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Die
Erfindung betrifft eine Luftheizeinrichtung, insbesondere für den Tieftemperatureinsatz, mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Zur
Bereitstellung von Warmluft zu Heizzwecken unter extremen Klimabedingungen,
wie sie beispielsweise in bestimmten Ölfördergebieten wie Sibirien oder
auf Ölbohrtürmen im
Nordatlantik vorherrschen, ist es notwendig, einerseits eine große Temperaturdifferenz
zwischen der angesaugten Frischluft und der erzeugten Warmluft zu
realisieren und andererseits einen hohen Luftdurchsatz zu erzielen,
um eine ausreichende Warmluftmenge bereitstellen zu können. Bekannte
Luftheizeinrichtungen sind oftmals nicht in der Lage, diese beiden
Bedingungen gleichzeitig zu erfüllen.
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Aus
der
DE 195 03 426
A1 sind Warmlufterzeuger bekannt, die aus einer Warmlufterzeugungseinheit
mit Gebläseeinheit,
Brennkammer, Wärmetauscher,
einer Abgaseinrichtung, einem Frischluftanschluss und einem Warmluftanschluss
bestehen. Der Warmlufterzeuger ist in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht
und kann als eine Einheit, bestehend aus Wärmeerzeuger und Gehäuse, transportiert
werden. Diese Warmlufterzeuger können
einen Temperaturunterschied ΔT,
gemessen zwischen der angesaugten Frischluft und der ausgeblasenen Warmluft,
von maximal 45 Grad erzeugen.
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Bei
einem Einsatz eines Warmlufterzeugers in Gebieten mit einer Frischlufttemperatur
bis zu –40°C und einer
geforderten Ausblastemperatur der Luft am Warmluftanschluss von
+50°C muss
ein Warmlufterzeuger jedoch ein ΔT
von 90 Grad realisieren. Die beschriebenen Warmlufterzeuger sind konstruktiv
nur für
einen Einsatz bis –25°C ausgelegt, dass
heißt
bei niedrigeren Temperaturen lassen sich diese Warmlufterzeuger
entweder keinesfalls in Betrieb nehmen oder fallen beispielsweise
wegen Zerstörung
des bei diesen Temperaturen sehr spröden Materials aus.
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Aus
DE 201 16 186 U1 ist
ein Warmlufterzeuger zur Erzeugung eines Temperaturunterschiedes zwischen
Frisch- und Abluft ΔT
von 90 Grad bekannt, der bei einer Umgebungstemperatur von –40°C gestartet
und betrieben werden kann, und der wirtschaftlich herstellbar ist.
Dazu ist dort zwischen Frischluftanschluss und Warmluftanschluss
eine Temperaturdifferenz von 90 Grad einstellbar. Weiter ist vorgesehen,
dass in einem Luftstrom zwei Warmlufterzeugungseinheiten hintereinander
angeordnet sind, wobei die erste Warmlufterzeugungseinheit mit einem
bis –40°C kaltstartfähigem Motor
und Ventilator ausgestattet ist, und alle mit dem Brennstoff in Verbindung
stehenden Teile auf dem Brennstoffweg mit einer Heizung versehen
sind. Durch diese Anordnung der Warmlufterzeugungseinheiten muss
nur die erste Einheit für
den Einsatz bei Temperaturen bis –40°C ausgelegt werden. Die zweite
Warmlufterzeugungseinheit ist bis zu einer Temperatur von –25°C funktionstüchtig, dies
reicht aus, da sie vor der Inbetriebnahme durch die erste Einheit
auf eine Temperatur größer gleich –25°C erwärmt wird.
Da der zum Einsatz kommende Brennstoff bei Temperaturen unter Null
Grad zur Paraffinbildung neigt und durch eine entsprechende Pumpe
nicht zu den Brennern gefördert
werden kann sind alle auf dem Brennstoffweg liegenden Teile beheizbar.
