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Dokumentenidentifikation DE102005010501A1 14.09.2006
Titel Wärmetauscher für ein Heißwassergerät
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Hubert, Stefan, 55270 Engelstadt, DE;
Forberich, Oliver, Dr., 61449 Steinbach, DE
Vertreter Jeck · Fleck · Herrmann Patentanwälte, 71665 Vaihingen
DE-Anmeldedatum 08.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005010501
Offenlegungstag 14.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.09.2006
IPC-Hauptklasse F24H 9/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24H 9/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Heißwassergerät mit einem Wärmetauschergehäuse (10), das einen Innenraum (12) aufweist, der mittels einer Brennereinheit (14) geheizt und von dem zu erwärmenden Wasser umströmt wird. Der Innenraum (12) wird an einer Seite (24) von der Brennereinheit und an der gegenüberliegenden Seite (26) von einer Kondensationseinheit begrenzt. Der Innenraum (12) ist der Brennraum der Brennereinheit.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Heißwassergerät mit einem Wärmetauschergehäuse, das einen Innenraum aufweist, der mittels einer Brennereinheit geheizt und von dem zu erwärmenden Wasser umströmt wird.

Derartige Heißwassergeräte mit Gas- oder Ölbrenner sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen für unterschiedliche Anwendungen bekannt. Sie können beispielsweise zur Warmwasser-Versorgung von Wohnungen oder eines Hauses mit Brauch- und/oder Heizungswasser dienen.

Ein herkömmliches Heißwasser-Geräte kann bekanntermaßen einen von dem zu erwärmenden Wasser durchflossenen Wärmetauscher und eine Gasbrennereinheit aufweisen. Diese bekannten Wärmetauscher haben typischerweise eine rechteckige oder zylinderförmige Konfiguration und werden durch Rohrschlangen aus Aluminium oder rostfreiem Stahl gebildet. Wärmetauscher aus Alu-Sandguß sind ebenfalls bekannt. Die vom Wärmetauscher umgebene, zugehörige Gasbrennereinheit kann zylinderförmig als Rohr oder flach beziehungsweise leicht gewölbt (sehr großer Radius) aus rostfreiem Stahl gebildet sein, und weist ein Gebläse auf, mit dem ein vorgemischtes Gas/Luft-Gemisch in den Brenner eingeblasen wird.

Diese bekannten Heißwassergeräte weisen verschiedene Nachteile auf. Zum einen ist die herkömmliche Anordnung aus Wärmetauscher und Brennereinheit relativ großbauend ausgeführt. Dies liegt insbesondere daran, dass herkömmliche Brennereinheiten und hierbei vor allem der Brennraum ein großes Volumen aufweisen müssen. Ein derartiger Aufbau ist aufgrund der relativ geringen spezifischen Leistung herkömmlicher Gasbrennereinheiten notwendig, um einen ausreichenden Wärmeübertrag auf das zu erwärmende Wasser zu erreichen. Zum anderen sind die bei bekannten Heißwassergeräten verwendeten Wärmetauscher kompliziert in Ihrer Herstellung.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Brennereinheit für einen Heizkessel mit einer Flammbeständigkeit bei sehr hohen spezifischen Heizraten von mehr als 45 kW/dm2 unter Verwendung einer Brennermatte aus SiC aufzubauen. Wenn eine derartige Brennereinheit mit einem herkömmlichen Wärmetauscher kombiniert wird, ist kein angepasster Betrieb möglich. Der herkömmliche Wärmetauscher ist von seiner Geometrie nämlich so groß, dass ein entsprechend angepasster Brenner mit einer Brennermatte aus SiC weitaus überdimensioniert ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher anzugeben, der bei besonders kompakter Bauweise eine Leistungsfähigkeit aufweist, die zu einer Brennereinheit mit sehr hohen spezifischen Heizraten passt. Darüber hinaus soll der Wärmetauscher einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen sein und auf einfache Weise mit einer derartigen Brennereinheit kombiniert werden können.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen beschrieben.

Demgemäss wird der Innenraum an einer Seite von der Bennereinheit und an der gegenüberliegenden Seite von einer Kondensationseinheit begrenzt und wobei der Innenraum der Brennraum der Brennereinheit ist. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders kompakte Bauform, zumal kein unnötiger Platz zwischen Wärmetauscher und Brennereinheit ungenutzt bleibt, sondern vielmehr eine komprimierte Verbindung aller Komponenten gegeben ist.

Um die Anordnung nach dem besonders bevorzugten Gegegenströmungsprinzip zu betreiben, kann die Brennereinheit am oberen Ende und die Kondensationseinheit am unteren Ende des Wärmetauschergehäuses angeordnet sein, wobei der Innenraum einen rechteckigen Querschnitt aufweisen kann.

