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Diese
Erfindung betrifft einen Nachschaltwärmetauscher für einen
Heizkessel, insbesondere einen Brennwertkessel, zum Kühlen und
Kondensieren von Abgasen eines Brenners des Heizkessels mit mindestens
einem aus Kunststoff gebildeten Rohrboden, der eine Vielzahl von Öffnungen
zur Aufnahme von Rohren aufweist. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verstärkungsblech
zur Abstützung
eines Rohrbodens eines Nachschaltwärmetauschers. Der Begriff „Nachschaltwärmetauscher
für Heizkessel" bringt zum Ausdruck,
dass der Wärmetauscher
einem Heizkessel nachgeschaltet ist. Auch ist es üblich, derartige
Wärmetauscher
als „Restwärmetauscher" zu bezeichnen.
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Da
bei Wärmetauschern
mit einer Vielzahl von Rohren diese üblicherweise parallel ausgerichtet sind
und dadurch ein Rohrbündel
bilden, werden diese Art von Wärmetauschern
auch als Rohrbündelwärmetauscher
bezeichnet. Rohrbündelwärmetauscher,
die auf ihrer Rohr- und Mantelseite (Kanalseite) mit verschiedenen
gasförmigen
und/oder flüssigen
Medien unterschiedlicher Temperaturen beströmt werden, werden für zahlreiche
Prozesse in den verschiedensten technischen Einsatzgebieten benötigt. Insbesondere
ist es bekannt, Rohrbündelwärmetauscher
Heizkesseln, insbesondere Brennwertkesseln, nachzuschalten. Hierdurch
kann das Abgas des Brenners des Heizkessels soweit abgekühlt werden,
dass die Wasserdampfanteile des Abgases, die bei der Verbrennung
kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe im Brenner entstehen, kondensieren.
Durch die Nutzung der Kondensationswärme tritt eine deutliche Verbesserung
des verbrennungstechnischen Wirkungsgrades ein. Die Brennwertnutzung
wird häufig
dadurch erreicht, dass die Eintrittstemperatur des Heizungswassers
in den Wärmetauscher
(Rücklauftemperatur)
so weit abgesenkt wird, dass der Taupunkt des Abgases an den Wärmeübertragerflächen unterschritten
wird.
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Bei
bekannten Nachschaltwärmetauschern wird
der mindestens eine Rohrboden häufig
aus Kunststoff ausgebildet. Vorteilhaft ist hierbei, dass derartige
Rohrböden
säure-
und schadstoffresistent und relativ kostengünstig herstellbar sind. Im
mindestens einen Rohrboden ist eine Vielzahl von Öffnungen
vorgesehen, deren Anzahl zweckmäßigerweise mit
der Anzahl der Rohre des Wärmetauschers
korrespondiert. Die Öffnungen
sind zur Aufnahme der Rohrendabschnitte der Rohre ausgebildet. Grundsätzlich kann
die Befestigung derart erfolgen, dass die Rohrendbereiche durch
die Öffnungen
durchgesteckt werden und ein Teil der Rohrendbereiche von der den
Rohren abgewandten Seite des mindestens einen Rohrbodens vorsteht.
Zur Abdichtung des Wärmetauschers
können
Dichtungsmittel zwischen Außenmantel
der Rohre und den Öffnungen
vorge sehen werden. Es ist aber auch eine Befestigung möglich, bei
der die Rohre in der Weise an dem mindestens einen Rohrboden gelagert
sind, dass die Rohrenden nicht komplett durch die Öffnungen
durchgesteckt sind, sondern innerhalb der Öffnung enden, bzw. bündig mit
dieser abschließen.
Dies kann beispielsweise mittels eines Presssitzes der Rohre im mindestens
einen Rohrboden erfolgen. Bei Bedarf können auch bei dieser Befestigungsart
Dichtungsmittel vorgesehen werden.
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Während des
Betriebs des Nachschaltwärmetauschers
treten Krafteinwirkungen auf den Rohrboden auf, die bei einem Kunststoffrohrboden
zu Verformungen des Rohrbodens führen
können.
Insbesondere wirkt auf die den Rohren des Wärmetauschers abgewandte Seite
des Rohrbodens (Außenseite)
während
des Betriebs der Wasserdruck des Heizwassers. Der Wasserdruck kann
Auswölbungen und
Verformungen des Rohrbodens in Richtung Wärmetauschermitte bewirken.
Dies kann zu Undichtigkeiten des Wärmetauschers oder Beschädigungen des
Rohrbodens führen.
