CH682419A5

CH682419A5 - Verfahren zum Erwärmen einer Flüssigkeit und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Info

Publication number: CH682419A5
Application number: CH1584/90A
Authority: CH
Inventors: Detlef Friedrichs; Hans-Albrecht Kohlmann; Karl-Ernst Vaillant; Konrad Weber
Original assignee: Vaillant Gmbh
Priority date: 1989-05-20
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1993-09-15
Also published as: NL194652B; GB2233077B; NL9001107A; IT9020339A0; GB2233077A; DE4015148A1; IT9020339A1; ATA110890A; DE4015148C2; AT399565B; FR2647192A1; NL194652C; IT1240894B; GB9011276D0; FR2647192B1

Description

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Beschreibung

Verfahren zum Erwärmen einer Flüssigkeit und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Wasserheizer ist bekanntgeworden aus der EP-OS 315 579. Hierbei geht es darum, ein Kühlrohr einem atmosphärisch betriebenen Gasbrenner zuzuordnen, um den Brenner eines solchen Wasserheizers zu kühlen. Es werden hier insbesondere die Brennstoff-Austrittsöffnungen und der Flammenbereich gekühlt, wobei die Kühlrohre zwischen den mit Abstand voneinander angeordneten Gruppen der Brennstoff-Austrittsöffnungen verlaufen, damit die Brennerflammen nicht behindert werden, andererseits sollen die Kühlrohre dem heissen Kernbereich dieser Flammen möglichst nahe sein.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass dies mit der dort vorgeschlagenen Kühleinrichtung nicht möglich ist.

Weiterhin ist im Stand der Technik eine Sicherheitseinrichtung beschrieben, die im Bedarfsfall, zum Beispiel bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes oder Unterschreiten eines Strömungsgrenzwertes im Kühlrohr den Brenner und die Brennstoffzufuhr abschaltet, um Überhitzungsschä-den vorzubeugen.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Flammenbereich eines Wasserheizers über das erste Wärmetauscherelement aktiv und gezielt einen zur Optimierung des Verbrennungsprozesses erforderlichen Wärmestrom energiesparend zu entziehen und gleichzeitig die Flamme zu stabilisieren und den Verbrennungsvorgang zu intensivieren, so dass es zu einer drastischen Reduktion der Stickoxydbildung und der Kohlenmonoxydbildung kommt.

Die Lösung der Aufgabe liegt verfahrensmässig in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Durch diese Massnahme kommt es zu einer sehr starken Absenkung der Flammentemperatur, so dass aufgrund der entstehenden Flammentemperatur thermische Stickoxyde praktisch nicht mehr gebildet werden. Durch eine Positionierung des Wärmetauschers unmittelbar in der Flamme kann dieser mit seinen wesentlichen Teilen von den Flammen umschlossen werden, so dass er als Staukörper stabilisierend auf die Flamme einwirkt. Es wird aber eine Fortsetzung des Ausbrandes der Flammenzone erreicht, da die Flammenzone oberhalb der Wärmetauscherelemente des ersten Wärmetauschers weiter reagieren kann. Aufgrund dieser Massnahmen kann das sonst bei Kühlelementen entstehende Kohlenmonoxyd in seiner Entwicklung stark unterdrückt werden. Damit einhergehend gelingt auch ein vollständiger Ausbrand der Verbrennungsgase.

Zweckmässige Verfahrensausgestaltungen und Vorrichtungen überwachen und/oder steuern den Betriebszustand des Wasserheizers.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor, die anhand der Figuren der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Um-iaufwasserheizers,

Fig. 1a ein Ausführungsbeispiel zur mechanischen Verbindung zwischen Wärmetauscherelementen und Brenner,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Durchlaufwasserheizers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kessels,

Fig. 3a ein Ausführungsbeispiel zur mechanischen Verbindung von Wärmetauscherelementen untereinander,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brenners oder Kessels,

Fig. 4a ein Ausführungsbeispiel zur mechanischen Verbindung eines Wärmetauscherelements mit Wassertaschen des Heizschachtes,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Brenners oder Kessels,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Speichers und Fig. 7 bis 19 hydraulische Schaltungen,

Fig. 20a bis 22 verschiedene Ausführungsbeispiele zur Abstandsregelung zwischen einem Wärmetauscherelement und einem Brenner beziehungsweise zur Positionierung der Wärmetauscherelemente zu den Brennerflammen,

Fig. 23a bis d Ausführungsbeispiele zur Überwachung und/oder Regelung des mittels Wärmetauscherelementen durch Teilströme des Umlaufwassers unmittelbar aus dem Flammenbereich abgeführten Wärmestroms,

Fig. 24 ein Ausführungsbeispiel der direkten Flammenkühlung unter Überwachung in Verbindung mit einem Mikroprozessor,

Fig. 25 bis 33 verschiedene Ausführungsbeispiele zur Steuerung beziehungsweise Regelung des Kühlmittelkreislaufes,

Fig. 34a eine schematische Darstellung der Flammenkontur bei gekrümmten Brenngaszufuhrkanal und

Fig. 34b wie Fig. 34a, jedoch bei erhöhter Brenngasmengenzufuhr.

Ein Umlaufwasserheizer 1 weist ein Blech- oder anderes Gehäuse 2 auf, in dessen Innerem eine Brennkammer 3 angeordnet ist. Diese enthält einen atmosphärischen Gasbrenner 4, der über eine mit einem Proportionalsteuerventil 5 versehene Gaszuleitung 6 mit Erdgas gespeist ist. Eine Speisung mit Flüssiggas oder Stadtgas wäre genauso möglich. Dem Ventil 5 ist ein Stellmotor 7 zugeordnet, der über eine Stelleitung 8 mit einem Regler 9 verbunden ist. Oberhalb des Brenners ist ein Wärmetauscher 10 vorgesehen, der aus zwei Elementen 11 und 12 besteht. Die beiden Wärmetauscherelemente können Lamellenblockwärmetauscher mit Kupferrohren und Kupferlamellen oder Stahlrohren und Stahllamellen oder Gemischen aus beiden sein. Aluminium oder seine Legierungen kämen auch als

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Werkstoff in Frage. Im Falle der Anwendung auf einen Kessel würde das Wärmetauschelement 11 aus Gussgliedern oder Stahlblechen bestehen, das erste Wärmetauscherelement 12 könnte aus kühl-wasserdurchflossenen gegebenenfalls berippten Rohren bestehen. Auch bei einem Kessel wäre es möglich, das oder die Wärmetauscherelemente aus Aluminium in gegossener oder gezogener oder ge-presster Form auszugestalten. Die Brennkammer 3 hat einen unteren Lufteinlass 13 und einen Abgas-auslass 14.