Ein leichter und platzsparender Einbau in ein Heißwassergerät kann dadurch erreicht werden, dass das Wärmetauschergehäuse einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Wärmetauschergehäuse aus mindestens zwei Gehäuseteilen zusammengesetzt sein, die jeweils wasserführende Kanäle aufweisen, welche im Anschlussbereich der Gehäuseteile fluiddicht miteinander verbunden sind. Mit dem mindestens zweiteiligen Aufbau mit integrierten wasserführenden Kanälen ist der Aufbau eines kompakten, leistungsfähigen und kostengünstigen Wärmetauschers möglich, der die vollen Vorteile und Potenziale einer leistungsfähigen Brennereinheit ausnutzt.

Um eine möglichst gute Aufnahme der von der Brennereinheit erzeugten Wärme und einen optimierten Wärmeübertrag an das zu erhitzende Wasser zu schaffen, kann der Innenraum eine Mehrzahl von in den Innenraum hervorstehenden Rippen aufweisen. Die wirksame Oberfläche an den Innenraumwandungen wird somit wirkungsvoll vergrößert.

Um eine erhöhte Emission beim Verbrennen des Gas-/Luftgemisches zu verhindern, muss sicher gestellt werden, dass die von der Brennereinheit erzeugten Flammen die Rippen nicht berühren.

Einen besonders guten Wärmeübertrag aber auch eine gute Stabilität der Rippen kann dadurch erreicht werden, dass die Rippen als Säulen mit rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt ausgebildet sind. Dabei können vorteilhafterweise die Rippen rasterförmig an der breiten Seite des Wärmetauschergehäuses angeordnet sein.

Das Wärmetauschergehäuse kann eine Mehrzahl von Gehäusewandungen aufweisen, die den Innenraum umschließen und innerhalb welcher die wasserführenden Kanäle ausgebildet sind. Durch die direkte Integration der wasserführenden Kanäle innerhalb der den Innenraum umgebenden Gehäusewandung wird zu einen ein sehr kompakter Aufbau und zum anderen ein direkter Wärmeübertrag vom Innenraum in das zu erhitzende Wasser geschaffen.

Um in dem von der Verbrennungszone der Brennereinheit entfernten Bereich, der eine relativ geringe Wärmeentwicklung aufweist, einen möglichst effektiven Wärmeübertrag auf das umströmende Wasser zu erreichen, können die in diesem Bereich im Innenraum angeordneten Rippen sich mit maximaler Höhe in den Innenraum hineinerstrecken. Dabei kann die maximale Höhe der Rippen größer als 30 mm sein. Teilweise können sich die Rippen auch mit den gegenüberliegenden Rippen verzahnen. Sie sollten sich nur nicht berühren.

Da in dem Bereich, der nahe der Verbrennungszone der Brennereinheit angeordnet ist, die größte Wärmeentwicklung auftritt und hier insbesondere die Gefahr des Kochens des umströmenden Wassers besteht, können die nahe der Verbrennungszone der Brennereinheit im Innenraum angeordneten Rippen sich mit einer geringeren Höhe als der maximaler Höhe in den Innenraum hineinerstrecken.

Um in der unmittelbaren Verbrennungszone der Brennereinheit, in der eine relativ geringe Wärmeentwicklung auftritt, einen möglichst effektiven Wärmeübertrag auf das umströmende Wasser zu erreichen, können die in der Verbrennungszone der Brennereinheit im Innenraum keine hervorstehenden Rippen zur Aufnahme der von der Brennereinheit erzeugten Wärme angeordnet sein.

Vorteilhafter Weise können am Wärmetauschergehäuse Temperatursensoren zur Begrenzung und Steuerung der Wasser- und Wärmetauschertemperatur angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine Gehäusewandung eine im Innenraum endende Durchführung für die Zündelektrode der Brennereinheit und für eine Zündüberwachungseinrichtung oder ein Schauglas zur Beobachtung des Innenraumes aufweisen.

Die Kondensationseinheit kann eine Kondensationsplatte zur Ableitung von Kondenswasser aufweisen, die aus Metall oder Kunststoff besteht, da im Bereich der Kondensationseinheit nur Temperaturen von bis zu 80°C auftreten. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung.

Um die Anordnung nach dem besonders bevorzugten Gegegenströmungsprinzip zu betreiben, kann die Brennereinheit eine im Innenraum von oben nach unten gerichtete Flammenrichtung und Strömungsrichtung der Verbrennungsgase in Richtung auf die Kondensationseinheit aufweisen.

