![]() Wärmetauschervorrichtung
专利摘要:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung für die Restwärmenutzung von Gasen, insbesondere von Heizungs- und/oder Motorenabgasen, mit einem Behälter (12, 16) mit zumindest einer darin angeordneten Fluidleitung (26 bis 30) zum Durchleiten eines zu erwärmenden Fluids, wobei der Behälter zumindest in einem eine Kondensationsfläche für die Gase anbietenden unteren Bereich (12) auf der Behälterinnenseite eine Beschichtung aus Kunststoff aufweist und/oder in dem Bereich aus dem Kunststoff gebildet ist, wobei der Kunststoff gegen Kondensat der Gase beständig ist. 公开号:DE102004024794A1 申请号:DE200410024794 申请日:2004-05-17 公开日:2005-12-08 发明作者:Horst Wunsch 申请人:TECHNAFLON AG;TECHNAFLON AG TAEGERWILEN; IPC主号:F24H8-00
专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung nachdem Oberbegriff des Hauptanspruchs. [0002] DerartigeWärmetauscherverwerten die heißenAbgase eines Heizkessels oder eines Motors zur Vorwärmung etwavon Heizungs- oder Boilerwasser, so dass auf diesem Wege die inden Abgasen enthaltene Energie sinnvoll zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgradseiner Anlage genutzt werden kann. [0003] Konkretwerden in ansonsten bekannter Weise die Verbrennungsgase in denWärmetauschereingeleitet, breiten sich dort aus und strömen an einem Auslassende abgekühlt hinausin eine Abgasleitung. Durch das Hindurchströmen der heißen Verbrennungsgase wird einFluid, also etwa Heizungswasser, erwärmt, welches in geeignetenLeitungsstrukturen im Behälterdes Wärmetauschersgeführtwird. [0004] Seitetwa 10 Jahren sind vereinzelt Gasheizungen mit integrierten Abgaswärmetauschernauf dem Markt, dagegen sind diese in der Regel für Ölheizungen noch nicht allgemeinerhältlich.Hier sind nämlichdie Anforderungen an einen solchen Abgaswärmetauscher hoch, denn dasvom Ölbrenner(aber auch vom Gasbrenner ausgestoßene Abgas enthält eineAnzahl von Substanzen, welche sich in einem nachgeschalteten Wärmetauscherals aggressives Kondensat niederschlagen. Dies führt dann dazu, dass für Abgasleitungenund Wärmetauschervorgesehene Materialen, etwa rostfreie Stähle, in kürzester Zeit zerstört werden.Eine entsprechende Wirkung entsteht bei der Nutzung von Abgaswärme vonVerbrennungsmotoren, etwa Schweröl-Dieselmotoren (wiesie z.B. im Schiffsverkehr vorkommen); auch hier bildet das aggressiveKondensat eine Hürdegegen den Einsatz gängigerWärmetauscher.Hinzu kommt gerade im Fall der Motoren, dass derartige Antriebsaggregate(vor allem im Teillastbetrieb) im Abgas stark mit Ruß belastetsind, so dass sich die darüberhinausgehende Problematik der Rußentfernung aus dem Abgas stellt. [0005] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Wärmetauschervorrichtungdahingehend zu verbessern, dass diese einem (Öl-)Heizungsbrenner oder Verbrennungsmotor mitaggressiven Kondensatstoffen enthaltenden Abgasen nachgeschaltetwerden kann, ohne dass die Wärmetauschervorrichtungselbst bzw. die darin vorgesehenen Leitungen innerhalb kurzer Zeitdurch das aggressive, sich im Behälter des Wärmetauschers niederschlagendeKondensat beschädigt oderzerstörtwerden. Insbesondere ist zudem eine Wärmetauschervorrichtung zu schaffen,welche einfach in der Handhabung (und damit auch in der Reinigung)ist, sich fürNachrüstzweckeeignet (und damit auch in existierende Brenneranlagen nachträglich integriertwerden kann) und weiter bevorzugt zudem im Zusammenwirken mit Verbrennungsmotorenfür einewirksame Abgasreinigung von Ruß sorgt. [0006] DieAufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchssowie die Verwendungen nach den Patentansprüchen 15 und 18 gelöst; vorteilhafteWeiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. [0007] Inerfindungsgemäß vorteilhafterWeise ist dabei der Behälterzumindest in seinem unteren Bereich, d. h. demjenigen Bereich, biszu dem sich das aggressive Kondensat des Abgases an der Behälterinnenseiteniederschlägt,aus einem gegen das Kondensat beständigen Kunststoff gefertigt.Durch diese auf den ersten Blick eher überraschende Maßnahme (denntypischerweise werden Wärmetauschervorrichtungennicht aus Kunststoffmaterial