Der Umlaufwasserheizer 1 dient zur Speisung einer Raumheizanalge 15 und/oder eines Brauchwasserspeichers, der nicht dargestellt ist. Von der Heizungsanlage 15 geht eine mit einer Umwälzpumpe 16 versehene Rücklaufleitung 17 ab, die zum Wärmetauscherelement 11 führt. Vom Wärmetauscherelement 11 geht eine mit einem Vorlauftemperaturfühler 18 versehene Vorlaufleitung 19 ab. Der Vorlauftemperaturfühler 18 ist über eine Messleitung 20 mit dem Regler 9 verbunden, der Pumpe 16 ist ein Antriebsmotor 21 zugeordnet, der über eine Stelleitung 22 aus dem Regler 9 gespeist ist. Es ist ein Aussentemperaturfühler 23 vorgesehen, der über eine Messleitung 24 seine Messwerte auf den Regler 9 gibt. Zwischen dem Druckstutzen der Umwälzpumpe 16 und dem Einlass der Rücklaufleitung 17 in das Wärmetauscherelement 11 ist eine Verzweigungsstelle 25 in der Rücklaufleitung vorgesehen, von der eine Zweigleitung 26 zum rücklaufseitigen Anschluss des Wärmetauscherelementes 12 geht, in der ein Rücklauftemperaturfühler 27 angeordnet ist, der über eine Messleitung 28 mit dem Regler 9 verbunden ist. Die Vorlaufseite des Wärmetauschelementes 12 ist über die weiterführende Leitung 26 mit einer zweiten Verzweigungsstelle 29 verbunden, die in der Vorlaufleitung 19 zwischen dem Vorlauftemperaturfühler 18 und dem Ausgang des Wärmetauscherelementes 11 liegt. In diesem Teil der Zweigleitung sind ein Vorlauftemperaturfühler 30 und ein Durchsatzmesser 31 angeordnet, die beide über je eine Messleitung 32 und 33 mit dem Regler 9 verbunden sind.

Im Betrieb bilden sich am Brenner 4, der übrigens auch als Gebläsebrenner ausgestaltet sein kann, eine Vielzahl von Flammen 34 aus, die als mehr oder weniger hohe Einzelflammen oder als durchgehender Flammensaum ausgestaltet sein können. Ist der Brenner 4 als eine Vielzahl nebeneinanderliegender einzelner Brennerrohre ausgestaltet, so ergeben sich mehr oder weniger grosse Einzelflammen, handelt es sich hier beispielsweise um eine Keramikplatte, so ergibt sich ein in Einzelflammen nicht mehr zu trennender Flammenbereich.

In jedem Falle ist das Wärmetauschelement 12 mit seinem Rohr oder seinen Rohren oder seinem Rohrnetz so angeordnet, dass es im Flammenbereich der Flammen 34 oder in wärmeentziehender Berührung mit der Brennerplatte oder dergleichen liegt. Bevorzugt ist es so angeordnet, dass mit den Rohren die Kernzonen der Flammen durchsetzt werden, so dass die einzelnen Flammen die Rohrelemente vollständig umschliessen.

Die Querschnitte der Leitungen 26 beziehungsweise der Leitungen 17/19 durch das Wärmetauscherelement 11 sind so bemessen, dass in dem Wärmetauschelement 12 ein Wärmestrom von 5 bis 50% des gesamten von beiden Wärmetauschelementen umgesetzten Wärmestroms dem Flammenbereich entzogen wird. Es können Mittel vorgesehen sein, die eine Justage dieses Wärmestroms ermöglichen, beispielsweise könnte im Zuge der Zweigleitung 26 eine gesonderte Umwälzpumpe vorhanden sein und/oder eine einstellbare Drosselstelle. Hierzu wird weiter hinten im Text in der Beschreibung zu den Fig. 23 a bis d Stellung genommen. Gegebenenfalls kann der Querschnitt dieser Drosselstelle auch geregelt werden. Durch die Anordnung der beiden Temperaturfühler 27 und 30 in Verbindung mit dem Durchsatzmesser 31 gelingt eine Erfassung des vom Wärmetauschelement 12 entzogenen Wärmestroms.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist ein gasbeheizter Durchlaufwasserheizer 40 dargestellt, er weist das bereits in der Figur 1 geschilderte Blechgehäuse 2 auf, das in seinem Inneren die Brennkammer 3 aufweist. In der Brennkammer 3 ist der atmosphärische Gasbrenner 4 angeordnet, der über das Gasventil 5 aus der Gasleitung 6 mit Gas gespeist wird. Dem Gasventil 5 ist ein in einer Zapfwasserleitung 41 liegender Wasserschalter zugeordnet, der als Stellmotor 7 für das Gasventil dient. Der Wasserschalter arbeitet so, dass in Abhängigkeit vom Kaltwasserdurchsatz proportional das Gasventil 5 geöffnet wird. Es wäre hier auch möglich, in Abhängigkeit zusätzlich von der Zapfauslauftemperatur den Öffnungsgrad des Gasventils zu regeln.

Die Kaltwasserzapfleitung 41 führt zunächst zu einer Höhenverstellvorrichtung 42, dann zum Wärmetauschelement 12 und schliesslich zu einer zweiten Höhenverstellvorrichtung 43 und zu einem Temperaturfühler 44, der als Kapillarrohr-Wärmefühler ausgebildet ist und über seine Kapillare 45 auf eine Betätigungsvorrichtung 46 geschaltet ist, dem die Höhenverstellbarkeit der Versteilvorrichtungen 42 und 43 variiert werden kann. Über eine Verbindungsleitung 47 ist das andere Wärmetauschelement 11 angeschlossen.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, bei dem die beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 hydraulisch parallel liegen, liegen sie hier in Serie. Der dem Flammenbereich zugeordnete Wärmetauscherteil 12 liegt im kälteren Rücklauf oder Zapfwasser. Vom Wärmetauschelement 11 geht die mit einem Zapfventil 48 versehene Zapfleitung 49 ab. Für die Positionierung und Wirkung des Wärmetauschelementes 12 bezüglich der Flammen des Gasbrenners 4 gilt im Prinzip das gleiche wie das im Rahmen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 Gesagte. Es kommt aber folgender Effekt hinzu:

In Abhängigkeit von der Erwärmung des Zapfwassers im Bereich der Verbindungsleitung 49 kann die Positionierung des Wärmetauschelementes 12 variiert werden. Die Positionierung folgt dabei der Bemessungsregel, dass mit höher werdenden Flammen, das heisst mit grösserer Brennerleistung der Abstand des Wärmetauscherelementes 12 vom

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Brenner 4 gesteigert wird.

Gemäss Fig. 20a und b sind Bimetallelemente 102 vorgesehen, die von den Flammen beaufschlagt sind und somit die Position des Wärmetauscherelementes 12 in Abhängigkeit von der Belastung nachführen. Die streifenförmige Ausführung des Bimetallelementes 102 ist eine von mehreren Möglichkeiten, ebenso kann ein solches Bimetallelement wendeiförmig ausgebildet sein.

Gemäss Fig. 22 kann die Positionierung des Wärmetauscherelementes 12 durch einen elektromagnetischen Stellantrieb 103 bewirkt werden, dem als Führungsgrösse ein Signal von einem Temperaturfühler 104 aufgeschaltet wird.

Es wäre aber auch möglich, die Positionierung des Wärmetauschelementes in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz zu steuern. Hierzu müsste die Messleitung 45 auf den Wasserschalter 7 geschaltet sein, oder es müsste der Öffnungsgrad des Gasventils 5 abgetastet werden Auch bei diesem Ausführungsbeispiel würde gelten, dass das Wärmetauschelement 12 grösser werdenden Gasflammen durch Entfernung vom Brenner 4 folgen müsste, um den heissesten Kernbereich der Flamme zu kühlen.

Falls die Gerätebelastung des in der Fig. 2 dargestellten Durchlaufwasserheizers fest ist, reicht es aus, einmal den Abstand des Wärmetauschelementes 12 zum Brenner 4 nach optimalen Gesichtspunkten einzustellen und auf dieser Höhe zu belassen.

Ein Ausführungsbeispiel hierzu zeigt Fig. 1a. Das Wärmetauscherelement 12 ist mit Stellschrauben 101 höhenverstellbar am Brenner 4 fixiert. So kann die optimale Höhe manuell eingestellt werden.

