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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Feuerstättenzubehör
und spezieller eine Wärmetauschervorrichtung, die an eine
breite Palette von Feuerstättengrößen
angepaßt und zum Verbessern des Heizwirkungsgrades einer
Feuerstätte verwendet werden kann.
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Herkömmliche
Feuerstätten sind unwirtschaftliche Wärmequellen
für den Raum, in dem sie sich befinden, da der größte
Teil der Wärme, die durch den Verbrennungsprozeß erzeugt
wird, durch den Schornstein entweicht. Feuerstättenfeuer
erfordern auch große Volumina an Verbrennungsluft, was bei
Entnahme aus dem Innern des Raums zu einem beträchtlichen
Wärmeverlust aus dem Raum führt, da die erwärmte
Raumluft ebenfalls durch den Schornstein abgeführt wird.
Es ergeben sich kalte Luftströmungen im Innenraum, da der
Wärmeverlust über den Schornstein dazu führt,
daß Kaltluft von außen durch Tür- und
Fensteröffnungen hereingezogen wird.
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Bei
dem Bemühen, den Wirkungsgrad von Feuerstätten
zu erhöhen, sind Feuerstätteneinsätze verwendet
worden. Diese Vorrichtungen umfassen im allgemeinen einen großen
Metallkasten, der sich teilweise innerhalb der Feuerstätte
befindet und sich in den Raum hinein erstreckt, in dem sich die
Feuerstätte befindet. In dem großen Metallkasten,
der Öffnungen zur Zufuhr von Verbrennungsluft und zum Austreiben
von Verbrennungsgasen durch den Schornstein hat, wird Holz oder
anderer Brennstoff verbrannt. Raumluft, die um den großen
Metallkasten zirkuliert, wird erwärmt und in den Raum zurückgeführt,
ohne sich mit dem Verbrennungsluftstrom zu vermischen. Obwohl solche
Einsätze entworfen wurden, um die optische Wirkung und
den rustikalen Charme eines offenen Feuers beizubehalten, ist der Wirkungsgrad
der Wärmeübertragung begrenzt, wodurch beträchtliche
Mengen an Energie durch den Schornstein nach draußen entweichen
können. Ferner werden Teile des großen Metallkastens,
die an den Raum grenzen, beim Betrieb häufig äußerst heiß,
was sehr gefährlich werden kann, wenn kleine Kinder anwesend
sind.
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Das
US-Patent 4,357,930 und
seine Nachfolger offenbaren ein Feuerstättenheizsystem
zum Erwärmen der Raumluft, das einen kompakten Wärmetauscher
enthält, der im oberen Teil der Verbrennungskammer der
Feuerstätte installiert ist und sich dort erstreckt, wo
der Schornsteinzug an den oberen Teil der Verbrennungskammer angeschlossen
ist. Mit einer herkömmlichen Feuerstättentür
kann Raumluft daran gehindert werden, durch den Schornstein abgeleitet
zu werden; außerdem können damit Benutzer des
Raums am zufälligen Kontakt mit heißeren Bereichen
des Feuers gehindert werden. Zum Umwälzen der Raumluft
durch den Wärmetauscher wird ein Lüfter so bereitgestellt,
daß die heißen Verbrennungsgase die Raumluft,
die durch denselben hindurchgeführt wird, erwärmen,
ohne sich mit derselben zu vermischen. Die Konstruktion des kompakten Wärmetauschers
leitet die heißen Verbrennungsgase durch verschlungene
Wege, um die Wärmeübertragung zu erhöhen;
der komplexe Aufbau der Wege führt zu erhöhten
Herstellungskosten für die Wärmetauschergruppe
im Vergleich zu herkömmlicheren Wärmetauschverfahren.