gefertigt) werden mehrere Vorteilerealisiert: Zum einen kann durch geeignete Wahl des kondensatbeständigen Kunststoffes,bevorzugt sind hier PVDF, PP, PVC und/oder PE, sichergestellt werden,dass selbst über einenlangen Betriebszeitraum die betroffenen Innenwände des Wärmetauscherbehälters unbeeinflusst bleiben,insbesondere nicht durch Korrosion od.dgl. Defekte beschädigt werden.Mithin lässtsich eine zuverlässigeund betriebssichere Vorrichtung realisieren. Zum anderen bewirktdas Kunststoffmaterial, welches lediglich eine für den Abgastemperaturbereichdes eintretenden Abgases ausreichende Temperaturbeständigkeitaufweisen muss (welches etwa bei PVDF problemlos gegeben ist), dassder daraus gefertigte (oder damit beschichtete) Behälter der Wärmetauschervorrichtungeinfach fertigbar ist (im Fall der vollständigen Realisierung aus PVDFetwa durch Formen in einem entsprechenden Werkzeug), und das niedrigespezifische Gewicht des Kunststoffmaterials ermöglicht eine einfache und komfortable Transportierbarkeitder Vorrichtung. [0008] Alsbesonders vorteilhaft erweist es sich in diesem Zusammenhang, wennder Kunststoff zumindest bereichsweise vernetzt ist, vorzugsweisedurch eine Bestrahlung, besonders vorzugsweise durch eine Bestrahlungmit γ-Strahlung vernetztist. Durch eine derartige Behandlung ist es möglich, dass Thermoplaste zuDuroplasten umgewandelt werden. Im Beispiel von PVDF ist es beispielsweisemöglich,die Temperaturfestigkeit durch eine Bestrahlung mit γ-Strahlung von 144°C auf 155°C zu erhöhen. Eine derartigeBehandlung kann auch eine längereLebensdauer der Wärmetauschervorrichtungermöglichen.Möglichist es, dass nur bzw. dass bevorzugt solche Bereiche vernetzt werden,die sich in relativer Nähezum Gaseinlass – unddamit in einem Bereich erhöhterTemperatur – befinden.Ebenso ist es aber auch möglich,dass sämtlicheOberflächenbereiche vernetztwerden. [0009] Gemäß einerbevorzugten Realisierungsform der Erfindung ist dabei der Behälter zweiteilig aufgebaut;das den eigentlichen Kondensationsbereich ausbildende Bodenelementist dabei (bevorzugt massiv und mittels PVDF) aus dem Kunststoffmaterialrealisiert, währendein darauf abnehmbar befestigtes Aufsatzelement in ansonsten bekannterWeise mittels rostfreien Stahls od.dgl. gebildet sein und etwa den Abgaseinlass,die Armaturen fürdie Fluidleitungen od.dgl. tragen kann (durch die im oberen Bereichnoch herrschenden relativ hohen Abgastemperaturen kommt es hiernoch zu keiner Kondensation, so dass insoweit das für das Aufsatzelementverwendete Material unkritisch ist). [0010] Analogdem Gedanken, die vorteilhaften, korrosionsbeständigen Wirkungen des Kunststoffs für die (Kondensations-)Innenflächedes Wärmetauscherbehälters zuverwenden, ist es im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,auch die Fluidleitungen zum Durchleiten des durch den Abgasstromzu erwärmendenFluids (z.B. des Heizungswasser) zumindest auf ihrer Außenfläche mit demKunststoff (also z.B. mit PVDF) zu versehen; in üblicher Weise einzusetzendenAusführungsformen enthaltendann in derartige Fluidleitungen bevorzugt eingebettete Gasdiffusionssperrschichtenzur sauberen Trennung des Fluids vom Abgas, wobei sich für eine derartigeSperrschicht in der Leitung Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierungbewährthat. [0011] Inder praktischen Realisierung als besonders bedeutsam herausgestellthat sich zudem eine Realisierungsform der Erfindung, bei welcher(bevorzugt im Rahmen der vorbeschriebenen Beispiele ausgebildete)Fluidleitungen senkrecht und wendelförmig innerhalb des typischerweisehohlzylindrischen Wärmetauschersbehälters verlaufen;eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades bzw. der Wärmetauscherwirkunglässt sichdadurch erreichen, dass eine Mehrzahl von (bevorzugt gewendelten) Fluidleitungenkoaxial nebeneinander oder verschränkt ineinander geführt sind;Zweck ist es hier, den Druckverlust etwa bei direkter Einkopplungdes Wärmetauschersin das Heizungssystem zu verhindern und, wie oben bereits dargelegt,durch gegen Sauerstoffdiffusion dichte Wärmetauscherleitungen (Rohre)eine Korrosionsgefahr fürdie