DE4334768A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der einen Zu- und Ablaufsammelkasten und eine Anzahl zwischen einander zugewandten Innenwänden dieser Kästen angebrachter Wasser­ rohre umfaßt, wobei in den Sammelkästen Strömungsleitmittel angebracht sind. Diese Strömungsleitmittel verbinden die Wasserrohre strömungsmäßig in Reihe und/oder parallel.

Ein solcher Wärmetauscher ist beispielsweise bekannt als Wasser/Verbrennungsgas Wärmetauscher für einen Zentralhei­ zungskessel mit einem Brenner vom vollständig vorgemischten Typ. Es ist dabei erwünscht, ein bestimmtes Strömungsmuster durch die Wasserrohre einzustellen, um eine maximale Er­ tragsleistung zu erwirken.

Bei bekannten Wärmetauschern für diese Anwendung werden die Strömungsleitmittel von in den Sammelkästen vorgesehenen Trennwänden gebildet, die mit einer aus Kunststoff beste­ henden Dichtungsmuffe versehen sind, die an die Innenwand anliegt und somit die Strömungsbahn bestimmt. Die Sammelkä­ sten sind in der üblichen Weise aus Metallblech aufgebaut. Bei Druckschwankungen im Wasserkreislauf können die Wände der Sammelkästen sich etwas ausbiegen, wodurch ein guter Kontakt der Dichtungsmuffen gegen die Innenwand nicht je­ derzeit gewährleistet werden kann, wodurch das gewünschte Strömungsmuster nicht erhalten wird. Auch ist es schwierig zu gewährleisten, daß die Dichtungsmuffen jederzeit bei der Montage richtig angebracht werden, und es besteht die Ge­ fahr, daß diese Dichtungsmuffen, bedingt durch die beim Füllen des Wärmetauschers auftretenden hohen Strömungsge­ schwindigkeiten, weggespült werden können. Wenn eine oder mehrere der Dichtungsmuffen fehlen, wird die Strömung der­ art gestört, daß der Wärmetauscher nicht mehr brauchbar ist.

Die Erfindung beabsichtigt nunmehr die Schaffung eines Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art, wobei die ge­ nannten Probleme nicht auftreten. Dies wird mit den in An­ spruch 1 dargelegten Maßnahmen realisiert.

Durch Anwendung von an den Innenwänden der Sammelkästen angebrachten Deckeln haben die relativen Bewegungen der Außen- und Innenwand der Sammelkästen bei auftretenden Druckschwankungen keinen Einfluß mehr auf das gute Anliegen der Deckel an der Innenwand. Druckschwankungen wirken na­ hezu gleichzeitig auf beiden Seiten der Deckel, so daß na­ hezu keine resultierenden Kräfte bleiben.

Ein hinzukommender Vorteil ist, daß für die Herstellung von Wärmetauschern unterschiedlichen Typs, insbesondere mit un­ terschiedlichen Strömungsmustern, nur die Deckel anders ausgeführt zu werden brauchen. Die Sammelkästen selbst kön­ nen für unterschiedliche Typen gleich sein.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Deckel ist in An­ spruch 2 gekennzeichnet. Diese Ausführungsform gewährt ein großes Maß der Entwurfsfreiheit, so daß alle gewünschten Strömungsmuster eingestellt werden können. So ist es mög­ lich, zwei angrenzende Rohre in Reihe zu schalten, indem einfach ein um die Öffnungen dieser Rohre herum abschlie­ ßender Hohlraum in dem Deckel ausgebildet wird.

Auch kann beispielsweise einfach der Ausgang einer Anzahl von parallel geschalteten Wasserrohren mittels eines Hohl­ raums zu den Eingängen einer davon verschiedenen Anzahl von Wasserrohren geführt werden, wodurch die Strömungsgeschwin­ digkeit in den zu führenden Wasserrohren von der in den ab­ führenden Wasserrohren abweichen kann.

Dabei wird vorzugsweise die Maßnahme nach Anspruch 3 ange­ wandt. Die die Strömung regelnden Rippen können dafür Sorge tragen, daß die Strömung in jedem der parallel geschalteten Wasserrohre gleich ist oder in einer erwünschten Weise sich voneinander unterscheidet.