Für die Befestigung des Wärmetauschelementes 12 gilt folgendes:

Zunächst einmal kann das Wärmetauschelement 12 sowohl an der Brennkammer wie auch am Brenner 4 und schliesslich auch am Wärmetauscherelement 11 befestigt werden, wobei die Brennkammer gleichbedeutend mit dem Gehäuse 2 ist. Dies wird in Ausführungsbeispielen in Fig. 3a und 4a vorgestellt. Es ist natürlich dann auch möglich, das Wärmetauscherelement 12 besonders stabil auszugestalten, dass es als Montageteil für den Brenner 4 oder als Träger dieses Brenners dient. Auch hierbei ist bevorzugt der Abstand zwischen dem Brenner und dem Wärmetauscherelement 12 einstellbar, unter Umständen regelbar.

Als Antrieb bei einem geregelten Abstand zwischen dem Wärmetauschelement 12 und dem Brenner 4 kämen Bimetallfühler beziehungsweise Abstandsgeber, Kapillarrohr-Temperaturfühler beziehungsweise -Geber oder Dehnstoffelemente in Frage.

Eine weitere Ausführungsform wird in Fig. 21 vorgestellt. Hier hat das Wärmetauscherelement 12 einen elliptischen Querschnitt. Die bevorzugte Ausführungsform nach Fig. 21 weist eine paarige Anordnung von Wärmetauscherelementen 12 auf. Der Abstand zwischen den Elementen 12 und dem Brenner 4 ist bevorzugt fest definiert, und die Elemente 12 können in ihrer Lage zu den Flammen 34 durch Verschwenken um eine Achse 105 verstellt werden. Das Verschwenken der Wärmetauscherelemente kann zum Beispiel durch Bimetallelemente 102 bewerkstelligt werden, ebenso ist ein Verschwenken durch Stellschrauben möglich. Eine andere Form sieht dehnstoffgefüllte Bauteile vor, die auf Temperaturänderungen mit Längenänderungen reagieren und dadurch die Wärmetauschereiemente 12 über Kolben oder Gestänge in die jeweils gewünschte Lage verschwenken.

Aligemein gilt, dass ferner der Gasdruck, der Wasserdurchsatz oder die Auslauftemperatur als Führungsgrösse für die Abstandsregelung herangezogen werden kann. Eine pneumatische Verstellung mit Hilfe des für den Brenner geregelten Gasdrucks wäre auch möglich. Ferner könnte der Zapfwasserdruck oder der Pumpendruck für eine hydraulische Verstellung des Abstandes herangezogen werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 3 und 4 handelt es sich um einen Gusskessel, der zur Speisung einer Heizungsanlage dient und der mit dem erfindungsgemässen Kühlsystem ausgestattet ist. Der in Fig. 3 dargestellte gusseiserne Kessel 50 besteht aus einem Gehäuse 51, den beiden Wärmetauschelementen 11 und 12, dem darunter liegenden Brenner 4, dem Lufteinlass 13 und dem Abgasauslass 14. Der Wärmetauscher 10, bestehend aus den Elementen 11 und 12, ist an eine Rücklaufleitung 17 und die Vorlaufleitung 19 angeschlossen. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass das Wärmetauschelement 12 kammartig ausgebildet ist, so dass sich einzelne Wärmeleitrohre 52 nach Art von Kammzinken von dem Gehäuse 53 einer Wassertasche 54 in den Flammenraum 55 oberhalb des Brenners 4 erstrek-ken. Diese Wärmeleitrohre 52 können, müssen aber nicht kühlmittelgefüllt sein. Sie können zum Beispiel als Metallstäbe ausgebildet sein, sie können auch als sogenannte «heat-pipes» gestaltet sein. Als Materialien für Wärmeleitrohre 52 kommen auch Keramiken, insbesondere keramische Sonderwerkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, in Frage. Vorzugsweise sind die Enden der Wärmeleitrohre 52 in Wassertaschen eingebettet. Ein derartiger Aufbau eignet sich besonders für Wasserheizer, deren Wasserkreislauf ohne mechanische Hilfsenergie, das heisst ohne Umwälzpumpen, auskommen muss. Wesentlich ist, dass ein Wärmestrom von 5 bis 50% der vom Brenner 4 erzeugten Gesamtwärme aus dem Flammenbereich abgeleitet wird, hier im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 in den Wasserinhalt der Wassertasche 54. Von dort gelangt die Wärme Richtung Wärmetauscher 11 oder in den Bereich des durch die Leitungen 17 und 19 strömenden Wassers, die Wassertasche kann von diesem Wasserdurchsatz durchsetzt sein. Wesentlich ist, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Wärmeleitrohre 52 auch als Sieb oder Netz ausgebildet sein können, und zwar sowohl als Hohlprofile wie auch als Vollprofile, auch eine Netzbildung wäre möglich.

Auch wäre eine Kombination sowohl von Wärmeleitkörpern wie Fluidwärmeabführkörpern wie auch Wärmerohre möglich, und zwar unabhängig von den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 6. Hier gilt übrigens generell, dass die im Rahmen einer Figur offenbarten Elemente für die Positionie-

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rung, Durchsatzsicherung, Überwachung, Ausgestaltung und Höheneinstellung und -regelung bei den Ausführungsbeispielen der anderen Figuren ebenso möglich wären.

Den Wärmeleitrohren 52 ist zur Sicherung des entzogenen Wärmestroms ein Temperaturfühler, zum Beispiel als Thermoelement, temperaturabhängiger Widerstand oder Ausdehnungsfühler zugeordnet. Insbesondere könnte man die Wärmedehnung der Wärmeleitrohre selbst messen und in Abhängigkeit des Unterschreitens eines vorgegebenen Grenzwertes oder dessen Überschreiten eine Änderung der Positionierung oder eine Veränderung des Gas- oder Brennstoffdurchsatzes vornehmen. Gleichzeitig könnte dieses Kriterium auch als Abschaltkriterium im Gefahrenfalle dienen.

Es wäre übrigens auch möglich, statt des bisher geschilderten Brennstoffgases auch Öl zu verwenden.

Generell gilt weiterhin, dass als Werkstoff für die kühlmitteldurchströmten Kühlrohre beziehungsweise die Wärmeleitrohre die verschiedensten metallischen Werkstoffe zuzüglich Keramik oder Glas zur Anwendung kommen können.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 ist das Wärmetauschelement 12 für einen Durchlaufwasserheizer oder einen Kessel variiert dargestellt. Das Wärmetauschelement 12 besteht aus einem Einlassrohr 60 und einem Auslassrohr 61, die beide an einen Rücklaufsammler 62 und einen Vorlaufsammler 63 angeschlossen sind. Zwischen beide erstrek-ken sich hydraulisch parallelliegend eine Vielzahl von ersten Rohrstrecken 64 mit relativ grossen Querschnitten und, dem heissesten Bereich der beiden dargestellten Brenner 4 zugeordnet, eine zweite Art von Rohrstrecken 65 mit gegenüber den erstgenannten relativ kleinen Querschnitten. Bei einer Vielzahl von Brennern könnte es auch ausreichen, einem Brenner eine enge Rohrstrecke 65 zuzuordnen. Der Effekt ist folgender:

Eine oder die Rohrstrecken mit dem engsten Querschnitt werden auf Durchsatz überwacht, beispielsweise durch Abfühlen des Differenzdrucks oder durch einen gesonderten Durchsatzmesser oder durch Messen der Temperaturerhöhung. Findet durch diese engste Rohrstrecke kein ausreichender Kühlmitteldurchsatz statt, so ist entweder die Brennerleistung zu reduzieren oder der Brenner abzuschalten, da die Kühlung des Flammenbereichs des Brenners nicht mehr ausreichend wirksam ist. Durch diese Massnahme kann man auch einen Beginn des Zusetzens durch Verkalkung erkennen, und man kann durch Service entsprechend darauf reagieren. Bei Parallelschalten ist eine Durchsatzüberwachung einer oder mehrerer Rohrstrecken durch Überwachen des Durchsatzes in einer oder mehreren Rohrstrecken möglich. Bei einer hydraulischen Serienschaltung der Kühlrohre des Wärmetauschelements 12 ist eine Überwachung des Gesamtdurchsatzes an einer Stelle möglich beziehungsweise zweckmässig. Auch diese Durchsatzüberwachung kann durch Überwachen einer Druckdifferenz, Uberwachen einer Temperaturerhöhung oder Überwachen des Durchsatzes erfolgen. Die bereits bei einem Ausführungsbeispiel erwähnte

Messung der Längenausdehnung kann zur Betätigung eines Mikroschalters führen. Findet eine hydraulische Drucküberwachung statt, so kann es bei relativ kleinen zu überwachenden Druckdifferenzen sinnvoll sein, einen Membranschaiter zur Abfühlung des Differenzdrucks anzuwenden. Wird der Durchsatz durch Überwachen einer Temperaturdifferenz erfasst, empfiehlt es sich, für die Temperaturfühler temperaturabhängige Widerstände mit NTC- oder PTC-Verhalten zu verwenden und diese in eine elektronische Schaltung einzubinden.

Unabhängig davon, ob es sich um einen Durchlauf- oder Umlaufwasserheizer, Kessel oder Speicher handelt, stellt sich die Frage, wohin der vom Wärmetauschelement 12 entzogene Wärmestrom abgegeben wird.

Der vom Wärmetauschelement 12 aus dem Flammenbereich entzogene Wärmestrom kann, wie bereits geschildert, auf das ohnehin zu erhitzende Wasser gegeben werden. Es ist aber auch möglich, die Rohre oder Stäbe des Wärmetauschelements 12 wärmemässig an das Gehäuse 2 anzubinden, so dass die Wärme auf die Ummantelung der Brennkammer gegeben wird. Von dort ist ein weiterer Abtransport der Wärme über das andere Wärmetauschelement 11 auf das aufzuheizende Wasser möglich. Weiterhin wäre es möglich, statt dem Wärmetauschelement 12 den Brenner 4 aufzuheizen.

Es ist im übrigen auch möglich, das Wärmetauschelement 12 nicht nur vom aufzuheizenden Wasser durchströmen zu lassen, sondern beispielsweise auch durch einen anderen Wärmeträger, insbesondere käme hier Raumluft in Frage. Bei einem Wasserspeicher wäre es so möglich, mit dem Wärmetauschelement 11 das Speicherwasser zu erwärmen, mit dem Wärmetauscherelement 12 hingegen Raumluft eines beliebigen Raumes. Weiterhin könnte man das dem Brenner zuzuführende Gas oder die zuzuführende Luft über das Wärmetauschelement 12 vorheizen. Schliesslich könnte daran gedacht werden, das am Abgasstutzen 14 anstehende Abgas oder einen Teil davon durch das Wärmetauschelement 12 zu leiten, um das Abgas auf einen höheren Temperaturwert zu bringen, um einer Versottung des Schornsteins vorzubeugen. Weiterhin wäre es auch möglich, dem am Abgasstutzen 14 anstehenden Abgasstrom Luft beizumischen, die vorher über das Wärmetauschelement 12 vorgeheizt wurde.

Eine weitere Ausführung zeigt die Fig. 6. Hier ist ein Speicherwasserheizer 70 dargestellt, der ein zylinderförmiges Gehäuse 71 aufweist, das einen Mantel 72, einen Deckel 73 und einen Boden 74 aufweist. Dem Inneren des Speicherwasserheizers durchsetzt ein Flammrohr 75, das von einer nahezu allseits vom Speicherwasser umschlossenen Brennkammer 76 nach oben ausgeht und über eine Strömungssicherung 77 zum Abgasstutzen 14 führt. Im Lufteinlass 13 ist das Rohr 6 vorhanden, das zum atmosphärischen Gasbrenner 4 führt. Der Flammenzone des Brenners 4 ist wieder das Wärmetauschelement 12 zugeordnet, das Flammenrohr 75 ist gleichbedeutend mit dem Wärmetauschelement 11. Das Wärmetauschelement 12 ist über Rohrlei-

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tungen 78 und 79 in einem Naturumlauf mit einem Lufterhitzer 80 verbunden, indem Raumluft unten eintreten und als erwärmte Raumluft bei 81 in einen Aufstellungsraum gegeben werden kann. Reicht der Naturumlauf nicht aus, kann in eine der Leitungen 78 oder 79 eine Pumpe eingefügt werden. Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet bezüglich des Wärmetauscherelementes 12 ohne Durchflussüberwachung. Das Luftheizelement 80 kann im übrigen auch Bestandteil des Wasserspeichers 70 sein oder eines Durchlaufwasserheizers, ähnlich dem nach Fig. 2. Zum Beispiel wären hierzu der Gerätemantel, die Geräterückwand oder andere Komponenten als Wärmetauschereinheit zu verwenden. Man könnte das Luftheizelement auch in einen Umlaufwasserheizer oder Kessel integrieren.

Sieht man beispielsweise bei einem Kessel einen ölbeheizten Brenner vor, so ist es möglich, das Öl vor dem Zuführen zum Gebläsebrenner durch das Wärmetauschelement 12 vorzuwärmen.

Es wäre auch möglich, eine andere Flüssigkeit als das zum Brennen verwendete Öl oder das aufzuheizende Wasser durch das Wärmetauschelement 12 hindurchzuleiten, beispielsweise Kältemittel, das in einem Wärmepumpenkreislauf verwendet wird. Insoweit wäre es also auch denkbar, das Wärmetauschelement 12 als Verdampfer einer Wärmepumpe zu gestalten.

Bei Anwendung der Erfindung bei einem Umlaufwasserheizer oder Kessel wäre es möglich, die Wärmekreisläufe der beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 zu trennen und mit gesonderten Verbrauchern zusammenzuschalten. Hierbei könnten auch unterschiedliche Wärmeträger zur Anwendung kommen. Möglich wäre es generell auch, das Wärmetauschelement 12 unabhängig vom Ausführungsbeispiel der Anwendung in einen gesonderten Wärmetauscherkreislauf einzubinden und das aufzuheizende Wasser über einen Zwischenwärmetauscher aufzuheizen, bei dem auch mit einem anderen Wärmeträgermedium als Wasser gearbeitet werden kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wäre hierzu nötig, die Leitungen 26 von den Verbindungsstellen 25 und 29 zu trennen und auf einen gesonderten Wärmetauscher zu schalten, der im Wärmetausch mit dem Nutzwasserstrom steht. Es besteht auch die Möglichkeit, das im Wärmetauschelement 12 zirkulierende Kühlmedium zum Sieden zu bringen oder als Kühlmedium einen Dampf zu benutzen.

Es ist möglich, zur Unterstützung des Naturumlaufs des Kühlmediums die Rohre des Wärmetauschelements 12 geneigt verlaufen zu lassen.