Heizungsanlage zu minimieren. [0012] Praktischbedeutsam beim Einsatz einer Mehrzahl von gewendelten Fluidleitungenist es dabei, deren vertikale bzw. Relativposition zueinander durchDistanz- bzw. Halteeinrichtungen sicherzustellen, welche, bevorzugtdurch Einstecken bzw. Einführenzwischen die Wendeln, mit kammartigen Vorsprüngen bzw. Einschnitten für eine denAbgasfluss und die Wärmeübertragungoptimierende Position der jeweiligen Rohrabschnitte im Behälter sorgen. [0013] Einauf die vorstehende Weise realisierte Wärmetauschervorrichtung kanndann in besonders einfacher und flexibler Weise, insbesondere auchim Wege der Nachrüstung,Heizungs- oder Motoranlagennachgeschaltet werden, wobei der erfindungsgemäß verwendete Kunststoff eineAbgastemperatur des eintretenden Abgases bis etwa 200°C gestattet (sodass, etwa bei der Verwendung im Zusammenhang mit Verbrennungsmotorenaus dem Antriebsbereich, eine Verwendung des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschersauf Niedriglastbreiche beschränktsein könnte). [0014] Impraktischen Gebrauch zeichnet sich gleichwohl eine derartige Wärmetauschervorrichtung durchherausragende Eigenschaften bei der Verbesserung der Energiebilanzaus; so lassen sich typischerweise zwischen 15 % und 20 % des jeweilsim Rahmen der Heizungsanlage verfeuerten Energieträgers einsparen,wenn typischerweise das Abgas auf Temperaturen von unter 60°C abgekühlt wirdund die so dem Abgas entzogene Heizenergie effektiv weiter verwendetwerden kann. [0015] Einweiterer vorteilhafter Nebeneffekt ist die Wirkung des Wärmetauscherbehälters alsSchalldämpfer(typische Dämpfungswertevon etwa 9dB lassen sich erzielen), so dass hierdurch auch zusätzlicheSchalldämpfmaßnahmenoft überflüssig werden. [0016] Dergemäß einerbevorzugten Ausführungsformder Erfindung zweigeteilte Behälterkann zudem (weiter bevorzugt ohne Werkzeug) einfach geöffnet unddemontiert werden; das Be hälterinneresteht dann fürReinigungsarbeiten zur Verfügung. [0017] Während dieVerwendung im Zusammenhang mit einer Heizungsanlage, und dort insbesondereeinem Ölbrennerod.dgl., als besonders geeignete und bevorzugte Verwendungsformder vorliegenden Erfindung gelten kann, ist die Erfindung hieraufnicht beschränkt.So hat es sich überraschendals günstigund bevorzugt herausgestellt, die Erfindung auch im Zusammenhangmit einem Antriebs-Verbrennungsmotor einzusetzen, wobei hier prinzipiell dieselbeProblematik der aggressiven Kondensate im Abgasstrom entsteht. Zusätzlich führt jedochdas Kondensieren des Abgasstroms dazu, dass der während derVerbrennung zusätzlichentstehende Ruß (unddieses Problem ist gerade im Teillastbereich von Antriebsmotoren,etwa schweren Schiffsdieselmotoren, besonders drastisch, was dannzu Problemen mit Rußbelastungder Umwelt führt)im flüssigenKondensat gelöstund mit diesem in ansonsten bekannter Weise zur Neutralisation oderEntsorgung bzw. zur dosierten Rückführung inden Verbrennungskreis ausgetragen werden kann. [0018] ImErgebnis entsteht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in überraschendeinfacher und eleganter Weise ein Weg, wie flexibel und einfachin der Herstellung eine belastbare und dauerhafte Wärmetauscherlösung selbstfür sehraggressive Abgaskondensate geschaffen werden kann, so dass auchHeizungsanlagen mit einem Ölheizungsbrennerdie Vorteile der effektiven Abgaswärmerückführung mittels Wärmetauschereinfach und preisgünstigzugänglich werden. [0019] WeitereVorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich ausder nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispielssowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in [0020] 1:eine seitlich-perspektivische Schemaansicht der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtunggemäß einerersten bevorzugten Ausführungsformder Erfindung und [0021] 2:einen schematischen Längsschnitt durchdie Anordnung gemäß 1. [0022] EinWärmetauscherbehälter 10 bestehtaus einem eimerförmigen,einstückigaus PVDF gefertigten Bodenelement 12, welches einen Auslass 14 für abzuführendesKondensat ausbildet. Mittels eines Ringflansches 15, einerRingschelle od.dgl. lösbar mitdem Bodenelement 