscher. Auf diese Art
und Weise ist es möglich das
Rohr mit schraubenförmigen
Kanälen
auf einfache und schnelle Art und Weise herzustellen, da an und
für sich
bekannte und erprobte Herstellungsverfahren verwendet werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Walzens von Verformungen,
insbesondere Rippen auf einer Außenseite des Rohrprofils. Durch
Walzen können
die Rippen oder andere Verformungen auf eine einfache und kostenwirksame
Weise angebracht werden. Alternativ ist es möglich ein separates mit Verformungen,
insbesondere Rippen, versehenes Element um das Rohrprofil anzubringen.
Selbstverständlich
ist es auch möglich, dass
die Rippen oder andere Verformungen auf eine andere Art und Weise
auf oder um das Rohr angebracht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren weiter die weiteren Schritte der Bereitstellung
eines Verdrängerkanals
im Rohrprofil, und das Absperren des Endes des Verdrängerkanals,
indem eine Wand des Verdrängerkanals
an dessen Ende im Wesentlichen konisch verformt wird. Somit kann
durch eine zum Ende hin im Wesentlichen konisch verformte, und somit
in einem Endgebiet im Wesentlichen zapfenförmig zum Ende zulaufende Wand
des Verdrängerkanals
eine einfache und zuverlässige
Absperrung des Verdrängerkanals
und eine strömungsgünstige Gestaltung
der Absperrung erreicht werden. Ebenfalls muss damit kein zusätzlicher
Teil wie ein Absperrelement zum Absperren des Endes des Verdrängerkanals
angeordnet werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung,
in der nichteinschränkende
Ausführungsbeispiele
gezeigt sind, erläutert,
worin:
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1 eine
Seitenansicht im Querschnitt eines Teils eines Rohrs aus einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher
zeigt;
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2 einen
Querschnitt eines Teils des Rohrs gemäß 1 zeigt;
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3 eine
schematische, perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
zeigt;
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4 eine
schematische, perspektivische Seitenansicht eines anderen erfindungsgemäßen Wärmetauschers
zeigt;
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5a und 5b eine
Vorderansicht beziehungsweise eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Absperrelements
zeigen.
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1 zeigt
einen Teil eines Rohrs 1 eines Wärmetauschers. Das Rohr 1 umfasst
eine große Anzahl
Rippen 2 entlang dessen Außenseite zum Vergrößern einer
Fläche
des Rohrs und zum Vergrößern einer
Wärmeübertragung.
Das Rohr ist mit vier Kanälen 3a, 3b, 3c, 3d versehen,
die sich entlang einer Länge
des Rohrs 1 erstrecken und die entlang der Länge des
Rohrs schraubenförmig
um einander gewickelt sind. Die Kanäle 3a, 3b, 3c, 3d dienen
zum Durchfließen
eines Fluidums, wie Wasser oder Gas, das im Wärmetauscher erwärmt wird.
Wie in 2 gezeigt, erstrecken sich die Kanäle 3a, 3b, 3c, 3d entlang
einer Wand des Rohrs 1. Weiter umfasst das Rohr einen Verdrängerkanal 4,
der sich entlang der Länge
des Rohrs 1 durch eine Mitte davon erstreckt. Der Verdrängerkanal 4 befindet
sich in einem von den Kanälen 3a, 3b, 3c, 3d begrenzten
Raum, wie ebenfalls in 2 gezeigt. 1 zeigt
weiter ein Ende 5 des Rohrs 1, das zum Beispiel
auf einer Leitung zum Zuführen
von Fluidum anschließbar
ist. Zur Vermeidung, dass das Fluidum in den Verdrängerkanal 4 drängt, ist
ein Ende 6 des Verdrängerkanals 4 mit
einem Absperrelement, wie in diesem Fall der Pfropfen 7 verschlossen.
Der Pfropfen 7 hat an einer vom Verdrängerkanal 4 abgewandten
Seite eine strömungsgünstige Gestaltung,
zum Beispiel eine im Wesentlichen zapfenförmig zulaufende Gestaltung, so
dass das aus der Leitung in die Kanäle 3a, 3b, 3c, 3d fließende Fluidum
beim Fließen
aus der Leitung in die Kanäle 3a, 3b, 3c, 3d möglichst
wenig Widerstand und Turbulenz empfindet. Da die Kanäle 3a, 3b, 3c, 3d schraubenförmig sind,
wird das durch sie fließende
Fluidum abwechselnd entlang verschiedener Seiten einer Wand des
Rohrs 1 fließen.
Wenn eine Wärmequelle
sich an einer Seite des Rohrs 1 befindet, wird sich das
durch die Kanäle 3a, 3b, 3c, 3d fließende Fluidum
abwechselnd an einer der Wärmequelle
zugewandten und einer von der Wärmequelle
abgewandten Seite befinden. Dadurch wird erzielt, dass das Fluidum
gleichmäßig erwärmt wird. Durch
den Verdrängerkanal 4 wird
Material, wie Aluminium, zum Herstellen des Rohrs 1 eingespart,
und es wird durch die Anwesenheit von weniger Material eine thermische
Responszeit des Rohrs 1 abnehmen, so dass zum Beispiel
beim Einschalten der Wärmequelle
schneller eine Erwärmung
des Fluidums stattfindet.
