EP0994313A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und Wärmetauscher, der durch Anwendung des Verfahrens erhalten wird - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und Wärmetauscher, der durch Anwendung des Verfahrens erhalten wird Download PDF

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EP0994313A1
EP0994313A1 EP99203247A EP99203247A EP0994313A1 EP 0994313 A1 EP0994313 A1 EP 0994313A1 EP 99203247 A EP99203247 A EP 99203247A EP 99203247 A EP99203247 A EP 99203247A EP 0994313 A1 EP0994313 A1 EP 0994313A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
heat
fluid
channel
copy
Prior art date
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EP99203247A
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English (en)
French (fr)
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EP0994313B1 (de
Inventor
Joannes Avertanus Jozef Ten Dam
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Nefit Buderus BV
Original Assignee
Nefit Fasto BV
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Publication date
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Publication of EP0994313B1 publication Critical patent/EP0994313B1/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/046—Use of patterns which are eliminated by the liquid metal in the mould
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a Heat exchanger made of metal such as aluminum, copper, iron, Steel or brass, which includes heat exchangers: one room formed by a wall, which with a Inlet opening for supplying a first fluid into the room, and an outlet opening for discharging the first fluid the room is provided; essentially one helically extending around the space for a second fluid; and a number of protrusions from the Protrude wall into the room.
  • the Invention obtained using the method Heat exchanger.
  • Such a heat exchanger is for example from the EP-A-0 794 393 is known.
  • This publication describes one using a light metal casting technique manufactured heat exchanger with a closed, polygonal or curved inner wall that with at least a water channel, one located inside the inner wall extending combustion chamber for hot flue gases and at the Extending from the inside wall heat-transferring surface-enlarging elements, such as Cam or partition walls is provided.
  • the water channel extends helically along the outside of the Inner wall and has adjacent turns.
  • the known heat exchanger is relatively compact.
  • the known heat exchanger has a cheap one Efficiency due to the fact that the water channel is on is attached to the outside of the combustion chamber. This Arrangement namely leads to the fact that the temperature of the Approximately the heat exchanger on the outside Temperature of the water in the water channel corresponds while the hot flue gases are in the combustion chamber. So be the convection and radiation losses of the heat exchanger minimized.
  • the well-known heat exchanger is in a conventional Casting process using a casting core structure Cast sand, wax or plastic.
  • casting processes create those for design of the heat exchanger desired freedom in the determination the relationship between the water side and Flue gas side surface for optimal heat transfer between the flue gases and the water.
  • a disadvantage of the known heat exchanger is that the Content of the water channel is relatively large, which results has that after the commissioning of the heat exchanger due to the high heat capacity of the water takes a relatively long time until the water in the water channel has the desired temperature. Most of all, this is undesirable if the water in the heat exchanger is part of a Water circuit for heating tap water is what is in a so-called combination boiler, which is designed to both Heat tap water as well as water for heating purposes, is common. The desired tap water heating only takes place instead of when the water flowing through the heat exchanger has reached the right temperature. The faster this happens, the higher the comfort for the user of the Be cauldron.
  • a first reason for the large content of the water channel in the well-known heat exchanger is that the water channel one must have a relatively large minimum cross-section to this Shape the channel using a traditional casting process to be able to. These minimum dimensions are not allowed be undercut because of the casting core in this case an insufficient one at least during the casting process could provide support on the walls of the canal. Both in connection with and independently of The first reason mentioned is a second reason for the big one Content of the water channel that the water channel is almost extends over the entire outer surface of the combustion chamber, so that the water channel has a relatively large length.
  • Another disadvantage of the known heat exchanger is that this one, although light metal is used has relatively large mass since the different parts like e.g. the wall of the combustion chamber, the wall of the water channel and the elements that make up the heat transfer surface enlarge, are relatively thick. The reason for this thickness is the required minimum space between the parts of the Pouring core set in connection with inaccuracies in the Production of the casting core set, the assembly and its Use.
  • the relatively large mass of the Heat exchanger implies that the heat capacity of the Heat exchanger is relatively large and that the material costs are relatively high. The adverse consequences of the big ones Heat capacity are related to the above Water channel has been explained.
  • the object of the invention is therefore to provide a method create a heat exchanger in such a way to establish the limitations of traditional Manufacturing process can be overcome and the cheap Properties of the known heat exchanger type further can be optimized.
  • the process includes the following steps: a plastic becomes a copy of the heat exchanger manufactured, which plastic at least in the Melting temperature of the metal evaporates; the surfaces of the copy are covered with a gas permeable, supportive layer from one heat-resistant material coated; and Metal in liquid state on the copy within the gas permeable layer is poured around the plastic to evaporate and the space occupied by the plastic to fill with the metal.
  • plastic heat exchanger copy preferably made of polystyrene (EPS)
  • EPS polystyrene
  • injection molding processes can be used with whose help is a copy of one or more parts can be manufactured. Manufacturing in parts becomes one choose if the geometry of the heat exchanger and so even the copy is complex.
  • the one for molding the copy parts required form (s) can be relative in this case just run.
  • the different parts of the Copy can easily be made with a suitable adhesive or by e.g. Welding the Plastic bonded together to form the copy become.
  • the plastic and any adhesive used should have an evaporation temperature that is lower than or at least as high as that Melting temperature of the metal from which the heat exchanger is made so that during the pouring of the liquid Metal on the copy of the space defined by the copy is gradually taken up by the metal during the Evaporate plastic and possibly the adhesive and through the gas permeable, supporting layer heat-resistant material escape.
  • the surfaces of the copy by first Surfaces of the copy with a gas permeable layer coated with a first heat-resistant material and then the gas-permeable layer with one layer from a supportive, porous second heat-resistant Material coated.