Anhand der Fig. 7 bis 19 werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie die hydraulischen Anschlüsse der beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 vorgenommen werden können. Bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 7 bis 11 handelt es sich entweder um einen Durchlaufwasserheizer, also ein Gerät etwa nach der Fig. 2, oder um einen Kessel in Naturumlauf etwa nach den Fig. 3 bis 5. Wesentlich für diese Ausführungsbeispielgruppe ist, dass kein besonderes Antriebsglied im Wasserweg vorliegt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist rück-

laufseitig in der Leitung 17 oder kaltwassereinlass-seitig eine Drossel 90 vorgesehen, wobei stromauf und stromab dieser Drossel bei 91 und 92 Verzweigungsstellen vorgesehen sind, an die über Leitungen das Wärmetauschelement 12 angeschlossen ist. Somit gelingt durch Variation der Drosselstelle 90 die Abzweigung eines mehr oder weniger grossen Teilwasserstroms durch das Wärmetauschelement 12. Dieser Teildurchsatz kann strömungsmäs-sig oder temperaturmässig, wie bereits beschrieben, überwacht sein. Die Fig. 8 zeigt eine Variante zur Fig. 7. Hier sind die Drosselstelle 90 und die Verzweigungsstellen 91 und 92 in der Vorlaufleitung 19 beziehungsweise in der Zapfwasserleitung vorgesehen. Diese Schaltung kann sich anbieten, um Tauschwitzwasser beziehungsweise Kondensatbildung am Wärmetauscherelement 12 zu vermeiden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 9 ist eine Schaltung etwa gemäss Fig. 1 angewandt, aber nicht für einen Umlaufwasserheizer, sondern für einen Durchlaufwasserheizer oder auf eine kesselbetriebene Schwerkraftheizung. Das Wesentliche liegt darin, dass die beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 hydraulisch in parallel durchströmten Leitungszügen liegen. Bezüglich der Leitung 6 sei angemerkt, dass dies eine reine Gasleitung sein kann, die Leitung 6 kann auch schon mit Primärluft versehenes Gas führen, was im übrigen für alle Ausführungsbeispiele gilt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 10 liegen die Wärmetauschelemente 11 und 12 hydraulisch in Serie, wodurch der gesamte Nutzwasserstrom durch beide Wärmetauscherelemente geleitet wird.

Die Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 12 bis 19 beziehen sich auf Umlaufwasserheizer oder Kessel mit Umwälzpumpe. Die Schaltung nach Fig. 12 entspricht der Schaltung nach Fig. 1, jedoch ohne Durchsatz- oder Temperaturüberwachung. Die Schaltung nach Fig. 13 arbeitet wiederum mit der Drosselstelle 90, wobei mit ihr in Serie die Engstellen 91 und 92 liegen. Es wird hier ein Teilwasserstrom durch das Wärmetauschelement 12 abgezweigt. Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 14 sind die Drosselstelle und die Engstellen auf die Vorlaufleitung 19 verlegt, während sie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 13 in der Rücklaufleitung 17 liegen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 15 sind zwei hydraulische Kreise gebildet: Der Druckstutzen der Umwälzpumpe 16 ist auf eine Verzweigungsstelle 93 gelegt, der Rücklaufstutzen der Pumpe geht von einer zweiten Verzweigungsstelle 94 aus. Uber die beiden Verzweigungsstellen 93 und 94 ist über Leitungen das Wärmetauschelement 12 angeschlossen, parallel hierzu ist das Wärmetauschelement 11 über die Heizungsanlage 15 angeschlossen. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass die gesamte von der Pumpe aufgebaute Druckdifferenz am Wärmetauschelement 12 liegt, so dass es dadurch gelingt, einen relativ grossen Wärmestrom dem Flammenbereich zu entziehen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 16 ist die Umwälzpumpe 16 in einen ersten hydraulischen Kreis 95 geschaltet, der aus den Wärmetauschelementen 11 und 12 und Verbindungsleitungen 96

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und 97 besteht. An Abzweigstellen 98 und 99 gehen die Vorlaufleitung 19 und die Rücklaufleitung 17 ab, die zur Heizungsanlage 15 führen. Durch diese Massnahme wird das dem Wärmetauschelement 12 zugeführte Wasser auf einem erhöhten Temperaturniveau eingangsseitig zugeführt, so dass hier Kondensationserscheinungen gemindert werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 17 ähnelt dem der Fig. 13, nur liegt hier die Engstelle 90 in Verbindung mit den beiden Abzweigungen 91 und 92 rücklaufseitig der Pumpe, statt wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 13 vorlaufseitig der Pumpe.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 18 liegt wiederum eine hydraulische Serienschaltung der beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 vor. Diese liegen zusammen mit der Heizungsanlage 15 in einer Serienschaltung.

Das von den Heizkörpern kommende abgekühlte Wasser durchsetzt zunächst im Bereich der Flammen das Wärmetauschelement 12, es wird dann vom Wärmetauschelement 11 in einer zweiten Stufe aufgeheizt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 19 ist die hydraulische Reihenfolge der Wärmetauschelemente 11 und 12 vertauscht, so dass das kühle Rücklaufwasser aus der Heizung zunächst im Wärmetauschelement 11 auf ein erstes Temperaturniveau hochgeheizt wird, bevor es in das Wärmetauschelement 12 zur Kühlung des Flammenbereichs eintritt.

Allen Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 7 bis 19 ist gemeinsam, dass der Durchsatz durch das Wärmetauschelement 12 nicht überwacht ist. Eine Überwachung ist aber generell möglich, wie die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 5 zeigen.

Insbesondere bei Durchlaufwasserheizern, bei denen dem Wärmetauschelement 12 laufend frisches und damit kalkhaltiges Wasser zugefüht wird, besteht die grosse Gefahr des Verkalkens der Rohrelemente des Wärmetauschelements 12.

Auszuschliessen ist ein Zusetzen dieser Rohrelemente bei Umlaufwasserheizern oder Kesseln auch nicht. Aus dem Grund muss vorgesorgt werden, dass die Rohrelemente beziehungsweise Wärmetauscherteile des Wärmetauscherelementes 12 herausgenommen, gereinigt oder ersetzt werden können, ohne dass das gesamte Wasser des Kreislaufs oder der besonderen Wärmeträger abgelassen werden muss. Hierzu empfiehlt es sich, zum Beispiel im Rahmen der Fig. 1 in die beiden Stücke der Leitungen 26 Absperrventile zu legen. Auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 können im Bereich der Höhenverstellungen 42 und 43 im Zuge der Leitung 41 beziehungsweise 47 Ventile vorgesehen werden. Beim Kessel wäre das möglich und anzuraten im Zuge der Leitung 60 beziehungsweise 61, beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 im Bereich der Leitungen 78 und 79 möglichst benachbart dem Gehäuse 71. Es wäre hier auch möglich, selbst-schliessende Steckkupplungen zu verwenden, die sich beim Auseinanderziehen der Anschlussleitungen selbsttätig verschliessen.

Wenn eine Durchflusssteuerung des Durchsatzes durch das Wärmetauschelement 12 vorgesehen ist, so kann diese Durchflusssteuerung manuell (durch

Einstellen des Querschnitts einer Drossel) hydraulisch, thermisch oder elektrisch geschehen.

Eine hydraulische Steuerung käme gegebenenfalls beim Durchlaufwasserheizer in Frage, hier müsste der Zapfwasserdurchsatz beispielsweise über den Wasserschalter 7 abgetastet werden und nach Massgabe der Variation des Zapfwasserdurchsatzes der Durchsatz durch das Wärmetauschelement 12 gesteuert werden.

Bei einer thermischen Durchflusssteuerung könnte die Vorlauftemperatur oder Zapfwassertemperatur von einem Temperaturfühler überwacht werden und der Durchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 mit grösser werdender Vorlauf- oder Zapfwassertemperatur vergrössert werden. Bei Verwendung eines elektrischen Fühlers gelingt dies auch auf elektrischem Wege. Dies könnte dann bei einem Umlaufwasserheizer beispielsweise über eine elektrisch zu variierende Ansteuerung des Pumpenmotors 21 geschehen, was auch beim Kessel möglich wäre.

