DE2740937C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus vo einem Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Gerät ist aus der DE-OS 25 05 765 bekannt. Bei diesem Gerät sind die Lamellen bis auf Durch­ züge an den Durchgangslöchern für die Rohre und auf abgekantete Rand­ streifen als völlig glatte Bleche ausgeführt und der Lamellenblock ist in einem Rahmen gefaßt, der den Lamellenblock versteift und mit einem umlaufenden Flansch zum Aufsitzen des Wärmeübertragers auf eine Ver­ brennungskammer versehen ist. Bei der Erhitzung derartiger Wärmeüber­ trager treten verhältnismäßig hohe Schubbeanspruchungen an den Rohr­ einspannstellen auf, wenn der Lamellenwerkstoff und das Blechmaterial des Rahmens unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten oder unter­ schiedliche Temperaturen haben. Dazu kommen Torsionsspannungen, die dadurch entstehen, daß sich die Lamellen an der dem Brenner zugekehr­ ten Unterseite stärker dehnen als an der Oberseite und dadurch die Tendenz haben, sich mit ihren Enden nach oben hochkant durchzukrümmen. Diese periodisch auftretenden Spannungen können in ungünstigen Fällen dazu führen, daß es zu Materialbrüchen der Rohre an ihren Einspann­ stellen kommt.

Bei mit einem Lamellenblock versehenen Wärmeübertragern für nach dem Durchlaufprinzip arbeitende, gas- oder ölbeheizte Wassererhitzer ist es ferner zur Schaffung eines günstigen Verhältnisses von übertrag­ barer Wärmeleistung zum Materialaufwand bekannt, die Lamellen zwischen den Rohren quer zur Strömungsrichtung der Heizgase mehrfach einzu­ schneiden und so auszuprägen, daß in den Lamellenzwischenräumen ge­ staffelt übereinanderliegende, gegen den Heizgasstrom gerichtete Kan­ ten entstehen (DE-GM 17 04 422). Die so gebildeten und angeordneten Ausprägungen der Lamellen bewirken jedoch eine zusätzliche Versteifung der Lamellen, wodurch die Einspannstellen der Rohre noch höher auf Schub beansprucht werden als bei Wärmeübertragern mit Lamellen ohne derartige Ausprägungen.

Bei Wärmeübertragern mit einem von Luft durchströmten, als Kühler oder Verdampfer wirkenden Lamellenblock ist es ferner bekannt, die Lamellen wellenartig quer zur Strömungsrichtung der Luft flach zu falten und die Wellenwände zwischen den Faltenlinien mit Aussparungen zu ver­ sehen, durch welche die Luft hindurchströmen muß (DE-OS 23 05 056). Durch diese Ausbildung der Lamellen soll der Strömungsweg der durch­ fließenden Luft verlängert und der Wärmeübergang von dem einen zum an­ deren Strömungsmedium verbessert werden. Jedoch könnten auch bei die­ ser Ausführung die quer zur Strömungsrichtung des durch die Lamellen hindurchtretenden Mediums auftretenden Unterschiede in den Dehnungen der Lamellen und der die Rohrenden zusammenhaltenden Rahmenglieder nicht ausgleichen, wenn der Wärmeübertrager den bei den Geräten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 auftretenden hohen Temperaturen ausgesetzt wäre.

Ferner ist es bei Radiatoren mit einem von Heizwasserrohren durchsetz­ ten und von zu erwärmender Raumluft durchströmten Lamellenblock be­ kannt, die Lamellen mit parallel zur Strömungsrichtung der Raumluft laufenden Sicken zu versehen (US-PS 19 40 152). Diese Sicken sollen bestimmungsgemäß die Lamellen versteifen und auch eine rückfedernde Kraft bewirken, wenn die Lamellen durch eine äußere Kraft verformt werden. An die Verminderung von Schubspannungen an den Rohreinspann­ stellen ist dabei nicht gedacht, weil bei Wärmeübertragern dieser be­ kannten Gattung wesentlich geringere Temperaturen auftreten als bei Wärmeübertragern, die mit Verbrennungsgasen beaufschlagt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei dem eingangs genann­ ten Wärmeübertrager auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoef­ fizienten oder unterschiedlicher Temperaturen auftretenden mecha­ nischen Beanspruchungen zu vermindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeübertrager für Flüssigkeitserhitzer durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die mechanischen Spannungen, die mit jedem Heizzyklus periodisch wechselnd aufgebracht werden, so redu­ ziert werden, daß die Dauerschwingfestigkeit der verwendeten Werkstof­ fe nicht überschritten wird. Andererseits hat die gefaltete und mit Langlöchern bzw. Schlitzen in den Faltscheiteln versehene Lamelle noch eine so große Steifigkeit, daß sie sich ausreichend gut in eine Füge­ vorrichtung zum Zusammensetzen des Wärmetauschers einführen läßt.

