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Einrichtung zur Zirkulationsbeschleunigung in Heiss- und Warmwasserheizungen,
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung, um die Zirkulationskraft in Wasserheizungen durch überhitztes Wasser zu verstärken, ohne der Hauptvorteile der gewöhnlichen Wasserheizung, nämlich der einer verhältnismässig niedrigen Temperatur der Heizkörper bei mildem Wetter sowie der Möglichkeit einer zentralen Regulierung der Wärmeabgabe der Heizkörper verlustig zu gehen. Zu diesem Zwecke wird das überhitzte Wasser, nachdem es im Steigerohre seine Zirkulationskraft erlangt hat, in einer geeigneten Treibvorrichtung (z. B. einem Saugstrahlapparate) mit dem nicht überhitzten kühleren Rücklaufwasser der Heizung gemischt, wobei auf das letztere die Zirkulationskraft dos ersteren mit übertragen wird.
Durch Änderung des Mischungsverhältnisses beider Wassermengen können in den Heizkörpern bei mildem Wetter Temperaturen weit unter 1000 und bei starkem Frost (bei geeigneter Anordnung der Entlüftung, z. B. durch den Saugraum dps Saugstrahlapparates oder bei geschlossenen Heizanlagen) auch über 1000 erreicht werden.
Die Erfindung ist auf der Zeichnung zur Veranschaulichung gebracht und zwar ist : Fig. 1 die neue Einrichtung in ihrer einfachsten Ausfüluungsform. Fig. 2 stellt in ausgezogenen Linien die neue Einrichtung dar, welche in eine mit punktierten Linien dar- gestellte gewöhnliche Warmwasserheizung mit oberer Zuleitung eingefügt ist. Fig. 3 ist eine Ausuhrungsform der neuen Einrichtung für Warmwasserheizung mit untenliegendem Zuieitungsnetze ; Fig. 4 ein Mehrfachsystem der neuen Einrichtung und schliesslich Fig. 5 em Beispiel für Temperaturregulierung in der neuen Einrichtung.
In der Zeichnung sind die Heizkörper mit D, die vertikalen Zu-und Abflussrohren
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In der folgenden Beschreibung wird unter Zirkulationswasser dasjenige Wasser verstanden, welches in der ganzen Heizanlage zirkuliert, während derjenige Teil des Zirkulationswassers, welcher den Wasserüberhitzer nicht passiert, sondern um ihn herumläuft, als Umlaufwasser bezeichnet wird.
Die einfachste Art der Einrichtung nach Fig. l besteht in der Anordnung eines Wasserüberhitzers E, eines von demselben ausgehenden Steigerohres m n, welchen seinen Inhalt ao überhitztem Wasser der Düse eines Saugstrahlapparates G zuführt. Der Strom des durch diese Düse fliessenden überhitzten Wassers saugt durch den Saugraum des Saugstrahlapparates aus dem Umlaufrohr i A b einen Teil des von der Heizanlage kommenden Rucklaufwassers an und wirft ihn durch die Mischdüse des Saugstrahlapparates G in die Heizanlage zurück, während der tibrige Teil des Rücklaufwassers durch das Rohr i k den Wasserüberhitzer speist.
In dem Saugstrahlapparate teilt das überhitzte Wasser die im Steigerohre erlangte Zirkulationskraft dem angesogenen Rücklaufwasser mit, wobei auch die beiden Wasserstrom sich innig miteinander mischen und in dem Gemische eine Temperatur erzeugen, welche dem Mischungsverhältnis und den Temperaturen der beiden Wassermengen entspricht. Daher kann die Temperatur des aus dem Saugstrahlapparato nach der Heizanlage fliessenden Wassergemisches durch Änderung des Mischungsverhältnisses in weiten Crenzen beliebig (auch weit unter 1000) geregelt werden.