Ausführungsbeispiele zur Regelung des optimalen Kühlwasserdurchsatzes durch das Wärmetauscherelement 12 zeigen die Fig. 23 a bis d.

Gemäss Fig. 23 a wird von einem Temperaturfühler 104 über Steuerleitungen 106 ein Signal auf ein Magnetventil 107 aufgeschaltet und somit der Kühlmitteldurchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 in Abhängigkeit von der Heizungsvorlauftemperatur geregelt.

Gemäss Fig. 23 b wird als Aufschaltgrösse für das Magnetventil 107 eine Feuerraumtemperatur vom Fühler 104 abgegriffen. Eine andere Ausführungsform ist der Fig. 23c zu entnehmen, hier ist die vom Fühler 104 erfasste Fiammentemperatur Führungsgrösse für das Magnetventil 107. Fig. 23d zeigt eine andere Variante. Hier wird der Durchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 nicht von einem Magnetventil beeinflusst, sondern über die Drehzahl einer Pumpe 109, wobei dem Pumpenmotor wiederum alternativ die zuvor angedeuteten Führungsgrössen aufgeschaltet werden können. Nur beispielhaft ist hier wiederum eine Feuerraumtemperatur vom Fühler 104 erfasst.

Kombinationen zwischen den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen sind jeweils möglich, ohne einzeln beschrieben zu werden. Alle diese Ausführungsformen dienen stets dem Zweck, mittels einer charakteristischen Führungsgrösse den Kühlwasserdurchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 zu regeln und somit den zur Prozessoptimierung erforderlichen Wärmestrom abzuführen.

Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 24 vorgestellt wird, können einem Mikroprozessor 110 Signale von Temperaturfühlern 104 zugeführt werden. Es handelt sich dabei zum Beispiel um Temperaturen, die am Heizungsvor-beziehungsweise -rücklauf abgegriffen werden können und/oder eine Feuerraumtemperatur und/oder Temperaturen am Wärmetauscherelement 12, das im unmittelbaren Flammenbereich liegt. Der Mikroprozessor vergleicht einzelne dieser Temperaturen oder deren Differenzen beziehungsweise zeitliche Gradienten der Temperaturen oder Gradienten der Temperaturdifferenzen mit entsprechenden Soll-

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Werten, die als vorher festgelegte Optimaiwerte in einem Datenspeicher abgelegt sind, der seinerseits Bestandteil des Mikroprozessors sein kann. Die Regelabweichung kann zur Regelung der Gasmenge (Wärmebelastung) oder zur Regelung des Durchsatzes durch das Wärmetauscherelement 12 zur Flammenkühlung oder als Signal für eine Sicherheitsüberwachung gegen Überhitzung/Unterkühlung, zum Beispiel für Sicherheitsabschaltung, benutzt werden.

Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt insbesondere darin, dass mittels der Verarbeitung der im unmittelbaren Flammenbereich aufgenommenen Temperaturen oder ihrer Gradienten eine für die Führung des gesamten Verbrennungsablaufes schnelle Regelstrecke aufgebaut werden kann.

Stromauf des Wärmetauschelements 12 befindet sich gemäss Fig. 3 im Gasweg die Gasdüse 56, die Gas unter Ansaugung von Primärluft 57 aus der Gasleitung 6 in ein Mischrohr 58 des Brenners 4 einbläst. Somit dient der Druckimpuls des Gases zum Verstärken des Durchsatzes an Kühlmedium (hier Gas-Primär-Luft-Gemisch) durch die Rohre des Wärmetauschelements 12.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 wäre es möglich, die Wärmeleitkörper so zu wählen, dass eine selbstregelnde Variation der Wärmeabfuhr aus dem Flammenbereich durch eine temperaturabhängige Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Elemente des Wärmetauschers 12 realisiert wird.

Für die Lage der Stäbe, Rohre oder sonstigen Elemente des Wärmetauschelements 12 relativ zu den einzelnen Flammen des Brenners 4 gilt, dass die Elemente bevorzugt zentral in der Flamme beziehungsweise Hauptflamme oder derart im Flammensaum liegen, dass sie allseits von der Flamme umschlossen werden. Im übrigen käme auch eine Positionierung der Kühlelemente an den Flanken des Innenkegels vorgemischter Brennerflammen oder neben den Flammen oder oberhalb von Teilflammen in Frage.

Bei Durchlaufwasserheizern, Umlaufwasserheizern, Speichern und Kesseln kommen die unterschiedlichsten Brennertypen zur Anwendung. Neben den Hauptordnungsmerkmalen, dass die Brenner Gebläsebrenner oder atmosphärische Gasbrenner sein können, kommt bei Gebläsebrennern die Speisung mit Öl und Gas in Frage. Bei Gasbrennern wären im übrigen auch Diffusionsbrenner möglich. Neben rohr- oder rippenrohrförmigen Gasbrennern, meist atmosphärisch mit Injektor gespeist, existieren flächig angeordnete Metall-, Metallfaser- und Keramikplattenbrenner. Bei rohrförmigen Brennern gibt es solche mit runder oder länglicher Gesamtkontur, ferner sogenannte Rostbrenner, die sich aus einer Vielzahl parallelliegender Brennerrohre zusammensetzen. Meistens an der Oberseite der Brennerrohre befinden sich eine Vielzahl von Brenngemisch-Austrittsöffnungen, die aus Löchern oder Schlitzen oder aus beidem bestehen.

Geht man beispielsweise von einem rohrförmigen Gasbrenner mit einer Vielzahl von Gas-Gemisch-Austrittsschlitzen aus, so ist die Anordnung der Teile des Wärmetauscherelementes 12, bezogen auf die Flammen, relativ problemlos. Wird nun ein solcher Brenner aufgrund einer Modulation der Brennerleistung mit Teilleistung betrieben, so werden die Flammen kürzer, womit sich die örtliche Lage der heissesten Zonen der Brennerflammen verändern. Jetzt müssten, um den gleichen Kühleffekt zu erzielen, die Elemente des Wärmetauscherelementes 12 nachpositioniert werden, wie dies im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bereits erwähnt wurde. Um neben der Kühlung auch die Stabilisierung der Flamme zu verbessern, wäre statt einer Variation der Positionierung der Wärmetauschelemente es auch möglich, einzelne der Gas-Gemisch-Austrittsöffnun-gen zu verschliessen, um den verbleibenden Teildurchsatz bei gleichbleibender Flammengestalt durch weniger Gas-Gemisch-Austrittsöffnungen als vorher durchzulassen. Da das Flammenbild gleich bleibt, können die Elemente des Wärmetauscherelements 12 an gleicher Stelle gelassen werden. Das Verschliessen und Öffnen einzelner Gas-Ge-misch-Austrittsöffnungen kann thermisch, mechanisch, elektromagnetisch oder motorisch geschehen, Führungsgrösse wird hierbei die Grösse des Gasdurchsatzes sein.

Da es für den Stabilierungs- und Kühlungseffekt wesentlich ist, die Elemente des Wärmetauschelementes 12 in einer bestimmten Position zur Flamme zu halten, wäre es möglich, an den Brenngemisch-Austrittsöffnungen am Brenner 4 verstellbare Strömungsrichter für das austretende Gas oder Gas-Luft-Gemisch anzuordnen.

Statt einzelner verschliessbarer Austrittsöffnungen wäre es auch möglich, Teilbereiche der Brenner beziehungsweise Teilbrenner 4 bei Teillast zu sperren, um so die Brennerflächen gestuft freizugeben beziehungsweise abzusperren.