Die elastischen Verbindungsstege gewährleisten in ihrer Vielzahl, daß sich der lichte, abgasseitige Strömungsquerschnitt nicht verändert, wie dies bei einer durchgehenden Trennung zwischen den Rohrdurch­ brüchen durch innere Spannungen oder äußere Krafteinwirkung möglich wäre. Dadurch könnte die Abgaszusammensetzung unzulässig beeinflußt werden, weil die Sekundärluftansaugung bei einem Verbrennungsvorgang durch den Druckverlust im engsten, abgasseitigen Lamellenblockquer­ schnitt über der eine Kaminwirkung erzeugenden Verbrennungskammer be­ stimmt ist. Auch würde der Wirkungsgrad, d. h. die vom Wärmeübertrager aufgenommene Wärme, durch eine Änderung der Sekundärluftansaugung ebenfalls verändert, weil die Luftzahl g die Verbrennungstemperatur und damit die mittlere wirksame Temperaturdifferenz sowie das Abgas­ volumen beeinflußt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Verbrennungskammer eines gasbeheizten Durchlauf-Wasser-Erhitzers mit als Lamellenblock ausgebildetem Wärmeübertrager, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 die Seitenansicht einer Lamelle des Wärmeübertragers nach Fig. 1,

Fig. 3 die Stirnansicht einer Lamelle des Wärmeübertragers nach Fig. 1,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lamelle und

Fig. 5 das Bestreben der Lamellen, sich bei Erwärmung hochkant durch­ zubiegen.

Der am oberen Mündungsrand einer Verbrennungskammer 10 sitzende Wärme­ übertrager 11 hat einen Lamellenblock 12, durch den mehrere wasserfüh­ rende Rohre 13 parallel zueinander hindurchgeführt sind. Die Enden der Rohre 13 sind in Platten 14 einge­ lötet, die mit Deckeln 15 verlötet sind, welche zwischen sich und den Platten 14 Sammelräume 16 umschließen. In dem einen Sammelraum 16 mündet eine Zulaufleitung 17 ein; an den ande­ ren Sammelraum ist eine Ablaufleitung 18 angeschlossen. Zu­ laufleitung 17 und Ablaufleitung 18 sind in die Deckel 15 ein­ gelötet.

Der Lamellenblock 12 besteht aus einzelnen Chromstahllamellen 20 (Fig. 2), die mit Löchern 21 für den Durchtritt der Rohre 13 versehen sind. An den Lochrändern sind hochgestellte Kra­ gen 22 gebildet, mit welchen die Lamellen an die Rohre 13 an­ gelötet sind. Die Kragen 22 und in Kragenhöhe abgewinkelte Seitenränder 23 der Lamellen bestimmten den Lamellenabstand a. Die Lamellen 20 haben einen anderen Wärmedehnungskoeffizien­ ten sowie eine andere Temperatur als die Platten 14 und die Deckel 15, in welche die Wasserohre 13, 17 und 18 eingelötet sind.

Zwischen den Löchern 21 sind die Lamellen mit im Querschnitt wellenförmigen Biegefalten 26 versehen, die von der oberen Lamellenkante 27 bis zu der dem Brenner des Gerätes zugekehr­ ten unteren Biegekante 28 durchlaufen. Im Scheitel der Biege­ falten 26 sind schlitzförmige Aussparungen 30 vorgesehen, zwischen denen und den Lamellenkanten 27, 28 je zwei Stege 31 und 32 gebildet sind. Die untere Lamellenkante 28 ist zwischen den Löchern 21 nach oben eingezogen, damit eine möglichst gleichmäßige Wärme­ stromdichte in diesem Lamellenbereichen erhalten wird.

