DE69613944T2 - Meanderförmiger,kombinierter Wärmetauscher mit komplexer,gerader Strecke - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Perfektionierungen für Wärmetauscher von Heizkesseln, insbesondere von gasgefeuerten Zentralheizungen. Diese Heizkessel, die in Wohngebäuden oder in der Industrie verwendet werden, müssen dem Benutzer sowohl Warmwasser, dessen Temperatur 65ºC nicht überschreiten darf, als auch Heißwasser für die Heizung, das im geschlossenen Kreislauf im Zentralheizungsnetz des Gebäudes zirkuliert, bereitstellen.
• Diese Wärmetauscher werden üblicherweise als kombinierte Wärmetauscher bezeichnet, da sie über zwei getrennte Wasserkreisläufe, einen für das Warmwasser und den anderen für das Heizungswasser, verfügen, die derart miteinander verbunden sind, dass zwischen ihnen ein inniger Wärmekontakt vorhanden ist. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um Rohrkreisläufe, die ineinander angeordnet sind und entweder Mittel zur Realisierung der Wärmebrücken zwischen den beiden Kreisläufen oder Rohrkreisläufe enthalten, die getrennt, aber abgeflacht und aneinander angefügt sind. Die Wärmetauscher verfügen weiterhin über ein Paket aus Lamellen, deren Aufgabe es ist, den Wärmestrom, der von den Rauchgasen transportiert wird, die aus dem in einem im unteren Teil des Wärmetauscher angeordneten Brenner stattfindenden Verbrennungsvorgang resultieren, auf die Rohrkreisläufe zu übertragen.
• In EP-A-0 401 543 ist ein Wärmetauscher, insbesondere für einen Warmwasserbereiter mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, beschrieben, der mindestens eine äußere Rohrleitung umfasst, die ein wärmeübertragendes Fluid befördert und mindestens eine innere Rohrleitung mit kleinerem Durchmesser, die ein zweites wärmeübertragendes Fluid befördert, das sich mit dem ersten im Wärmeaustausch befindet, sowie Mittel enthält, die eine spielfreie Auflage der inneren auf der äußeren Rohrleitung sicherstellen.
• Ein prinzipieller Zwang, der bei diesem Typ eines Wärmetauschers herrscht, besteht im Wesentlichen in der Tatsache, dass die verschiedenen Wasserkreisläufe alternativ zirkulieren. Jeder der Strömungskreisläufe muss in der Lage sein, die gesamte im Rauchgas enthaltene Wärme abzuführen, ohne dass Temperatur oder Druck des stillstehenden anderen Kreislauf übermäßig ansteigt.
• Gegenwärtig schreiben die gesetzlichen Bestimmungen Temperaturgrenzen vor, die nicht zu überschreiten sind, hauptsächlich im Erwärmungskreislauf für das Warmwasser, wobei dieser Grenzwert mit diesem bekannten Typ eines kombinierten Wärmetauschers des Standes der Technik sehr schwierig einzuhalten ist.
• Um jedoch diese Normen zu erfüllen, wird dieses Problem von den Konstrukteuren eines kombinierten Wärmetauschers gelöst, indem in die Anlage Begrenzungsvorrichtungen eingebaut werden, durch welche der Aufbau des Wärmetauschers deutlich komplizierter wird. Eine andere Möglichkeit zur Lösung des Problems besteht darin, während der Entnahme von Warmwasser dem Heizwasserkreislauf Rückläufe im geschlossenen Kreislauf im Heizkessel aufzuzwingen. Diese Lösung erfordert, dass im Heizungskreislauf ein Dreiwegeventil und eine Anschlussrohrleitung vorhanden sind, was die Herstellungs- und Wartungskosten erhöht.
• Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben, indem ein Wärmetauscher bereitgestellt wird, der gleichzeitig über einen Erwärmungskreislauf für das Warmwasser und einen Zentralheizungskreislauf verfügt, wobei die Kreisläufe ineinander eingepaßt sind, aber, was die Strömungsverhältnisse und den Wärmeaustausch im Wärmetauscher betrifft, optimiert sind.
• Die Erfindung ist in erster Linie auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Typs eines kombinierten Wärmetauschers gerichtet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es