Eine besonders kompakte Bauform wird dadurch erreicht, dass der Innenraum einen rechteckigen Querschnitt aufweist und die Brennereinheit sowie die Kondensationseinheit einen im Anschlussbereich zum Innenraum korrespondierenden rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Brennereinheit als eine Gasbrennereinheit mit einer flachen Brennermatte ausgebildet sein, die rechteckig ausgeformt sein kann.

Die Brennermatte kann aus einem Vlies aus keramischen Fasern bestehen, wobei die keramischen Fasern durch Silizium-Karbid-Fasern gebildet sein können.

Bevorzugtermaßen kann die Brennermatte durch eine Matte gebildet sein, die unter der Marke CERAMAT® auf dem Markt ist.

Insgesamt weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine besonders kompakte Bauweise auf. Mit seiner Leistungsfähigkeit passt er zu einer Brennereinheit mit sehr hohen spezifischen Heizraten. Darüber hinaus ist der Wärmetauscher einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen. Er lässt sich auch auf einfache Weise mit einer derartigen Brennereinheit kombinieren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 in schematischer Vorderansicht einen Wärmetauscher mit am oberen Ende angebrachter Brennereinheit und am unteren Ende angebrachter Kondensationseinheit;

2 in schematischer Rückansicht die in 1 gezeigte Anordnung;

3 in schematisch-perspektivischer Vorderansicht den in den 1 und 2 gezeigten Wärmetauscher, bei dem der vordere Deckel, die Brennereinheit und die Kondensationseinheit entfernt sind;

4 in schematisch-perspektivischer Rückansicht die in der 3 gezeigte Anordnung, wobei zusätzlich der hintere Deckel entfernt ist, und

5 in schematisch-perspektivischer Vorderansicht die in der 3 gezeigte Anordnung, wobei zusätzlich das in 3 gezeigte Gehäuseteil 16b entfernt ist.

1 zeigt in schematischer Vorderansicht einen Wärmetauscher mit am oberen Ende 24 des Wärmetauschergehäuses 10 angebrachter Brennereinheit 14 und am unteren Ende 26 angebrachten Kondensationseinheit 28. Das Wärmetauschergehäuse 10 weist einen Innenraum 12 auf, der mittels der Brennereinheit 14 geheizt wird und den Brennraum der Brennereinheit 14 darstellt.

Der Innenraum 12 wird von dem zu erwärmenden Wasser umströmt, wobei der komplette Wärmetauscher mit so wenig wie möglich Wasser umgeben ist. Kaltes Wasser strömt am unteren Ende in den Wasser-Vorlaufanschluss 42 ein und erhitztes Wasser kann am oberen Ende des Wärmetauschergehäuses 10 am Wasser-Rücklaufanschluss 44 entnommen werden.

Die Brennereinheit 14 ist als eine (nicht detailliert dargestellte) Gasbrennereinheit mit Gaseinlass und Verteilerblech und einer flachen, rechteckigen Brennermatte aus einem Vlies aus keramischen Silizium-Karbid-Fasern ausgebildet. Eine derartige Brennermatte ist unter der Marke CERAMAT® auf dem Markt. Die Brennereinheit 14 ist durch Bolzen und Gewindemuttern montiert unter Verwendung einer vorgeformten Silikon-Dichtung. Die Brennereinheit 14 erzeugt im Innenraum 12 des Wärmetauschers von oben nach unten gerichtete Flammen und eine Strömung der Verbrennungsgase in Richtung des Pfeils V in Richtung auf die Kondensationseinheit 28.

Der Wärmetauscher arbeitet also mit dem so genannten Gegenstromprinzip, denn Verbrennungsgase und Wasser in Gegenströmung führt zu bester Wärmeübertragung. Das anfallende Kondensat kann dabei den Innenraum aufgrund der abwärts gerichteten Strömung V des Verbrennungsgases schnell an der am unteren Ende 26 angebrachten Kondensationseinheit 28 verlassen.

Die Kondensationseinheit 28 weist eine Kondensationsplatte zur Ableitung von Kondenswasser auf, das bei der Verbrennung von Gas entsteht. Die Kondensationseinheit 28 besteht aus Metall, kann jedoch auch aus Kunststoff bestehen, da sie nicht über 80°C erwärmt wird. Die Kondensationseinheit 28 ist durch Bolzen und Gewindemuttern montiert unter Verwendung einer vorgeformten Silikon-Dichtung.

Der Innenraum 12 weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Brennereinheit 14 sowie die Kondensationseinheit 28 haben dementsprechend einen im Anschlussbereich zum Innenraum 12 korrespondierenden rechteckigen Querschnitt. Der Innenraum 12 weist somit ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt auf.