Im Betrieb des Wärmeübertragers dehnen sich die gegenüber Heizgasen beständigen Chromstahl-Lamellen 20 weniger stark aus als die aus Kupfer bestehenden Platten 14 und Deckel 15. Die dadurch hervorgerufenen Dehnungsunterschiede werden von den Stegen 31, 32 elastisch federnd aufgenommen, so daß nur geringe Schubspannungen an den Einspannstellen der Rohre 13 in den Platten 14 auftreten. Die Stege 31, 32 verleihen den Lamellen andererseits noch eine so große Formsteifigkeit, daß das Einfügen der Lamellen in ein kammartiges Montagewerkzeug keine Schwierigkeiten bereitet.

Neben der geradlinien Dehnung tritt beim Betrieb des Wärme­ übertragers noch eine Hochkantkrümmung auf. Dieses Bestreben, sich hochkant durchzukrümmen, kommt daher, daß die Lamellen an der Unterkante 28 eine Temperatur von 300 bis 400°C erreichen, während die Temperatur an der Oberkante 27 der Lamellen nur bis etwa 150°C ansteigt. Die nach Fig. 4 ausgebildete Lamelle 20′ unterscheidet sich von der Lamelle 20 nach Fig. 2 dadurch, daß in jeder Biegefalte 26 zwei schlitzförmige Aussparungen 35 und 36 eingestanzt sind, von denen die obere schlitzförmige Aussparung 35 in den Rand 27 der Lamelle ausmündet. Zwischen den schlitzförmigen Aussparungen 35 und 36 ist ein Steg 38 ge­ bildet, der tiefer sitzt als der Steg 31 der Lamelle 20 nach Fig. 2. Eine derart ausgebildete Lamelle hat zwar bei freier Verformung unter der Annahme einer linearen Temperaturvertei­ lung eine genau gleiche Hochkantkrümmung wie die Lamelle 20, die Rückstellmomente in eine eingespannte Zwangslage sind je­ doch wesentlich kleiner. Fig. 5 zeigt, daß bei einer solchen Hochkantkrümmung sich die Löcher 21 in der Lamelle gegenüber den Rohren 13 mit gegen das Ende der Lamelle hin zunehmender Tendenz verdrehen und verschieben. Dadurch werden Torsions­ spannungen und zusätzliche Schubspannungen auf die Einspann­ stellen der Rohre 13 ausgeübt, die bei der Lamelle nach Fig. 4 gemäß den wesentlich kleineren Rückstellmomenten verringert werden.

Claims (6)

1. Wärmeübertrager für Flüssigkeitserhitzer, insbesondere für nach dem Durchlaufprinzip arbeitende Gas-Wassererhitzer, mit einem Lamellen­ block, durch den mehrere die zu erwärmende Flüssigkeit führende Rohre parallel zueinander hindurchgeführt sind, deren aus dem Lamellenblock herausragende Enden starr miteinander verbunden sind über Elemente, welche einen anderen Wärmedehnungskoeffizienten haben und/oder im Be­ trieb eine andere Temperatur als die Lamellen annehmen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lamellen (20) zwischen den Durchführungen für die Rohre (13) mit Biegefalten (26) zum Wärmedehnungsausgleich ver­ sehen sind, welche parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungs­ gase verlaufen und daß die Lamellen (20) im Bereich ihrer Biegefalten (26) mit schlitzförmigen Aussparungen (30) versehen sind, welche sich über deren Biegescheitel hinweg erstrecken.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quer zur Lamellenebene gemessene Tiefe der Biegefalten (26) dem Lamellenabstand (a) entspricht.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Biegefalten (26) eine einzige schlitzförmige Aussparung (30) vorgesehen ist, die beidseitig von Stegen (31, 32) begrenzt ist.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Biegefalten (26) zwei axial hintereinander angeordnete schlitzförmige Aussparungen (35, 36) vorgesehen sind, von denen mindestens eine zu Rand (27) der Lamelle hin offen ist.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Biegefalten (26) drei axial hintereinander angeordnete schlitzförmige Aussparungen vorgesehen sind, von denen die beiden äußeren zum benach­ barten Rand der Lamelle hin offen sind.

6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, für Gas-Wassererhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Brenner zugekehrten Unter­ seiten (28) der Lamellen in den zwischen den Rohren liegenden Bereichen nach oben eingezogen sind und daß die zum Rand (27) der Lamelle hin offenen schlitzförmigen Aussparungen (35) in den Biegefalten (26) auf der vom Brenner abgekehrten oberen Lamellenseite liegen.