• - eine erste Stufe, die darin besteht, zwei Halbschalen herzustellen, wobei jede Halbschale im Wesentlichen eine Vielzahl von ersten Elementen, vorzugsweise fünf bis acht, enthält, welche sich in Form halbzylindrischer oder halbovaler Rohre erstrecken, die parallel angeordnet und an ihren Enden jeweils an einen Verteiler angeschlossen sind, und diese verschiedenen Elemente gegebenenfalls in Kupfer oder rostfreiem Stahl ausgeführt sind,
• - eine zweite Stufe, die in der Herstellung von zweiten Elementen besteht, die für das Strömen des Wassers des Warmwasserkreislaufs vorgesehen sind,
• - eine dritte Stufe, die darin besteht, in den Halbschalen, die im Wesentlichen aus den ersten Elementen bestehen, die an ihren Enden jeweils an die Verteiler angeschlossen sind, die Schlange aus den zweiten Elementen anzuordnen,
• - eine vierte Stufe, die darin besteht, zwischen den Verbindungsebenen, die von der unteren und der oberen Halbschale gebildet werden, Lötstäbe einzulegen, auf den zylindrischen oder ovalen Rohren der ersten Elemente eine Vielzahl von Lamellen anzuordnen und die umgebördelten Ränder der ursprünglich senkrechten Lamellen derart auf die Rohre zu bringen, dass ein handhabbarer, mechanisch fest verbundener kombinierter Wärmetauscher ausgebildet wird, und
• - eine fünfte Stufe, die darin besteht, in den Lamellen und im Kontakt mit den ersten Elementen, die den Wärmetauscher bilden, Lötstäbe anzuordnen und das Ganze in einen Lötofen zu stellen, der vorteilhafterweise mit einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre arbeitet,
• umfasst.
• Die Erfindung ist in zweiter Linie auf einen kombinierten Wärmetauscher gerichtet, der durch die Durchführung des soeben beschriebenen Verfahrens erhalten wird und die im Patentanspruch 7 definierten Merkmale enthält.
• Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile werden an Hand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel veranschaulichen, näher erläutert, wobei
• - Fig. 1 eine durchbrochene perspektivische Ansicht, die die Anbringung eines erfindungsgemäßen kombinierten Wärmetauschers in einem Wandheizkessel darstellt,
• - Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen kombinierten Wärmetauschers,
• - Fig. 3 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen kombinierten Wärmetauschers im Teilschnitt und
• - Fig. 4 einen senkrechten Querschnitt eines Teils von Fig. 3
• zeigt.
• Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten Wärmetauschers 1 enthält dieser eine Vielzahl von ersten Elementen 2, die in Form eines Rohrs mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt ausgeführt sind und in welche eine Vielzahl von zweiten Elementen 3 eingebaut ist, die in Form eines Rohrs mit komplexem Querschnitt wie insbesondere einem kreuz-, X- und Y-förmigen Querschnitt vorliegen.
• Dabei bildet das erste Element 2 den Heizungskreislauf, worin das Heizungswasser in den Abschnitten strömt, die von den Außenwänden 4 des Rohrs mit komplexem Querschnitt und der Innenwand 5 des ersten Elements 2 begrenzt werden.
• Das zweite Element 3 bildet den Warmwasserkreislauf, wobei das Warmwasser durch das Innere des komplexen Querschnitts strömt.
• Gemäß einem vorteilhaften Merkmal begrenzt der Einbau des zweiten Elements 3 im ersten Element 2 eine Vielzahl von Berührungsmantellinien 6 zwischen dem Rohr 3 mit komplexem Querschnitt und dem Außenrohr 2, wobei diese Berührungsmantellinien 6 durch bekannte Mittel wie insbesondere Löten oder Schweißen fest mit den ersten 2 und zweiten Elementen 3 verbunden sind, um entlang dieser Mantellinien Wärmebrücken zu realisieren.
• Auf Grund dieser Verbindung zwischen den beiden Elementen 2 und 3 strömt während der Entnahme von Warmwasser der Wärmefluss zu einem Großteil direkt durch Wärmeleitung zwischen dem Warmwasser und dem Werkstoff, der sich mit dem Rauchgas in Kontakt befindet, ohne dass der Heizungswasserkreislauf zu sehr als wärmeübertragendes Fluid genutzt wird.