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Es
wäre wünschenswert, eine verbesserte Feuerstättenwärmetauschervorrichtung
bereitzustellen, die sich für die Verwendung in bestehenden
oder neu konstruierten Feuerstätten eignet, die ferner
den thermischen Wirkungsgrad einer Feuerstätte erhöht, die
Menge an Wärmeenergie reduziert, die durch den Schornstein
abgeführt wird, und die wirtschaftlich aus preiswerten,
aber haltbaren Materialien hergestellt werden kann.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wärmetauschervorrichtung
bereitzustellen, die den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit
von Feuerstättenheizsystemen erhöht, wodurch eine
Feuerstätte eine Wohnung/ein Haus effektiv beheizen oder
eine wesentliche Zusatzheizquelle zur Verfügung stellen
kann.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauschervorrichtung
zur Verwendung in einer Feuerstätte bereitzustellen, um
ein Zusatzheizsystem für ein geschlossenes Gebäude zur
Verfügung zu stellen. Die vorliegende Erfindung ist besonders
für Wohnungen/Häuser anpaßbar, die durch
Wärmepumpen oder andere Systeme beheizt werden, für
die ein Zusatzheizsystem besonders wünschenswert ist, wenn
die Außentemperaturen niedrig sind (z. B. unter ca. 4°C).
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauschervorrichtung
zur Verwendung in einer Feuerstätte bereitzustellen, die
den Verbrennungsluftstrom vom Raumerwärmungsluftstrom trennt,
wodurch der Verlust von erwärmter Raumluft über
den Schornstein beseitigt wird.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauschervorrichtung
zur Verwendung in einer Feuerstätte bereitzustellen, die leicht
zur Erwärmung von Raumluft in einem benachbarten Raum oder
eines flüssigen Wärmeübertragungsmediums
zum Erwärmen eines Raumbereichs angepaßt werden
kann, der von der Feuerstätte räumlich entfernt
ist.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauschervorrichtung
bereitzustellen, die leicht zur Verwendung in einer Reihe von Feuerstättengrößen
und -anordnungen, einschließlich freistehenden Feuerstätten,
und in Verbindung mit vorhandenen Türen, die Feuerstättenöffnungen verschließen,
angepaßt werden kann.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher
bereitzustellen, der die Rauchgastemperaturen in dem Umfang senken kann,
daß alternative, vorzugsweise weniger kostspielige Zugmaterialien
verwendet werden können, wodurch die Kosten für
die Wärmetauschervorrichtung kompensiert werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauschervorrichtung
bereitzustellen, die haltbar im Aufbau, preiswert herzustellen, wartungsfrei,
leicht zu montieren und leicht und effektiv zu verwenden ist.
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Diese
und andere Ziele werden durch Bereitstellen einer verbesserten Feuerstättenwärmetauschervorrichtung
erreicht, die ein oder mehrere allgemein erste hohle Elemente enthält,
die sich in der Verbrennungskammer befinden, welche im allgemeinen
angrenzend an die Rückwand der Verbrennungskammer angeordnet
sind. Die Längsachsen der hohlen Elemente sind im allgemeinen
vertikal ausgerichtet. Jedes erste hohle Element hat ein intern
angeordnetes zweites hohles Element, wodurch ein ringförmiger
Raum zwischen der Innenfläche des ersten hohlen Elementes
und der Außenfläche des zweiten hohlen Elementes
erzeugt wird. Die Rohrführung sorgt für eine kontrollierte
Leitung des Luft-/Gasstroms durch den Wärmetauscher. Der
innere Teil des zweiten hohlen Elementes ist zum Aufnehmen eines
Luftstroms aus einem Raum und zum Zurückführen
desselben dorthin ausgelegt, während der ringförmige
Raum zum Aufnehmen eines Stroms von Verbrennungsgasen aus der Verbrennungskammer und
zum Führen desselben zu einem Schornstein hin ausgelegt
ist. Alternativ kann eine wärmeleitende Flüssigkeit
durch den inneren Teil des zweiten hohlen Elementes geleitet und
zum Transport von Wärmeenergie an einen entfernten Ort
verwendet werden. Die jeweiligen Ströme werden in Gegenstromführung durch
den Wärmetauscher geleitet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Vorteile dieser Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten
Offenbarung der Erfindung ersichtlich, besonders in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen, dabei gilt:
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer typischen Feuerstätte mit der
vorliegenden Erfindung, die sich darin befindet.