  • the gas permeable layer from the first heat-resistant material preferably one ceramic material, especially silicon dioxide, Alum, zircon, chromite and / or aluminosilicate, acts as a "skeleton" for the copy to preserve it Form before and during the casting process and also functions as a "partition" between the copy (and during the Casting process: the metal) and the layer of supportive, porous second heat-resistant Material, which is preferably a ceramic material, and especially consists of sand.
  • the layer from the first heat-resistant material can be immersed by pour over or spray, and is preferably thin, e.g. 0.25 to 1.5 mm thick to make that easily push the gas generated during the pouring process allow.
  • the layer can also be thin because of the second heat-resistant material for the necessary support the layer of the first heat-resistant material, especially if there is liquid metal underneath.
  • the layer is made of the second heat-resistant material usually thicker than the layer from the first heat resistant material and can be easily formed by it by first filling the cavities with the first heat-resistant material provided with sand fills copy and then the copy e.g. in a box with sand, so that the whole outside of the copy except the necessary pouring holes is sufficiently covered with sand.
  • the sand will preferably no binder added.
  • the sand can go on the casting process and the solidification of the metal be removed, taking the sand, if necessary, through shake can be removed from the cavities of the copy.
  • the sand is hardly contaminated and can be used without problems reused or disposed of without special measures become.
  • it is without in the context of this invention further possible means known to the sand add to the dimensional stability of the sand mass improve especially during the casting process, so that also on the application of the layer from the first heat-resistant material can be dispensed with can.
  • the object of the invention is in particular a Heat exchangers with a relatively low heat capacity, a relatively small water content, an excellent one Heat transfer, low weight and one to create low price.
  • a Heat exchanger prepared according to the previously described method.
  • the heat exchanger according to the invention executed such that the heat exchanger has an integrated Contains outlet channel for the first fluid, the one Has inlet opening and an outlet opening, the Inlet opening of the inlet channel adjoins the outlet opening of the room.
  • the heat exchanger has an integrated Contains outlet channel for the first fluid, the one Has inlet opening and an outlet opening, the Inlet opening of the inlet channel adjoins the outlet opening of the room.
  • the outlet channel Preferably are in the outlet channel close to it Inlet opening heat conduction elements to improve the Heat transfer from the first fluid to the heat exchanger appropriate.
  • the channel extends for the second Fluid around the heat conduction elements Exhaust duct to the heat that in the exhaust duct first fluid is withdrawn, as effectively as possible to the second fluid to transmit.
  • the inlet of the room and the Outlet of the outlet channel through a common flange educated. After pouring the heat exchanger needs in In this case, only one flange surface is reworked be what take place in a single processing step can. Any dimensional deviations of the casting have none or little influence on the connections on the mentioned Inlet and outlet opening. If on the flange too mounting components (in the case of a Incinerator: one burner and one Flue gas outlet) before assembly to a composite Components have been assembled, this can assembled component assembled in one operation become. Disassembly of a composite component leads to simplification of maintenance and cleaning of the heat exchanger.
  • the heat exchanger is preferably designed such that the cross-section of the room, transverse to the direction of flow of the first Considered fluids in the flow direction of the first Fluid decreases. In this way you can achieve that Flow velocity of the, in its flow direction cooling by heat transfer to the second fluid first fluid always remains high enough to be good To ensure heat transfer.
  • the turns of the channel are expedient positioned at a certain distance from each other. thanks this measure is the volume of fluid in the channel, usually water, small. The fluid can therefore be quick be warmed up.
  • the heat exchanger is preferably designed such that the protrusions on at least part of the wall of the room are missing, this part of the wall with itself, across to Considered the direction of flow of the first fluid in space, extending, protruding into the room is provided.
  • the heat exchanger has fluid to the second fluid according to the invention one or more of the channel wall from projections protruding into the channel.
  • Projections in the space for the first fluid can Projections in the canal in a variety of ways be trained (generally such that a Turbulence of the second fluid is generated or increased), for example as cones or ribs.
  • Figures 1 to 3 show a copy housing part 2, a Copy housing part 4, a copy housing part 6 and one Copy channel part 8. Include copy case parts 2 and 4 each side walls 10, 12 and 14, a bottom wall 16 and an inner wall 18.
  • the side walls 10, part 12a of each of the side walls 12, part 16a of each of the bottom walls 16, and the inner walls 18 one Heat exchange room, its cross section from top to bottom considered decreases.
  • the side walls 14, part 12b of each of the side walls 12, part 16b of each of the Bottom walls 16 and the inner walls define one Exhaust duct.
  • the side walls 10, 12 and 14 and the Inner wall 18 of each copy housing part terminates at one common edge in the flange 20.
  • the flanges 20 ( Figure 2) in turn limit a large opening, inlet opening 22 of the heat exchange room, and a small opening, Called outlet opening 24 of the outlet duct. So is the inlet opening 22 in the same plane as that Outlet opening 24.
  • the heat exchange space has a Outlet opening, which with the inlet opening of the Exhaust duct coincides and from the passage between the bottom walls 16 and the inner walls 18 is formed.
  • the copy corresponds to one Heat exchanger from the room and the outlet duct certain flow path for the first fluid U-shaped.
  • each side wall 12 which is the other Copy housing part 4 faces is in the Heat exchange room a large number of pins 26 in one predetermined pattern attached.
  • the pins 26 have in the Figures 1 and 3 a circular cross section; you can but also a different shape, such as one have an oval or rectangular cross-section. Can continue the pins 26 considered different over their length Have cross sections, for example larger at their foot ends than be at their free ends.
  • the pins 26 can also by ripping or similar be replaced.
