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Die Erfindung betrifft ein Brennwert-Heizgerät mit einem
Brenner sowie mit einem den Brenner umgebenden Rohrbündelwärmetauscher,
der eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren
umfasst, die um den Brenner herum angeordnet sind und von einem flüssigen Wärmetauschermedium
durchströmt
werden.
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Stand der Technik
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In den letzten Jahren ist im Heizungsanlagenbau
eine zunehmende Nachfrage nach energetisch günstigen Brennwertkesseln oder
-thermen zu verzeichnen. Bei diesen Heizgeräten werden die aus dem Brenner
austretenden heißen
Verbrennungsgase in einem Wärmetauscher
soweit abgekühlt,
dass der darin enthaltene Wasserdampf im Bereich des Wärmetauschers
kondensiert, wodurch sich die entstehende Kondensationswärme auf
das flüssige Wärmetauschermedium,
im Allgemeinen das Heizungswasser, übertragen und zum Heizen nutzen lässt.
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Während
bei vielen dieser Brennwert-Heizgeräte die im Brenner erzeugten
heißen
Verbrennungsgase in nachgeschalteten Gaszügen durch einen wassergefüllten Kesselraum
hindurchgeführt werden,
wurde in der
EP 0 687
870 A1 (ATAG) zur Verringerung des Bauvolumens und zur
Vereinfachung der Herstellung eine umgekehrte Anordnung der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, bei der die heißen Verbrennungsgase aus dem
Brenner vertikal nach unten in einen trogförmigen Rohrbündelwärmetauscher
gelenkt werden, dessen parallele Wärmetauscherrohre den Brenner
umgeben und von dem flüssigem
Wärmetauschermedium
durchströmt werden.
Um das Ablaufen bzw. Abtropfen von Kondensat an den Außenseiten
der Rohre zu erleichtern, weisen die Rohre eine leichte Neigung
gegenüber der
Horizontalen auf. Infolge der Konvektion der heißen Verbrennungsgase in der
von den Wärmetauscherrohren
begrenzten Brennkammer wird jedoch das Wärmetauschermedium in den einzelnen
Rohren ungleichmäßig erwärmt. Insbesondere
findet an den oberen Wärmetauscherrohren
keine Kondensation statt, so dass sich die Baugröße des Wärmetauschers und damit der
Anlage nicht unter ein bestimmtes Maß verringern lässt, weil
eine Mindestwärmetauscherfläche mit
niedriger Temperatur zur Kondensation erforderlich ist. Der verhältnismäßig geringe
Neigungswinkel der Wärmetauscherrohre
von etwa 10 Grad gegenüber
der Horizontalen führt
außerdem dazu,
dass kondensierter Wasserdampf nur langsam von den Rohren abläuft und
auf den kühlen
Oberflächenberei chen
derselben einen Wasserfilm bildet, der den Wärmeübergang behindert.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät mit den
im Anspruch 1 genannten Merkmalen wird in dem Bereich des Wärmetauschers,
in dem der in den Verbrennungsgasen enthaltene Wasserdampf infolge
der Abkühlung
kondensiert, ein verbesserter Wärmeübergang
erzielt, zum einen wegen der größeren Wärmetauscherfläche bei
größerem Abstand
vom Brenner und zum anderen wegen des besseren Kondensatablaufs
entlang der Wärmetauscherrohre.
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In bevorzugter Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetauscherrohre an ihrer Außenwand
mit einem Profil und insbesondere mit überstehenden axialen Rippen
versehen sind, die das Kondensieren des Wasserdampfs erleichtern und
dessen Ablaufen in axialen Nuten oder Rillen zwischen den Rippen
fördern.