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2 zeigt
eine Vorderansicht der Erfindung, wie sie in einer Feuerstätte
verwendet wird.
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3 ist
eine Detailansicht der Düsenscheibe, die in der Wärmetauscheranordnung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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4 ist
eine Draufsicht auf die Rohrleitungen zur Zufuhr und Rückführung
des Heizmediums.
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5 ist
eine Seitenansicht einer ersten alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei der Wärmetauscherkern
einen vereinfachten Aufbau hat.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Viele
der Befestigungs-, Anschluß-, Verarbeitungs- und anderen
Mittel und Komponenten, die in dieser Erfindung genutzt werden,
sind bekannt und werden auf dem Gebiet der Erfindung, die beschrieben
wird, verwendet, und ihre genaue Natur oder Art ist nicht zum Verständnis
und für die Verwendung der Erfindung durch einen Fachmann
auf diesem Gebiet erforderlich, und daher werden sie hier nicht
detailliert besprochen. Ferner können die verschiedenen Komponenten,
die hierin für eine spezielle Anwendung dieser Erfindung
gezeigt oder beschrieben werden, so abgewandelt oder geändert
werden, wie dies durch diese Erfindung erwartet wird, und die Ausführung
einer speziellen Anwendung eines Elementes kann bereits Fachleuten
auf diesem Gebiet bekannt sein oder von denselben verwendet werden,
und keine davon wird analog in großer Detailliertheit besprochen.
Beim Verweis auf die Figuren werden ähnliche Teile in allen
Figuren gleich numeriert, wenn nicht anders angegeben.
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In 1 wird
eine Seitenansicht einer typischen Feuerstätte 5 gezeigt,
der eine Verbrennungskammer 10, die eine vordere Öffnung 12,
eine Rückwand 14, ein Paar Seitenwände 16,
eine Feuerstättensohle 18 und einen Schornsteinzug 20 hat,
der mit dem oberen Teil der Verbrennungskammer 10 durch einen
Hals 19 verbunden ist, welcher normalerweise durch Schieber
gesteuert wird. Die Verbrennungsgase werden über den Hals 19 durch
den Schornsteinzug 20 abgelassen. Die Feuerstätte 5 umfaßt
vorzugsweise ein Mittel zum Zuführen von relativ kalter Außenluft
zu einer Feuerstättensohlenöffnung, und zu diesem
Zweck wird eine Verbrennungsluftzufuhröffnung 11 in
der Feuerstättensohle 18 bereitgestellt, durch
die Außenluft zur Zufuhr von Verbrennungsluft für
einen Brenner strömen kann, der sich in der Feuerstätte
befindet.