Wie bereits schon einmal erwähnt, kommen die unterschiedlichsten Formen der Kühlelemente des Wärmetauscherelements 12 in Frage. So können diese Elemente generell aus Stäben, Rohren, Gittern und Sieben mit unterschiedlichsten Querschnitten bestehen. Die Querschnitte können rund, konisch, kegelförmig, prismatisch oder elliptisch sein.

Ist der Brenner 4 aus einzelnen Teilbrennern zusammengesetzt, so kann es an diesen Teilbrennern unterschiedliche Belastungen und damit auch unterschiedliche Flammenhöhen geben. Demgemäss kann man die Elemente des Wärmetauschelements 12 diesen Flammenhöhen derart anpassen, dass durch Wahl der Querschnittsformen und der Dimensionierungen den unterschiedlichen Flammenhöhen und Flammenabschnitten der Teilbrenner unterschiedliche Stabilisierungs- und Kühlelemente zugeordnet werden. Die Elemente des Wärmetauscherelements 12 können verdrehbare, schwenkbare und höhenverstellbare Körper sein, damit die Variation der Wärmeabfuhr möglich ist und damit die Stabilisierung und Reaktionsbeschleunigung der Flamme unter den unterschiedlichen Bedingungen gewährleistet werden kann. Die Verstellung in bezug auf Verdrehbarkeit, Schwenkbarkeit und Höhenverstell-barkeit ist über thermische Ausdehnungsfühler, Dehnstoffelemente möglich, sie gelingt auch auf elektromagnetischem, elektromotorischem und manuellem Weg.

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dem Wasserkreis kann - entsprechende Betriebsbedingungen des Wasserheizers bezüglich Druck und Temperatur im Wasserkreis vorausgesetzt -die Forderung nach störungsfreiem Betrieb der Flammenkühlung zu zusätzlichen Steuerungs-/Re-gelungsanforderungen führen oder besondere Varianten der konstruktiven Gestaltung der Flammenkühlung erfordern. Das ist besonders dann der Fall, wenn Kondensatbildung an der Aussenwand des Wärmetauscherelementes 12 oder ein Verdampfen oder Sieden des Kühlwassers zu befürchten ist. Mögliche Ausführungsformen sind in den Fig. 25 bis 33 dargestellt.

Bei der in Fig. 25 dargestellten ersten Variante ist ein Abzweig des für die Flammenkühlung vorgesehenen Kühlwassers nach einem Teilabschnitt des Wärmetauschers 11 vorgesehen. Das in diesen Abzweig hineinfliessende Wasser hat bereits einen Teil des Wärmetauschers 11 passiert und ist daher etwas aufgeheizt, so dass das für die Flammenkühlung abgezweigte Wasser eine mittlere Temperatur aufweist.

In Fig. 26 ist eine weitere Variante zur Regulierung des Wärmestroms der Flammenkühlung dargestellt. Dabei ist eine Anbindung des Kühlkreislaufes an den Heizungsvorlauf und den Heizungsrücklauf vorgesehen, um bei veränderlichen Heiz-vorlauf-/-rücklauftemperaturen ein konstantes Temperaturniveau des Kühlwassers zu sichern. Bevorzugt ist ein 3-Wege-Ventil 111 vorgesehen, das über einen thermischen Ist-Soll-Wert-Vergleich eine motorische Mischersteuerung beinhaltet, so dass einströmendes Vorlauf- und Rücklaufwasser derart gemischt wird, dass die abströmende Kühlwassermenge und die Kühlwassertemperatur ein bestimmtes Niveau erreichen. Statt eines derartigen 3-Wege-Ventils kann auch ein thermisch regelndes Dehnstoffeiement zur Mischungssteuerung oder ein thermisch gesteuertes Vorrangumschaltventil eingesetzt werden.

Eine Ausführungsvariante eines 3-Wege-Ventils 111 mit eingebauter Regelvorrichtung zum Konstanthalten der Temperatur des Kühlwassers zeigt die Fig. 26 a in schematisierter Wiedergabe. Ein im Eingangsbereich der Kühlschlange angeordneter Dehnstoffregler D wirkt sowohl auf einen Öffnungsstempel S1 zwischen dem Vorlauf VL und einem Mischraum M sowie einen Öffnungsstempel S2 zwischen dem Rücklauf RL und dem Mischraum M. Bei Erhöhung der Temperatur im Mischraum M ver-grössert sich das Volumen des Dehnstoffelementes D, womit automatisch der Öffnungsstempel S1 weiter geschlossen und der Öffnungsstempel S2 weiter geöffnet wird. Infolgedessen gelangt weniger bereits erwärmtes Vorlaufwasser durch den Öffnungsstempel S1 in den Mischraum M, gleichzeitig jedoch mehr kaltes Rücklaufwasser, so dass das im Mischraum M temperierte Kühlwasser auf das durch den Dehnstoffregler D vorgegebene Temperaturniveau abkühlt.

Eine weitere Ausführungsform einer Temperaturregelung mit einem Dehnstoffregler D zeigt Fig. 26b.

Zur Steuerung des Kühlvorganges kann aber auch ein in Fig. 27 dargestelltes, in den Kühlmittelkreislauf integriertes Ventil 112 nach Art eines

Thermostatventils dienen. Dieses Ventil drosselt den Kühlmitteldurchsatz bei Unterschreitung einer bestimmten Soll-Temperatur, was eine Erhöhung der mittleren Kühlmitteltemperatur im Wärmetauscherelement 12 zur Folge hat.

Den prinzipiellen Aufbau einer Variante eines Ventils 112 zeigt Fig. 27a. Es ist ersichtlich, dass der Kühlmitteldurchsatz mit Hilfe eines Dehnstoffelementes D geregelt wird. Neben einer freien Öffnung F, die eine Grundströmung gestattet, ist eine temperaturgesteuerte verschliessbare Öffnung V, diese steht in Verbindung mit einem Verschlusselement E, das federgelagert im Kräftegleichgewicht mit dem ebenfalls federgelagerten Dehnstoffelement D angeordnet ist. Bei hoher Temperatur des einströmenden Wassers vergrössert sich das Volumen des Dehnstoffelementes D mit der Folge, dass das Verschlusselement E bis maximal an einen Anschlag A aus der verschiiessbaren Öffnung V herausgedrückt wird. Infolgedessen vergrössert sich der Kühlmitteldurchsatz, wodurch die Kühlwirkung ebenfalls zunimmt.

Eine Möglichkeit zur Absenkung der Maximaltemperaturen des das Wärmetauscherelement 12 durchfliessenden Kühlmediums ist in den Fig. 28 und 28a dargestellt. Das Wärmetauscherelement 12 ist hier in zwei separate Stränge 113 und 114 zerlegt. Eine mäanderförmige Kühlschlange mit n (vorzugsweise vierzehn) parallel verlaufenden Rohrabschnitten besteht bei dieser Variante demzufolge aus zwei separaten Kühlschlangen 113 und 114 mit je n/2 (vorzugsweise sieben) Rohrabschnitten.

Fig. 29 zeigt eine Ausführungsform mit einem separaten Kühlkreislauf. Dieser Kühlkreislauf ist mit einem Wärmetauscherelement 115 an den Heizungsrücklauf gekoppelt und weist ausserdem eine Umwälzpumpe 116 und eine Entlüftung 117 auf.

Eine Modifizierung der in Fig. 29 dargestellten Kühlung veranschaulicht das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 30.