Ferner können
durch die Verformungen des Rohrbodens die im Rohrboden geführten Rohre
beschädigt
werden.
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In
Anbetracht der obigen Ausführungen
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Nachschaltwärmetauscher
bzw. ein Verstärkungsblech der
Eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Beschädigungen und Undichtigkeiten
des Wärmetauschers
aufgrund von während
des Betriebs auftretenden Krafteinwirkungen auf den Rohrboden sicher vermieden
werden.
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Diese
Aufgabe wird jeweils durch die in Anspruch 1 oder Anspruch 9 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Der
Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein
Mittel zur Abstützung
des mindestens einen Kunststoffrohrbodens vorzusehen, das in der
Weise ausgestaltet und angeordnet ist, dass es der auf die Außenseite
des mindestens einen Rohrbodens einwirkenden Kraft (beispielsweise
dem Wasserdruck des Heizwassers) entgegenwirkt und dadurch eine
Verformung des Rohrbodens verhindert bzw. reduziert. Das Abstützmittel wirkt
daher als Verstärkung
oder Versteifung des mindestens einen Rohrbodens, wodurch dieser
höheren Kräften bzw.
Wasserdrücken
widerstehen kann.
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Zweckmäßigerweise
ist das Abstützmittel derart
zu gestalten, dass durch den auf die Außenseite des mindestens einen
Rohrbodens wirkenden Wasserdruck des Heizwassers keine Verformungen auftreten.
Entsprechend ist das Abstützmittel
an der Innenseite des mindestens einen Rohrbodens angeordnet, um
dem Wasserdruck entgegenwirken zu können.
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Das
Material und die Form des Abstützmittels
sind im Hinblick auf die zu erreichende Stützwirkung zweckmäßig zu wählen und
können
grundsätzlich,
im Rahmen der durch den Wasserdruck vorgegebenen Parameter, beliebig
ausgestaltet sein. Bei der Auswahl von Material und Form des Abstützmittels
ist zweckmäßigerweise
darauf zu achten, dass das Abstützmittel
möglichst
wenig Bauraum in Anspruch nimmt, um eine kompakte Ausbildung des Wärmetauschers
zu gewährleisten,
und kostengünstig
und einfach herstellbar ist.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher kann
grundsätzlich
sowohl als Gleichstrom-, Kreuzstrom oder Gegenstromwärmetauscher
ausgebildet sein. Bevorzugt arbeitet der Nachschaltwärmetauscher
nach dem Gegenstromprinzip, da dadurch der beste Wirkungsgrad erreicht
werden kann.
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Zweckmäßigerweise
weist der erfindungsgemäße Nachschaltwärmetauscher
zwei Rohrböden auf,
wobei jeder Rohrboden jeweils ein Ende eines jeden Rohres aufnimmt.
Bei dieser Ausgestaltung sind die Rohre zweckmäßigerweise geradlinig ausgebildet.
Grundsätzlich
ist aber auch eine Ausgestaltung mit nur einem Rohrboden möglich, wobei
dann die einzel nen Rohre U-förmig
ausgebildet sind und der Rohrboden beide Enden eines jeden Rohres
aufnimmt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Abstützmittel
aus Metall ausgebildet. Hierdurch wird eine hohe Stabilität des Abstützmittels
erreicht. Ferner können
aus Metall Abstützmittel
mit einer Vielzahl von aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren
auf einfache und kostengünstige
Weise hergestellt werden.
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Ein
besonders einfach herzustellendes und effektives Abstützmittel
ist als metallene Abstützplatte
ausgeführt.
Diese Platte ist derart ausgebildet, dass sie auf die Innenseite
des mindestens einen Rohrbodens aufgesetzt, bzw. an dieser angebracht werden
kann und den mindestens einen Rohrboden verstärkt bzw. versteift. Zweckmäßigerweise
ist sie bezüglich
ihrer Dimensionierung an die Abmessungen des mindestens einen Rohrbodens
angepasst.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
dieser Variante der Erfindung ist das Abstützmittel als Verstärkungsblech
ausgebildet. Ein solches Blech ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen.
Darüber
hinaus kann die Form des Bleches auf einfache Weise mit den aus
dem Stand der Technik bekannten Blechbearbeitungsverfahren an die
jeweilige Form des mindestens einen Rohrbodens angepasst werden.
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Bei
der Ausführungsform
des Abstützmittels als
Verstärkungsplatte
bzw. Verstärkungsblech
ist es zweckmäßig in der
Platte bzw. im Blech Öffnungen zur
Durchführung
der Rohre des Wärmetauschers vorzusehen.