  • ribs or similar is always that (in a copy corresponding to Heat exchanger) no fluid flowing past it straight distance from the inlet opening of the room to The outlet opening of the room must be able to travel because hence the heat transfer that goes over the tenons, the fins or similar takes place, demolition would be done.
  • pin 27 or the like can to the Copy channel parts 6 or 8 ( Figure 4) or to the Copy housing parts 2 or 4 ( Figure 1) or both types of parts.
  • parts of a channel are formed, which parts together one helically around the heat exchange space extending channel 28 with a channel inlet 30 and a Form channel outlet 32. Mentioned parts of the channel can be found in the side walls 10 and the inner walls 18 also not shown in more detail, for example rib-shaped projections be provided.
  • the channel parts in the side walls 10 and the inner walls 18 ensure that the wall of the this limited space is partially domed.
  • the copy housing parts 2 and 4 and the copy channel parts 6 and 8 are all designed so that they can with the help of a relatively simple shape made of a plastic material without the need to look at a certain angle Release direction of the mold to be used to move moldings must be able to be manufactured. If parts 2 to 8 are formed into a complete copy of the assembled to be manufactured heat exchanger, as in figure 2 is shown. For this, parts 2 to 8 are preferred glued together with a suitable adhesive. in the With regard to the pin 26 it should be noted here that this one can be of such a length and position that, according to the Assembling parts 2 and 4 a bridge between the form respective side walls 12 of parts 2 and 4.
  • the Pin sets 26 of different parts 2 and 4 can also be positioned offset from one another and protrude between each other. Another possibility is, that the pin 26 of part 2 and the pin of part 4 probably cursed, but the ends of the cones are not touch each other. In the latter case, the cones of each part 2, 4 different lengths from each other must have to prevent (in one of the copies corresponding heat exchanger) part of the by the Heat exchanger flowing fluid in a direct way from the inflow opening can flow to the outlet opening.
  • a second fluid flows in counterflow e.g. Water through channel 28 from inlet port 30 to its outlet opening 32, this second fluid from absorbs heat given off by the first fluid.
  • this second fluid At the Corrosion products and condensate arising from heat exchange can the heat exchanger via an outlet opening 34 ( Figure 2) leave.
  • Figures 4 and 5 show an embodiment of the copy of a heat exchanger according to the invention, which in wide Areas similar to the copy of Figure 1 to 3 is formed.
  • One differentiating point concerns the design of the protrusions 26a, which one have a rectangular cross-section.
  • the inner wall 18 partially duplicated to (in one the warmest part corresponding to the copy of the heat exchanger) of the heat exchange space, which is located directly at the inlet opening 22 connects as far as possible from a thermal point of view of the coldest part of the exhaust duct, the Outlet opening 24 immediately preceding to separate.
  • Part of the Outlet duct contains, just like the heat exchange space, Projections 26b.
  • the channel 28 extends helically around the heat exchange space and at the level of the projections 26b around the outlet duct.

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Abstract

1. Ein Wärmetauscher aus Metall umfaßt einen von einer Wand gebildeten Raum, der mit einer Einlaßöffnung (22) zum Zuführen eines ersten Fluids in den Raum und einer Auslaßöffnung zum Abführen des ersten Fluids aus dem Raum versehen ist. Um den Raum erstreckt sich einen im wesentlichen schraubenförmig Kanal (28) für ein zweites Fluid. Der Raum ist versehen mit einer Anzahl von Vorsprüngen (26), die von der Wand in den Raum ragen. Der Wärmetauscher wird dadurch hergestellt, daß erstens aus einem Kunststoff eine Kopie des Wärmetauschers hergestellt wird, welcher Kunststoff wenigstens bei der Schmelztemperatur des Metalls verdampft. Zweitens werden die Oberflächen der Kopie mit einer gasdurchlässigen, unterstützenden Schicht aus einem hitzebeständigen Material beschichtet. Drittens wird das Metall in flüssigem Zustand auf die Kopie innerhalb der gasdurchlässigen Schicht gegossen, um den Kunststoff zu verdampfen und den von dem Kunststoff eingenommenen Raum mit dem Metall auszufüllen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers aus Metall wie Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl oder Messing, welcher Wärmetauscher umfaßt: einen durch eine Wand gebildeten Raum, der mit einer Einlaßöffnung zum Zuführen eines ersten Fluids in den Raum, und einer Auslaßöffnung zum Abführen des ersten Fluids aus dem Raum versehen ist; einen sich im wesentlichen schraubenförmig um den Raum erstreckenden Kanal für ein zweites Fluid; und eine Anzahl von Vorsprüngen, die von der Wand in den Raum hineinragen. Außerdem betrifft die Erfindung einen durch Anwendung des Verfahrens erhaltenen Wärmetauscher.
Ein derartiger Wärmetauscher ist zum Beispiel aus der EP-A-0 794 393 bekannt. Diese Veröffentlichung beschreibt einen mit Hilfe einer Gießtechnik aus Leichtmetall hergestellten Wärmetauscher mit einer geschlossenen, vieleckigen oder gebogenen Innenwand, der mit mindestens einem Wasserkanal, einem sich innerhalb der Innenwand erstreckenden Brennraum für heiße Rauchgase und sich an der Innenseite von der Innenwand aus erstreckenden wärmeübertragenden oberflächenvergrößernden Elementen, wie Nocken oder Trennungswänden versehen ist. Der Wasserkanal erstreckt sich schraubenförmig entlang der Außenseite der Innenwand und hat aneinander liegende Windungen.