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Nachteilig
an der beschriebenen Lösung
ist es, dass jede Gebläseeinheit
mit der jeweiligen Brennkammer zu einer Warmlufterzeugungseinheit zusammengefasst
ist, so dass die Gebläseeinheiten hintereinander
angeordnet sind. Dadurch ist keine wesentliche Erhöhung des
geförderten
Luftvolumenstroms durch Zuschalten der zweiten Gebläseeinheit möglich. Ebenso
ist es schwierig, die geförderte
Luftmenge oder die Temperatur der erwärmten Luft zu regulieren.
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Daher
besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, bekannte Luftheizeinrichtungen
dahingehend zu verbessern, dass es mit ihnen möglich ist, große Volumenströme erwärmter Luft
zu erzeugen, wobei die erwärmte
Luft eine große
Temperaturdifferenz gegenüber
der angesaugten Frischluft aufweist. Dabei sollen die erreichbare
Temperaturdifferenz mindestens 75 K und der auf diese Weise erwärmbare Luftvolumenstrom
mindestens 20.000 m3 pro Stunde betragen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Luftheizeinrichtung
so zu gestalten, dass die Temperatur der erzeugten Warmluft und
der geförderte
Luftvolumenstrom steuerbar sind. Schließlich besteht eine weitere
Aufgabe der Erfindung darin, die Luftheizeinrichtung so zu gestalten,
dass eine kompakte Bauform erzielt werden kann, damit die Luftheizeinrichtung
mobil einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
eine Luftheizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Luftheizeinrichtung, die
insbesondere für
den Tieftemperatureinsatz geeignet ist, umfasst einen Luftkanal,
der an seinem einen Ende mindestens eine Einlassöffnung für Frischluft und an seinem
anderen Ende mindestens eine Auslassöffnung für Warmluft aufweist, mindestens zwei
Gebläseeinheiten
zum Transport der Luft durch den Luftkanal, mindestens zwei Brennkammern
mit je einem darin angeordneten Brenner sowie mindestens zwei im
Luftkanal angeordnete Wärmetauscher zur
Wärmeübertragung
auf die Luft und mindestens eine Abgaseinrichtung, und ist dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Gebläseeinheiten in Strömungsrichtung
vor der ersten Brennkammer angeordnet und parallel betreibbar sind.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik sind nach der Erfindung Brennkammer
mit Brenner, Wärmetauscher
und Gebläseeinheit
nicht zu einer Warmlufterzeugungseinheit zusammengefasst. Stattdessen
sind am Anfang des Luftkanals hinter der Einlassöffnung für die Frischluft zwei oder
mehr Gebläseeinheiten
angeordnet, die parallel zueinander betrieben werden können. Dadurch
kann auf einfache Weise der Luftvolumenstrom, der durch den Luftkanal gefördert wird,
reguliert werden. Beispielsweise können zwei parallel betreibbare
Gebläseeinheiten
gleicher Leistung vorgesehen sein. Alternativ ist es möglich, Gebläseeinheiten
unterschiedlicher Leistung miteinander zu kombinieren. Hierdurch
ergeben sich bessere Möglichkeiten
der Variation des Luftvolumenstroms.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens
ein Brenner in mindestens zwei Leistungsstufen betreibbar ist. Hierdurch ist
die Temperatur der erwärmten
Luft an der Auslassöffnung
auf einfache Weise einstellbar. Sind beispielsweise drei Brennkammern
hintereinander angeordnet und sind die darin befindlichen Brenner
in jeweils vier Leistungsstufen betreibbar, so kann die Heizleistung
der Luftheizeinrichtung auf einfache Weise in 12 Stufen eingestellt
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
mindestens eine Gebläseeinheit
in mindestens zwei Leistungsstufen betreibbar ist. Hierdurch kann
eine noch feinere Abstufung bei der Variation des geförderten
Luftvolumenstroms erreicht werden. Wenn beispielsweise zwei Gebläseeinheiten
nebeneinander angeordnet sind, die beide in drei Leistungsstufen
betreibbar sind, ist eine Einstellung des Luftvolumenstroms bereits
in sechs Stufen möglich.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der
Querschnitt des Luftkanals in Strömungsrichtung vor der Brennkammer
verjüngt. Hierdurch
kann erreicht werden, dass die durch den Luftkanal geförderte Luft,
die die Brennkammer umströmt,
in diesem Bereich eine relativ dünne
Schicht bildet, so dass die Wärmeübertragung
von der Brennkammer auf die vorbeiströmende Luft verbessert wird.