12 verbunden ist ein Aufsatzelement 16 ausrostfreiem Stahl, welches seitlich eine Eintrittsöffnung 18 für eintretendesVerbrennungsgas (s. Pfeilrichtung 19) anbietet, und zusätzlichenim oberen Bereich einen Durchbruch 20 durch einen planenDeckelabschnitt des Aufsatzelements für das Herausführen desabgekühltenAbgases (Pfeilrichtung 21) anbietet. [0023] Weiterhinzeigt die 1, wie auf der Oberseite desAufsatzelements 16 Anschlussaggregate 22, 24 für ein- bzw.abfließendesKühlfluid(hier: Heizungswasser) angeordnet sind; in der gezeigten Konfigurationexistieren drei parallel zueinander geführte und voneinander getrennteFluidleitungen 26, 28, 30 zwischen denAggregaten 22, 24. [0024] Dieseitliche Schnittansicht der 2 verdeutlichtim Detail die Anordnung und Wirkungsweise im Behälterinneren: Durch denEinlass 18 eintretendes Abgas, typischerweise einer Ölheizungsanlage,trifft auf ein (in den Figuren nicht gezeigtes) Abgasleitblech undwird in der durch die Pfeile gezeigten Weise abwärts in den Behälter geleitet;gleichzeitig sorgen die in Form einer ineinander verschachtelten,koaxialem Dreifachwendel angeordneten Fluidleitungen 26, 28, 30 dafür, dasssich das eintretende Gas kontinuierlich abkühlt, bis durch das Gas eingetragenesKondensat an Innenwändendes Bodenelements 12 kondensiert (die typischerweise innerhalbdes Aufsatzelements vorliegenden Abgastemperaturen bewirken nochkeine Kondensation). Das Kondensat läuft dann an den jeweiligenKondensations-Innenflächendes Bodenelements herab und sammelt sich im Bodenbereich, wo esdurch den Auslass 14 ausgetragen wird. Zusätzlich (undin der Regel zum überwiegendenTeil) erfolgt eine Kondensation auf den Außenflächen der Leitungen 26 bis 30 (welcheim Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispielsvorteilhaft ebenfalls aus PVDF gefertigt sind oder eine PVDF-Beschichtung aufweisen),sowie auf der Außenfläche einesAbgas- bzw. Auslassrohres 32, welches selbst wiederum bevorzugtund geeignet aus PVDF gefertigt ist; hieran schließen sichin ansonsten üblicher Weiseweitere Abgasleitungen an. Durch das abtropfende Kondensat kommtes zu einem Selbstreinigungseffekt der inneren Oberflächen desWärmetauschers. [0025] Dasim Bodenbereich des Bodenelements 12 gesammelte Kondensatkann somit nicht mit metallischen Elementen in Berührung kommen(kann somit keine Korrosion auslösen),ist schwermetallfrei und kann in ansonsten bekannter Weise neutralisiert undentsorgt werden. [0026] Einebesonders elegante und interessante Weise, die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtungvorteilhaft einzusetzen, liegt in der Verwendung zusammen mit einemAntriebs-Verbrennungsmotor,typischerweise einem Schiffsdiesel. Hier wird speziell für einen(besonders rußanfälligen)Niedriglastbetrieb, wie er häufigim Bereich von Häfenim Anlegemanöverbetriebzu beobachten ist, eine erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung in denAbgaskreis eingeschleift, wobei in der vorbeschriebenen Art auchwiederum das (in dem vorliegenden Niedriglastbereich eine typischeobere Grenztemperatur von 200°Cnicht überschreitende)Abgas in den Wärmetauschereintritt, dort kondensiert und zusätzlich mit dem Kondensat daszu beseitigende Ruß gelöst und mitabgeführtwird. Im Ergebnis tritt dann nicht nur in thermisch optimierterWeise ein gekühlter Abgasstromaus, auch ist dieser signifikant von Rußpartikeln befreit. Das (rußhaltige)Kondensat kann dann wiederum geeignet gesammelt und während späterer Betriebszyklen(typischerweise optimierten Volllastbetrieben) eines Schiffsmotorsin vorsichtig dosierter Weise dem Verbrennungskreis rückgeführt werden,so dass insoweit dann auch eine rückstandslose Entsorgung desrußhaltigenKondensats möglichist. Besonders geeignet erfolgt das Einschleifen einer Wärmetauschervorrichtungim Rahmen dieses Ausführungsbeispielsdurch eine geeignete, motorlastabhängige Automatik. Durch dieseRückführung desgesammelten Kondensats (bzw. von gegebenenfalls zusätzlich oder,falls kein Kondensat mehr vorhanden ist, ausschließlich eingespritztemWasser) kann die Leistung erhöhtwerden und gegebenenfalls Energie gespart werden.