Der bekannte Wärmetauscher ist verhältnismäßig kompakt. Außerdem hat der bekannte Wärmetauscher einen günstigen Wirkungsgrad infolge der Tatsache, daß der Wasserkanal an der Außenseite des Brennraums angebracht ist. Diese Anordnung führt nämlich dazu, daß die Temperatur des Wärmetauschers an seiner Außenseite näherungsweise der Temperatur des Wassers im Wasserkanal entspricht, während die heißen Rauchgase sich im Brennraum befinden. So werden die Konvektions- und Strahlungsversluste des Wärmetauschers minimiert.
Der bekannte Wärmetauscher wird in einem konventionellen Gießverfahren unter Benutzung eines Gießkerngefüges aus Sand, Wachs oder Kunststoff gegossen. Derartige Gießverfahren schaffen im Prinzip die für die Gestaltung des Wärmetauschers erwünschte Freiheit in der Bestimmung des Verhältnisses zwischen der wasserseitigen und rauchgasseitigen Fläche für eine optimale Wärmeübertragung zwischen den Rauchgasen und dem Wasser.
Ein Nachteil des bekannten Wärmetauschers ist, daß der Inhalt des Wasserkanals relativ groß ist, was zur Folge hat, daß es nach der Inbetriebnahme des Wärmetauschers aufgrund der hohen Wärmekapazität des Wassers verhältnismäßig lange dauert, bis das Wasser im Wasserkanal die gewünschte Temperatur hat. Dies ist vor allem unerwünscht, wenn das Wasser im Wärmetauscher Teil eines Wasserkreislaufs zur Erhitzung von Zapfwasser ist, was in einem sogenannten Kombi-Kessel, der bestimmt ist, um sowohl Zapfwasser als auch Wasser für Heizungszwecke zu erhitzen, üblich ist. Die gewünschte Zapfwassererhitzung findet erst statt, wenn das durch den Wärmetauscher strömende Wasser die richtige Temperatur erreicht hat. Je schneller dies geschieht, umso höher wird der Komfort für den Benutzer des Kessels sein. Auch wenn im Kombi-Kessel ein Warmwasserspeicher zur Überbrückung der Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Bedarf an warmem Zapfwasser entsteht, und dem Zeitpunkt, an dem der gewünschte Grad der Erwärmung des Zapfwassers erreicht ist, benutzt wird, ist es erwünscht, das durch den Wärmetauscher strömende Wasser schnell auf der richtigen Temperatur zu haben. Je schneller dies nämlich geschieht, desto kleiner kann der Warmwasserspeicher sein.
Ein erster Grund für den großen Inhalt des Wasserkanals in dem bekannten Wämretauscher ist, daß der Wasserkanal einen relativ großen minimalen Querschnitt haben muß, um diesen Kanal mit Hilfe eines traditionellen Gießverfahrens formen zu können. Diese minimalen Abmessungen dürfen nicht unterschritten werden, weil der Gießkern in diesem Fall wenigstens während des Gießvorgangs eine unzureichende Unterstützung an den Wänden des Kanals bieten könnte. Sowohl im Zusammenhang mit als auch unabhängig vom erwähnten ersten Grund ist ein zweiter Grund für den großen Inhalt des Wasserkanals, daß der Wasserkanal sich nahezu über die ganze Außenfläche des Brennraumes erstreckt, so daß der Wasserkanal eine verhältnismäßig große Länge hat.
Die Tatsache, daß ein Gießkernteil einen minimalen Querschnitt haben soll, um die geforderte Stabilität zu gewährleisten, hat als zusätzlichen nachteiligen Effekt, daß die Elemente des bekannten Wärmetauschers, die die wärmeübertragende Fläche vergrößern, in einem eigentlich von dem angewandten Gießverfahren bestimmten, minimalen gegenseitigen Abstand angeordnet werden müssen.
Ein anderer Nachteil des bekannten Wärmetauschers ist, daß dieser, obwohl Leichtmetall verwendet wird, noch eine relativ große Masse hat, da die verschiedenen Teile wie z.B. die Wand des Brennraumes, die Wand des Wasserkanals und die Elemente, die die wärmeübertragende Fläche vergrößern, relativ dick sind. Der Grund für diese Dicke ist der erforderliche minimale Raum zwischen den Teilen des Gießkernsatzes im Zusammenhang mit Ungenauigkeiten bei der Herstellung des Gießkernsatzes, dem Zusammenbau und dessen Benutzung. Die verhältnismäßig große Masse des Wärmetauschers impliziert, daß die Wärmekapazität des Wärmetauschers relativ groß ist und daß die Materialkosten relativ hoch sind. Die nachteiligen Folgen der großen Wärmekapazität sind vorstehend im Zusammenhang mit dem Wasserkanal erläutert worden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, um einen Wärmetauscher auf eine derartige Weise herzustellen, daß die Beschränkungen des traditionellen Herstellverfahrens überwunden werden und die günstigen Eigenschaften des bekannten Wärmetauschertyps weiter optimiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt: aus einem Kunststoff wird eine Kopie des Wärmetauschers hergestellt, welcher Kunststoff wenigstens bei der Schmelztemperatur des Metalls verdampft; die Oberflächen der Kopie werden mit einer gasdurchlässigen, unterstützenden Schicht aus einem hitzebeständigen Material beschichtet; und Metall in flüssigem Zustand auf die Kopie innerhalb der gasdurchlässigen Schicht gegossen wird, um den Kunststoff zu verdampfen und den von dem Kunststoff eingenommenen Raum mit dem Metall auszufüllen.
