DE102007038200B3

DE102007038200B3 - Alkoholbefeuerter Kamin

Info

Publication number: DE102007038200B3
Application number: DE102007038200A
Authority: DE
Inventors: Jörg Mehlhorn; Dieter Dr. Girlich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-08-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kamin, der mit Bioalkohol oder anderen flüssigen Kohlenwasserstoffen befeuert wird. Die beim Befeuern entstehende Wärme wird im Kamin gespeichert und nach Beenden des Befeuerns im Verlauf eines Zeitraums von mehreren Stunden abgegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Kamin besteht mindestens eine der Wände (4, 5, 9) und/oder die Decke (6) des Kamins bzw. der Feuerkammer des Kamins ganz oder teilweise aus einem plattenförmig ausgeformten Verbundwerkstoff, der sich aus mindestens einer keramischen und/oder mineralischen Komponente mit hoher spezifischer Wärmekapazität und aus mindenstens einer metallischen Komponente mit hoher thermischer Leitfähigkeit zusammensetzt. Die metallische Komponente bildet die Matrix des Verbundwerkstoffes. Die keramische/mineralische Komponente liegt in Form von Teilchen vor, die überall im Werkstoff vollständig von der metallischen Komponente umgeben sind. Bevorzugt bestehen Verbundwerkstoffplatten aus den Materialien Aluminium und Serpentin.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kamin, der mit Alkohol oder anderen flüssigen Kohlenwasserstoffen befeuert wird. Die beim Befeuern entstehende Wärme wird im Kamin gespeichert und nach Beenden des Befeuerns im Verlauf eines Zeitraums von mehreren Stunden abgegeben.
Alkoholbefeuerte Kamine wurden in den letzten Jahren ständig weiterentwickelt. So wird für derartige alkoholbefeuerte Kamine als Brennstoff üblicherweise Alkohol verwendet, der Zusätze enthält, die diesen mit leuchtender Flamme brennen lassen. Eingesetzt in neu entwickelten Brennereinsätzen, in denen ein solcher Alkohol mit einer flächigen, dem Holzfeuer ähnlichen Flammenbild verbrennt und in Kombination mit Nachbildungen von Holzscheiten bzw. Aststücken aus Keramik, die in den Kamin eingelegt werden, ist das Feuer in einem alkoholbefeuerten Kamin kaum noch von dem eines holzbefeuerten Kamines zu unterscheiden.
Da die alkoholbefeuerten Kamine gegenüber herkömmlichen, holzbefeuerten Kaminen viele Vorteile aufweisen, nimmt die Nachfrage nach diesen stetig zu.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kaminen, benötigen die alkoholbefeuerten keinen Schornstein. Infolgedessen können sie an beliebigen Stellen im Wohnbereich aufgebaut werden. Kosten, die beim Aufbau und Betrieb eines holzbefeuerten Kamins durch den Anschluss des Kamins an den Schornstein sowie durch die notwendige, in Deutschland gesetzlich vorgeschriebene Wartung durch einen Schornsteinfeger, entstehen, entfallen bei einem alkoholbefeuerten Kamin.
Im Gegensatz zu der Verbrennung von Holz, bei der durch Ruß-, Rauch- und Aschebildung toxischen Substanzen und Feinstäube entstehen und bei der der Kamin und z. T. auch der umgebende Wohnraum verschmutzt wird, entstehen bei der Verbrennung von Alkohol, wie z. B. Ethanol, nur ausschließlich Kohlendioxid und Wasser. Ethanol ist, genauso wie Holz, ein nachwachsender Rohstoff.
Alkoholbefeuerte Kamine dürfen nur bis zu einer bestimmten Heizleistung ohne Schornstein betrieben werden. In Deutschland liegt diese Grenze der Heizleistung bei 3,6 kW. Alle Anlagen mit Heizleistungen, die unterhalb dieser Grenze liegen, gelten als Feuerstellen, Anlagen mit einer höheren Heizleistung gelten als Feuerstätten. Infolgedessen werden alkoholbefeuerte Kamine üblicherweise als Feuerstelle konzipiert und haben deshalb eine Heizleistung von üblicherweise 3,0 bis 3,5 kW.