Um das Abtropfen des Kondensats von der Oberfläche der Wärmetauscherrohre zu erleichtern,
sind diese vorzugsweise im Abstand voneinander angeordnet und weisen
entlang ihrer Länge
mehrere in axialem Abstand angeordnete überstehende Abtropfvorsprünge auf,
welche die Rohre vorzugsweise ringförmig umgeben und das in den
Rillen nach unten fließende
Kondensat zu einer umlaufenden Abtropfkante der Vorsprünge leiten, von
wo es im Ab stand von der Oberfläche
der Rohre nach unten tropfen kann.
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Am unteren Ende des Gehäuses werden
die Tropfen vorzugsweise von einem geneigten Boden des Gehäuses aufgefangen,
das den Brenner und die Wärmetauscherrohre
umgibt, wobei der Boden zweckmäßig entweder
als flacher Konus oder als schräge
Ebene ausgebildet ist, an deren tiefstem Punkt ein Kondensatablauf
ins Gehäuse
mündet.
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Ein besonders kompaktes Bauvolumen
lässt sich
erreichen, wenn die Wärmetauscherrohre
konzentrisch um einen zylindrischen Brenner mit vertikaler Zylinderachse
angeordnet sind, vorzugsweise in mehreren Reihen, wobei die Rohre
in benachbarten Reihen zweckmäßig gegeneinander
versetzt angeordnet werden, um eine gleichmäßigere Umströmung zu
erzielen. Der Strömungsquerschnitt
der Rohre nimmt bevorzugt mit zunehmendem Abstand vom Brenner ab,
um einerseits eine gleichmäßige Kondensation
zu gewährleisten
und andererseits eine zu schnelle Abkühlung der Verbrennungsgase
in der Nähe
des Brenners zu vermeiden, die zu einem erhöhten CO-Gehalt in den Verbrennungsgasen
führen
kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, die Verbrennungsgase nach ihrem Austritt
aus dem Brenner auf einer aufsteigenden spiralförmigen Bahn um diesen herum
und zwischen den Wärme tauscherrohren
hindurch zu lenken, wodurch der Strömungsweg der Verbrennungsgase
entlang der Oberflächen
der Wärmetauscherrohre
und damit ihre Verweilzeit im Kontakt mit diesen Oberflächen vergrößert werden
kann, ohne dass dies zu einer Vergrößerung des Bauvolumens des Wärmetauschers
und damit des Heizgeräts
und/oder einer wesentlichen Vergrößerung des gasseitigen Druckverlustes
bzw. Strömungswiderstands
führt. Zum
Ablenken der Verbrennungsgase dienen zweckmäßig im Brennraum zwischen dem
Brenner und den Wärmetauscherrohren
angeordnete Leitschaufeln mit einer konkaven inneren Begrenzungsfläche und einer
konvexen äußeren Begrenzungsfläche, deren inneres
dem Brenner zugewandtes Ende eine mehr radiale Ausrichtung aufweist,
während
ihr äußeres, den
Wärmetauscherrohren
zugewandtes Ende eine mehr tangentiale Ausrichtung aufweist.
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Um den Strömungswiderstand der Wärmetauscherrohre
und damit den gasseitigen Druckverlust des Rohrbündelwärmetauschers zu verringern, sind
die Wärmetauscherrohre
vorzugsweise mit Profilleitblechen versehen, um ihnen in Strömungsrichtung
der Verbrennungsgase ein aerodynamisch günstiges, im Querschnitt im
Wesentlichen tropfenförmiges
Profil zu verleihen, wodurch im Vergleich zu Wärmetauscherrohren mit rundem
Querschnitt zudem auch noch eine bessere Umströmung und damit ein gleichmäßigerer
Kontakt zwischen den Verbrennungsgasen und den Wärmetauscherrohren erreicht werden
kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, dass ein dem Brenner zugewandter Innenteil
des annähernd
V-förmigen
Profilleitblechs konkav gekrümmt
ist, während
sein vom Brenner abgewandter Außenteil
konvex gekrümmt ist,
so dass sich ähnlich
wie bei einem Flugzeugflügel entlang
des konvex gekrümmten
Außenteils
eine größere Strömungsgeschwindigkeit
einstellt und damit dort ein Unterdruck oder Sog erzeugt wird. Dieser Sog
sorgt dafür,
dass die Verbrennungsgase auf einer spiralförmigen Bahn zwischen den Wärmetauscherrohren
bleiben.