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Weiter
ist es möglich,
dass die Kanäle 3a, 3b, 3c, 3d lokal,
oder entlang einer Länge
des Rohrs unter einander hydraulisch mit einander verbunden sind,
so dass ein Teil des Fluidums, das sich in den Kanälen befindet,
von einem der Kanäle
zu einem anderen der Kanäle
fließen
kann.
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Das
Rohr 1 des Wärmetauschers
ist vorzugsweise aus einem Rohrprofil, welches durch Extrusion hergestellt
ist, und in dem sich die Kanäle
in gestrecktem Zustand befinden, wobei das Rohrprofil anschließend verdrillt
wird und zu einem Wärmetauscher
geformt wird, hergestellt. Durch Herstellung des Wärmetauschers
durch Extrusion tritt eine gute thermische Leitfähigkeit der Wand rundum den
Kanal oder den Kanälen,
durch die das Fluidum fließt,
auf. Durch die relativ dicke Wand, die beim Extrudieren gebildet
wird, ist ja dessen thermische Leitfähigkeit hoch. Die dadurch auftretende
relativ homogene Temperatur der Wand rund um den Kanal fördert einen
guten Wärmeaustausch
zwischen dem Fluidum und der Wand des Kanals. Verformungen, wie
Rippen, können
auf einer Außenseite
des Profils gewalzt werden. Somit kann der Tauscher mit bekannten
und erprobten Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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3 zeigt
einen Wärmetauscher 3a,
der aus einem Rohr, von dem ein Teil in 1 gezeigt
ist, aufgebaut ist. Das Rohr ist im Wesentlichen schraubenförmig und
Windungen 31a, 31b des Rohrs können an einander anliegen bzw.
es ist möglich,
dass sich zwischen den Windungen 31a, 31b ein
Zwischenraum befindet. Durch den Zwischenraum zwischen den Windungen 31a, 31b bzw.
durch den Raum zwischen den Rippen 2 des Rohrs, können heiße Gase,
wie Rauchgase, um das Rohr fließen. Fluidum
wie Wasser, kann von einem ersten Ende 32 zu einem zweiten
Ende 33 des Rohrs durch das Rohr fließen. Eine Wärmequelle, wie ein Brenner,
kann sich in einem vom Wärmetauscher 30 umschlossenen
Raum 34 befinden.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung auch auf Wärmetauscher
anwendbar, die auf allerlei andere Art und weise gebildet sind,
wie zum Beispiel ein in 4 gezeigter Wärmetauscher 40,
der mit einer ersten Seite 40a einer Wärmequelle wie einem Brenner 41 mit
Flammen, die in eine Richtung der Pfeile 41a austreten,
zugewandt ist. Das Rohr 42 kann sich meanderförmig oder
auf jede andere geeignete Weise durch den Tauscher erstrecken.
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5a und 5b zeigen
ein Absperrelement 50, mit einem in 5b gezeigten
Einsteckteil 51, das in ein Ende des Verdrängerkanals
steckbar ist und zum Beispiel eine solche Gestaltung hat, dass dieser
Einsteckteil eng auf eine Wand des Verdrängerkanals anschließt und zum
Abdichten des Verdrängerkanals
in den Verdrängerkanal
klemmbar ist, um somit zu verhindern, dass Fluidum in den Verdrängerkanal
eindringt. Das Absperrelement 50 umfasst weiter einen im
Wesentlichen zapfenförmig
zulaufenden Teil 52, welcher wie in 5b gezeigt,
zu einer vom Verdrängerkanal
abzuwendenden Seite im Wesentlichen zapfenförmig zuläuft. Der zapfenförmig zulaufende
Teil 52 umfasst weiter in diesem Beispiel vier Aussparungen 53.
Die Aussparungen 53 haben eine Gestaltung, die, wenn das
Absperrelement an einem Ende des Verdrängerkanals angebracht ist, auf
jedenfalls einen Teil des Endes der Kanäle anschließt. Die als Beispiel gezeigte
Gestaltung der vier Aussparungen 53 schließt, bei
einer geeigneten Dimensionierung und Anordnung, auf die vier Kanäle 3a, 3b, 3c und 3d (welche
der Kanal und drei weitere Kanäle
sind) wie gezeigt in 2, an, so dass das Fluidum an
den Aussparungen 53 entlang in die Kanäle eingeleitet bzw. ausgeleitet
wird. Durch die im Wesentlichen zapfenförmig zulaufende Form von jedenfalls
einem Teil des Absperrelements 50 und durch die Aussparungen 53 ist
es möglich,
einen Strömungswiderstand
und Turbulenz des entlang dem Absperrelement fließenden Fluidums
zu reduzieren. Ebenfalls wird Materialerosion am Wärmetauscher
bei den Enden des Verdrängerkanals
und an den Enden der Kanäle
reduziert.
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Auch
ist es möglich,
ein Ende des Verdrängerkanals
abzusperren, indem die Wand des Verdrängerkanals an dessen Ende konisch
verformt wird, so dass damit die Wand des Verdrängerkanals im Wesentlichen
zapfenförmig
zum Ende des Verdrängerkanals
hin zuläuft.
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Es
wird deutlich sein, dass der erfindungsgemäße Wärmetauscher ebenfalls zum Kühlen des
Fluidums anwendbar ist. Im Rahmen der Erfindung sollte unter einer
Wärmequelle
dann auch neben einer wärmegenerierenden
Quelle auch eine wärmeableitende
Quelle verstanden werden und es sollte unter "dem Übertragen
von Wärme
zu" ebenfalls "das Abführen von
Wärme von" verstanden werden.