Für nicht allzu große Räume in Gebäuden mit guter Wärmedämmung ist insbesondere in den Übergangszeiten eine solche Heizleistung von 3 bis 3,5 kW meist zu hoch. Denn im Gegensatz zu den an einen Schornstein angeschlossenen Kaminen, bei denen ein großer Teil der Wärme durch den Schornstein verloren geht, bewirkt bei den alkoholbefeuerten Kaminen die gesamte Heizleistung eine Erwärmung des Raumes. Die Folge ist, dass sich die Räume während des Betriebs des Kamins schnell überhitzen und ggf. zur Abkühlung belüftet werden müssen.
Da die alkoholbefeuerten Kamine vorwiegend aus verkleideten feuerfesten Mineralfaserplatten, die eine vergleichsweise geringe. Wärmekapazität besitzen, aufgebaut sind, kühlt nach der Befeuerung, der Raum schnell wieder aus. Um ein rasches Überhitzen und schnelles Auskühlen der Räume zu vermeiden, ist es notwendig, die Kamine so aufzubauen, dass während des Betriebs ein großer Teil der Wärme nicht in den Raum abgegeben, sondern im Kamin gespeichert und anschließend über einen längeren Zeitraum wieder abgegeben wird.
Aus dem Stand der Technik sind für holzbefeuerte Kamine und Kachelöfen zahlreiche Lösungsvorschläge bekannt, die das Ziel haben, die bei der Befeuerung entstehende Wärme zu speichern und anschließend über einen längeren Zeitraum abzugeben. Bei Kaminen bzw. Öfen, die mit einem Schornstein verbunden sind, wird damit außerdem der Anteil der durch den Schornstein verlorenen Wärme verringert.
So wird in US 4270512 A ein Kamin vorgestellt, der mit einer Feuerkammer ausgestattet ist, in deren Wände Materialien mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität, wie Sand oder Kies eingebracht sind. Die heißen Rauchgase werden außerdem mittels mehrerer Leitungen durch das wärmespeichernde Material geführt. Zudem ist angeregt, in den Kamin einen Wärmetauscher, der zur Erwärmung von Wasser dient, einzubringen.
In DE 197 17 038 A1 wird vorgeschlagen, an der Wand hinter dem Kaminofen eine wärmespeichernde Dekorplatte anzubringen. Die Dekorplatte ist als selbsttragende Struktur ausgebildet, die einen Kern aus massivem oder pulverförmigem Magnesit bzw. aus Quarzsand oder ähnlichem Schüttgut aufweist. Die Sichtseite der Platte besteht aus einer hitzebeständigen, mit Emaille verzierten Glasplatte.
Des Weiteren wird in DE 10 2005 007 043 A1 ein Kamineinsatz offenbart, bestehend aus einem Einsatzkorpus, der derart mit Blechen ummantelt ist, dass zwischen dem Einsatzkorpus und den Blechen ein so genannter Wärmespeicherraum gebildet wird. Der Wärmespeicherraum ist bevorzugt mit einem Granulat aus Magnesit gefüllt, kann aber alternativ dazu auch mit Feststoffkörpern oder wärmespeichernden Flüssigkeiten gefüllt sein.
In DE 102 15 819 A1 wird ein nichtmetallischer Werkstoff mit hoher Wärmespeicherfähigkeit vorgestellt, der für Platten, Ofenkacheln, Formstücke, Sockel- und Simssteine für Kamin- und Ofenverkleidungen geeignet ist. Der Werkstoff, der aus einem Gemisch von über 50 Gew.-% Talkum, Bindemittel sowie wahlweise färbenden und/oder festigkeitssteigernden Zusätzen hergestellt wird, soll vergleichbare spezifische Eigenschaften wie ein Naturspeckstein aufweisen.
Die in den vorstehenden Schriften angeregten Wärmespeichermaterialien, sind für holzbefeuerte Kamine bzw. Öfen sehr gut geeignet, denn diese haben Heizleistungen von bis über 20 kW und werden oft über viele Stunden lang betrieben.
Für alkoholbefeuerte Kamine, die üblicherweise nur wenige Stunden pro Brennvorgang beheizt werden und die zudem eine vergleichsweise geringe Heizleistung haben, sind solche Materialien jedoch ungeeignet. Ursächlich hierfür ist, dass sie nicht in der Lage sind, kleinere Wärmemengen in kurzer Zeit aufzunehmen.