Das Wärmetauschergehäuse 10 weist eine in der Zeichenebene der 1 liegende Gehäusewandung 32c auf, die von einem Deckel 40 abgedeckt ist. An der vom Deckel 40 abgedeckten Außenseite sind in der Gehäusewandung 32c (nachfolgend in 3 dargestellte) wasserführende Rinnen 38 ausgebildet, die durch den Deckel 40 fluiddicht abgedeckt sind. Der Deckel 40 ist an der Außenseite der Gehäusewandung 32c mittels mehrerer Schraubverbindungen 46 an der Gehäusewandung 32c befestigt. Sternförmig um die Schraubverbindungen 46 herum sind im Deckel 40 Versteifungen zur Stabilisierung des Deckels 40 ausgeformt. Der Deckel 40 muss nämlich bis zu 3bar Wasserdruck widerstehen. Eine (in 1 nicht gezeigte) Dichtung kann zwischen dem Deckel 40, den Rinnen 38 und der Außenseite der Gehäusewandung 32c angeordnet sein. Die Dichtung kann eine vorgeformte Formdichtung beispielsweise aus Silikon sein.

Alternativ kann der Deckel 40 auch mittels Niet- oder Klemmverbindungen an der Gehäusewandung 32c angebracht sein. Weiterhin alternativ kann der Deckel 40 an der Außenseite der Gehäusewandung 32c verschweißt, verklebt oder dergleichen fest verbunden an der Gehäusewandung 32c befestigt sein.

Die 2 zeigt in schematischer Rückansicht die in 1 gezeigte Anordnung. Am oberen Ende 24 des Wärmetauschergehäuses 10 ist die Brennereinheit 14 und am unteren Ende 26 die Kondensationseinheit 28 angebracht. Die Brennereinheit 14 erzeugt im Innenraum 12 des Wärmetauschers eine Strömung der Verbrennungsgase in Richtung des Pfeils V von oben nach unten.

Das Wärmetauschergehäuse 10 weist eine in der Zeichenebene der 1 liegende Gehäusewandung 32a auf, die von einem Deckel 40 abgedeckt ist. Der Deckel 40 ist als ein Aluminium-Druckguss-Teil ausgebildet. An der vom Deckel 40 abgedeckten Außenseite sind in der Gehäusewandung 32a (nachfolgend in 4 gezeigte) wasserführende Rinnen 38 ausgebildet, die durch den Deckel 40 fluiddicht abgedeckt sind. Der Deckel 40 ist an der Außenseite der Gehäusewandung 32a mittels mehrerer Schraubverbindungen 46 an der Gehäusewandung 32a befestigt. Sternförmig um die Schraubverbindungen 46 herum sind im Deckel 40 Versteifungen zur Stabilisierung des Deckels ausgeformt. Eine (in 2 nicht gezeigte) Dichtung kann zwischen dem Deckel 40, den Rinnen und der Außenseite der Gehäusewandung 32a angeordnet sein.

3 zeigt in schematisch-perspektivischer Vorderansicht den in den 1 und 2 gezeigten Wärmetauscher, bei dem der vordere Deckel 40, die Brennereinheit 14 am oberen Ende 24 des Wärmetauschergehäuses 10 und die Kondensationseinheit 28 am unteren Ende 26 entfernt sind.

Das Wärmetauschergehäuse 10 ist aus zwei Gehäuseteilen 16a und 16b zusammengesetzt und weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Das Wärmetauschergehäuse 10 weist dabei vier Gehäusewandungen 32a, 32b, 32c und 32d auf, die den Innenraum 12 umschließen und innerhalb welcher die wasserführenden Kanäle ausgebildet sind. Die Gehäuseteilen 16a und 16b enthalten (nachfolgend in 5 gezeigte) Wasserkanäle 20 in ihren Schmalseiten und besitzen an ihren Außenseiten Wasserrinnen 38.

Die Gehäusewandungen 32a, 32b, 32c und 32d sind im Wesentlichen als ebene, flächige Bauteile ausgebildet. Jeweils zwei der Gehäusewandungen, nämlich die Gehäusewandungen 32a und 32c und die Gehäusewandungen 32b und 32d sind durch den Innenraum 12 beabstandet einander gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet. Somit bilden die Gehäusewandungen 32a, 32b, 32c und 32d zusammen mit der (nicht gezeigten) Brennereinheit 14 und der (nicht gezeigten) Kondensationseinheit 28 im Wesentlichen die räumliche Form eines Quaders, wobei der Innenraum 12 an einer Seite 24 von der Bennereinheit 14 und an der gegenüberliegenden Seite 26 von einer Kondensationseinheit 28 begrenzt wird und ebenfalls quaderförmig ausgebildet ist.