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Um
diese Verjüngung
des Querschnitts des Luftkanals zu erzielen kann vorgesehen sein,
dass vor der Brennkammer Strömungsleitbleche
vorgesehen sind. Mit Hilfe von Strömungsleitblechen ist es auf
besonders einfache Weise möglich,
den Querschnitt des Luftkanals zu verringern, ohne Änderungen
am Luftkanal selbst vorsehen zu müssen. Dazu werden die Strömungsleitbleche
im Innern des Luftkanals so angeordnet, dass sie für die Luft
eine Passage mit verringertem Strömungsquerschnitt bilden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
sich der Querschnitt des Luftkanals in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher
erweitert und hinter dem Wärmetauscher
verjüngt.
Dadurch verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit
der Luft im Bereich des Wärmetauschers,
so dass die Wärmeübertragung
vom Wärmetauscher
auf die vorbeiströmende
Luft verbessert wird.
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Diese
Verjüngung
des Querschnitts des Luftkanals kann ebenfalls dadurch erreicht
werden, dass vor oder/und hinter dem Wärmetauscher Strömungsleitbleche
vorgesehen sind. In gleicher Weise wie oben bereits beschriebenen
können
diese Strömungsleitbleche
im Innern des Luftkanals so angeordnet werden, dass sie für die Luft
eine Passage mit zunächst
erweitertem, dann verringertem Strömungsquerschnitt bilden.
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Um
zu verhindern, dass sich durch Kondensation im Innern der Wärmetauscher
Kristalle von in den Abgasen enthaltenen Mineralien absetzen, die den
Wirkungsgrad des Wärmetauschers
herabsetzen, kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Wärmetauscher
mit mindestens einem Kondensatablaufanschluss versehen ist. Je nach
Bauweise des Wärmetauschers
kann es auch sinnvoll sein, an einem Wärmetauscher mehrere Kondensatablaufanschlüsse vorzusehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Luftkanal mindestens zwei Teilabschnitte aufweist, die im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufen und in denen die Luft im Betrieb der
Luftheizeinrichtung mit entgegengesetzter Strömungsrichtung strömt. Hierdurch
kann eine besonders platzsparende Konfiguration erzielt werden,
so dass die Luftheizeinrichtung eine kompakte Bauweise aufweist.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Einlassöffnung oder Einlassöffnungen
in unmittelbarer Nähe
der Auslassöffnung
oder Auslassöffnungen angeordnet
sind, so dass der Luftkanal einen fast geschlossenen Kreislauf bildet.
Diese Maßnahme
trägt nochmals
zu einer kompakten Bauweise der Luftheizeinrichtung bei.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Luftkanal in einem
wetterfesten Gehäuse
untergebracht. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Luftheizeinrichtung
unter extremen Klimabedingungen betrieben werden muss.
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Dieses
wetterfeste Gehäuse
kann vorteilhaft ein transportabler Container sein. Hierdurch ergibt sich
zusätzlich
der Vorteil der mobilen Einsetzbarkeit der Luftheizeinrichtung,
so dass der Transport zu einem anderen Einsatzort wesentlich erleichtert
wird.
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Um
den Luftvolumenstrom oder/und die Temperatur der erwärmten Luft
an den augenblicklichen Bedarf anpassen zu können, kann vorgesehen sein,
dass in dem transportablen Container weiterhin Steuerungseinrichtungen
zur Steuerung des oder der Gebläseeinheiten
und/oder des oder der Brenner vorgesehen sind. Hierdurch sind der
gewünschte Luftvolumenstrom
sowie die Temperatur der erwärmten
Luft auf komfortable Weise wählbar.