Die Öffnungen
sind derart auszubilden und anzuordnen, dass die im mindestens einen
Rohrboden befestigten Rohre durch die Öffnungen der Platte durchgeführt werden
können.
Entsprechend ist die Verstärkungsplatte
vorteilhafterweise mit Öffnungen
bzw. Bohrungen im Außendurchmesser
der Wärmetauscherrohre
zu versehen, deren Anzahl und Abstand voneinander mit denen des
mindestens einen Rohrbodens übereinstimmt.
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Um
eine Leckage von Abgas oder Heizwasser sicher zu vermeiden, ist
zwischen dem Abstützmittel
und dem mindestens einen Rohrboden wenigstens eine Dichtung vorzusehen.
Ist das Abstützmittel als
Verstärkungsplatte
bzw. -blech ausgebildet, sind bevorzugterweise im Bereich der Öffnungen
jeweils eine O-Ringdichtung vorzusehen. Derartige Dichtungen sind
weit verbreitet und in unterschiedlichsten Formen und Größen erhältlich,
so dass hierdurch eine Abdichtung auf einfache und kostengünstige Weise
erreicht werden kann.
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Grundsätzlich kann
die Befestigung des Abstützmittels
im Wärmetauscher
auf jede hierfür
geeignete Weise und mit jedem aus dem Stand der Technik bekannten
und geeigneten Befestigungsmittel erreicht werden. Insbesondere
bei der Ausführungsform
des Abstützmittels
als Verstärkungsplatte bzw.
-blech ist es bevorzugt, dass das Abstützmittel mittels eines Klemmsitzes
am Wärmetauscher
befestigt wird. Hierdurch kann eine sichere Befestigung am Wärmetauscher
auf einfache Weise vorgenommen werden.
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Ein
solcher Klemmsitz ist auf besonders einfache Weise herstellbar,
wenn das Abstützmittel
zwischen dem Wärmetauschergehäuse und
dem Randbereich des Mediumsammelaufsatzes des Wärmetauschers eingeklemmt wird.
Letzterer wird von außen
auf den mindestens einen Rohrboden aufgesetzt und dient zum Sammeln
des durch die Rohre fließenden
Mediums, insbesondere des Heizwassers. Vielfach wird dieser Aufsatz
auch als „Sammler" bezeichnet.
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Zwischen
Abstützmittel
und Gehäuse
sowie zwischen Abstützmittel
und Sammler ist zweckmäßigerweise
jeweils eine Dichtung anzuordnen, um Leckagen sicher zu vermeiden.
Ferner begünstigen
die Dichtungen den Klemmsitz, da sie die Reibungsfläche erhöhen. Die
Verpressung von Sammler, Abstützmittel,
Gehäuse
und Dichtungen zur Herstellung des Klemmsitzes kann beispielsweise
durch Schrauben oder Bolzen erreicht werden.
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Grundsätzlich können bei
dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher
die Rohre aus jedem beliebigen Material hergestellt sein. Gleichwohl
ist die vorliegende Erfindung besonders gut geeignet für Nachschaltwärmetauscher,
bei denen die Rohre aus Glas bestehen, da derartige Wärmetauscher
aufgrund der hohen Bruchgefahr der Glasrohre besonders beschädigungsanfällig bei
Verformungen des mindestens einen Kunststoffrohrbodens sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind bei dem als Verstärkungsplatte
ausgebildeten Abstützmittel
im Randbereich der Platte, bevorzugterweise umlaufend und gleichmäßig verteilt
angeordnete, Ausnehmungen vorgesehen. Diese Ausnehmungen sind zum
Eingriff mit in den Dichtungen vorgesehenen Nasen auszubilden. Auf
diese Weise kann die Qualität
der Abdichtung verbessert und das Leckagerisiko verringert werden.
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Um
eine Nachrüstung
von bestehenden, herkömmlichen
Wärmetauschern
zu ermöglichen,
sollte das Abstützmittel
als separates Bauteil ausgebildet sein. Grundsätzlich ist aber auch eine integrierte Bauweise
mit anderen Bauteilen des Wärmetauschers
möglich.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen schematisch:
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1 eine
perspektivische, geschnittene Ansicht eines Teilbereichs eines Nachschaltwärmetauschers;
und
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2 eine
Draufsicht und einer Schnittdarstellung des Verstärkungsbleches
aus dem Wärmetauscher
gemäß 1.
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1 zeigt
die perspektivische, geschnittene Ansicht eines Teilbereichs eines
Nachschaltwärmetauschers 100 mit
einer Vielzahl von geradlinig verlaufenden, parallel zueinander
angeordneten Rohren 20, die aus Glas hergestellt sind.
