EP0745813A2 - Wärmeübertrager, insbesondere für einen Heizkessel - Google Patents
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- F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
Definitions
- the invention relates to a heat exchanger, in particular for a boiler, with at least one tube for the heat-absorbing medium, and a gap delimited by the tube for the passage of the heat-emitting medium essentially radially from the inside to the outside.
- a heat exchanger of this type is known from PCT WO94 / 16272.
- At least one tube in the form of a spiral is arranged around a centrally arranged burner, in which the heat-absorbing fluid flows.
- the tube cross-section is composed of a flattened flat and oval parts arranged on both sides of it, so that each turn of the tube forms flat surfaces, between which there is a gap which has a constant height in the direction of flow of the heat-emitting medium.
- appropriate spacers are arranged between two adjacent turns of the helix.
- a generic heat exchanger in which many straight tubes with flow gaps arranged in between are arranged in the form of a cylinder.
- the invention has for its object to provide an inexpensive heat exchanger with high heat transfer performance with a small volume.
- the invention is based on the knowledge that the gap described in PCT WO94 / 16272, which has a constant width in the radial flow direction, does not lead to optimal heat transfer values. Deviations in the technical influencing factors over the length of the gap have been found to be the cause of this. For example, the heat given off by the fluid passing through the gap changes its density and thus in turn also its flow velocity within the gap. This flow velocity is also influenced by the geometry of the flow cross section, since this flow cross section is smaller in the area of the inner radius than in the area of the outer radius. It has also been found that the flow along the gap is subject to pressure changes, which in turn are subject to interactions with the density fluctuations and the fluctuations in the flow velocity. Finally, the cooling of the heat-emitting medium leads to a significant change in the heat dissipation as it passes through the gap.
- the gap should preferably converge in such a way that the speed and / or the heat dissipation and / or the pressure decrease of the heat-emitting medium in the flow direction is approximately constant per unit length.
- the tube is preferably designed in the manner of a helix, the gap then extending between the individual turns of the helix.
- the boundary surfaces are curved on both sides of the gap.
- the boundary surfaces can have the shape of a convex parabola in cross section, the curvature of which decreases towards the end of the column. It has been found that just the design of the boundary surfaces in the manner of a convex parabola leads to the greatest possible constancy of the heat transfer performance over the gap length.
- the helix is preferably a cylindrical helix.
- the helix can also be hemispherical or frustoconical, and combinations of these winding shapes are also possible.
- the helix can have one or more threads. Several nested helices can also be realized.
- the tube be provided with rounded inlet edges in the area of the gap beginning.
- the outward and / or the inwardly facing surfaces of the tube are made flat.
- the outer surfaces only participate in a very small percentage of the total heat exchange, which is why it is advantageous to make the surfaces flat in order to achieve a compact spiral.
- the inner surfaces should be flat to simplify pipe bending.
- the heat exchanger provided with the reference numeral 1 in FIG. 1 is inserted into the cylindrical housing 2 of a boiler.
- the heat exchanger 1 consists of a tube 3 shaped in the form of a cylindrical coil, through which the heat-absorbing fluid and in particular water flows when the boiler is in operation.
- the helically extending tube 3 divides the interior of the housing 2 into an interior 4 within the coil, and an exterior 5 between the coil and the housing 2.
- a surface burner 7 is arranged in the interior 4, which in the exemplary embodiment is designed as a hemispherical dome.
- the hot surface burner 7 emits radiant heat directly onto the inner surfaces of the helical tube 3.
- heat transfer by convection and heat conduction takes place in that the hot fuel gases of the burner 7 pass through gaps 8, which are located between the individual turns of the tube 3, and thereby give off heat to the wall surfaces of the tube.
- the cooled hot gases then collect in the outside space 5, from where they are discharged.
- Fig. 1 the hot boiler with the heat exchanger 1 is shown only in schematic form. Details of the design of the tube 3 and the gap 8 between the individual turns of the tube 3 are explained below with reference to the further figures.
- Figures 2 and 3 show that the cross section of each individual turn of the tube 3 is primarily square, but not rectangular.
- the opposite wall surfaces 9, 10 of two adjacent windings 11, 12 are designed obliquely to an imaginary horizontal plane in such a way that a gap 8 converging towards the outside results between the two wall surfaces 9, 10.
- the direction of flow 13 of the heat-emitting hot gas is shown in FIGS. 2 and 3.
- the wall surfaces 9, 10 delimiting the gap 8 are each made flat, so that there is a uniformly converging gap.
- An asymmetry is also possible in which one wall surface is inclined or curved and the other wall surface is straight.
- the wall surfaces 9, 10 delimiting the gap 8 are curved and have in cross section the shape of a convex parabola, the curvature of which decreases from the beginning of the gap 14 to the end of the gap 15.