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In
1 wird
auch eine geeignete Art Gasholzscheitbrenner
30 zum Erzeugen
von Wärmeenergie offenbart, der mit Heizgas aus einer externen Quelle
versorgt wird. Diese Gasholzscheitbrenner sind im Fachgebiet bekannt,
und es können verschiedene geeignete alternative Arten
eingesetzt werden. Es wird auch eine herkömmliche Ofenschirmeinheit
24 bereitgestellt,
die die vordere Öffnung
12 schließt und
im wesentlichen abdichtet, wodurch die Verbrennungskammer
10 vom
Raumbereich abgetrennt wird. Die Ofenschirmeinheit umfaßt
vorzugsweise Glastüren
26, die es den Raumbewohnern
ermöglichen, die Flammen zu beobachten, und die geöffnet
werden können, um Zugang zur Verbrennungskammer
10 oder
zum Reinigen des Glases zu erhalten. Der Luftstromverteiler
23 ist
im allgemeinen in der Nähe der Feuerstättensohle
18 angeordnet,
um den Strom von Verbrennungsluft von der Luftzufuhröffnung
11 im
allgemeinen nach vorn in der Verbrennungskammer zu leiten, um einen
Luftwascheffekt auf der Innenfläche des Glases der Ofenschirmeinheit
zu erzeugen, was dabei hilft, die Sicht durch die Ofenschirmeinheit
aufrechtzuerhalten. Die Verbrennungsluft wirbelt dann in der Verbrennungskammer
10 umher
und wird der Brennereinheit
30 zugeführt. Die
heißen Verbrennungsgase, die durch den Brenner
30 erzeugt
werden, strömen vom Ort der Verbrennung im Brenner unmittelbar
oberhalb der Feuerstättensohle
18 nach oben, wobei
die nach oben strömenden Gase durch die Rück-
und Seitenwände
14,
16 der Feuerstätte und
den Glasschirm
24 begrenzt werden. Feuerstättenelemente
sind im Fachgebiet bekannt und werden ausführlich in den
US-Patenten 4,357,930 ,
4,471,756 und
6,047,695 , alle von Eberhardt, diskutiert
und werden als Ganzes hierin aufgenommen.
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Gemäß der
Erfindung wird eine Wärmetauscheranordnung 40 bereitgestellt,
die einen oder mehrere lang gestreckte Wärmetauscherkerne 42 und
Mittel zum Befestigen derselben innerhalb der Verbrennungskammer 10,
im allgemeinen angrenzend an die Rückwand 14 und
vorzugsweise senkrecht ausgerichtet, umfaßt. Die Wärmetauscheranordnung 40 enthält
vorzugsweise eine gerade Zahl von Wärmetauscherkernen 42,
um so effiziente Raumluft- und Verbrennungsgasanschlüsse
an die Wärmetauscheranordnung 40 zu ermöglichen.
Die Abzugsleitplatte 22 ist so angeordnet, daß sie
sich über den Hals 19 im oberen Teil der Verbrennungskammer 10 erstreckt,
um den Anschluß zwischen Verbrennungskammer 10 und
Schornsteinzug 20 abzudichten. Mindestens eine Zugöffnung 28 wird
in der Leitplatte 22 bereitgestellt, um für einen
kontrollierten Durchgang von Verbrennungskammer 10 zum Schornsteinzug 20 für
die Verbrennungsgase zu sorgen, die erzeugt werden, wenn der gasbefeuerte Holzbrenner 20 in
Betrieb ist.
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Elemente
der Wärmetauscheranordnung 40 können
durch Verankerungslaschen (nicht dargestellt) fixiert werden, die
direkt an den Wänden 14, 16 der Feuerstätte
befestigt sind und Anschlußpunkte für Elemente
der Wärmetauscheranordnung liefern. Solche Verankerungslaschen
sind für die Verwendung in Feuerstätten, die für
die Verwendung der vorliegenden Erfindung modifiziert sind, oder
in Feuerstätten, die von Anfang an zur Verwendung der Erfindung
ausgelegt sind, geeignet. Alternativ kann ein freistehender Stützaufbau
bereitgestellt werden, durch den die Wärmetauscheranordnung 40 innerhalb
der Feuerstätte selbsttragend wird, wodurch die Notwendigkeit
beseitigt wird, die Innenwände der Feuerstätte
mit Ankerbolzen zu durchbrechen. Der Aufbau einer freistehenden
Stützstruktur ist ideal für Nachrüstanwendungen
geeignet und kann daher so eingerichtet werden, daß er
zu einer Reihe von Feuerstättengrößen
und -konfigurationen paßt. Materialien, die für
Stützelemente ausgewählt werden, ob es ein freistehender
Rahmen ist oder Verankerungslaschen sind, sind normalerweise Eisen
oder Stahl; sie werden nach Haltbarkeit, wenn sie heißen
Verbrennungsgasen in der Feuerstätte ausgesetzt sind, und relativ
geringen Kosten ausgewählt.