Zur Bildung der Wärmetauscherkopie aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polystyrol (EPS), kann auf an sich bekannte Spritzgießverfahren zurückgegriffen werden, mit deren Hilfe die Kopie aus einem Stück oder mehreren Teilen gefertigt werden kann. Die Fertigung in Teilen wird man wählen, wenn die Geometrie des Wärmetauschers und damit auch der Kopie komplex ist. Die zum Formen der Kopieteile benötigte(n) Form/Formen können in diesem Fall relativ einfach ausgeführt werden. Die verschiedenen Teile der Kopie können nach ihrer Fertigung einfach mit einem geeigneten Haftmittel oder durch z.B. Schweißen des Kunststoffes zur Bildung der Kopie miteinander verbunden werden.
Der Kunststoff und das eventuell angewandte Haftmittel sollen eine Verdampfungstemperatur haben, die niedriger ist als oder zumindest gleich hoch ist wie die Schmelztemperatur des Metalls, aus dem der Wärmetauscher hergestellt wird, so daß während des Gießens des flüssigen Metalls auf die Kopie der von der Kopie definierte Raum allmählich von dem Metall eingenommen wird, während der Kunststoff und ggf. das Haftmittel verdampfen und durch die gasdurchlässige, unterstützende Schicht aus hitzebeständigem Material entweichen.
Indem im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem ein Gießkernsatz als Ausgangspunkt zum Definieren der Geometrie des Wärmetauschers dient, jetzt erfindungsgemäß eine Kunststoffkopie diese Aufgabe erfüllt, ist erstens eine größere Gestaltungsfreiheit möglich, in der auch andere Konstruktionselemente wie schalldämmende Vorrichtungen, die eine oder mehrere Hohlräume enthalten, als integraler Bestandteil des Wärmetauschers vorgesehen werden können. Weiter können Details des Wärmetauschers, wie z.B. Wände und Vorsprünge, mit einer geringeren Stärke ausgeführt werden, was die Wärmekapazität des Wärmetauschers wesentlich reduziert und die Wärmeübertragung verbessert. Der Querschnitt des Wasserkanals kann reduziert werden, so daß der Inhalt des Kanals und so die Wärmekapazität des Wassers wesentlich abnimmt, so daß eine schnelle Erhitzung des Wassers stattfinden kann.
Vorzugsweise werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Flächen der Kopie beschichtet, indem man zunächst die Flächen der Kopie mit einer gasdurchlässigen Schicht aus einem ersten wärmebeständigen Material beschichtet und anschließend die gasdurchlässige Schicht mit einer Schicht aus einem unterstützenden, porösen zweiten wärmebeständigen Material beschichtet. Die gasdurchlässige Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material, vorzugsweise einem keramischen Material, insbesondere Siliziumdioxid, Alaunerde, Zirkon, Chromit und/ oder Aluminosilikat, fungiert als "Skelett" für die Kopie zum Erhalt von deren Form vor und während des Gießvorgangs und fungiert außerdem als "Trennungswand" zwischen der Kopie (und während des Gießvorgangs: dem Metall) und der Schicht des unterstützenden, porösen zweiten wärmebeständigen Materials, das vorzugsweise ein keramisches Material ist, und insbesondere aus Sand besteht. Die Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material kann durch eintauchen, übergießen oder aufspritzen aufgetragen werden, und ist vorzugsweise dünn, z.B. 0,25 bis 1,5 mm dick, um das während des Gießvorgangs entstandene Gas leicht durchtreten zu lassen. Die Schicht kann auch dünn sein, weil das zweite wärmebeständige Material für die notwendige Unterstützung der Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material sorgt, insbesondere wenn sich darunter flüssiges Metall befindet. Die Schicht aus dem zweiten wärmebeständigen Material ist gewöhnlich dicker als die Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material und kann einfach dadurch gebildet werden, indem man erst die Hohlräume der mit dem ersten wärmebeständigen Material versehenen Kopie mit Sand füllt und dann die Kopie z.B. in einen Kasten mit Sand stellt, so daß die ganze Außenseite der Kopie mit Ausnahme der notwendigen Gießlöcher ausreichend mit Sand bedeckt ist. Falls eine Verdichtung des Sandes notwendig ist, wird er für eine bestimmte Zeit gerüttelt. Dem Sand wird vorzugsweise kein Bindemittel zugesetzt. Der Sand kann nach dem Gießvorgang und dem Erstarren des Metalls einfach abgeführt werden, wobei der Sand, falls notwendig, durch rütteln aus den Hohlräumen der Kopie entfernt werden kann. Der Sand wird kaum verunreinigt und kann ohne Probleme wiederverwendet oder ohne spezielle Maßnahmen entsorgt werden. Es ist übrigens im Rahmen dieser Erfindung ohne weiteres möglich, dem Sand an sich bekannte Mittel zuzusetzen, um die Formbeständigkeit der Sandmasse insbesondere während des Gießvorgangs zu verbessern, so daß außerdem auf das Anbringen der Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material auf die Kopie verzichtet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, einen Wärmetauscher mit einer relativ geringen Wärmekapazität, einem relativ kleinen Wasserinhalt, einer hervorragenden Wärmeübertragung, einem niedrigen Gewicht und einem niedrigen Preis zu schaffen. Zur Erfüllung einer oder mehrerer der obengenannten Ziele wird der Wärmetauscher gemäß dem vorhergehend beschriebenen Verfahren hergestellt.
Vorzugsweise wird der Wärmetauscher gemäß der Erfindung derart ausgeführt, daß der Wärmetauscher einen integrierten Auslaßkanal für das erste Fluid enthält, der eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung hat, wobei die Einlaßöffnung des Einlaßkanals sich an die Auslaßöffnung des Raumes anschließt. Auf diese Weise kann eine Verbindung mit der notwendigen Abdichtung zwischen dem Raum und dem Auslaßkanal eingespart werden, und kann ein Verbrennungssystem, von dem der Wärmetauscher einen Teil ausmacht, besonders Kompakt gebaut werden.