Zudem sind aus DE 20 2005 018 083 U1 , DE 20 2005 004 244 U1 , DE 10 2006 003 441 A1 und DE 20 2006 005 539 U1 alkoholbefeuerte Kamine bekannt, die gleichfalls Wärmespeichereinrichtungen aufweisen, ohne jedoch die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein alkoholbefeuerter Kamin geschaffen werden, der über eine Einrichtung zur Wärmespeicherung verfügt, mit deren Hilfe eine effektive Wärmespeicherung auch während Befeuerungen, die nur eine kurze Zeit dauern, typischerweise 0,5 bis 1 Stunde, möglich ist. Die gespeicherte Wärme soll anschließend über einen Zeitraum von mehreren Stunden wieder abgegeben werden. Die Erfindung ermöglicht es, die vergleichsweise geringe Wärmemenge eines alkoholbefeuerten Kamins in kurzer Zeit (und weitgehend verlustfrei) in ein kostengünstiges, hervorragend geeignetes Speichermedium zu bringen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausführungen des Kamins sind den Ansprüchen 2 bis 9 zu entnehmen.
Bei dem erfindungsgemäßen alkoholbefeuerten Kamin, der als Feuerstelle und ohne Anschluss an einen Schornstein betrieben wird, besteht nach Maßgabe der Erfindung mindestens eine der Wände und/oder die Decke des Kamins bzw. der Feuerkammer des Kamins ganz oder teilweise aus einem Verbundwerkstoff. Der Verbundwerkstoff setzt sich aus mindestens einer keramischen bzw. mineralischen Komponente mit hoher spezifischer Wärmekapazität und aus mindestens einer metallischen Komponente mit hoher thermischer Leitfähigkeit zusammen.
Die metallische Komponente bildet die Matrix des Verbundwerkstoffes. Die keramische/mineralische Komponente liegt in Form von Teilchen vor, die überall im Werkstoff, vom Bereich der Plattenränder abgesehen, vollständig von der metallischen Komponente umgeben sind.
Die Größe der keramischen/mineralischen Teilchen bewegt sich im Bereich von Bruchteilen von Millimetern (z. B. Sand) bis zu mehreren Zentimetern (z. B. Bruchstücke von Serpentin bzw. Speckstein).
In dem im erfindungsgemäßen Kaminen verwendeten Verbundwerkstoff beträgt vorteilhafterweise der Anteil der keramischen/mineralischen Komponente 40 bis 70% und der Anteil des Metalls entsprechend 60 bis 30%.
Die Matrix aus gut wärmeleitendem Metall bewirkt eine schnelle Aufnahme und Verteilung der Wärme im Verbundwerkstoff, da die Oberfläche der keramischen/mineralischen Partikel vollständig vom Metall umgeben ist. Der Wärmefluss in einem solchen Verbundwerkstoff ist im Vergleich zu keramischem/mineralischem Material um einen Faktor 10³ erhöht. Folglich ist es durch die Verwendung der Verbundwerkstoffplatten möglich, die beim Betrieb von alkoholbefeuerten Kaminen entstehende Wärme auch bei kurzen Brenndauern effektiv zu speichern.
Um eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes im Bereich, welcher der Feuerkammer zugewandt ist, zu erreichen, ist auch vorgesehen, dass die mittlere Dicke der Metallstege auf der der Feuerkammer zugewandten Seite größer als auf der nach außen gewandten Seite ist. Hierdurch wird bewirkt, dass die Wärme schneller von der nach innen gewandten Seite der Platte nach außen transportiert wird.
Besonders vorteilhaft ist, die metallische Komponente aus Aluminium oder Kupfer auszuführen, da sich beide Materialien durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Es bietet sich Aluminium an, da es einen niedrigeren Schmelzpunkt als Kupfer hat und auch wesentlich preiswerter ist. In jedem Fall kann der Verbundwerkstoff kostengünstig und mit nur geringem technischem Aufwand hergestellt werden. Mit Aluminium hergestellte Platten sind außerdem auch leicht und bruchfest, da Aluminium eine geringe spezifische Dichte hat und duktil ist.