Selbstverständlich
kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerung der Luftheizeinrichtung
in Abhängigkeit
von zuvor gewählten
Einstellungen automatisch erfolgt, das heißt dass die Steuerungseinrichtung
Teil einer Regeleinrichtung ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennstofftank,
die Tankentnahmeeinrichtung, die Brennstoffpumpe und Brennstoffleitungen
innerhalb des Gehäuses
oder Containers angeordnet sind. Hieraus ergeben sich mehrere Vorteile:
Erstens entfällt
die Notwendigkeit, die Luftheizeinrichtung bei jedem Ortswechsel
erneut mit Hilfe von Brennstoffleitungen mit einem externen Brennstofftank
zu verbinden. Zweitens ist der Betrieb der Heizeinrichtung nicht
vom Vorhandensein eines solchen externen Brennstofftanks am Einsatzort
abhängig.
Drittens wird ein Einfrieren des Brennstofftanks und der Brennstoffleitungen
durch ihre Anordnung im Inneren des Gehäuses oder Containers dadurch
erschwert, dass die unvermeidlich vorhandene Abwärme der Brennkammern auch die
brennstoffführenden
Teile mit erwärmt.
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Um
ein Einfrieren der brennstoffführenden Teile
sicher zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass alle mit dem Brennstoff
in Verbindung stehenden Teile auf dem Brennstoffweg mit einer Heizung versehen
sind. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Tankentnahmeeinrichtung
beheizbar ist und die Brennstoffpumpe, die Brennstoffleitungen und/oder
der Brenner mit Heizbändern
beheizbar sind.
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Um
Korrosionserscheinungen wirksam zu verhindern, ist vorteilhaft mindestens
eine Abgaseinrichtung mit einem Kondensatablaufanschluss versehen.
Diese Maßnahme
ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Abgaseinrichtung nicht
aus korrosionsbeständigem
Material besteht.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels sowie einer
zugehörigen Zeichnung
näher erläutert. Dabei
zeigt die einzige 1 den schematischen Aufbau der
erfindungsgemäßen Luftheizeinrichtung.
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Die
dargestellte Luftheizeinrichtung ist in einem transportablen Container 11 untergebracht,
der einerseits ein wetterfestes Gehäuse zum Schutz vor Klimaeinflüssen bildet
und andererseits den Transport der Luftheizeinrichtung von einem
Einsatzort zu einem anderen Einsatzort erleichtert. Innerhalb des Containers 11 ist
ein Luftkanal 13 angeordnet, durch den die zu erwärmende Luft
geführt
wird. Dabei ist der Weg der strömenden
Luft durch den Luftkanal 13 in der Figur durch Pfeile angedeutet.
Der Luftkanal 13 weist an seinem einen Ende zwei Einlassöffnungen 1 zum
Ansaugen der Frischluft und an seinem anderen Ende zwei Auslassöffnungen 8 zum
Ausblasen der Warmluft auf.
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Der
Luftkanal 13 weist drei parallel verlaufende Abschnitte
auf. Dabei durchströmt
die Luft den ersten Abschnitt, in dem die Einlassöffnungen 1 angeordnet
sind, und den dritten Abschnitt, in dem die Auslassöffnungen 8 angeordnet
sind, in der gleichen Richtung, während der zweite Abschnitt,
in dem hintereinander zwei Brennkammern 4 mit je einem
Brenner 6 sowie zwei Wärmetauscher 5 angeordnet
sind, in der entgegengesetzten Richtung. Dabei sind die Einlassöffnungen 1 und
die Auslassöffnungen 8 unmittelbar
nebeneinander angeordnet, so dass der Luftkanal 13 einen
fast geschlossenen Kreislauf bildet. Hierdurch weist die Luftheizeinrichtung
eine besonders kompakte Bauform auf, die die Unterbringung in dem
transportablen Container 11 erleichtert.