Eine sehr günstige Ausführung der Erfindung wird in An­ spruch 4 gekennzeichnet. Indem die Deckel aus Metall gefer­ tigt werden, sind sie steif und können gut an der Innenwand abdichten, während sie gegen höhere Temperaturen unempfind­ lich sind, die beispielsweise durch Schweißen bei der Her­ stellung bestimmter Teile des Wärmetauschers auftreten kön­ nen. Vorzugsweise wird dabei die Maßnahme von Anspruch 5 angewandt.

Eine vorteilhafte Befestigungsweise, die eine lange Stand­ zeit gewährleistet, ist in Anspruch 6 gekennzeichnet.

Obwohl die Deckel selbst unmittelbar gegen die Innenwand dichten können, wird vorzugsweise die Maßnahme gemäß An­ spruch 7 angewandt. Auch bei geringer Verformung der Sam­ melkästen infolge der thermischen Belastungen wird eine gute Dichtung gewährleistet bleiben.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der in den Figuren gezeigten Beispiele erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher nach der Erfindung, teil­ weise weggebrochen und mit auseinandergenommenen Teilen;

Fig. 2 zeigt einen Wärmetauscher nach der Erfindung in dem in einem Zentralheizungskessel eingebauten Zustand;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Detailansicht eines in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher verwendeten Deckels in einer bevorzugten Ausführungsform.

Der in Fig. 1 gezeigte Wärmetauscher 1 umfaßt einen Zulauf­ kasten 2 und einen Ablaufkasten 5 für Zentralheizungswas­ ser.

Der Zulaufkasten 2 ist aus einer Außenwand 3 und einer In­ nenwand 4 zusammengesetzt. In montiertem Zustand ist die Außenwand 3 entlang einem Umfangsrand an der Innenwand 4 verschweißt. Dasselbe gilt für den Ablaufsammelkasten 5, der aus einer Außenwand 6 und einer Innenwand 7 zusammenge­ setzt ist.

Zwischen zwei einander gegenübergelegenen Teilen der Innen­ wände 4 und 7 ist eine Anzahl Wasserrohre 8 angebracht, die jeweils mit oberflächenvergrößernden Elementen 9 versehen sind.

Der Wärmetauscher 1 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, dazu be­ stimmt, in einem Zentralheizungskessel verwendet zu werden, in Kombination mit einem Brenner 15 vom sogenannten voll­ ständig vorgemischten Typ. Der Brenner 15 wird dabei auf einem Rand 16 positioniert, der an der Innenseite des Wär­ metauschers ausgebildet ist und eine Rinne bildet, in der eine Dichtung 17 angeordnet ist, auf der der Brenner 15 un­ mittelbar aufliegt.

An der Oberseite ist eine Haube 26 angebracht, in der eine Gaszufuhr 25 mündet, die ein stöchiometrisches Gas/Luft-Ge­ misch zum Brenner 15 führt.

Von einem nicht dargestellten Gebläse wird eine in Fig. 2 abwärts gerichtete Strömung des Gases durch den Wärmetau­ scher erzeugt.

Durch einen Teil des Ablaufkastens 2 hindurch, wo dessen Innenwand und Außenwand so ausgestaltet sind, daß sie an­ einander anliegen, ist eine Zündkerze 20 montiert, die das brennbare Gas/Luft-Gemisch an der - in Fig. 2 gesehen - Unterseite des Brenners 15 entzündet. Ferner ist ein Fen­ ster 21 angebracht, durch welches die Flammen beobachtet werden können. Durch einen anderen Bereich des Sammelka­ stens 5 hindurch ist ein Sensor 19 montiert, der die rich­ tige Verbrennung überwacht und bei Abweichungen das hier nicht näher beschriebene Steuersystem des Zentralheizungs­ systems steuert.

Da bei der gezeigten Ausführungsform die Brennerfläche sehr nahe den Wasserrohren 8 positioniert ist und somit diesen Wasserrohren 8 Verbrennungsgas mit sehr hohen Temperaturen zugeführt wird, ist es von sehr großer Bedeutung, daß die Strömung von Zentralheizungswasser durch diese Wasserrohre genau kontrolliert wird.