Das Gehäuseteil 16b weist eine im Wesentlichen ebene, rechteckige Gehäusewandung 32c auf, an deren langen Seiten 34a, 34b jeweils zwei einander gegenüberliegende, parallel zueinander angeordnete, sich senkrecht zur Gehäusewandung 32c erstreckende Gehäusewandungsabschnitte 36a und 36b fest verbunden sind. Die Gehäusewandungsabschnitte 36a und 36b enden jeweils in einem Anschlussbereich 22 der zwei Gehäuseteile 16a und 16b. Die zwei Gehäuseteile 16a und 16b bilden jeweils ein im Wesentlichen U-förmiges Profilelement.

Gemäß einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann das Wärmetauschergehäuse aus vier Gehäuseteilen zusammengesetzt sein. Jedes der vier Gehäuseteile weist jeweils zwei, sich senkrecht zueinander erstreckende Gehäusewandungsabschnitte auf, die jeweils in einem Anschlussbereich der vier Gehäuseteile enden. Die vier Gehäuseteile bilden im Wesentlichen L-förmige Profilelemente, welche die Kantenbereiche des quaderförmigen Wärmetauschergehäuses bilden. Der gebildete Innenraum wird an einer Seite von der Bennereinheit und an der gegenüberliegenden Seite von einer Kondensationseinheit begrenzt.

Die beiden Gehäuseteile 16a und 16b sind jeweils als ein Aluminium-Druckguss-Teil ausgebildet. Die Gehäuseteile 16a und 16b sind mittels einer oder mehrerer Schraubverbindungen 50 miteinander befestigt. Am Anschlussbereich 22 zwischen den beiden Gehäuseteilen 16a und 16b bzw. der wasserführenden Kanäle ist jeweils eine Dichtung 52 zwischen beiden Gehäuseteilen 16a und 16b angeordnet.

Alternativ können die Gehäuseteile 16a und 16b mit einer Niet- oder Klemmverbindung miteinander verbunden sein. Weiterhin alternativ können die zwei Gehäuseteile 16a und 16b miteinander verschweißt, verklebt oder dergleichen fluiddicht fest miteinander verbunden sein.

Zur Ausbildung von wasserführenden Kanälen am Gehäuseteil 16b ist an der Außenseite der Gehäusewandung 32c eine Mehrzahl von Rinnen 38 ausgebildet, die durch einen (nur in 1 gezeigten) außenseitig angebrachten Deckel 40 fluiddicht abgedeckt sind. Die Rinnen 38 in der Gehäusewandung 32c bilden zusammen mit dem Deckel 40 die wasserführenden Kanäle 18. Die wasserführenden Kanäle 18 erstrecken sich parallel zum Innenraum 12 und im Wesentlichen senkrecht zur Flammenrichtung der am oberen Ende 24 anzuordnenden (in 3 nicht gezeigten) Brennereinheit 14 bzw. zur Strömungsrichtung V der Verbrennungsgase. Jedoch sind die Kanäle 18 am in der 3 linken Randbereich in Richtung des unteren Endes 26 geneigt und verlaufen leicht diagonal.

Wie nachfolgend anhand der 4 gezeigt werden wird, verlaufen an der rückseitigen Gehäusewandung 32a die Kanäle 18 senkrecht zur Strömungsrichtung V der Verbrennungsgase wobei in den Gehäusewandungsabschnitte 36a und 36b der beiden Gehäuseteile 16a und 16b (in 5 gezeigte) Verbindungskanäle 20 ausgebildet sind, welche die an der Gehäusewandung 32c vorderseitigen Kanäle 18 mit den an der Gehäusewandung 32a rückseitigen Kanälen 18 verbindet. Die Kanäle 20 sind im Anschlussbereich 22 der beiden Gehäuseteile 16a und 16b jeweils miteinander fluiddicht verbunden. Somit wird eine im Wesentlichen spiralförmige Wasserströmung um die Mantelfläche des quaderförmigen Innenraums 12 herum in den Gehäusewandungen 32a, 32b, 32c und 32d geführt.