- the tube 3 is provided with rounded inlet edges 16 in the region of the gap beginning 14.
- the outwardly facing surfaces 17 of the tube 3 are flat, since they hardly participate in the heat exchange. This also applies to the inner surfaces 18, since in this way the helix can be tightly wound at a given distance from the surface burner 7.
- the gap 8 should converge in such a way that the parameter speed, heat dissipation and pressure decrease of the heat-emitting hot gas in the flow direction 13 are approximately constant per unit length. This is best achieved with the gap design according to FIG. 3, however, the gap design according to FIG. 2 already leads to a considerable homogenization of the amount of heat transferred in the flow direction 13 per unit length.
- the average height of the gap 8 is many times smaller than the height H of the tube 3, preferably 5 to 20 times.
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Abstract
Ein Wärmeübertrager, insbesondere für den Einsatz in einem Heizkessel, besteht aus mindestens einem wendelförmig verlaufenden Rohr (3) für das wärmeaufnehmende Medium, sowie einem durch das Rohr begrenzten Spalt (8) für den im wesentlichen radial von innen nach außen gerichteten Durchtritt des wärmeabgebenden Mediums. Um einen preiswert herstellbaren Wärmeübertrager mit großer Wärmeübertragungsleistung bei geringem Bauvolumen zu schaffen, konvergiert der Spalt (8) in Durchströmrichtung des wärmeabgebenden Mediums.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen Heizkessel, mit mindestens einem Rohr für das wärmeaufnehmende Medium, sowie einem durch das Rohr begrenzten Spalt für den im wesentlichen radial von innen nach außen gerichteten Durchtritt des wärmeabgebenden Mediums.
- Ein Wärmeübertrager dieser Art ist aus der PCT WO94/16272 bekannt. Um einen zentral angeordneten Brenner herum ist mindestens ein Rohr in Gestalt einer Wendel angeordnet, in dem das wärmeaufnehmende Fluid strömt. Der Rohrquerschnitt setzt sich aus einem abgeflacht ebenen und beidseits hiervon angeordneten ovalen Teilen zusammen, so daß jede Windung des Rohres ebene Flächen bildet, zwischen denen sich ein Spalt befindet, der in Durchströmungsrichtung des Wärme abgebenden Mediums eine konstante Höhe aufweist. Um diese konstante Höhe sicherzustellen, sind zwischen zwei jeweils benachbarten Windungen der Wendel entsprechende Abstandshalter angeordnet.
- Ferner ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager bekannt, bei dem viele gerade Rohre mit dazwischen angeordneten Strömungsspalten in Form eines Zylinders angeordnet sind.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen preiswert herstellbaren Wärmeübertrager mit großer Wärmeübertragungsleistung bei geringem Bauvolumen zu schaffen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wärmeübertrager der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß der durch die Windungen der Wendel gebildete Spalt in Durchströmrichtung des wärmeabgebenden Mediums konvergiert.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der in der PCT WO94/16272 beschriebene, in radialer Durchströmrichtung eine konstante Breite aufweisende Spalt nicht zu optimalen Wärmeübertragungswerten führt. Als ursächlich hierfür haben sich Abweichungen in den technischen Einflußfaktoren über die Länge des Spaltes herausgestellt. So ändert sich durch die Wärmeabgabe des durch den Spalt hindurchgeführten Fluids dessen Dichte und damit wiederum auch dessen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Spalts. Diese Strömungsgeschwindigkeit wird ferner durch die Geometrie des Strömungsquerschnittes beeinflußt, da dieser Strömungsquerschnitt im Bereich des Innenradius geringer ist, als im Bereich des Außenradius. Ferner hat sich herausgestellt, daß die Durchströmung entlang des Spaltes Druckänderungen unterliegt, die wiederum teilweise Wechselwirkungen zu den Dichteschwankungen sowie den Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit unterliegen. Schließlich führt die Abkühlung des Wärme abgebenden Mediums beim Durchlaufen des Spaltes zu einer deutlichen Änderung der Wärmeabfuhr.
- Den genannten Einflüssen wird die aus der genannten PCT WO94/16272 bekannte Wärmeübertragerkonstruktion mit konstantem Spaltquerschnitt nicht gerecht. Vielmehr hat sich eine Spaltgeometrie als vorteilhaft herausgestellt, bei der der Spalt in Durchströmrichtung des wärmeabgebenden Fluids konvergiert. Diese Konvergenz führt dazu, daß die die Wärmeübertragung im Spalt beeinflussenden technischen Parameter über die Durchlauflänge des Spaltes eine größere Gleichmäßigkeit aufweisen.