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Um die Bautiefe der Brennwert-Heizgeräte für eine Wandmontage
zu verringern, kann an Stelle eines zylindrischen Brenners und eines
zylindrischen Rohrbündelwärmetauschers
auch ein Flachbrenner oder halbzylindrischer Brenner mit vertikaler
Längsachse
vorgesehen werden, der im Halbrund von den Wärmetauscherrohren umgeben ist.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in
Ausführungsbeispielen
anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht schräg von
oben in den unteren Teil eines entlang ei ner horizontalen Ebene
geschnittenen Gehäuses
einer Brennwert-Therme mit zylindrischem Brenner und Rohrbündelwärmetauscher;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines kurzen Abschnitts eines Wärmetauscherrohrs
mit einer Begrenzungswand mit Oberflächenstruktur;
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3 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Ausschnitts aus der Begrenzungswand des Wärmetauscherrohrs aus 2 oder 4;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines längeren
Abschnitts des Wärmetauscherrohrs
mit überstehenden
ringförmigen
Abtropfvorsprüngen;
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5 eine
Querschnittsansicht des Abschnitts aus 4;
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6 eine
Draufsicht von oben in das Gehäuse
der Brennwert-Therme, das Wärmetauscherrohre
mit einem anderen Querschnittsprofil sowie zusätzliche Leitschaufeln aufweist;
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7 eine
perspektivische Ansicht schräg von
oben in den unteren Teil des entlang einer horizontalen Ebene geschnittenen
Gehäuses der
Brennwert-Therme aus 5,
jedoch ohne die Leitschaufeln;
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8 eine
perspektivische Ansicht schräg von
oben in den unteren Teil eines entlang einer horizontalen Ebene
geschnittenen Gehäuses
einer Brennwert-Therme mit halbzylindrischem Brenner und Rohrbündelwärmetauscher.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die in der Zeichnung nur teilweise
dargestellte Brennwert-Therme 10 für eine Gebäudeheizung weist ein Brennergehäuse 12 auf,
das einen Brenner 14 mit vertikaler Längsachse 16 und einen
Rohrbündelwärmetauscher 18 mit
einer Mehrzahl von vertikalen Wärmtauscherrohren 20 umschließt. Die
vom Heizungswasser durchströmten
Wärmetauscherrohre 20 sind
konzentrisch in zwei Reihen um den Brenner 14 herum angeordnet,
so dass sie auf ihrer Außenseite
von den durch Öffnungen 22 im
Brenner 14 austretenden heißen Verbrennungsgasen umströmt werden.
Die Verbrennungsgase geben dabei den größten Teil ihrer Wärme an die
Begrenzungswände 24 der
Wärmetauscherrohre 20 und über diese
an das Heizungswasser ab und werden noch innerhalb des Brennergehäuses 12 so
weit abgekühlt,
dass der in ihnen enthaltene Wasserdampf an einem Teil der Begrenzungswände 24 der
Wärmetauscherrohre 20 kondensiert.
Die dabei frei werdende Kondensationswärme kann somit ebenfalls zum
Erhitzen des Heizungswassers ausgenutzt werden kann.
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Die oberen und die unteren Enden
der Wärmetauscherrohre 20 sind
flüssigkeitsdicht
mit der Innenwand 26 eines doppelwandigen unteren Stirnendes 28 bzw.
eines doppelwandigen oberen Stirnendes (nicht dargestellt) des Brennergehäuses 12 verschweißt, die
als Verteiler bzw. Sammler für
das Heizungswasser vor bzw. nach seinem Hindurchtritt durch die
Wärmetauscherrohre 20 dienen.