Als oxidische, keramische oder mineralische, Komponenten des Verbundwerkstoffes, werden bevorzugt mineralische Stoffe verwendet, so z. B. Serpentin, der in Form von Bruchstücken in einer Aluminiumsmatrix eingebettet ist. Serpentin hat eine hohe spezifische Wärmekapazität, die mit dem gleichfalls gut geeigneten Specksteinvergleichbar ist. Serpentin ist jedoch wesentlich kostengünstiger. Alternativ zu Serpentin oder Speckstein können aber auch keramische Komponenten, und dann bevorzugt Schamotte verwendet werden. Schamottsteine sind ebenfalls kostengünstig, haben jedoch eine etwas geringere Wärmekapazität.
Die Verbundwerkstoff-Platten sind mittels eines Gießverfahrens hergestellt, bei dem die Schmelze der metallischen Komponente in eine Schüttung des kerami schen/mineralischen Materials, die auf eine Temperatur weit unterhalb des Schmelzpunktes der metallischen Komponente erwärmt wurde, gedrückt wird, und die Metallschmelze, bedingt durch die niedrigere Temperatur des oxidischen Materials, kurz nach dem vollständigen Eindringen in die Schüttung erstarrt.
Der so hergestellte Verbundwerkstoff ist thermisch belastbar, da durch das Gießverfahren ein Zustand höherer Temperatur "eingefroren", d. h. die spätere Anwendungstemperatur vorweggenommen wurde. Infolgedessen treten im Verbundwerkstoff bei hohen Temperaturen praktisch keine thermischen Spannungen auf.
Der entwickelte Verbundwerkstoff kann also die vom Kamin erzeugten kleineren Wärmemengen in kurzer Zeit aufnehmen, da das Metallgerüst eine schnelle Verteilung der Wärme im Verbundwerkstoff bewirkt und die Oberfläche der keramischen/mineralischen Partikel vollständig vom Metall umgeben ist, wodurch ein schneller Wärmeübertrag vom Metallgerüst auf die Partikel erfolgt. Diese im Vergleich zu herkömmlichen Speichermaterialien wesentlich schnellere Aufnahme der Wärmeenergie konnte auch durch Messungen nachgewiesen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert; hierzu zeigen in schematischer Darstellung:
1: den alkoholbefeuerten Kamin,
2: eine Speicherplatte mit Rillen,
3: eine Speicherplatte mit Röhren.
In 1 ist der alkoholbefeuerter Kamin mit einem Brenneinsatz 1 dargestellt, der der Aufnahme des Brennstoffs, üblicherweise Bioalkohol, und dessen Verbrennung mit einem Flammenbild, das dem eines Holzfeuers ähnlich ist, dient. Der Brenneinsatz 1 steht auf dem Sockel 2. Da beim Betrieb des Kamins die Verbrennungswärme nach oben abgegeben wird, und sich deshalb der Sockel auf Temperaturen von lediglich ca. 30°C erwärmt, ist dieser aus preiswertem Gasbeton hergestellt.
Die Feuerkammer des Kamins wird aus dem Sockel 2, den zwei Seitenwänden 4, der Vorderwand 5, der Deckenplatte 6 und der Rückwand 9 gebildet. Die Vorder wand 5 ist portalförmig so aufgebaut, dass im oberen Bereich der Feuerkammer 3, jedoch unterhalb der Deckenplatte 6 ein Hohl- bzw. Auffangraum für die beim Betrieb des Kamins aufsteigende heiße Luft entsteht. Durch diesen Hohlraum wird bewirkt, dass die heiße Luft eine längere Verweildauer in der Feuerkammer hat und infolgedessen über einen längeren Zeitraum Wärme abgibt.
Die Seitenwände 4, die Vorderwand 5 und die Deckenplatte 6 sind Verbundwerkstoffplatten mit einer Größe von 500 × 250 × 40 mm. Die metallische Komponente der Wärmespeicherplatten ist Aluminium, die mineralische Komponente Serpentin.