Das übliche Expansions-
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gefäss H bietet den nötigen Raum dar, die infolge Erwärmung eintretende Volumszunahmo des Wassers der ganzen Heizanlage in sich aufzunehmen und lässt auch die Luft aus der ganzen Anlage entweichen. Das aus dem Wasserüberhitzer E im Steigorohr emporsteigende, überhitzte Wasser scheidet im oberen Teile des Steigerohres, wo der Druck geringer wird, Dampf aus. Es bildet sich daher im oberen Teile des Steigerohres ein Gemenge von Dampf und Wasser, welches Gemenge leichter ist als das im übrigen Heizsystem zirkulierende nicht überhitzte Wasser.
Diese Gewichtsdifferenz der Wassersäulen bildet die Kraft, welche das Gemenge von überhitztem Wasser und Dampf, eventuell auch reinen Dampf in die Düse des Saugstrahlapparates drückt und welche somit die Zirkulation im ganzen Systeme verstärkt. Die Einrichtung ermöglicht auch, das Wasser im Wasserüberhitzer nur so weit anzuwärmen, dass im oberen Teile des Steigerohres sich kein Dampf ausscheidet ; alsdann würde nur die Gewichtsdifferenz zwischen der nicht angewärmten und der angewärmten Wassersäule zur Geltung kommen und der durch das angewärmte Wasser betriebene Saugstrahlapparat nur eine geringe Zirkulationskraft dem übrigen Wasser mitteilen, welche jedoch bei mildem Aussenwetter oft erwünscht sein wird.
Die in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Anordnung der neuen Einrichtung mit nur einem Luftauslasse durch das Expansionsgefäss würde häufig unbequem in der Ausführung sein, z. B. wenn eine bestehende Warmwasserheizung (in Fig. 2 mit punktierten Linien dargestellt) von ungenügender Zirkulationskraft, d. 11. mit zu engen Rohrquerschnitten oder zu langen Rohrleitungen durch Zufügung der neuen in Fig. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellten Einrichtung die nötige Zirkulationskraft erhalten soll. In Fig. 2 bezeichnet : A den bestehenden Warmwasserkessel, i g A a b n die als Umlaufrohr benutzte bestehende
Leitung, B das alte Expansionsgefäss, ferner E den Wasserüberhitzer, m M das Steigerohr,
G den Saugstrahlapparat.
Die bezeichneten Vorrichtungen samt den Heizkörpern D und ihren Zussuss- und Rückleitungen würden genau in derselben Art funktionieren, wie die vorbeschriebene Einrichtung nach Fig. 1, nur würde der Teil des Systems, welchem der Saug- strahlapparat das Wasser zupresst, einer genügenden Entlüftung entbehren. Diesem Übel- stande könnte zwar ein automatisches Luftauslassventil (etwa im Punkte o) abhelfen, besser ist jedoch ein in diesem Punkte hochgeführtes Entlüftungsrohr, welches am zweckmässigsten zu einem in Fig. 2 dargestellten Luftauslassgefäss H erweitert wird.
Die gefässartige Er- weiterung bietet auch den nötigen Raum für etwa aufzustellende Temperatur-und Druck- regler, schliesslich mildert sie die Stösse, welche im System durch eine sich plötzlich ver- stärkende Wirkung des Saugstrahlapparates entstehen könnten, indem sie den augenblick-
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nur dann, wenn die beiden Gefässe B und H auf verschiedenen Seiten des Saugstrahlapparates angeordnet werden), auch das Wasserniveau NI, um 11 höher ein, als das Niveau N1 im Gefässe B. Diese Niveandifferenz kann als Mass der erzielten Zirkulationskraft betrachtet und zur Betätigung entsprechender Druckregler bekannter Konstruktionen ausgenutzt werden.
Aus dem in o aufgestellten Entlüftungsrohr bezw. aus seiner Erweiterung Il könnte das Wasser bei zu starker Wirkung des Saugstrahlapparates überfliessen und den Aufstellungsraum überschwemmen. Um diesem vorzubeugen, wird vom Entlüftungsrohr bezw. von dem Entlüftungsgpfäss ein Überlaufrohr t u (Fig. 2) am besten nach dem Expunsionsgefäss B angeordnet.