- Der Spalt sollte hierbei vorzugsweise derart konvergieren, daß die Geschwindigkeit und/oder die Wärmeabfuhr und/oder die Druckabnahme des Wärme abgebenden Mediums in Strömungsrichtung pro Längeneinheit annähernd konstant ist.
- Infolge der konvergierenden Gestaltung des Spaltes ergeben sich gleichbleibend hohe Wärmeübertragungsleistungen über die gesamte Spaltlänge. Auf diese Weise wird ein den Vorteil großer Wärmeübertragungsleistung mit relativ geringem Bauvolumen verbindender Wärmeübertrager geschaffen, der zudem preiswert herstellbar ist.
- Das Rohr ist vorzugsweise, wie an sich aus der PCT WO 94/16272 bekannt, nach Art einer Wendel gestaltet, wobei sich dann der Spalt zwischen den einzelnen Windungen der Wendel erstreckt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Begrenzungsflächen beidseits des Spalts gekrümmt geformt. Hierbei können die Begrenzungsflächen im Querschnitt die Gestalt einer konvexen Parabel aufweisen, deren Krümmung zum Spaltende hin abnimmt. Es hat sich herausgestellt, daß gerade eine Gestaltung der Begrenzungsflächen nach Art einer konvexen Parabel zu einer größtmöglichen Konstanz der Wärmeübertragungsleistung über die Spaltlänge führt.
- Bei der Wendel handelt es sich vorzugsweise um eine zylindrische Wendel. Die Wendel kann jedoch auch halbkugelförmig oder kegelstumpfartig geformt sein, ferner sind Kombinationen dieser Wickelformen möglich. Die Wendel kann ein- oder mehrgängig sein. Auch mehrere ineinandergesetzte Wendeln sind realisierbar.
- Zur Verbesserung des Strömungs- und Wärmeübertragungsverhaltens sowie zur Verbesserung des Druckverlustes zwischen Innen- und Außenseite der Wendel wird ferner vorgeschlagen, daß das Rohr im Bereich des Spaltanfangs mit gerundeten Einlaufkanten versehen ist.
- Schließlich wird vorgeschlagen, daß die nach außen und/oder die nach innen weisenden Flächen des Rohres flach gestaltet sind. Die äußeren Flächen nehmen nur zu einem sehr geringen Prozentsatz am Gesamtwärmeaustausch teil, weshalb es zur Erzielung einer kompakt gestalteten Wendel von Vorteil ist, die Flächen flach zu gestalten. Die inneren Flächen sollten zur Vereinfachung der Rohrbiegung flach gestaltet sein.
- Der Wärmeübertrager einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
- Fig. 1
- in einer Schnittdarstellung einen Heizkessel mit einem Wärmeübertrager in Gestalt eines wendelförmig verlaufenden Rohres;
- Fig. 2
- die Einzelheit II der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung bei einer ersten Ausführungsform und
- Fig. 3
- die Einzelheit III der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung bei einer zweiten Ausführungsform.
- Der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehene Wärmeübertrager ist in das zylindrische Gehäuse 2 eines Heizkessels eingesetzt. Der Wärmeübertrager 1 besteht aus einem in Gestalt einer zylindrischen Wendel geformten Rohr 3, welches im Betrieb des Heizkessels von dem wärmeaufnehmenden Fluid und insbesondere Wasser durchströmt wird. Das wendelförmig verlaufende Rohr 3 unterteilt das Innere des Gehäuses 2 in einen Innenraum 4 innerhalb der Wendel, und einen Außenraum 5 zwischen Wendel und Gehäuse 2.
- In dem Innenraum 4 ist ein Flächenbrenner 7 angeordnet, der beim Ausführungsbeispiel als halbkugelförmige Kalotte ausgebildet ist. Der heiße Flächenbrenner 7 gibt Strahlungswärme unmittelbar auf die Innenflächen des wendelförmigen Rohres 3 ab. Zusätzlich zu dieser Wärmeübertragung durch Strahlung findet eine Wärmeübertragung durch Konvektion und Wärmeleitung statt, indem die heißen Brenngase des Brenners 7 durch Spalte 8, die sich zwischen den einzelnen Windungen des Rohres 3 befinden, hindurchtreten und hierbei Wärme an die Wandflächen des Rohres abgeben. Die abgekühlten Heißgase sammeln sich dann in dem Außenraum 5, von wo sie abgeführt werden.
- In Fig. 1 ist der Heißkessel mit dem Wärmeübertrager 1 nur in schematischer Form dargestellt. Nachfolgend werden anhand der weiteren Figuren Details der Gestaltung des Rohres 3 und des Spaltes 8 zwischen den einzelnen Windungen des Rohres 3 erläutert.