Vorzugsweise sind im Auslaßkanal nahe von dessen Einlaßöffnung Wärmeleitungselemente zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom ersten Fluid auf den Wärmetauscher angebracht. Dabei erstreckt sich der Kanal für das zweite Fluid in Höhe der Wärmeleitungselemente auch rundum den Auslaßkanal, um die Wärme, die in dem Auslaßkanal dem ersten Fluid entzogen wird, so effektiv wie möglich an das zweite Fluid zu übertragen.
Vorzugsweise ist der durch den Raum und den Auslaßkanal bestimmte Strömungsweg für das erste Fluid U-förmig. Vorteilhaft wäre es, wenn der Einlaß sich in der gleichen Ebene wie die Auslaßöffnung des Auslaßkanals befinden würde. Dadurch können die zum Wärmetauscher gehörenden Komponenten eines Verbrennungssystems wie beispielsweise ein Brenner, ein Rauchgasauslaßkanal u.ä. einfach und als kompakte Einheiten an dem Wärmetauscher montiert werden.
Vorteilhafterweise werden der Einlaß des Raumes und der Auslaß des Auslaßkanals durch einen gemeinsamen Flansch gebildet. Nach dem Gießen des Wärmetauschers braucht in diesem Fall nur eine Flanschfläche nachbearbeitet zu werden, was in einem einzigen Bearbeitungsgang stattfinden kann. Eventuelle Maßabweichungen des Gußteils haben keinen oder kaum Einfluß auf die Anschlüsse an der erwähnten Einlaß- und Auslaßöffnung. Wenn an dem Flansch zu montierende Komponenten (im Fall einer Verbrennungsvorrichtung: ein Brenner und ein Rauchgasauslaß) vor der Montage zu einem zusammengesetzten Komponenten zusammengebaut worden sind, kann diese zusammengesetzte Komponente in einem Arbeitsgang montiert werden. Die Demontage einer zusammengesetzten Komponente führt zu einer Vereinfachung der Wartung und der Reinigung des Wärmetauschers.
Vorzugsweise wird der Wärmetauscher derart ausgeführt, daß der Raumquerschnitt, quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids betrachtet, in der Strömungsrichtung des ersten Fluids abnimmt. So erreicht man, daß die Strömungsgeschwindigkeit des, in seiner Strömungsrichtung durch Wärmeübertragung an das zweite Fluid abkühlenden ersten Fluids immer ausreichend hoch bleibt, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten.
Auf zweckmäßige Weise sind die Windungen des Kanals zueinander in einer gewissen Entfernung positioniert. Dank dieser Maßnahme ist das Volumen des Fluids in dem Kanal, gewöhnlich Wasser, klein. Das Fluid kann daher schnell aufgewärmt werden.
Vorzugsweise wird der Wärmetauscher derart ausgeführt, daß an wenigstens einem Teil der Raumwand die Vorsprünge fehlen, wobei dieser Wandteil mit sich, quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids im Raum betrachtet, erstreckenden, in den Raum ragenden Wölbungen versehen ist. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung vom ersten Fluid an das zweite Fluid besitzt der Wärmetauscher erfindungsgemäß einen oder mehrere sich von der Kanalwand aus in den Kanal ragende Vorsprünge. Ebenso wie die Vorsprünge im Raum für das erste Fluid können die Vorsprünge im Kanal auf mancherlei verschiedene Weisen ausgebildet werden (im allgemeinen derart, daß eine Turbulenz des zweiten Fluids erzeugt oder erhöht wird), beispielsweise als Zapfen oder Rippen.
Diese Wölbungen erzeugen Turbulenzen in der Strömung des ersten Fluids und führen zu einer Vergrößerung der Wärmetauscherfläche, die mit dem ersten Fluid in Berührung kommt. Beide Effekte führen zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung vom ersten Fluid an die Raumwand. Vorzugsweise befinden sich in Höhe der Wölbungen Teile des Kanals, so daß außerdem die Wärmeübertragung des ersten Fluids an das zweite Fluid verbessert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1
in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Kopie des Wärmetauschers gemäß der Erfindung, in auseinander genommener Form
Figur 2
in perspektivischer Darstellung die Kopie aus Figur 1 in zusammengesetzter Form,
Figur 3
einen Teil der Kopie in Figur 1 in einer Seitenansicht gemäß dem Pfeil III in Figur 1,
Figur 4
in perspektivischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der Kopie aus auseinander genommener Form eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung und
Figur 5
in perspektivischer Darstellung die Kopie in Figur 4 in zusammengesetzer Form.
In den verschiedenen Figuren beziehen sich gleiche Verweisungsnummer sich auf gleiche Teile oder auf Teile mit einer ähnlichen Funktion.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Kopiegehäuseteil 2, ein Kopiegehäuseteil 4, ein Kopiegehäuseteil 6 und einen Kopiekanalteil 8. Die Kopiegehäuseteile 2 und 4 enthalten jeweils Seitenwände 10, 12 und 14, eine Bodenwand 16 und eine Innenwand 18. In der in Figur 2 abgebildeten zusammengebauten Form der Kopie begrenzen die Seitenwände 10, ein Teil 12a von jeder der Seitenwände 12, ein Teil 16a von jeder der Bodenwände 16, und die Innenwände 18 einen Wärmetauschraum, dessen Querschnitt von oben nach unten betrachtet abnimmt. Die Seitenwände 14, ein Teil 12b von jeder der Seitenwände 12, ein Teil 16b von jeder der Bodenwände 16, und die Innenwände begrenzen einen Auslaßkanal. Die Seitenwände 10, 12 und 14 und die Innenwand 18 von jedem Kopiegehäuseteil enden an einer gemeinsamen Kante im Flansch 20. Die Flansche 20 (Figur 2) begrenzen ihrerseits eine große Öffnung, Einlaßöffnung 22 des Wärmetauschraumes genannt, und eine kleine Öffnung, Auslaßöffnung 24 des Auslaßkanals genannt. So befindet sich die Einlaßöffnung 22 in der gleichen Ebene wie die Auslaßöffnung 24. Außerdem besitzt der Wämetauschraum eine Auslaßöffnung, welche mit der Einlaßöffnung des Auslaßkanals zusammen fällt und von dem Durchlaß zwischen den Bodenwänden 16 und den Innenwänden 18 gebildet wird. Bei dieser Formgebung ist in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher der von dem Raum und dem Auslaßkanal bestimmte Strömungsweg für das erste Fluid U-förmig.