权利要求:
Claims (18) [1] Wärmetauschervorrichtungfür dieRestwärmenutzungvon Gasen, insbesondere von Heizungs- und/oder Motorenabgasen, miteinem Behälter(12, 16) mit zumindest einer darin angeordnetenFluidleitung (26 bis 30) zum Durchleiten eineszu erwärmendenFluids, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter zumindestin einem eine Kondensationsflächefür dieGase anbietenden unteren Bereich (12) auf der Behälterinnenseiteeine Beschichtung aus Kunststoff aufweist und/oder in dem Bereich ausdem Kunststoff gebildet ist, wobei der Kunststoff gegen Kondensatder Gase beständigist. [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Kunststoff PE, PP, PVC oder PVDF aufweist. [3] Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Fluidleitung (26 bis 30) zumindest aufihrer Außenfläche denKunststoff aufweist. [4] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass der Kunststoff zumindest bereichsweise vernetzt ist, vorzugsweisedurch eine Bestrahlung, besonders vorzugsweise durch eine Bestrahlungmit γ-Strahlungvernetzt ist. [5] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass die Fluidleitung eine eingebettete Gasdiffusionssperrschicht,insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aufweist. [6] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass der Behälterzweiteilig bestehend aus einem den unteren Bereich realisierendenBodenelement (12) sowie einem darauf abnehmbar befestigbarenAufsatzelement (16) realisiert ist. [7] Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass das Aufsatzelement (16) einen Gaseinlass (18)sowie einen Fluidein- und -auslass (22, 24) für die mindestenseine Fluidleitung anbietet. [8] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass einem Gaseinlass für dieWärmetauschervorrichtungim Behälterinneren einStrömungshindernisfür einströmende Gase,insbesondere eine Prallplatte oder ein Leitblech, nachgeschaltetist. [9] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass die zumindest eine Fluidleitung (26, 28, 30)wendelförmigim Behälter gehaltenist und sich bevorzugt in axialer Richtung aufwärts erstreckt. [10] Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durcheine Mehrzahl von wendelartig ineinander verschränkten und/oder konzentrischzueinander verlaufenden Fluidleitungen. [11] Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,dass der mindestens einen Fluidleitung eine langgestreckte, bevorzugtkammartige Distanz- und Halteeinrichtung für die Wendel/n zugeordnet ist. [12] Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass die kammartige Distanz- und Halteeinrichtung einends auf einemBoden des Behältersaufsteht. [13] Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,dass die langgestreckte Distanz- und Halte einrichtung zum Haltenund Führen einerMehrzahl von wendelförmigenFluidleitungen an mehreren Seiten Ausnehmungen oder Vorsprünge aufweistund insbesondere kammartig ausgebildet ist. [14] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnetdurch eine in den Behälterhineinragende Gasauslassleitung (32), welche bevorzugtaus dem Kunststoff gefertigt und/oder mit diesem beschichtet ist. [15] Verwendung der Wärmetauschervorrichtung nacheinem der Ansprüche1 bis 14 zum Nachschalten hinter einen Heizungsbrenner zur Restwärmenutzungvon Heizungsabgasen. [16] Verwendung der Wärmetauschervorrichtung nacheinem der Ansprüche1 bis 14 zur Nachschaltung hinter einen Antriebs-Verbrennungsmotor,insbesondere einen Schiffsmotor. [17] Verwendung nach Anspruch 16, wobei die Wärmetauschervorrichtungin einem vorbestimmten Lastbetrieb des Antriebs-Verbrennungsmotors,insbesondere einem Teillastbetrieb, selektiv in den Abgaskreis desAntriebs-Verbrennungsmotorseingeschleift werden kann. [18] Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, wobei Kondensatim Behälterder Wärmetauschervorrichtungin den Verbrennungskreislauf durch Rückführen in eine Treibstoffzufuhrfür denAntriebs-Verbrennungsmotor eingebracht wird.
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引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
2006-04-06| 8110| Request for examination paragraph 44| 2009-05-14| 8363| Opposition against the patent| 2009-12-10| 8368| Opposition refused due to inadmissibility| 2015-12-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
优先权:
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