- Die Figuren 2 und 3 lassen erkennen, daß der Querschnitt jeder einzelnen Windung des Rohres 3 in erster Linie viereckig, jedoch nicht rechteckig gestaltet ist. Die einander gegenüberliegenden Wandflächen 9, 10 zweier benachbarter Windungen 11, 12 sind in der Weise schräg zu einer gedachten Horizontalebene gestaltet, daß sich zwischen den beiden Wandflächen 9, 10 ein nach außen hin konvergierender Spalt 8 ergibt. Die Durchströmungsrichtung 13 des Wärme abgebenden Heißgases ist in den Figuren 2 und 3 eingetragen.
- Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die den Spalt 8 begrenzenden Wandflächen 9, 10 jeweils eben gestaltet, so daß sich ein gleichmäßig konvergierender Spalt ergibt. Auch eine Asymetrie ist möglich, bei der die eine Wandfläche schräg oder gekrümmt, und die andere Wandfläche gerade verläuft.
- Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 hingegen sind die den Spalt 8 begrenzenden Wandflächen 9, 10 gekrümmt gestaltet und weisen im Querschnitt die Form einer konvexen Parabel auf, deren Krümmung vom Spaltanfang 14 zum Spaltende 15 hin abnimmt. Um den Eintritt des Wärme abgebenden Mediums in den Spalt 8 zu verbessern, ist das Rohr 3 im Bereich des Spaltanfangs 14 mit gerundeten Einlaufkanten 16 versehen. Die nach außen weisenden Flächen 17 des Rohres 3 sind, da sie am Wärmeaustausch kaum teilnehmen, flach gestaltet. Dies gilt auch für die Innenflächen 18, da auf diese Weise die Wendel bei gegebenem Abstand zum Flächenbrenner 7 eng gewickelt werden kann.
- Der Spalt 8 sollte in der Weise konvergieren, daß die Parameter-Geschwindigkeit, Wärmeabfuhr und Druckabnahme des Wärme abgebenden Heißgases in Durchströmungsrichtung 13 pro Längeneinheit annähernd konstant sind. Dies wird am besten mit der Spaltgestaltung gemäß Fig. 3 erreicht, jedoch führt auch die Spaltgestaltung gemäß Fig. 2 bereits zu einer erheblichen Vergleichmäßigung der in Durchströmungsrichtung 13 pro Längeneinheit übertragenen Wärmemenge. Die mittlere Höhe des Spalts 8 ist um ein Vielfaches geringer, als die Höhe H des Rohres 3, vorzugsweise um das 5- bis 20-fache.
-
- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Gehäuse
- 3
- wendelförmiges Rohr
- 4
- Innenraum
- 5
- Außenraum
- 7
- Brenner, Flächenbrenner
- 8
- Spalt
- 9
- Wandfläche, Begrenzungsfläche
- 10
- Wandfäche, Begrenzungsfläche
- 11
- Windung
- 12
- Windung
- 13
- Durchströmrichtung
- 14
- Spaltanfang
- 15
- Spaltende
- 16
- Einlaufkante
- 17
- Fläche
- 18
- Fläche
- H
- Höhe der einzelnen Rohrwindung
Claims (8)
- Wärmeübertrager, insbesondere für einen Heizkessel, mit mindestens einem Rohr (3) für das wärmeaufnehmende Medium, sowie einem durch das Rohr (3) begrenzten Spalt (8) für den im wesentlichen radial von innen nach außen gerichteten Durchtritt des wärmeabgebenden Mediums,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spalt (8) in Durchströmrichtung (13) des wärmeabgebenden Mediums konvergiert. - Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) wendelförmig geformt ist, und daß der Spalt (8) zwischen den Windungen (11, 12) der Wendel verläuft.
- Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (8) derart konvergiert, daß die Geschwindigkeit und/oder Wärmeabfuhr und/oder Druckabnahme des wärmeabgebenden Mediums in Durchströmrichtung (13) pro Längeneinheit annähernd konstant ist.
- Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen (9, 10) beidseits des Spalts (8) gekrümmt sind.
- Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen (9, 10) im Querschnitt die Gestalt einer konvexen Parabel aufweisen, deren Krümmung zum Spaltende (15) hin abnimmt.
- Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel eine zylindrische Wendel ist.
- Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) im Bereich des Spaltanfangs (14) mit gerundeten Einlaufkanten (16) versehen ist.
- Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen und/oder die nach innen weisenden Flächen (17 bzw. 18) des Rohres (3) flach gestaltet sind.
Applications Claiming Priority (2)
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DE19519813 | 1995-05-31 | ||
DE19519813 | 1995-05-31 |
Publications (2)
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ID=7763223
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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EP96108743A Withdrawn EP0745813A3 (de) | 1995-05-31 | 1996-05-31 | Wärmeübertrager, insbesondere für einen Heizkessel |
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