Dieses Überlaufrohr dient bei geschlossenen Heisswasserheizungen nicht nur dazu, das überfliessende Wasser sondern auch die Luft aus dem Gefäss H nach dem
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Zur Sicherung der ganzen nach der neuen Einrichtung gebauten Anlage können Sicherheitsventile oder Siphonausblasrohre an geeigneten Stollen, z. H. in s (Fig. 2), zur Erleichterung der Bedienung auch Druck- und Temperaturregler bekannter Konstruktion an geeigneten Stellen angeordnet werden.
Wird die ganze Anlage nach Fig. 2 nicht als Umbau, sondern als Neuanlage ausgeführt, so kann der Warmwasscrkessel A, sofern er nicht ganz fortgelassen wird, ohne Anwärmevorrichtung nur als wärmeaufspeicherndes Rücklaufwasserreservoir ausgeführt werden, er kann jedoch auch eine Vorrichtung zum Anwärmen erhalten und zwar sei es aus einer mit dem Wasserüberhitzer gemeinsamen, sei es aus einer besonderen Wärmequelle. Es kann z. B. behufs besserer Ausnutzung der Feuerung des Wasserüberhitzers, die zeitweilig oder ständig überschüssige Wärme der Verbrennungsprodukte dieser Feuerung an den Warmwasserkessel abgegeben werden.
Die in Fig, 3 dargestellte Ausführungsform der Einrichtung dient für Heizsysteme mit untenliegendem Zuleitungsnetze. Da es zur Erzielung der Zirkulationskraft im allgemeinen vorteilhafter ist, wenn der Saugstrahlapparat hoch über dem Wasserüberhitzer
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apparat auch eine tiefere Lage erhalten und auch das Steigrohr vom Wasserüberhitzor zuerst bochgeführt, das leichtere Gemenge von Wasser und Dampf aber zur Düse des Saugstrahlapparates wieder herabgeführt worden. Doch ist im allgemeinen für den Wirkungseffekt des Saugstrahlapparates seine möglichst hohe Lage im Zirkulationssystem am vorteilhaftesten.
Je höher nämlich der Saugstrahlapparat liegt, desto geringer ist der hydraulische Gegendruck, welcher auf seiner Ausflussöffnung lastet, desto grösser also die erzeugte Zirkulationskraft bei gegebener Dampfspannung im überhitzten Wasser vor der Düse dos Saugstrahlapparates, bei sonst gleichen Umständen. Umgekehrt, zur Erzeugung einer benötigten Zirkulationskraft bei sonst gleichen Umständen, ist die erforderliche Dampfspannung im überhitzten Wasser um so kleiner, je höher der Saugstrahlapparat im Zirkulationssystem liegt.
Schliesslich, da bei beliebiger Lage des Saugstrahlapparates das Verbrennen des Wasserüberhitzers nur alsdann mit Sicherheit ausgeschlossen ist, wenn das Wasser aus ihm (infolge übermässiger Dampfspannung) nicht durch die Speiseleitung nach rückwärts herausgedrückt wird und da andererseits diese maximale, noch zulässige Dampfspannung vor allem von der Konstruktionshöhe des Systems, oder präziser gesagt, von der Höhe des Wasserniveaus im Expansionsgefäss über den Feuerzügen des Wasserüberhitzers abhängig ist, so wird auch vor allem diese Konstruktionshöhe die zulässige, maximale Dampfspannung normieren.
Da nun bei gegebener Dampfspannung die erzielbare Zirkulationskraft um so grösser ist, jo höher der Saugstrahlapparat liegt, so ist auch bei gegebener Konstruktionshöhe (d. h. bei der dadurch normierten, maximalen Dampfspannung) die erzielbaro Znkulationskraft um so grösser, je höher der Saugstrahlapparat im Zirkulations- systeme gelegen ist. Auch kann der Wasserüberhitzer statt mit dem von der Heizung kommenden Rücklaufwasser auch mit einem Teile des aus dem Saugstrahlapparate kommenden Gemisches gespeist werden, während der Rest des Gemisches nach der Heizanlage strömt.