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Mit
Bezug nun auf 2, wird eine Seitenansicht der
Wärmetauscheranordnung 40, die vier Wärmetauscherkerne 42 umfaßt,
gezeigt, wie zur Verwendung in einer typischen Feuerstätte
aufgebaut. Die Kerne 42, die in der bevorzugten Ausführungsform
gezeigt werden, sind im allgemeinen gerade zwischen entgegengesetzten
Enden, im allgemeinen parallel angeordnet und im allgemeinen vertikal
an die Rückwand 14 der Verbrennungskammer 10 angrenzend
angeordnet. Jeder Wärmetauscherkern 42 umfaßt
ein lang gestrecktes inneres hohles Element 44, das von
einem im wesentlichen übereinstimmenden äußeren
hohlen Element 46 umgeben ist, die einen ringförmigen
Durchgang 48 dazwischen bilden. Beide hohlen Elemente 44, 46 haben
im allgemeinen vorzugsweise kreisförmige Querschnitte,
so daß sie einen gleichmäßigen Strom
von Verbrennungsgasen und des Wärmeübertragungsmediums
(in der hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
Luft) ermöglichen, obwohl auch andere Formen mit vernünftiger
Effektivität verwendet werden können. Jeder Kern
ist für die Aufnahme des Stroms von Verbrennungsgasen und
Wärmeübertragungsmedium in einer Gegenstromanordnung
ausgelegt, das heißt, für eine verbesserte Wärmeaustauschleistung
ist die Richtung der Strömung des Wärmeübertragungsmediums
im inneren Hohlelement 44 im allgemeinen der Strömungsrichtung
der Verbrennungsgase durch das äußere Hohlelement 46 entgegengesetzt.
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Heiße
Verbrennungsgase treten in die am weitesten außen gelegenen
Wärmetauscherkerne in der Nähe der Oberseite der
Wärmetauscheranordnung ein, wie durch doppelte Strömungspfeile
in 2 gezeigt. Nach dem Durchgang durch die Wärmetauscherkerne
werden die heißen Verbrennungsgase in einer Verbrennungsgassammelkammer 27 gesammelt
und durch die Zugöffnung 28 in den Schornstein
abgelassen. Da die herkömmliche Halsöffnung 19 in
der vorliegenden Erfindung durch die Zugleitplatte 22 abgedichtet
ist, werden alle heißen Verbrennungsgase durch die Wärmetauscheranordnung 40 geleitet,
bevor sie in den Schornsteinzug abgelassen werden.
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Jeder
Wärmetauscherkern 42 wird aus Materialien hergestellt,
die für eine hoch wärmeleitende Anordnung sorgen.
Zu diesem Zweck ist das innere Hohlelement 44 mit einem
wärmeleitenden Material ausgeführt, wie zum Beispiel Aluminium,
um Wärme effektiv von den heißen Verbrennungsgasen,
die durch den ringförmigen Durchgang 48 strömen,
zum Heizmedium zu übertragen, das durch das innere Hohlelement 44 strömt.
Das äußere Hohlelement 46, das der Verbrennung,
die bei Brenner 30 abläuft, direkt ausgesetzt
ist, ist analog aus einem hoch wärmeleitfähigen
Material aufgebaut, jedoch einem, das für die Verbrennungskammerumgebung
besser geeignet ist, wie zum Beispiel Stahl und, genauer gesagt,
Edelstahl.
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In
der bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmetauscheranordnung 40 so
ausgelegt, daß die Einlaß- und Auslaßöffnungen
für die inneren Hohlelemente 44 und die ringförmigen
Durchgänge 48 im allgemeinen benachbart sind und
sehr nahe bei einem gemeinsamen Ende der Einheit 40 liegen.