Die wasserführenden Kanäle 18 weisen einen durch den Querschnitt der Rinnen 38 und die einseitige Begrenzung durch den Deckel 40 bestimmten rechteckigen Querschnitt auf. Die Kanalbreite b der wasserführenden Kanäle 18 ist größer als deren Kanaltiefe t, insbesondere ist die Kanalbreite b der wasserführenden Kanäle 18 mindestens doppelt so groß wie deren Kanaltiefe t. Die Kanalbreite b der wasserführenden Kanäle 18 wird parallel zum Innenraum 12 bzw. zur Erstreckungsrichtung der Gehäusewandung 32c gemessen, wohingegen senkrecht dazu eine Kanaltiefe t gemessen wird, die den Abstand des Deckels 40 vom „Talboden" der Rinnen 38 bestimmt. Die wasserführenden Kanäle 18 weisen an der Gehäusewandung 32c stets eine gleichbleibende, geringe Kanaltiefe t auf, um einen Abfall des Wasserdruck zu vermeiden. Insgesamt kann in die wasserführenden Kanäle ca. 0,8 bis 1,1 Liter Wasser aufgenommen werden.

Die von der Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 entfernt angeordneten wasserführenden Kanäle 18a weisen eine große Kanalbreite b auf, so dass das Wasser in den Kanälen 18a eine sehr langsame Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s bis 1,0 m/s, vorzugsweise von 0,8 m/s aufweist. Hierbei soll vom Wasser möglichst viel Wärme bei langsamem Durchlauf aufgenommen werden.

Die wasserführenden Kanäle 18b, die nahe der Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 angeordnet sind, weisen eine geringere Kanalbreite b auf, als die Kanäle 18a, die von der Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 entfernt angeordnet sind. Das Wasser in den Kanälen 18b weist eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 bis 2,5 m/s auf. In dem Bereich, der an die Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 angrenzt und in dem der Wärmeübertrag am höchsten ist, besteht die Gefahr des Kochens. Deshalb strömt das Wasser hier mit einer besonders hohen Strömungsgeschwindigkeit, wobei hier die Kanäle eine besonders geringe Kanalbreite aufweisen.

Der in der Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 angeordnete wasserführende Kanal 18c weist eine derart große Kanalbreite b auf, dass das Wasser im Kanal 18c eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s bis 1,5 m/s, insbesondere von 1 m/s aufweist. Diese relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit ist dadurch bedingt, dass direkt in der Verbrennungszone Z kein besonders hoher Wärmeübertrag erfolgt.

Allgemein gilt bei gleich bleibender Kanaltiefe, dass bei abnehmender Kanalbreite die Strömungsgeschwindigkeit des im Kanal geführten Wassers zunimmt. Dabei ist die Wandtemperatur an der Wasserseite auf 110°C bei maximalem Wärmeeintrag begrenzt und die Wassertemperatur auf 70–90°C.

Die wasserführenden Kanäle 18 sind im unteren Bereich 28 des Wärmetauschergehäuses 10 mit einem am Wärmetauschergehäuse 10 angeordneten Wasser-Vorlaufanschluss 42 und im oberen Bereich 28 des Wärmetauschergehäuses 10 mit einem am Wärmetauschergehäuse 10 angeordneten Wasser-Rücklaufanschluss 44 verbunden.

4 zeigt in schematisch-perspektivischer Rückansicht die in der 3 gezeigte Anordnung, wobei zusätzlich der hintere Deckel 40 entfernt ist.

Das Gehäuseteil 16a weist eine im Wesentlichen ebene, rechteckige Gehäusewandung 32a auf, an deren langen Seiten 34a, 34b jeweils zwei einander gegenüberliegende, parallel zueinander angeordnete, sich senkrecht zur Gehäusewandung 32a erstreckende Gehäusewandungsabschnitte 36a und 36b fest verbunden sind. Die Gehäusewandungsabschnitte 36a und 36b enden jeweils in einem Anschlussbereich 22 der zwei Gehäuseteile 16a und 16b.

Zur Ausbildung von wasserführenden Kanälen am Gehäuseteil 16a ist an der Außenseite der Gehäusewandung 32a eine Mehrzahl von Rinnen 38 ausgebildet, die durch einen (nur in 2 gezeigten) außenseitig angebrachten Deckel 40 fluiddicht abgedeckt sind. Die Rinnen 38 in der Gehäusewandung 32a bilden zusammen mit dem Deckel 40 die wasserführenden Kanäle 18. Die wasserführenden Kanäle 18 erstrecken sich parallel zum Innenraum 12 und senkrecht zur Flammenrichtung der am oberen Ende 24 anzuordnenden (in 4 nicht gezeigten) Brennereinheit 14 bzw. zur Strömungsrichtung V der Verbrennungsgase.

5 zeigt in schematisch-perspektivischer Vorderansicht die in der 3 gezeigte Anordnung, wobei zusätzlich das in 3 gezeigte Gehäuseteil 16b entfernt ist.