In grösseren Gebäuden wird es zweckmässig sein, wie in Fig. 4 in ausgezogenen Linien dargestellt ist, die neue Einrichtung als Mehrfachsystem auszuführen, um die Zirkulation in den einzelnen Teilsystemen, namentlich während der Unterbrechung der Wasserüber- hitzung, zu verbessern. Jedes einzelne Teilsystem I, H... besteht aus einer nach Fig. 1
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(Fig. 1), wogegen im unteren Teile der Umlaufrohre a'b', a2 b2... (Fig. 4) der einzelnen Teilsysteme wärmespeichernde Rücklaufwasserreservoire A1, ... zugefügt werden können.
Das von den einzelnen Teilsystemen kommende überschüssige Rücklaufwasser gelangt durch die Leitung x i k (Fig. 4) nach dem zentralen Wasserüberhitzer E und nachdem es darin überhitzt worden ist und im zentralen Steigerohr w) t seine Zirkulationskraft erlangt hat, speist es durch die Hauptzuleitung n y und durch die zugehörigen Abzweigungen die Düsen der Saugstrahlapparate G', G2... der einzelnen Teilsysteme. Die Saugstrahlapparate G1, G2... saugen nun das Rücklaufwasser der einzelnen Teilsysteme durch die Umlaufrühre a'b', a2 b2... an und drücken es nach den Heizkörpern des betreffenden Teilsystems hin.
Statt das überhitzte Wasser nach den einzelnen Teilsystemen zu führen, kann auch eine andere Ausführungsform durch Zufügung der in Fig. 4 in punktierten Linien angedeuteten Vorrichtungen zur Anwendung kommen. Hiebei wird zusätzlich noch ein zentraler Saugstrahlapparat G angeordnet, welcher die einzelnen Teilsysteme mit dem fertigen Gemisch des überhitzten vom Wasserüberhitzer E kommenden und des durch das Umlaufrohr i g b n zufliessenden Rücklaufwassers unter dem nötigen Druck versorgt. Unter Umständen wird noch die Anordnung des punktierten Expansionsgefässes B und eines besonderen entlüfters H notwendig, dagegen die Saugstrahlapparate G', G2..., sowie die
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in den einzelnen Reservoiren A1, A2...
(welche auch als Warmwasserkessel ausgeführt werden können) aufgespeicherte, warme Wasser durch die verhältnismässig kurze Leitung der einzelnen Teilsysteme, wofür die geringe natürliche Zirkulationskraft des warmen Wassers genügen wird. Es sei noch bemerkt, dass für solche natürliche Zirkulation die Verengung des Querschnittes durch den Saugstrahlapparat in allen Ausführungsformeu etwas hemmend wirken muss. Um diesen vorzubeugen, kann eine besondere durch eine Absperrvorrichtung verschliessbare direkte Rohrverbindung (um den Saugstralitapparat herum) zwischen dem Umlaufrohre und der Hauptzuleitung zur Heizanlage vorgesehen werden.
Selbstverständlich können alle Ausführungsformen der neuen Einrichtung durch eine beliebige Wärmequelle betrieben werden, also nicht nur durch direkte Feuerung, sondern auch z. H. durch Dampf (Dampfwasserheizung) angewärmt werden. Ebenso kann die neue
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Heisswasserheizung betrieben werden. Die grosse Zirkulationskraft der neuen Einrichtung gestattet, bestehende Dampfheizungen ohne Änderung des engen Rohrnetzes in Wasserheizungen umzubauen, wobei der alte Dampfkessel als Wasserüberhitzer dienen kann.
Um
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die oben schon erwähnte Regulierung dos Mischverhättnisses der beiden zum Saugstrahlapparate strömenden Wassermcngen zu bewirken, können an geeigneten Stellen beliebige
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erscheint es zweckmässiger behufs Vermeidung der mit einem alsdann möglichen Wassermangel im Wassorüberhitzor bezw. Warmwaaaorkesse ! verbundenen Gefahren, die Absperr- vorrichtungen auf die Abflussleitungen vom Wasseruberhitzer und Warmwasserkessei zu verlegen.
Man kann z B. die eine Absperrvorrichtung zwischen den Punkt a (Fig. 2) und die Düse des Saugstrahlapparates, die andere zwischen b und (Fig. 2) einsetzen, alsdann wird, selbst bei ganz geschlossenen Absperrvorrichtungen, der Wasserüberhitzer durch das Ausblaserohr s v to, der Warmwasserkessel durch das Expansionsgefäss B (Fig. 2) geschützt.