An jener Seite jeder Seitenwand 12, welche dem anderen Kopiegehäuseteil 4 zugewandt ist, ist in dem Wärmetauschraum eine große Anzahl Zapfen 26 in einem vorbestimmten Muster angebracht. Die Zapfen 26 haben in den Figuren 1 und 3 einen kreisförmigen Querschnitt; sie können jedoch auch eine andere Form, wie beispielsweise einen ovalen oder rechteckigen Querschnitt haben. Weiter können die Zapfen 26 über ihre Länge betrachtet unterschiedliche Querschnitte haben, zum Beispiel größer an ihren Fußenden als an deren freien Enden sein. Die Zapfen 26 können auch durch Rippen o.ä. ersetzt werden. Ausgangspunkt für die Positionierung und Gestaltung der Zapfen, Rippen o.ä. ist immer, daß (in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher) ein daran vorbei strömendes Fluid keine gerade Strecke von der Einlaßöffnung des Raumes zur Auslaßöffnung des Raumes zurücklegen können darf, weil damit der Wärmeübertragung, die über die Zapfen, die Rippen o.ä. stattfindet, Abbruch getan würde.
Auch in dem Kanal können im Prinzip willkürlich geformte Vorsprünge wie Zapfen 27 oder Rippen zur Förderung der Wärmeübertragung, die in dem Kanal 28 stattfindet, angebracht werden. Die Zapfen 27 o.ä. können an den Kopiekanalteilen 6 oder 8 (Figur 4) oder an den Kopiegehäuseteilen 2 oder 4 (Figur 1) oder an beiden Arten von Teilen angebracht werden.
In den Seitenwänden 10 und 12 und in den Innenwänden 18 sind Teile eines Kanals ausgebildet, welche Teile zusammen einen sich schraubenförmig um den Wärmetauschraum erstreckenden Kanal 28 mit einem Kanaleinlaß 30 und einem Kanalauslaß 32 bilden. Erwähnte Teile des Kanals können in den Seitenwänden 10 und den Innenwänden 18 auch mit nicht näher gezeigten, beispielsweise rippenförmigen Vorsprüngen versehen sein. Die Kanalteile in den Seitenwänden 10 und den Innenwänden 18 sorgen dafür, daß die Wand des von diesen begrenzten Raums teilweise gewölbt ist.
Die Kopiegehäuseteile 2 und 4 und die Kopiekanalteile 6 und 8 sind alle derart ausgebildet, daß sie mit Hilfe einer relativ einfachen Form aus einem Kunststoffmaterial ohne die Notwendigkeit, unter einem bestimmten Winkel zur Löserichtung der Form zu bewegende Formteile verwenden zu müssen, hergestellt werden können. Wenn die Teile 2 bis 8 geformt sind, werden sie zu einer vollständigen Kopie des zu fertigenden Wärmetauschers zusammengebaut, wie in Figur 2 gezeigt ist. Dazu werden die Teile 2 bis 8 vorzugsweise mit einem geeigneten Haftmittel zusammen geklebt. Im Hinblick auf die Zapfen 26 sei hier bemerkt, daß diese eine derartige Länge und Position haben können, daß sie nach dem Zusammenbau der Teile 2 und 4 eine Brücke zwischen den jeweiligen Seitenwänden 12 der Teile 2 und 4 bilden. Die Zapfensätze 26 der unterschiedliche Teile 2 und 4 können außerdem auch gegeneinander versetzt positioniert sein und zwischen einander vorstehen. Eine andere Möglichkeit ist, daß die Zapfen 26 des Teils 2 und die Zapfen des Teils 4 wohl fluchten, aber die Enden der Zapfen sich nicht gegenseitig berühren. Im letzten Fall werden die Zapfen eines jeden Teils 2, 4 unterschiedliche Längen voneinander haben müssen, um zu verhindern, daß (in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher) ein Teil des durch den Wärmetauscher strömenden Fluids auf einem direkten Weg von der Zuflußöffnung zu der Auslaßöffnung strömen kann.
Nach dem Zusammenbau der Kopie wird diese auf ihrer ganzen Oberfläche mit einer gasdurchlässigen Schicht aus einem ersten wärmebeständigen Material versehen. Anschließend werden alle Räume in der Kopie mit einem zweiten wärmebeständigen Material gefüllt und wird die so erhaltene Kopie auch an der Außenseite mit dem zweiten wärmebeständigen Material beschichtet. Wenn jetzt ein flüssiges Metall auf die Kopie gegossen wird, verdampft das Material der Kopie, wobei die dabei entstehenden Gase durch die Schicht aus dem ersten wärmebeständigen Material und durch das poröse zweite wärmebeständige Material entweichen. Das Metall erstarrt innerhalb der von dem ersten wärmebeständigen Material bestimmten Form, so daß der gewünschte Wärmetauscher entsteht. Anschließend werden das zweite und das erste wärmebeständige Material entfernt, wonach der gegossene Wärmetauscher für die Aufnahme in und Benutzung von einem dazu gehörenden Verbrennungssystem fertig ist. Bei Verwendung des Wärmetauschers strömt ein erstes Fluid wie ein heißes Rauchgas von der Einlaßöffnung 22 zu der Auslaßöffnung des Wärmetauschraumes an den Zapfen 26 vorbei. Anschließend strömt das erste Fluid durch den Auslaßkanal und verläßt es den Wärmetauscher durch die Auslaßöffnung 24.