• Entsprechend einem weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Merkmal wird durch das komplexe Profil des zweiten Elements 3 gewährleistet, dass dieses über eine ausreichende Wärmeaustauschfläche verfügt, um die Abfuhr der gesamten Wärmeleistung zu ermöglichen, die von dem Brenner 7 bereitgestellt wird, der im unteren Teil angeordnet ist.
• Andererseits wird durch die besondere Verbindung der ersten 2 mit den zweiten Elementen 3 sichergestellt, dass während des Betriebs als Zentralheizung die Wandtemperatur der Randkanäle 8 - derjenigen, die von dem ersten Element und den Verbindungsbereichen des zweiten Elements begrenzt werden - auf deren Wasserseite eine Temperatur annimmt, die einheitlich und sehr nah derjenigen des ersten Elements ist, was es auf Grund des hohen Wärmeübergangskoeffizienten und der großen abgewickelten Oberfläche erlaubt, den von den Normen auf seiten der Heizung geforderten Wirkungsgrad zu erreichen:
• Die Zwänge der Technisierung und Herstellung eines Heizkessels für eine Zentralheizung, der mit einem erfindungsgemäßen kombinierten Wärmetauscher 1 ausgerüstet ist, erfordern eine möglichst genaue Auslegung der im Heizungskreislauf eingebauten Umwälz- oder Umlaufpumpe. Ihre Leistung wird derart berechnet, dass die hydraulischen Druckverluste des gesamten Kreislaufs kompensiert werden. Was die Druckverluste betrifft, so stellt man diese in den Rohrleitungen und Heizkörpern, welche die Zentralheizungsanlage bilden, aber auch im Heizkessel und insbesondere im Wärmetauscher fest, hauptsächlich in den Rohrleitungen, welche die ersten 2 und zweiten Elemente 3 bilden.
• Diese ersten 2 und zweiten Elemente 3, deren hydraulischer Durchmesser derart optimiert ist, dass der Platzbedarf des Wärmetauschers 1 reduziert ist, verursachen den größten Teil der hydraulischen Druckverluste, und es sind, um die installierte Leistung der Umwälzpumpe auf ein Minimüm zu verringern, die ersten Elemente 2 des Zentralheizungskreislaufs an Verteiler 9, 10 angeschlossen, die auf beiden Seiten des Wärmetauschers angeordnet sind.
• Die Strömung des Wassers der Zentralheizung erfolgt in diesen Verteilern parallel, so dass in jedem der Kanäle 8 derselbe Durchfluss gewährleistet wird.
• Demgegenüber wird das Strömen des Warmwassers in Reihe und nacheinander durch die Vielzahl der zweiten Elemente 3 realisiert.
• Entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers 1 umfasst dieses eine Abfolge einfacher Stufen, die zerfällt in:
• - Eine erste Stufe, die darin besteht, zwei Halbschalen 11, 12 herzustellen. Jede Halbschale 11, 12 enthält im Wesentlichen eine Vielzahl von ersten Elementen 2, vorzugsweise fünf bis acht, welche sich in Form halbzylindrischer oder halbovaler Rohre erstrecken, die parallel angeordnet und an ihren Enden jeweils an einen Verteiler 9, 10 angeschlossen sind. Diese verschiedenen Elemente sind gegebenenfalls in Kupfer oder rostfreiem Stahl ausgeführt.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform werden die Halbschalen 11, 12 direkt durch Tiefziehen aus einem Metallblech hergestellt, wobei selbstverständlich ist, dass, abhängig von ihrer jeweiligen Funktion zur Herstellung einer oberen und einer unteren Halbschale, zwei verschiedene Matrizen vorhanden sind.
• Gemäß einer zweiten Ausführungsform werden die verschiedenen Elemente (die ersten halbzylindrischen oder halbovalen Elemente 2 und die an der Seite befindlichen Versorgerhälften 9, 10) getrennt, insbesondere durch Tiefziehen, hergestellt und durch einen zweiten Arbeitsgang fest verbunden, der beispielsweise aus einem Schweiß- oder Lötvorgang besteht.
• Obere Halbschale 11 und untere Halbschale 12 unterscheiden sich hauptsächlich darin voneinander, dass eine davon auf der Außenwand der an der Seite befindlichen Versorgungen 9, 10 angeordnet ist, wobei Öffnungen 13 den Anschluss an die verschiedenen Warmwasser- und Zentralheizungskreisläufe erlauben.