Erfindungsgemäß wird dies von an den Innenwänden 4 bzw. 7 der Sammelkästen 2, 3 angebrachten Deckeln 31, 32 gewähr­ leistet, die die Wasserrohre 8 in Strömungsrichtung in Reihe oder parallel schalten. Wie aus der Fig. 1 hervor­ geht, wird das durch den Zulaufanschluß 23 in den Zulauf­ sammelkasten 2 zugeführte relativ kalte Zentralheizungswas­ ser zunächst durch die untere Schicht von Wasserrohren 8 geführt, und zwar zuerst durch eine Gruppe von drei paral­ lel geschalteten Wasserrohren. Die Eingänge dieser drei Wasserrohre werden nicht von dem Deckel 31 abgedeckt, so daß das Wasser unmittelbar aus dem Sammelkasten in diese Rohre einfließt. Die Deckel 31 und 32 haben jeweils eine Anzahl mit der Innenwand 4 bzw. 7 Kammern bildende Hohlräume, die von abgedichtet an der Innenwand anliegenden Rändern begrenzt werden. Zwischen diesen Rändern und der Innenwand sind Dichtungen 33, 34 angebracht. Die Deckel 31, 32 sind bei der gezeigten Ausführungsform an die Innenwände 4, 7 der Sammelkästen durch Schraubverbindungen festgezo­ gen. Diese Schraubverbindungen bestehen aus durch Stift­ schweißen an der Innenwand festgeschweißten Schraubstiften 30, die durch in den Deckeln 31, 32 ausgebildete Öffnungen hindurchgesteckt sind und auf denen Muttern 35, 36 aufge­ schraubt sind.

Wie die Fig. 1 weiter zeigt, ist der Deckel 32 im unteren Teil mit einem großen Hohlraum versehen, der die Wasserroh­ re der unteren Schicht umschließt. Das durch die drei Was­ serrohre hindurchgeführte Zentralheizungswasser wird durch die beiden letzten Rohre der unteren Schicht zurückgeführt, und das aus diesen Rohren herauskommende Wasser wird wieder durch den einen Hohlraum in dem Deckel 31 zu dem einen dar­ über befindlichen Rohr der oberen Schicht von Wasserrohren 8 geführt. Die oberen Wasserrohre sind in Reihe geschaltet, und das letzte Rohr mündet letztendlich in dem Sammelka­ sten 5 und wird dort über den Ablaufanschluß 22 zum weite­ ren Zentralheizungskreislauf geführt.

Durch die in Fig. 1 gezeigte und oben beschriebene Schal­ tung der Wasserrohre 8 wird eine maximale Ertragsleistung der Wärmeübertragung realisiert. Die untere Schicht von Wasserrohren befördert Wasser mit der niedrigsten Tempera­ tur, so daß die Verbrennungsgase maximal gekühlt werden können. Über den Wasserrohren, die das zugeführte Zentral­ heizungswasser befördern, befinden sich die Wasserrohre, durch die das bereits erwärmte Zentralheizungswasser fließt, so daß in der Breite des Wärmetauschers gesehen eine gleichmäßige Wärmeübertragung der Verbrennungsgase und somit eine gleichmäßige Abkühlung der Verbrennungsgase auf­ tritt.

Fig. 3 zeigt einen dem Deckel 32 von Fig. 1 entsprechenden Deckel 40 in einer geänderten, bevorzugten Ausführungsform. Der Deckel 40 hat, wie bereits für den Deckel 32 erwähnt, drei Hohlräume, nämlich die Hohlräume 41, 42, die jeweils zwei Wasserrohre in Reihe schalten, und den Hohlraum 43, der in diesem Ausführungsbeispiel drei parallel geschaltete Wasserrohre 8 mit zwei parallel geschalteten Wasserrohren 8 verbindet.

Zwischen den zuführenden Wasserrohren 8 sind in dem Hohl­ raum 43 zwei Rippen 44 ausgebildet, die so dimensioniert sind, daß für jedes der zuführenden Wasserrohre eine ge­ wünschte Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird. In dem Maße, in dem eine Rippe einen größeren Teil des Quer­ schnitts des Hohlraums 43 einnimmt, wird selbstverständlich die Strömungsgeschwindigkeit durch jedes in der Strömungs­ richtung gesehen vorgeschaltete Rohr verringert.

Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann selbstverständlich in entsprechender Weise in dem Hohlraum 43 zwischen den abfüh­ renden Rohren 8 eine Rippe angebracht werden, die die Zu­ fuhr auf diese beiden Rohre verteilt. Statt dessen oder in der Kombination damit kann auch an der gegenüber gelegenen Seite, in der Fig. 1 gesehen, mittels des Deckels 31 eine geeignete Strömungsregelung erzielt werden.