Demnach ist eine Kühlkreispumpe 116' mit der Umwälzpumpe 16 des Heizkreises gekoppelt. Beide Aggregate 16 und 116' besitzen entweder eine gemeinsame Welle oder sind über eine Magnetkupplung miteinander verbunden. Zusätzlich kann - wie Fig. 31 zeigt - zwischen den beiden Wasserkreisläufen eine Ausgleichsleitung 118 zum Ausgleich des Druckniveaus vorgesehen sein.

Fig. 32 zeigt eine Ausführung, bei der dem Wärmetauscher 11 nachgeordnet ein Abzweig 119 vorgesehen ist, der einen Teil des Vorlaufwassers des Heizkreises einem Wärmetauscherelement 12 zuführt. Das Wärmetauscherelement 12 besteht dabei aus einem mäanderförmig gewundenen Rohr 120 für dieses Kühlwasser und einer einfach gewundenen, das Rohr 120 im wesentlichen senkrecht kreuzenden, rücklaufwasserführenden Rohrschlange 121. Das Rohr 120 mündet in das Verbindungsstück 122 zwischen der Rohrschlange 121 und dem Wärmetauscher 11 ein. Ausführungsformen für den Kreuzungsbereich zwischen dem Rohr 120 und der Rohrschlange 121 sind in der Fig. 32a in der Draufsicht und in der Fig. 32b als Schnitt dargestellt. Es ist ersichtlich, dass das mäanderförmig gewundene Rohr 120 an den Kreuzungspunkten wärmetau-

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sehend mit dem Heizungswasser führenden Rohr 121 verbunden ist.

Auch bei dem in Fig. 33 dargestellten Kühlkreislauf ist ein mäanderförmig gewundenes Rohr 120' vorgesehen, welches eine zur Fig. 32 identische Rohrschlange 121 durchsetzt. Im Unterschied zur Fig. 32 bildet hier jedoch das Rohr 120' einen separaten Kühlwasserkreislauf, der eine Umwälzpumpe 116 - analog zur Fig. 29 - aufweist.

Die vorliegende Erfindung enthält die unterschiedlichsten Elemente der Ausführungen des der Flamme zugeordneten Wärmetauscherelements in bezug auf die unterschiedlichste Anwendung bei den verschiedenen Typen von Wasserheizern und eine Vielzahl von hydraulischen Schaltungen zur Einbindung des der Flamme zugeordneten Wärmetauscherelements in Verbindung mit einer Vielzahl von Positionierungs-, Überwachungs- und Steuerungselementen sowie Vorrichtungen zur Regulierung des Kühlmittelkreislaufes. Generell gilt, dass jede Ausführungsform des Wasserheizers mit jeder der geschilderten Ausführungsform der hydraulischen Einbindung, der Überwachung und Steuerung sowie der Kühlungsregulierung möglich und denkbar ist. Es muss im Einzelfall herausgefunden werden, welche Kombination der Einzelheiten zu optimalen Ergebnissen führt.

Die Fig. 34a und 34b veranschaulichen die Position des Wärmetauscherelements 12 relativ zur Flammenkontur bei einem Brenner mit variabler Leistung und damit variabler Flammenlänge, wobei die das Brenngas/Luft-Gemisch zuführenden Kammern 123 gekrümmt ausgebildet sind. Bei unterschiedlichen Brennerleistungen verändert sich das Gleichgewicht zwischen dem Austrittsimpuls und dem thermischen Auftrieb der Flamme. Höhere Brennerleistung, also höhere Austrittsgeschwindigkeit des Gemisches führt zu einem Übergewicht des Austrittsimpulses, so dass die Flamme der Rohrkrümmung entsprechend ausgerichtet ist und dadurch ein in diesen Bereich angeordnetes Wärmetauscherelement in verstärktem Masse umströmt. Die Kühlwirkung ist demzufolge bei höherer Brennerleistung auch verstärkt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erwärmen einer Flüssigkeit mit einem Brenner und einem Wärmetauscher, der aus wenigstens zwei in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase nacheinander folgenden Einheiten besteht, wobei das erste dem Brenner nächstgelegene, stromab der Brennstoff-Austrittsöffnung gelegene, unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauscherelement (12) dem Flammenbereich einen Wärmestrom entzieht, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Wärmestrom zwischen 5 und 50% des Gesamtwärmestroms beträgt und dass dieser direkte Entzug eines Wärmestroms der Optimierung des Verbrennungsprozesses dient, wobei der restliche Wärmestrom im zweiten Wärmetauscherelement (11) umgesetzt wird.

2. Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit gemäss dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungsvorrichtung für den Durchsatz an Kühlmittel vorgesehen ist und dass der Durchsatz thermisch durch Temperaturdifferenzfühlung durch eine Längenausdehnung, durch ein Dehnstoffelement oder eine Druckdifferenz eines hindurchfliessenden Mediums erfasst ist.

3. Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit gemäss dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Flamme zugeordnete Wärmetauschelement aus einem Wärmeleitkörper in Form eines Rohres, Stabes, Gitters oder Siebes besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das der Flamme zugeordnete Wärmetauschelement (12) aus einem kühlmitteldurchströmten Körper besteht, dessen Wärme kon-vektiv abgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit (12) in ihrer Lage verstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit (12) durch eine wärmeempfindliche Vorrichtung gesteuert wird.

7. Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit gemäss dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Flammenbereich befindliche Wärmetauscherelement (12) als Staukörper gestaltet beziehungsweise positioniert ist, dass es die Flammenstabilität des Brenners (4) verbessert und eine Reaktionsintensivierung bewirkt.

8. Heizungsanlage mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rücklaufleitung (RL) und eine Vorlaufleitung (VL) einer Brauchwasserführung mit je einem Abzweig versehen sind, welche mittels eines eine thermische Mischersteuerung aufweisenden Mischventils (111) in einen das Wärmetauscherelement (12) beinhaltenden Kühlmittelstrang einmünden, wobei dieser an seinem anderen Ende mit der Rücklaufleitung (RL) verbunden ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Rücklaufleitung (RL) abzweigender Kühlmittelzweig ein thermisch gesteuertes Ventil (112) aufweist, welches den Kühlmitteldurchsatz derart steuert, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels bei Unterschreitung einer Soll-Temperatur verringert wird.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Flammenbereich zugeordnete Wärmetauscherelement (12) in einem Kühlmittelkreislauf angeordnet ist, der mittels eines weiteren Wärmetauscherelementes (115) an die Rücklaufleitung (RL) des Brauchwasserzweiges angekoppelt ist.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brauchwasserzweig und der Kühlmittelkreislauf jeweils eine Umwälzpumpe (16 beziehungsweise 116') aufweisen, welche über eine gemeinsame Welle oder eine Magnetkupplung miteinander verbunden sind.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Brauchwasser- und den Kühlmittelkreislauf verbindende Druckausgleichsleitung vorgesehen ist.

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13. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Öffnungsbereich benachbarte Endabschnitt des Brennstoff-/Luft-Gemisch-Austrittsrohres (123) der Brenner (4) sichelförmig gekrümmt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom, der den Flammen durch die unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit (12) entzogen wird, durch geeignete Vorrichtungen geregelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer Überwachungsvorrichtung für den Durchsatz an Kühlmittel die zeitlichen Gradienten der Temperaturdifferenzen aufgeschaltet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau geregelt oder gesteuert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuer- oder Regelbereich der Kühlmitteltemperatur zwischen einer unteren, durch beginnende Kondensatbildung an der Aus-senwand des Wärmetauscherelementes (12) charakterisierten Grenztemperatur und einer oberen, durch beginnende Kühlmittelverdampfung charakterisierten Grenztemperatur liegt.

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