• - Eine zweite Stufe, die in der Herstellung der zweiten Elemente 3, die für das Strömen des Wassers des Warmwasserkreislaufs vorgesehen sind, besteht.
• Die zweiten Elemente 3 mit komplexem Querschnitt, insbesondere mit kreuzförmigem Profil, werden aus als Ring gelieferten zylindrischen Rohren entweder durch einen Zyklus aus Kreuzprofilierung und derartigem anschließendem Biegen, dass eine Abfolge von eine Rohrschlange formenden Haarnadelrohren gebildet wird, oder aus Biegen des zylindrischen Rohres mit anschließendem Hydroforming erhalten.
• Diese Verfahren zur Herstellung der zweiten Elemente 3 erlauben es, eine über die gesamte Länge der Rohrschlange konstante Dicke zu erhalten, wodurch das Fehlen von Korrosionsschwachstellen gewährleistet wird.
• Weiterhin ist festzustellen, dass, indem eine Rohrschlange aus dem Ganzen verwendet wird, gelötete Verbindungen zwischen dem Erwärmungskreislauf für das Warmwasser und dem für das Wasser der Zentralheizung entfallen.
• - Eine dritte Stufe, die darin besteht, in den Halbschalen 11, 12, die im Wesentlichen aus den ersten Elementen 2 bestehen, die an ihren Enden jeweils an die Verteiler 9, 10 angeschlossen sind, die Rohrschlange aus den zweiten Elementen 3 anzuordnen.
• Vorteilhafterweise ist die Rohrschlange in der unteren Halbschale 12 angeordnet, da diese die Anschlussöffnungen 13 für die verschiedenen Kreisläufe enthält.
• - Eine vierte Stufe, die darin besteht, zwischen den Verbindungsebenen 14, die von der unteren und der oberen Halbschale 12, 11 gebildet werden, Lötstäbe 15 einzulegen, auf den zylindrischen oder ovalen Rohren der ersten Elemente 2 eine Vielzahl von Lamellen 16 anzuordnen und die umgebördelten Ränder der ursprünglich senkrechten Lamellen derart auf die Rohre zu bringen, dass ein handhabbarer, mechanisch fest verbundener kombinierter Wärmetauscher 1 ausgebildet wird.
• - Eine fünfte Stufe, die darin besteht, in den Lamellen 16 und im Kontakt mit den ersten Elementen 2, die den Wärmetauscher bilden, Lötstäbe anzuordnen und das Ganze in einen Lötofen zu stellen, der vorteilhafterweise mit einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre arbeitet.
• Nach diesem Ofen sind die Wärmetauscher fertig zur Beschickung des Montagebandes der Heizkessel, ohne dass weitere Stufen für den Anbau von beispielsweise Verbindungselementen, verschiedenen Krümmern und Versorgungen erforderlich wären. Entsprechend einer anderen Art und Weise des Zusammenbaus des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird die Hartlötstufe durch eine Weichlötstufe ersetzt, die im Wesentlichen aus einem Tauchverzinnungsvorgang besteht. Dabei wird der gesamte Wärmetauscher 1 so in ein Zinnbad eingetaucht, dass einerseits eine Zinnschicht, die den Wärmetauscher vor Korrosion schützt, angebracht und andererseits, indem der federharter Charakter des Konstruktionsmaterials des Ganzen, wie Kupfer, erhalten bleibt, verhindert wird, dass sich die Lamellen 16 bei Handhabung leicht deformieren.
• Gemäß einer weiteren Art und Weise der Herstellung der Lamellen liegen diese anstelle von Einzellamellen in Form einer Ziehharmonika vor.
• Der bisher beschriebene Wärmetauscher erlaubt über eine große Wärmeaustauschfläche zwischen den Leitungen, die auf Grund von deren relativer Anordnung erhalten wird, einen vollkommenen Wärmeaustausch zwischen den in den zwei Kreisläufen enthaltenen Fluiden.
• Des Weiteren wird durch das Fehlen von Krümmern an den Kreisläufen, da die Richtungswechsel durch Biegen der Rohre der verschiedenen Kreisläufe erhalten werden, die Herstellung des Wärmetauschers vereinfacht, wofür keine weiteren Löt- und Schweißstellen gebraucht werden, weshalb die Gefahr von Undichtheiten nicht besteht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines kombinierten Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, dass es