Zum Zweck der Erläuterung werden zwei Wärmetauscherkerne,
die in 2 gezeigt werden, mit den Indizes "a" und "b"
gekennzeichnet, was für die Beschreibung der verschiedenen
Ströme nützlich ist, die innerhalb der Wärmetauscherkerne
auftreten. Es ist zu beachten, daß die Indizes nicht anzeigen,
daß die bezeichneten Wärmetauscherkerne oder Teile
derselben sich von denen unterscheiden, die nur unter Verwendung
von numerischen Kennzeichen beschrieben werden. Wenn im allgemeinen
gerade Wärmetauscherkerne verwendet werden, sind benachbarte Paare
von Kernen 42a, 42b so angeschlossen, daß sie
für im allgemeinen U-förmig geformte Strömungswege
innerhalb jedes der Hohlelemente sorgen. Diese Verbindungen sind
in Form von Umlenksammelräumen vorhanden. Heiße
Verbrennungsgase werden aus dem Auslaßende des ersten ringförmigen Durchgangs 48a im
Verbrennungsgasumlenkadapter 62 gesammelt und dem Einlaßende
des zweiten ringförmigen Durchgangs 48b zugeführt.
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Leitbleche
innerhalb des Verbrennungsgasumlenkadapters 62 vergleichmäßigen
den Strom von Gasen, um einen Teil des Drehmoments der Gase aufrechtzuerhalten,
wenn die Gase in den zweiten ringförmigen Durchgang 48b eintreten.
Analog wird das Wärmeübertragungsmedium aus dem Abfluß eines
ersten inneren Hohlelementes 44b gesammelt und einem zweiten
inneren Hohlelement 44a in einem Heizmedium-Umlenkadapter 64 zugeführt.
Wie in 2 zu erkennen ist, ist der Heizmedium-Umlenkadapter 64 an
einem Ende der benachbarten Wärmetauscherkerne 42a, 42b angeordnet, während
der Verbrennungsgas-Umlenkadapter 62 leicht nach innen
zu entlang der Wärmetauscherkerne angeordnet ist. Fachleute
werden erkennen, daß durch Auswählen von hoch
wärmeleitfähigen Konstruktionsmaterialien für
die Umlenkadapter 62, 64 die Gesamtwärmeübertragung
zwischen der Feuerstätte und dem Wärmeübertragungsmedium
weiter erhöht wird. In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Verbrennungsgas-Umlenkadapter 62 aus demselben
Edelstahlwerkstoff wie die äußeren Hohlelemente 46 aufgebaut.
Der Heizmedium-Umlenkadapter 64 ist aus einem Aluminiumgußmaterial
aufgebaut.
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Die
inneren Aluminiumhohlelemente 44 und andere Aluminiumteile
der Wärmetauscherkerne 42, wie zum Beispiel die
Heizmedium-Umlenkadapter 64, sind flächig schwarz
eloxiert. Dadurch verbessern sich die Wärmeübertragungseigenschaften
dieser Teile durch Verbessern des Wärmeübertragungskoeffizienten
derselben. Die Gesamteffektivität der Wärmeübertragung
der Wärmetauscheranordnung 40 wird durch Hinzufügen
eines Reflektors 50 für Strahlungsenergie (auch
in 1 gezeigt) zu einem Teil der Wärmetauscheranordnung 40 verbessert. Der
Strahlungsenergiereflektor 50 kann in Form einer reflektierenden
Abdeckung, wie zum Beispiel polierter Edelstahl oder dergleichen,
auf zumindest einem Teil der äußeren Hohlelemente 46 vorliegen.
Durch Anordnen dieses Strahlungsenergiereflektors 50 auf dem
Teil des Wärmetauscherkerns neben dem Brenner wird Strahlungswärmeenergie
von den Verbrennungsflammen des Brenners 30 zum Raum, der
erwärmt werden soll, hin gelenkt. Der Strahlungsenergiereflektor 50 kann
auch in Form in Form einer Materi alauswahl und/oder äußeren
Oberflächenbehandlung der äußeren Hohlelemente 46 realisiert
werden, um für die gewünschten Reflektionskennwerte
der Oberfläche zu sorgen.