Das als im Querschnitt U-förmiges Profilelement ausgebildete Gehäuseteil 16a weist eine im Wesentlichen ebene, rechteckige Gehäusewandung 32a auf, an deren langen Seiten 34a, 34b jeweils zwei einander gegenüberliegende, parallel zueinander angeordnete, sich senkrecht zur Gehäusewandung 32a erstreckende Gehäusewandungsabschnitte 36a und 36b fest verbunden sind. Die Gehäusewandungsabschnitte 36a und 36b enden jeweils in einem Anschlussbereich 22 der zwei Gehäuseteile 16a und 16b. Im Anschlussbereich 22 ist eine Mehrzahl von in den Gehäusewandungsabschnitten 36a und 36b integrierten, parallel zu deren Außenseite und senkrecht zur Strömungsrichtung V der Verbrennungsgase verlaufenden wasserführende Kanälen 20 ausgebildet, welche im Anschlussbereich 22 die an den Gehäuseteilen 16a und 16b ausgebildeten Kanäle 18 fluiddicht miteinander verbinden. Dabei ist im Anschlussbereich 22 zwischen den Gehäuseteilen 16a und 16b eine Dichtung 52 aus Silikon angebracht. Alternativ können um die wasserführenden Kanäle 20 O-Ring-Dichtungen angeordnet sein.

Das Gehäuseteil 16a begrenzt U-förmig einen Teil des Innenraumes 12. Von der Gehäusewandung 32a erstreckt sich eine Vielzahl von hervorstehenden Rippen 30 in den Innenraum 12 hinein. Die Rippen 30 dienen zur Vergrößerung der effektiven Oberfläche und zur verbesserten Aufnahme und Übertragung der von der Brennereinheit 14 erzeugten Wärme auf das umströmende Wasser. Die Rippen 30 sind rasterförmig an der Innenseite der breiten Seite 10a des Wärmetauschergehäuse 10 angeordnet.

Auch das beispielsweise in der 3 gezeigte Gehäuseteil 16b weist dieselbe Anordnung von Rippen auf.

Am oberen Ende 24 des Gehäuseteils 16 lässt sich die in den 1 und 2 gezeigte Brennereinheit 14 montieren, welche in der Verbrennungszone eine abwärts gerichtete Flammenbildung in den Innenraum 14, der gleichzeitig den Brennraum für die Brennereinheit darstellt, hinein aufweist. In den Innenraum 14 stehen die Rippen 30 derart weit herein, dass die von der Brennereinheit 14 erzeugten Flammen die Rippen 30 nicht berühren. Dies würde nämlich zu einer übermäßigen Schadstoffemission führen. Der Wärmetauscher ist so konstruiert, dass selbst im Blauflammenmodus die Flammen niemals den Wärmetauscher bzw. die Rippen 30 berühren.

Die Rippen 30 sind als Säulen mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Alternativ können die Rippen beispielsweise auch einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

Das Gehäuseteil 16a sowie das beispielsweise in der 3 gezeigte Gehäuseteil 16b sind jeweils als einstückige Aluminium-Druckguss-Teile ausgebildet. Auch die Rippen 30, die Verbindungskanäle 22, die Rinnen 38 sowie diverse Durchgangsbohrungen zur Kontaktierung oder Durchführung von Schraubverbindungen sind ebenfalls einstückig mit jedem Gehäuseteil 16a und 16b im Aluminium-Druckguss-Verfahren hergestellt.

Die von der Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 entfernt im Innenraum 12 angeordneten Rippen 30 erstrecken sich mit maximaler Höhe in Richtung des in 5 gezeigten Pfeils h in den Innenraum 12 hinein. Die maximale Höhe der Rippen 30 ist dabei größer als 30 mm.

Die nahe der Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 im Innenraum 12 angeordneten Rippen 30 erstrecken sich mit einer geringeren Höhe als der maximalen Höhe h in den Innenraum 12 hinein. In diesem Bereich sind die Rippen 30 etwas zurückgesetzt, da die von oben einwirkenden Flammen die Rippen in diesem Bereich nicht berühren dürfen. In diesem Bereich findet ein großer Wärmeübertrag auf das umströmende Wasser statt.

In der Verbrennungszone Z der Brennereinheit 14 sind im Innenraum 12 keine hervorstehenden Rippen zur Aufnahme der von der Brennereinheit erzeugten Wärme angeordnet. In diesem Bereich der Gasflammen findet kein wesentlicher Wärmeübertrag auf das umströmende Wasser statt.

Zusätzlich können in das Wärmetauschergehäuse 10 noch weitere Bau- und Einbauteile angebracht werden. Beispielsweise können im Wärmetauschergehäuse 10 Temperatursensoren zur Begrenzung und Steuerung der Wasser- und Wärmetauschertemperatur angeordnet sein. Motagelöcher hierfür können leicht in die Gehäuseteile 16a und/oder 16b integriert werden. Auch Durchführungen für eine Zündelektrode können in die Gehäuseteile 16a und/oder 16b integriert sein.