Eine Beschränkung des vollen Schliessens der Absperrvorrichtung würde alsdann den Zweck haben, aus dem Saugstrahlapparate stets ein Gemisch von überhitztem und nicht über- hitztem Wasser zu erhalten und nicht etwa nur eine von diesen Wassersorten.
Besonders zweckmässig erscheint jedoch die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung. In dem vertikal stehenden Saugstrahlapparate G, welcher vorteilhaft dicht unter dem Expansionsgefäss Il (vgl. auch Fig. 1) aufgestellt ist, werden zwei zylinderförmige Ventile V und U eingesetzt und durch entsprechende Arme F'und U'mit einer vertikalen Spindel W
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der Mischduse und setzt sich auf den ringförmigen Ventilsitz 8 auf ; je höher es durch die Spindel W gehoben wird, desto mehr freien Zunussquerschnitt lässt es für das Umlaufwasser frei.
Das Ventil U gleitet auf der zylindrischen Aussenfläche einer unterhalb der Düse angeordneten zylindrischen Rückverlängerung Z derselben. Diese büchsenförmige Rück-Verlängerung ist mit einem Boden versehen, in welchem eine Öffnung L zur losen Durchführung der Spindel'W belassen wird. Die Zylinderfächo Z hat vertikale Längsschlitze, durch welche bei herabgeschobenem Ventil U das üherhitzte Wasser in die Düse strömt. Das Ventil U öffnet daher den Zufluss zur Düse, wenn die Spindel. W herabgeht, d. h. wenn der Zufluss des Umlunfwassers verringert wird.
Umgekehrt verkleinert bei Hebung der Spindel das Ventil U den Zunussquerschnitt des überhitzten Wassers, während das Ventil V den Zuflussquerschnitt des Umlaufwassers vergrössert. Die Bewegung des Ventils ist derart begrenzt, dass in den Grenzlagen die beabsichtigten minimalen Durchfluss- querschnitte für das überhitzte bezw. das Umlaufwasser freibleiben.
Die beabsichtigte Begrenzung wird am einfachsten dadurch erreicht, dass das Ventil V oben gegen eine Ringfläche X X anschlägt, während das Ventil U noch den erforderlichen minimalen Querschnitt der Schlitze unter Zurechnung der stets freibleibenden Öffnung L freilässt und doch beim Niedergange das Ventil V sich nicht mit voller Fläche, sondern mit den Füsschen Y, l'auf den Ventilsitz S S aufsetzt, wobei zwischen den Füsschen der minimale Querschnitt für das Umlaufwasser freibleibt. Die Einstellung der Spindel auf das gewünscht Verhältnis der zu mischenden Wassermengen kann zwar auch von Hand erfolgen, bequemer ist es jedoch, sie durch automatische Regler zu betätigen. In Fig. 5 ist ein solcher Temperaturregler bekannter Konstruktion im Gefässe H aufgestellt.
Ein tellerförmiges
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stehenden, geschlossenen Gefäss F verbunden, welches mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit, z. B. Äther, Alkohol u. dgl. gefüllt ist. Die Membran 1'/steht derart in Verbindung mit einem um den festen Punkt P drehbaren Hebel Q, dass dieser auf der Membran M aufliegt, während cr selbst durch einen Schlitz der Spindel durchgeführt ist.
Wird das Gemisch, welches aus dem Saugstrahlapparate dem Gefäss H zuströmt, zu warm, so hebt der Druck der Dämpfe im Gefäss T die Membran M empor, letztere hebt den Hebel Q und dieser wiederum die Spindel hoch, wodurch der Zufluss an überhitztem Wasser verringert, der Zutiuss an kühlerem Umlaufwasser vergrössert und somit die Temperatur des GemisehQs erniedrigt wird. Zur Einstellung der Vorrichtung auf die jeweilig gewünschte maximale Temperatur dient ein auf dem Hebel Q verstellbares Gewicht K.