Die Wärmetauscherrohre 20 werden
im Gegenstrom zu den aufsteigenden heißen Verbrennungsgasen von oben nach
unten vom Heizungswasser durchströmt, das aus dem kalten Heizungsrücklauf in
das obere Stirnende des Gehäuses 12 zugeführt und
nach seiner Erwärmung
aus dem unteren Stirnende 28 in den Heizungsvorlauf geleitet
wird, Das doppelwandige untere Stirnende 28 dient auch
als Mischkammer, in der sich das stärker erwärmte Heizungswasser aus den
näher am
Brenner 14 befindlichen inneren Wärmetauscherrohren 20 mit
dem weniger stark erwärmten
Heizungswasser aus den weiter vom Brenner 14 entfernten äußeren Wärmetauscherrohren 20 mischt.
Die ebene Innenwand 26 des unteren Stirnendes 28 weist
darüber
hinaus eine leichte Schrägneigung
auf, an deren tiefstem Punkt ein Kondensatablauf (nicht dargestellt)
mündet.
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Wegen der niedrigeren Temperatur
des Heizungswassers in den äußeren Wärmetauscherrohren 20 erfolgt
die Kondensation des Wasserdampfs zum überwiegenden Teil an deren
Begrenzungswänden 24,
die zur Erleichterung der Kondensierung und zur Verbesserung des
Kondensatablaufs zweckmäßig die
in den 2, 3 bzw. 4 dargestellten Querschnittsprofile mit
einer in Längsrichtung
gerippten äußeren Oberfläche aufweisen.
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Wie am besten in 3 und 4 dargestellt, weisen
die äußeren Oberflächen dieser
Querschnittsprofile bevorzugt eine Mehrzahl von schlanken axialen
Rippen 30 auf, die jeweils durch dazwischen angeordnete
breitere Nuten 32 voneinander getrennt sind. Diese Ausbildung
fördert
das Ablaufen des Kondensats 34, das sich als Film an den äußeren Oberflächen 36 der
Rohre 20 niederschlägt,
da sich das Kondensat 34 zum einen infolge von Kapillarwirkung in
den Nuten 32 ansammelt und sich zum anderen in der Nähe der Scheitel
der Rippen 30 Bereiche 38 ausbilden, in denen
der Kondensatfilm 34 örtlich
dünner
ist. Dies erleichtert das Abreißen
des Kondensatfilms 34 an dieser Stelle und dadurch das
Ablaufen des Kondensats 34 in Form von Tropfen innerhalb der
Nuten 32.
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Um eine Verschlechterung des Wärmeübergangs
durch an den äußeren Oberflächen 36 der Wärmetauscherrohre 20 anhaftendes
Kondensat 34 so weit wie möglich zu vermeiden, ist es
von Vorzug, einen möglichst
großen
Anteil des Kondensats von der Oberfläche 36 zu entfernen.
Wie in 4 dargestellt,
sind dazu die Wärmetauscherrohre 20 in
regelmäßigen Abständen mit
umlaufenden Abtropfringen 40 versehen, die horizontal oder
mit leichter Konizität nach
außen
und unten geneigt über
die äußere Oberfläche 36 der
im Abstand voneinander angeordneten Rohre 20 überstehen.
Der äußere Umfangsrand
der Ringe 40 bildet eine Abtropfkante 42, an der
sich das in den Nuten 32 nach unten rinnende und über die Oberseite
der Abtropfringe 40 nach außen fließende Kondensat von den Rohren 20 löst und nach
unten tropft.