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Jeder
Wärmetauscherkern 42 ist so aufgebaut und angeordnet,
daß er die Verweilzeit heißer Verbrennungsgase
im ringförmigen Durchgang erhöht und dadurch die
Wärmeübertragung zwischen den vergleichsweise
heißeren Verbrennungsgasen und dem vergleichsweise kühleren
Heizmedium erhöht. Das Ziel besteht darin, in einem vergleichsweise
kompakten Raum herauszuziehen so viel Wärmeenergie wie
möglich. Dadurch können Konstruktionsmaterialien
für den Schornsteinzug ausgewählt werden, die
viel niedrigeren Temperaturen von nur ca. 65°C widerstehen
müssen, wodurch kostengünstigere Materialien für
den Schornsteinzug, wie zum Beispiel PVC, eingesetzt werden können.
Zu diesem Zweck sind die Wärmetauscherkerne so ausgelegt, daß sie
eine Wirbelströmung der Verbrennungsgase bewirken, wenn
sie durch den ringförmigen Durchgang strömen.
Die Wirbelströmung wird durch mindestens eine Düsenscheibe 70 verursacht,
die an die inneren und äußeren Hohlelemente angeschlossen und
in der Nähe des Einlaßendes des ringförmigen Durchgangs 48 angeordnet
ist. Wenn die heißen Verbrennungsgase durch die Düsenscheibe 70 strömen, werden
die Gase gezwungen, um den ringförmigen Durchgang zu wirbeln
und dabei im allgemeinen um die innere Hohlstruktur 44 zu
zirkulieren, wenn sich die Gase in Längsrichtung des Wärmetauscherkerns 42 weiterbewegen.
Mit Bezug auf 2, drehen sich die Verbrennungsgase,
die durch den ersten Wärmetauscherkern 42a strömen,
im allgemeinen gegen den Uhrzeigersinn, wenn sie von oben betrachtet werden,
um das innere Hohlelement 44a, wenn die Gase nach unten
durch den ringförmigen Durchgang strömen. Beim
nach oben gerichteten Rücklauf durch den zweiten Wärmetauscherkern 42b rotieren
die Gase im allgemeinen im Uhrzeigersinn um das innere Hohlelement 42b,
wieder bei Betrachtung von oben. Die Rotationsrichtung der Verbrennungsgase in
den ringförmigen Durchgängen wird so gewählt, daß sie
durch den Coriolis-Effekt der Erddrehung unterstützt wird,
was die Drehbewegung der Verbrennungsgase, die durch die ringförmigen
Durchgänge strömen, weiter verstärkt.
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3 zeigt
Details der Düsenscheibe 70, die sich in der Nähe
des Einlaßendes jedes ringförmigen Durchgangs 48 angeordnet
ist. Die Düsenscheibe 70 besitzt einen im allgemeinen
ebenen kreisförmigen Aufbau, der einen Außenrand 72 hat,
welcher im allgemeinen dem Innenrand des äußeren
Hohlelementes 46 entspricht, und eine innere Öffnungsstruktur 74,
durch die das innere Hohlelement 42 läuft. In
der bevorzugten Ausführungsform sind die inneren und äußeren
Hohlelemente 44, 46 und die Düsenscheibe 70 entlang
einer gemeinsamen Mittellinie angeordnet, die der Längsachse
der Hohlelemente 44, 46 entspricht. Mehrere Flügelstrukturen 76 sind
im allgemeinen radial um die Mittellinie angeordnet. Die Flügelstrukturen
umfassen einen Durchbruch 73 durch die Düsenscheibenstruktur
und einen strömungsleitenden Flügel 75,
der derart angeordnet ist, daß heiße Verbrennungsgase,
die durch die Durchbrüche strömen, auf den strömungsleitenden
Flügel auftreffen und abgelenkt werden. Jeder strömungsleitende Flügel
ist um ca. 30 Grad gegenüber der Ebene der Düsenscheibe
angewinkelt; Fachleute auf dem Gebiet werden aber erkennen, daß eine
breite Variation im Neigungswinkel angewendet werden kann, ohne vom
Funktionsziel der Düsenscheibe 70 abzuweichen.