Der in vorstehender Beschreibung der neuen Zirkulationseinrichtung erwähnte Saugstrahlupparat besteht (wie alle Saugapparate) prinzipiell aus zwei Teilen : Aus dem motorischen Teile (Düse), in welchem die Kraft des überhitzten Wasserstromes zur Wirkung kommt, und aus dem saugenden und fortdrückenden Teile (Saugraum und Mischdüse), welcher das Umlaufwasser ansaugt und es nach dem Heizsystem weiterdrückt. Daher kann der vorerwähnte Saugstrahlapparat durch eine beliebig andere Heisswasscrtrcibvorrichtung ersetzt werden, welche aus zwei ähnlich aufeinander wirkenden Teilen besteht. Die Düse kann also durch einen durch überhitztes Wasser betriebenen Motor beliebiger Konstruktion, z.
B. eine Turbine, ein Wasserrad, ein Kolbenmotor u. dgl., ersetzt werden. Ein solcher
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Motor müsste alsdann eine zweite Vorrichtung antreiben, welche als Ersatz des Saugraumes und der Misebdüse des Saugstrahlapparates dienen soll, also z. B. eine Zentrifugalpumpe, eine Kolbenpumpe u. dgl., welche das Umlaufwasser ansaugt und es in die Hauptzuleitung der Heizanlage drückt.
In dieselbe Hauptzuleitung würde auch das heisse Abwasser des Motors abgeleitet werden und erst das Gemisch beider Wasser nach den Heizkörpern fliessen. Der Saugapparat verdient jedoch vor allen zuletzt genannten Apparaten den Vorzug, dass er keine sich bewegenden Teile besitzt und dass er sehr bequem sich überall aufstellen lässt, indem er nicht nur horizontal oder vertikal, wie in den Zeichnungen, sondern auch in beliebig geneigter Lage aufgestellt, also in bestehende Leitungen an geeigneter Stelle leicht eingefügt worden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung der Zirkulationsbeschlennigung in Heiss-, Warm-und Dampf wasserheizungen, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Wasserüberhitzers (E), eines von ihm hochgeführten Steigerohres und einer im Niveau des oberen Endes dieses Steigerohres aufgestellten Heisswassertreibvorrichtung (G, z. B. eines Saugstrahlapparates), in welcher das vom Wasserüberhitzer kommende Wasser bezw. der sich daraus ausscheidende Dampf bezw. das Gemenge von Wasser und Dampf den motorischen Teil der Heisswassertreibvorrichtung (z. B. die Düse eines Saugstrahlapparates) betreibt und dadurch den saugenden und fortdrückenden Teil derselben (z. B.
Saugraum und Mischdüse desselben Saugstrahlapparates) betätigt und dadurch das ausserhalb des Wasserüberhitzers zirkulierende Wasser von der einen Seite des Systems absaugt und unter erhöhtem Drucke nach der anderen Seite presst, wobei die Speisung des Wasserüberhitzers durch besondere Rohrverbindung, sei es mit einem Teile des von der Heizanlage kommenden, abgekühlten Rücklaufwassers, sei es mit einem Teile des der Heisswassertreibvorrichtung entströmenden, nicht abgekühlten, nach der
Heizanlage strömenden Wassers erfolgt und zwar zum Zwecke, eine Beschleunigung der
Wasserbewegung im Gesamtsysteme und jede gewünschte Temperatur in dem der Heiss- wassertreibvorrichtung entströmenden Wassergemische zu erzielen, wobei die möglichst hohe
Lage der Heisswassertreibvorrichtung (etwa im Niveau des oberen Steigerohrendes) den zu- sätzlichen Zweck hat,
die gewünschte Zirkulationskraft mit einem Minimum von Dampf- spannung im überhitzten Wasser erlangen bezw. bei gegebener Dampfspannung ein Maximum von Zirkulationskraft erzielen bezw. bei gegebener Konstruktionshöhe der Heizanlage ein
Maximum der auf die Heisswassertreibvorrichtung wirkenden Druckdifferenz, also auch ein
Maximum von Zirkulationskraft erreichen zu können.