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Um die Verweilzeit der Verbrennungsgase innerhalb
des Gehäuses 12 zu
verlängern,
ist bei dem in 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel
zwischen dem zylindrischen Brenner 14 und der inneren Reihe
von Wärmetauscherrohren 20 eine
Reihe von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten metallischen
oder keramischen Leitschaufeln 44 vorgesehen, die den Brenner 12 entlang
seines gesamten Umfangs umgeben und die radial aus den Brenneröffnungen 22 in
eine umgebende Brennkammer 46 ausströmenden Verbrennungsgase in
Umfangsrichtung des Gehäuses 12 ablenken,
so dass sie sich auf einer aufsteigenden spiralförmigen Bahn durch das Gehäuse 12 und
zwischen den Wärmetauscherrohren 20 hindurch
bewegen. Die Leitschaufeln 44 weisen wie die Leitschaufeln
von Gasturbinen einen muldenförmig
gekrümmten
Quer schnitt mit einem gleichbleibenden oder nach außen kleiner
werdenden Krümmungsradius
auf, dessen inneres Ende 48 eine eher radiale Ausrichtung
aufweist und dessen äußeres Ende 50 eine
eher tangentiale Ausrichtung aufweist. Die dem Brenner 14 zugewandten,
als Ablenkflächen
für die
Verbrennungsgase dienenden inneren Begrenzungsflächen 52 der Leitschaufeln 44 sind konkav
gewölbt,
während
ihre vom Brenner 14 abgewandten äußeren Begrenzungsflächen 54 konvex gewölbt sind.
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Nach ihrem Vorbeitritt an den Leitschaufeln 44 treffen
die heißen
Verbrennungsgase auf die vom Heizungswasser durchströmten Wärmetauscherrohre 20 und
umströmen
diese. Bei dem in 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Wärmetauscherrohre 20 mit
angeschweißten
Profilleitblechen 56 versehen und weisen dadurch eine aerodynamisch
günstige
tropfenförmige
Querschnittsform auf, die im Vergleich zu Rohren 20 mit
rundem Querschnitt eine gleichmäßigere Umströmung des
Rohrprofils und einen geringeren Strömungswiderstand und damit einen
geringeren gasseitigen Druckverlust des Wärmetauschers 18 gewährleisten.
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Im Einzelnen wird die tropfenförmige Querschnittsform
an ihrem von den Verbrennungsgasen angeströmten inneren Ende 60 von
einem halbkreisförmigen
Teil der zylindrischen Begrenzungswand 24 des im Querschnitt
kreisförmigen
Wärmetauscherrohrs 20 ge bildet,
an die außen
bzw. innen ein konvex bzw. konkav gewölbter Teil 64, 62 des
im Querschnitt annähernd
V-förmigen
Profilleitblechs 56 angrenzt, wobei diese beiden Teile 62, 64 am
entgegengesetzten Ende des Leitblechs 56 unter einem spitzen
Winkel zusammentreffen und miteinander verbunden sind.
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Durch die konkave Krümmung des
inneren Teils 62 und die konvexe Krümmung des äußeren Teils 64 der
Profilleitbleche 56 ist die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase
entlang des inneren Teils 62 kleiner als entlang des äußeren Teils 64,
so dass dort ein Unterdruck oder Sog entsteht, der die Verbrennungsgase
nach außen
zwingt und dafür
sorgt, dass sie auch beim Hindurchtritt zwischen den Wärmetauscherrohren 20 auf
einer im Wesentlichen spiralförmigen
Bahn verbleiben und somit ihr Bewegungsweg und ihre Verweildauer
im Gehäuse 12 bzw.
an den äußeren Oberflächen 34 der
Wärmetauscherrohre 20 verlängert werden.
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Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Therme 10' an Stelle eines
zylindrischen Brenners 14 einen halbzylindrischen Brenner 14' mit vertikaler
Längsachse 16' und an Stelle
eines zylindrischen Rohrbündelwärmetauschers 18 ebenfalls
einen halbzylindrischen Rohrbündelwärmetauscher 18' mit zwei Reihen
von vertikalen Wärmetauscherrohren 20' auf, die konzentrisch
zur Längsachse 16' des Brenners 14' im Abstand
von dessen halb zylindrischer, mit Brenneröffnungen 22' versehenen Vorderseite
angeordnet sind. Dadurch kann die Bautiefe der Therme 10' für eine Wandmontage
verringert werden.