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Im
ersten Abschnitt des Luftkanals 13, in der Nähe der Einlassöffnungen 1,
sind zwei Gebläseeinheiten 3 nebeneinander
angeordnet, die parallel betreibbar sind. Hierzu weist jede Gebläseeinheit 3 einen
eigenen, separat steuerbaren Elektromotor 2 zum Antrieb
auf. Der von den Gebläseeinheiten 3 geförderte Luftstrom
durchläuft
den Luftkanal 13 und wird dabei im zweiten Abschnitt des
Luftkanals 13 nacheinander an den beiden Wärmetauschern 5 vorbeigeführt, die
jeweils unmittelbar hinter der zugehörigen Brennkammer 4,
die den jeweiligen Wärmetauscher 5 mit
Wärme versorgt,
angeordnet sind. Dadurch wird der Luft nacheinander Wärme von
der ersten Brennkammer 4, dem ersten Wärmetauscher 5, der
zweiten Brennkammer 4 und schließlich dem zweiten Wärmetauscher 5 zugeführt. Anschließend strömt die erwärmte Luft
weiter zum dritten Abschnitt des Luftkanals 13, wo sie
die Luftheizeinrichtung durch die Auslassöffnungen 8 verlässt.
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Zur
Erhöhung
der Effektivität
der Luftheizeinrichtung verjüngt
sich der Luftkanal 13 unmittelbar vor jeder Brennkammer 4,
so dass die Übertragung der
Wärme von
der Brennkammer 4 auf die Luft verbessert wird. Hinter
den Brennkammern 4 erweitert sich der Luftkanal 13 wieder,
so dass die Strömungsgeschwindigkeit der
Luft vor dem Kontakt mit dem jeweiligen Wärmetauscher 5 gesenkt
wird. Dadurch kann die Luft beim Durchströmen des Wärmetauschers 5 eine
größere Wärmemenge
aufnehmen. Um diesen Effekt zu verstärken, verjüngt sich der Querschnitt des
Luftkanals 13 hinter dem ersten Wärmetauscher 5, so
dass ein Staudruck entsteht, der die Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit unterstützt. Die
Verjüngung
des Querschnitts des Luftkanals 13 an den erwähnten Stellen
wird dadurch bewirkt, dass vor den Brennkammern 4 und hinter dem
ersten Wärmetauscher 5 Strömungsleitbleche 14 angeordnet
sind.
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Die
in den Brennkammern 4 durch die Brenner 6 erzeugte
Heißluft,
das heißt
die Abgase der in der Brennkammer 4 stattfindenden Verbrennung
von Brennstoff, wird durch die Wärmetauscher 5 geführt, wo
sie den größten Teil
der enthaltenen Wärme
an die im Luftkanal 13 vorbeiströmende Luft abgibt. Jeder dieser
Wärmetauscher 5 weist
einen Kondensatablaufanschluss 7 auf, durch den Kondenswasser aus
dem Wärmetauscher
ablaufen kann, um die Bildung mineralischer Ablagerungen in den
Wärmetauschern 5 zu
verhindern. Anschließend
werden die Abgase aus jedem Wärmetauscher 5 durch
je eine dafür
vorgesehene Abgaseinrichtung 9 aus der Heizeinrichtung
und dem Container 11 hinaus ins Freie geleitet. Jede dieser
Abgaseinrichtungen 9 weist ebenfalls einen Kondensatablaufanschluss 7 auf, durch
den Kondenswasser aus der Abgaseinrichtung 9 ablaufen kann,
um Korrosion der Abgaseinrichtungen 9 zu verhindern.
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Im
Inneren des Containers 11 ist weiterhin ein Brennstoffbehälter 10 mit
einer (nicht dargestellten) Brennstoffpumpe angeordnet, die über (nicht dargestellte)
Brennstoffleitungen mit den Brennern 6 verbunden ist. Sowohl
der Brennstoffbehälter 10 wie auch
die Brennstoffpumpe und die Brennstoffleitungen sind beheizbar,
um ein Einfrieren zu verhindern. Weiterhin ist im Innern des Containers 11 eine
Steuerungseinrichtung 12 angeordnet, die der separaten Ansteuerung
der Elektromotoren 2 der Gebläseeinheiten 3 sowie
der Brenner 6 dient.
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- 1
- Einlassöffnung
- 2
- Elektromotor
- 3
- Gebläseeinheit
- 4
- Brennkammer
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Brenner
- 7
- Kondensatablaufanschluss
- 8
- Auslassöffnung
- 9
- Abgaseinrichtung
- 10
- Brennstoffbehälter
- 11
- Container
- 12
- Steuerungseinheit
- 13
- Luftkanal
- 14
- Strömungsleitblech