Ferner weist der Wärmetauscher 100 einen
Rohrboden 11 aus Kunststoff auf, in dem die Glasrohre 20 gelagert sind.
Ein Teilbereich eines den Wärmetauscher 100 umgebenden
Gehäuses 14 ist
ebenfalls dargestellt. In etwa parallel zum Rohrboden 11 ist
neben der den Glasrohren 20 zugewandten Innenseite des
Rohrbodens 11 ein als Verstärkungsblech ausgebildetes Abstützmittel 10 angeordnet.
In dem Verstärkungsblech 10 und
dem Rohrboden 11 sind jeweils Öffnungen (13, 12)
angeordnet (siehe auch 2). Die runden Öffnungen
(12, 13) sind miteinander korrespondierend angeordnet,
d. h., sie weisen den gleichen Durchmesser auf und sind mit Bezug
auf die geradlinig verlaufenden Rohre 20 hintereinander
liegend angeordnet. Die Rohre 20 sind durch die Öffnungen 13 des
Verstärkungblechs 10 hindurchgeführt und enden
in den Öffnungen 12 des
Rohrbodens 11. Zur Abdichtung der Rohrendbereiche sind
an den Öffnungen 12 des
Rohrbodens 11 O-Ringdichtungen 17 vorgesehen.
In gleicher Weise sind O-Ringdichtungen im Bereich der Öffnungen 13 des
Verstärkungsblechs 10 vorgesehen
(hier nicht dargestellt), mit denen das Verstärkungsblech 10 zum
Rohrboden 11 hin abgedichtet wird.
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Das
Verstärkungsblech 10 ist
mittels eines Klemmsitzes im Wärmetauscher 100 befestigt.
Zu diesem Zweck ist am Randbereich des Verstärkungsblechs 10 an
jeder Seite jeweils eine Dichtung (18, 19) vorgesehen.
Auf der anderen Seite der Dichtung 18 liegt der Randbereich
des auf den Rohrboden 11 von außen aufgesetzten Sammlers 15 an.
Auf der anderen Seite der als Flachdichtung ausgeführten Dichtung 19 liegt
das Wärmetauschergehäuse 14 an. Durch
den Sammler 15, die Dichtungen 18, 19,
das Verstärkungsblech 10 und
das Gehäuse 14 gehen Schrauben 21 hindurch,
durch die die genannten Bauteile miteinander verpresst werden. Dadurch
wird das Verstärkungsblech 10 zwischen
dem Gehäuse 14 und
dem Sammler 15 eingeklemmt. Die Dichtungen 18, 19 weisen
ferner Dichtnasen 18a, 19a auf, die in im Randbereich
des Verstärkungsblechs
vorgesehenen Ausnehmungen 16 eingreifen (siehe auch 2).
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2 zeigt
die Draufsicht auf das Verstärkungsblech 10 aus
dem Wärmetauscher
nach 1. Das Verstärkungsblech 10 weist
eine im Wesentlichen rechteckige Grundform auf. Im Randbereich sind
mehrere, umlaufend in etwa gleichmäßig verteilt angeordnete Ausnehmungen 16 vorgesehen.
Die Ausnehmungen 16 sind zum Rand des Verstärkungsblechs 10 hin
offen und weisen einen U-förmigen
Umriss auf. Sie sind zur Aufnahme der Dichtnasen 18a, 19a (siehe 1)
ausgebildet. Ferner weist das Verstärkungsblech 10 zweiunddreißig runde Öffnungen 13 gleicher
Größe auf,
die zur Aufnahme bzw. Durchführung
von Wärmetauscherrohren
vorgesehen sind. Die Öffnungen 13 sind
als Durchbrüche
durch das Verstärkungsblech 10 ausgebildet.
Sie sind in acht Reihen und vier Spalten jeweils neben- und untereinander
angeordnet. Die Abstände
zwischen den einzelnen Öffnungen 13 sind
konstant.
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- 10
- Abstützmittel
- 11
- Kunststoffrohrboden
- 12
- Öffnung im
Rohrboden
- 13
- Öffnung im
Abstützmittel
- 14
- Gehäuse
- 15
- Mediumsammelaufsatz
- 16
- Ausnehmung
- 17
- O-Ringdichtung
- 18
- Dichtung
- 18a
- Dichtnase
- 19
- Dichtung
- 19a
- Dichtnase
- 20
- Rohr
- 21
- Schraube
- 100
- Nachschaltwärmetauscher