Die Deckel 31, 32 und 40 bestehen aus Metall, und bei dem Ausführungsbeispiel sind sie im Spritzgußverfahren aus einer Leichtmetallegierung hergestellt. Dadurch wird eine große Formbeständigkeit realisiert und ein gutes Anliegen der Ränder der Deckel an den Innenwänden der Sammelkästen gewährleistet. Bei der Herstellung des Wärmetauschers 1 wird zunächst der in Fig. 1 als gesonderter Teil gezeigte Block, der aus den Sammelkasten-Innenwänden 4 und 7 und den dazwischen befindlichen Wasserrohren 8 gebildet wird, her­ gestellt. Nach Anbringen der Schraubstifte 30 werden die Deckel 31 und 32 unter Zwischenlegen der Dichtungen 33 und 34 angebracht. Dann kann ein Lecktest des Wärmetauschers ausgeführt werden und können etwaige Lecks behoben werden.

Die Außenwände 3, 6 der Sammelkästen werden daraufhin, mit den an ihren Positionen montierten Deckeln 31, 32, an die Innenwände 4, 7 angelegt und rundherum festgeschweißt. In dem Ablaufwasserkasten 5, in dem die Durchführungen für die Zündkerze 20 und den Sensor 19 angebracht sind, werden die Innenwand und die Außenwand ebenfalls zusammengeschweißt.

Wie die Fig. 1 zeigt, können die Sammelkästen 2 und 5 iden­ tisch ausgeführt sein und es sind daran keine besonderen Bearbeitungen zum Zwecke der Strömungsverteilung erforder­ lich. Diese Sammelkästen können folglich für verschiedene Typen von Wärmetauschern verwendet werden.

Somit wird ein Wärmetauscher geschaffen, der sich wirt­ schaftlich herstellen läßt und der nach der Fertigung in zuverlässiger Weise das gewünschte Strömungsmuster über lange Zeit hinweg beibehält.

Claims (9)

1. Wärmetauscher, der einen Zulauf- und einen Ablaufsam­ melkasten (2, 5) und eine Anzahl zwischen einander zuge­ wandten Innenwänden (4, 7) dieser Kästen angebrachter Was­ serrohre (8) aufweist, wobei in den Sammelkästen Strömungs­ leitmittel angebracht sind, die die Wasserrohre in Reihe und/oder parallel verbinden, wobei die Strömungsleitmittel als an den Innenwänden (4, 7) angebrachte Deckel (31, 32) ausgebildet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei jeder Deckel (31, 32) eine Anzahl Hohlräume (41, 42, 43) aufweist, die von abgedichtet an der zugehörigen Innenwand (4, 7) anliegenden Rändern begrenzt werden und mit der Innenwand Kammern bilden.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei in wenigstens einem der Hohlräume (43) sich quer zu der Strömungsrichtung erstreckende Rippen (44) angebracht sind.

4. Wärmetauscher nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Deckel (31, 32) aus Metall bestehen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die Deckel (31, 32) im Spritzgießverfahren aus einer Leichtmetallegierung hergestellt sind.

6. Wärmetauscher nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Innenwand (4, 7) eine Anzahl daran festgeschweißter Schraubstifte (30) trägt und der Deckel (31, 32) mit auf die Schraubstifte aufgeschraubten Muttern (35) gegen die Innenwand festgezogen ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2-7, wobei zwischen den Rändern des Deckels (31, 32) und der Innenwand (4, 7) eine Dichtung (33, 34) angeordnet ist.

8. Wärmetauscher nach einem der vorigen Ansprüche, wobei jeder Sammelkasten (2, 5) aus der Innenwand (4, 7) und einer nach der Montage der Deckel ringsum festgeschweißten Außenwand (3, 6) gebildet wird.

9. Wärmetauscher nach einem der vorigen Ansprüche, wel­ cher Verbindungsmittel umfaßt, um daran einen Brenner (15) vom vollständig vorgemischten Typ zu befestigen, wobei sich jeder Sammelkasten an zwei angrenzenden Seiten des Wärme­ tauschers (1) entlang erstreckt.