Da die meisten Kamine so aufgestellt werden, dass sich ihre Rückseite direkt an einer Wand befindet, ist hier Rückwand 9 eine feuerfeste und wärmeisolierende Mineralfaserplatte. Der Kamin ist modular aufgebaut, d. h. mit einem System können Eck-, Wand- und freistehende Kamine in individuell anpassbaren Größen erstellt werden. Bei Kaminen, die freistehend betrieben werden sollen, kann die Rückwand 9 ebenfalls aus Wärmespeicherplatten angefertigt sein.
Zur äußeren Gestaltung des Kamins können entweder die Speicherplatten poliert sein, wodurch ein ansprechender Marmoreffekt erzielt wird. Alternativ kann die Feuerstelle auch mit Edelstahl, Marmor, feuerfestem Putz oder anderen Gestaltungselementen verkleidet sein.
Der Kamin wird mit einem Abbrand von maximal 0,5 l Bioalkohol pro Stunde betrieben. Die Wärmespeicherplatten 7 erwärmen sich während des Betriebs innerhalb von 30 Minuten auf ca. 50°C und in 60 Minuten auf eine Temperatur von ca. 90°C. Die gespeicherte Wärme wird anschließend innerhalb einiger Stunden an den Raum abgegeben, wodurch die zur Raumheizung nutzbare Wärme verdoppelt wird.
In 2 und 3 sind spezielle Ausformungen der Wärmespeicherplatten 7 abgebildet.
In die Oberfläche der in 2 abgebildeten Wärmespeicherplatte 7a sind in regelmäßigen Abständen die Rillen 10 eingebracht. Statt der Rillen kann die Platte auch mit Rippen versehen sein. Die Rillen/Rippen 10 dienen der Verbesserung des Wärmeaustauschs durch Konvektion. Dazu müssen bei eingebauter Platte die Rillen 10 von unten nach oben, also entsprechend der Bewegungsrichtung der erwärmten Luft, angeordnet sein und die mit Rillen versehen Flächen in Kontakt mit entweder der Luft des Wohnraums oder der Luft der Feuerkammer stehen.
3 zeigt eine Wärmespeicherplatte 7b in die fluidführende Rohre 11 eingebettet sind. Werden die Rohre 11 mit Wärmespeicherplatten 7b zu einem Kreislauf verbunden, so ist zusätzlich zur Wärmespeicherung in den Platten ein Wärmetransport zu einem externen Gerät, wie z. B. zu einem Warmwasserspeicher oder einer Zentralheizung, möglich.

1: Brenneinsatz
2: Sockel
3: Feuerkammer
4: Seitenwand
5: Vorderwand
6: Deckenplatte
7: Wärmespeicherplatte
7a: Wärmespeicherplatte mit Rillen/Rippen
7b: Wärmespeicherplatte mit eingebetteten Rohren
8: Hohlraum
9: Rückwand
10: Rillen
11: fluidführende Rohre

Claims

Alkoholbefeuerter Kamin, der als Feuerstelle ohne Anschluss an einen Schornstein betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Wände (4, 5, 9) und/oder die Decke (6) des Kamins oder der Feuerkammer des Kamins ganz oder teilweise aus einem Verbundwerkstoff, ausgeformt als Platten, besteht, der sich aus mindestens einer keramischen und/oder mineralischen Komponente mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität und mindestens einer metallischen Komponente mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit zusammensetzt, wobei die metallische Komponente die Matrix des Verbundwerkstoffes bildet und die als Teilchen vorliegende keramische/mineralische Komponente, vollständig, außer im Bereich der Plattenränder, umschließt.
Kamin nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen/mineralischen Teilchen Größen von Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren Zentimetern aufweisen.
Kamin nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbundwerkstoffplatten der Anteil des Metalls 30 bis 60% beträgt.
Kamin nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Komponente Aluminium oder Kupfer ist.
Kamin nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralische Komponente Serpentin oder Speckstein ist.
Kamin nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Komponente Schamottstein ist.
Kamin nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Keramik-Metall-Verbundwerkstoff die mittlere Dicke der Metallstege, die durch die metallische Matrix gebildet sind, auf der der Feuerkammer (3) zugewandten Seite größer als auf der nach außen gewandten Seite ist.
Kamin nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbundwerkstoffplatten (7a) Rillen oder Rippen (10) eingebracht sind
Kamin nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbundwerkstoffplatte (7b) fluidführende Rohre (11) eingebracht sind.