Gleichzeitig strömt im Gegenstrom ein zweites Fluid wie z.B. Wasser durch den Kanal 28 von der Einlaßöffnung 30 zu dessen Auslaßöffnung 32, wobei dieses zweite Fluid die von dem ersten Fluid abgegebene Wärme aufnimmt. Beim Wärmetausch entstehnde Korrosionsprodukte und Kondensat können den Wärmetauscher über eine Auslaßöffnung 34 (Figur 2) verlassen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform der Kopie eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung, welche in weiten Bereichen auf ähnliche Weise wie die Kopie gemäß Figur 1 bis 3 ausgebildet ist. Ein Unterscheidungspunkt betrifft die Gestaltung der Vorsprünge 26a, welche einen rechteckigen Querschnitt haben. Weiter sind die Teile des Kanals 28, welche sich an der Seitenwand 10 erstrecken, vollständig an der dem Wärmetauschraum zugewandten Seite der Seitenwand 10 angebracht, was zu einer ebenen Gestalt der Kopieaußenseite führt. Wie aus Figur 4 hervor geht, ist die Innenwand 18 teilweise doppelt ausgeführt, um (in einem der Kopie entsprechenden Wärmetauscher) den wärmsten Teil des Wärmetauschraums, der sich direkt an der Einlaßöffnung 22 anschließt, in thermischer Hinsicht soweit wie möglich von dem kältesten Teil des Auslaßkanals, der der Auslaßöffnung 24 direkt vorangeht, zu trennen. Ein Teil des Auslaßkanal enthält, ebenso wie der Wärmetauschraum, Vorsprünge 26b. Der Kanal 28 erstreckt sich schraubenförmig um den Wärmetauschraum und in Höhe der Vorsprünge 26b auch um den Auslaßkanal.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers aus Metall, welcher Wärmetauscher umfaßt:
    einen von einer Wand gebildeten Raum, der mit einer Einlaßöffnung (22) zum Zuführen eines ersten Fluids in den Raum und einer Auslaßöffnung zum Abführen des ersten Fluids aus dem Raum versehen ist;
    einen sich im wesentlichen schraubenförmig um den Raum erstreckenden Kanal (28) für ein zweites Fluid; und
    eine Anzahl von Vorsprüngen (26), die von der Wand in den Raum ragen,
    wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte, daß
    a) aus einem Kunststoff eine Kopie des Wärmetauschers hergestellt wird, welcher Kunststoff wenigstens bei der Schmelztemperatur des Metalls verdampft;
    b) die Oberflächen der Kopie mit einer gasdurchlässigen, unterstützenden Schicht aus einem hitzebeständigen Material beschichtet werden; und
    c) Metall in flüssigem Zustand auf die Kopie innerhalb der gasdurchlässigen Schicht gegossen wird, um den Kunststoff zu verdampfen und den von dem Kunststoff eingenommenen Raum mit dem Metall auszufüllen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) die Schritte umfaßt, daß
    b1) die Oberflächen der Kopie mit einer gasdurchlässigen Schicht aus einem ersten hitzebeständigen Material beschichtet werden; und
    b2) die gasdurchlässige Schicht mit einer Schicht aus einem unterstützenden, porösen zweiten hitzebeständigen Material beschichtet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polystyrol (EPS) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste hitzebeständige Material keramisches Material enthält, insbesondere Siliziumoxid, Alaunerde, Zirkon, Chromit und/ oder Aluminosilikat.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite hitzeständige Material keramisches Material, insbesondere Sand, enthält.
  6. Wärmetauscher, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einer der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen integrierten Auslaßkanal für das erste Fluid umfaßt, welcher Kanal eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung (24) hat, wobei sich die Einlaßöffnung des Auslaßkanals an die Auslaßöffnung des Raumes anschließt.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auslaßkanal nahe von dessen Einlaßöffnung Wärmeleitungselemente (26b) angebracht sind.
  9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kanal (28) für das zweite Fluid in Höhe der Wärmeleitungselemente (26b) unter anderem um den Auslaßkanal erstreckt.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Raum und dem Auslaßkanal bestimmte Strömungsweg für das erste Fluid U-förmig ist.
  11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einlaßöffnung (22) des Raumes in der gleichen Ebene wie die Auslaßöffnung (24) des Auslaßkanals befindet.
  12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (22) des Raumes und die Auslaßöffnung (24) des Auslaßkanals von einem einzigen gemeinsamen Flansch gebildet werden.
  13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Raumes, quer zur Strömungsrichtung des darin enthaltenen Fluids betrachtet, in Strömungsrichtung des ersten Fluids abnimmt.
  14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Kanals (28) zueinander beabstandet sind.
  15. Wärmetauscher nach einer der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Teil der Raumwand die Vorsprünge fehlen, wobei der Wandteil mit sich quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids im Raum betrachtet erstreckenden, in den Raum ragenden Wölbungen versehen ist.
  16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich in Höhe der Wölbungen Teile des Kanals befinden.
  17. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Vorsprünge von der Kanalwand aus in den Kanal hinein ragen.
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