- eine erste Stufe, die darin besteht, zwei Halbschalen (11, 12) herzustellen, wobei jede Halbschale (11, 12) im Wesentlichen eine Vielzahl von ersten Elementen (2), vorzugsweise fünf bis acht, enthält, welche sich in Form halbzylindrischer oder halbovaler Rohre erstrecken, die parallel angeordnet und an ihren Enden jeweils an einen Verteiler (9, 10) angeschlossen sind, und diese verschiedenen Elemente gegebenenfalls in Kupfer oder rostfreiem Stahl ausgeführt sind,

- eine zweite Stufe, die in der Herstellung von zweiten Elementen (3) besteht, die für das Strömen des Wassers des Warmwasserkreislaufs vorgesehen sind,

- eine dritte Stufe, die darin besteht, in den Halbschalen (11, 12), die im Wesentlichen aus den ersten Elementen (2) bestehen, die an ihren Enden jeweils an die Verteiler (9, 10) angeschlossen sind, die Schlange aus den zweiten Elementen (3) anzuordnen,

- eine vierte Stufe, die darin besteht, zwischen den Verbindungsebenen (14), die von der unteren und der oberen Halbschale (11, 12) gebildet werden, Lötstäbe (15) einzulegen, auf den zylindrischen oder ovalen Rohren der ersten Elemente (2) eine Vielzahl von Lamellen (16) anzuordnen und die umgebördelten Ränder der ursprünglich senkrechten Lamellen derart auf die Rohre zu bringen, dass ein handhabbarer, mechanisch fest verbundener kombinierter Wärmetauscher (1) ausgebildet wird, und

- eine fünfte Stufe, die darin besteht, in den Lamellen (16) und im Kontakt mit den ersten Elementen (2), die den Wärmetauscher bilden, Lötstäbe anzuordnen und das Ganze in einen Lötofen zu stellen, der vorteilhafterweise mit einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre arbeitet,

umfasst.

2. Verfahren zur Herstellung eines kombinierten Wärmetauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe des Hartlötens durch eine Weichlötstufe ersetzt wird, die im Wesentlichen aus einem Tauchverzinnungsvorgang besteht.

3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellamellen (16) durch Lamellen, welche die Form einer Ziehharmonika haben, ersetzt werden.

4. Hetstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschalen (11, 12) direkt durch Tiefziehen eines Metallblechs hergestellt werden.

5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten halbzylindrischen oder halbovalen Elemente (2) und die Versorgerhälften (9, 10) an der Seite getrennt, insbesondere durch Tiefziehen, hergestellt und durch einen zweiten Arbeitsgang fest verbunden werden, der aus einem Schweiß- oder Lötvorgang besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Elemente (3) mit komplexem Querschnitt, insbesondere mit kreuzförmigem Profil, aus als Ring gelieferten zylindrischen Rohren entweder durch einen Zyklus aus Kreuzprofilierung und derartigem anschließendem Biegen, dass eine Abfolge von eine Rohrschlange formenden Haarnadeln gebildet wird, oder aus Biegen des zylindrischen Rohres mit anschließendem Hydroforming erhalten werden.

7. Kombinierter Wärmetauscher (1), der durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erhalten ist und einen Warmwasser- und einen Zentralheizungskreislauf enthält, die ineinander angeordnet sind, und eine obere und eine untere Halbschale (11, 12) umfasst, die jeweils eine Vielzahl von ersten Elementen (2) für den Zentralheizungskreislauf enthält, die an ihren Enden an Versorgungen (9, 10) angeschlossen sind und in welchen sich eine Vielzahl von zweiten Elementen (3)- schlängelt, die als Warmwasserkreislauf vorgesehen sind, wobei die zweiten Elemente (3) ebenfalls in die Versorgungen (9, 10) münden und das Heizungswasser in den Querschnitten zirkuliert, die von den äußeren Wänden (4) des Rohrs, das die zweiten Elemente (3) bildet, und der Innenwand (5) der ersten Elemente (2) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die untere und die obere Halbschale (11, 12), welche die ersten Elemente (2) bilden, die sich in Form halbzylindrischer oder halbovaler Rohre erstrecken, sich hauptsächlich darin voneinander unterscheiden, dass eine von ihnen auf der Außenwand der seitlichen Versorgungen (9, 10) angeordnet ist, wobei Öffnungen (13) den Anschluss an die verschiedenen Kreisläufe von Warmwasser und Zentralheizung ermöglichen.

8. Kombinierter Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Elemente (3) die Form von Rohren mit komplexem und insbesondere mit hohlem, X- förmigem und Y-förmigem Querschnitt aufweisen.

9. Kombinierter Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das komplexe Profil der zweiten Elemente (3) gewährleistet, dass er über eine ausreichende Wärmeaustauschfläche verfügt, um die vollständige Entziehung der Wärmeenergie zu erlauben, die von dem in seinem unteren Teil angeordneten Brenner (7) geliefert wird.

10. Kombinierter Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation des Wassers der Zentralheizung parallel in den Verteilern (9, 10) derart erfolgt, dass in den Rohrleitungen (8) derselbe Durchfluss gewährleistet wird, wobei das Strömen des Warmwassers in Reihe und nacheinander in der Vielzahl der zweiten Elemente (3) erfolgt.