Zusätzlich oder alternativ kann eine Gehäusewandung 32a eine im Innenraum 12 endende Durchführung für die Zündelektrode der Brennereinheit und für eine Zündüberwachungseinrichtung aufweisen und/oder ein Schauglas zur Beobachtung des Innenraumes 12 angebracht sein.


Anspruch[de]
  1. Wärmetauscher für ein Heißwassergerät mit einem Wärmetauschergehäuse (10), das einen Innenraum (12) aufweist, der mittels einer Brennereinheit (14) geheizt und von dem zu erwärmenden Wasser umströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) an einer Seite (24) von der Bennereinheit (14) und an der gegenüberliegenden Seite (26) von einer Kondensationseinheit (28) begrenzt wird und der Innenraum (12) der Brennraum der Brennereinheit (14) ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (12) am oberen Ende (24) und die Kondensationseinheit am unteren Ende (26) des Wärmetauschergehäuses (10) angeordnet ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschergehäuse (10) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschergehäuse (10) aus mindestens zwei Gehäuseteilen (16a, 16b) zusammengesetzt ist, die jeweils wasserführende Kanäle (18, 20) aufweisen, welche im Anschlussbereich (22) der Gehäuseteile (16a, 16b) fluiddicht miteinander verbunden sind.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) eine Mehrzahl von in den Innenraum (12) hervorstehenden Rippen (30) zur Aufnahme der von der Brennereinheit (14) erzeugten Wärme aufweist.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (30) derart weit in den Innenraum (12) hereinstehen, dass die von der Brennereinheit (14) erzeugten Flammen die Rippen (30) nicht berühren.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (30) als Säulen mit rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt ausgebildet sind.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (30) rasterförmig an der breiten Seite (10a) des Wärmetauschergehäuse (10) angeordnet sind.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschergehäuse (10) eine Mehrzahl von Gehäusewandungen (32a, 32b, 32c, 32d) aufweist, die den Innenraum (12) umschließen und innerhalb welcher die wasserführenden Kanäle (18, 20) ausgebildet sind.
  11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Verbrennungszone (Z) der Brennereinheit (14) entfernt im Innenraum (12) angeordneten Rippen (30) sich mit maximaler Höhe (h) in den Innenraum (12) hineinerstrecken oder sich mit den gegenüberliegenden Rippen verzahnen, sich aber nicht berühren.
  12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Höhe der Rippen (30) größer als 30 mm ist.
  13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nahe der Verbrennungszone (Z) der Brennereinheit (14) im Innenraum (12) angeordneten Rippen (30) sich mit einer geringeren Höhe als der maximalen Höhe (h) in den Innenraum (12) hineinerstrecken.
  14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbrennungszone (Z) der Brennereinheit (14) im Innenraum (12) keine hervorstehenden Rippen zur Aufnahme der von der Brennereinheit erzeugten Wärme angeordnet sind.
  15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Wärmetauschergehäuse (10) Temperatursensoren zur Begrenzung und Steuerung der Wasser- und Wärmetauschertemperatur angeordnet sind.
  16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationseinheit (28) eine Kondensationsplatte zur Ableitung von Kondenswasser aufweist, die aus Metall oder Kunststoff besteht.
  17. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (14) eine im Innenraum (12) von oben nach unten gerichtete Flammenrichtung und Strömungsrichtung der Verbrennungsgase (V) in Richtung auf die Kondensationseinheit (28) aufweist.
  18. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) einen rechteckigen Querschnitt aufweist und die Brennereinheit sowie die Kondensationseinheit einen im Anschlussbereich zum Innenraum (12) korrespondierenden rechteckigen Querschnitt aufweisen.
  19. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gehäusewandung (32a) eine im Innenraum (12) endende Durchführung für die Zündelektrode der Brennereinheit und für eine Zündüberwachungseinrichtung aufweist.
  20. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gehäusewandung (32a) ein Schauglas zur Beobachtung des Innenraumes (12) aufweist.
  21. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (14) als eine Gasbrennereinheit mit einer flachen Brennermatte ausgebildet ist.
  22. Wärmetauscher nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennermatte aus einem Vlies aus keramischen Fasern besteht.
  23. Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Fasern durch Silizium-Karbid-Fasern gebildet sind.
  24. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennermatte durch eine Matte gebildet ist, die unter der Marke CERAMAT® auf dem Markt ist.
  25. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennermatte rechteckig ausgeformt ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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