Die Abstände zwischen den Wänden der inneren und äußeren
Hohlelemente 44, 46 und der Düsenscheibe 70 werden
durch eine dicht sitzende Zwischenfläche minimiert, so
daß Verbrennungsgase, die die Düsenscheibe umgehen,
minimiert werden.
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Mit
Bezug nun auf 4, wird eine Ausführungsform
zum Umwälzen des Wärmeübertragungsfluids,
in dieser bevorzugten Ausführungsform Raumluft, durch die
Wärmetauscheranordnung 40 gezeigt, um den benachbarten
Raum zu erwärmen. Die bevorzugte Ausführungsform
umfaßt einen Luftzufuhrkanal 80 und einen Luftrücklaufkanal 90.
Beim Betrieb zieht eine Lüfter-Motor-Einheit 100 relativ kühle
Luft aus dem Raum ab und leitet sie durch den Raumluftzufuhrkanal 80 zur
Heizmediumeinlaßöffnung 84 des Wärmetauscherkerns 42 hin.
Die Raumluft tritt durch die Medieneinlaßöffnung 84 in
den Innenraum des inneren Hohlelements 44 ein und bewegt
sich durch die Wärmetauscherkerne 42, wobei sie
Wärme von den heißen Verbrennungsgasen absorbiert,
die um die äußere Oberfläche des inneren Hohlelements 44 rotieren.
Nach dem Durchgang durch die Wärmetauscherkerne 42 verläßt
die Raumluft dann die Wärmetauscheranordnung durch eine Heizmedienauslaßöffnung 94 und
wird durch den Luftrücklaufkanal 90 zum Raum zurückgeführt.
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Der
Kanalaufbau kann einstellbare und/oder flexible Luftzufuhr- und
-rücklaufkanäle 80, 90 umfassen,
die die Installation von Sammelkammern in einer Reihe von Feuerstättengrößen
und -konfigurationen ermöglichen. Eine solche Flexibilität
kann auch für speziell angefertigte Feuerstättenanlagen
nützlich sein, indem sie ermöglicht, daß eine
einzige Kanalkonstruktion in einer Palette von Feuerstättengrößen verwendet
werden kann; bei Nachrüstanlagen, bei denen die genauen
Feuerstättenabmessungen unbekannt sind, wenn die Kanäle
hergestellt werden, ist sie unabdingbar. Solch eine flexible Konstruktion
rationalisiert Produktions- und Lagerhaltungsanforderungen und reduziert
dadurch die Gesamtherstellungskosten der Erfindung.
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Obwohl
die Ausführungsform, die in 4 gezeigt
wird, die Verwendung der Erfindung zum Erwärmen eines Raums
beschreibt, der an die Feuerstätte grenzt, sind andere
Alternativen möglich, indem die Luftzufuhr- und Rücklaufkanäle
zu anderen Räumen geführt werden. Fachleute auf
dem Gebiet werden erkennen, daß zahlreiche Wahlmöglichkeiten zum
Leiten eines Wärmeübertragungsmediums zur und
durch die Wärmetauscheranordnung innerhalb des Geltungsbereichs
der vorliegenden Erfindung zulässig sind. Obwohl zwei im
allgemeinen parallele Strömungswege in 4 gezeigt
werden, ist es möglich, das Wärmeübertragungsmedium
in einem Strompfad durch die ganze Wärmetauscheranordnung
zu führen, wobei eine einzige Heizmedieneinlaßöffnung 84 und
eine einzige Heizmedienauslaßöffnung 94 verwendet
werden. Umgekehrt können auch mehr als zwei im allgemeinen
parallele Strömungswege verwendet werden, da ja die Wärmetauscherkerne 42 der
vorliegenden Erfindung von Natur aus modular sind. Durch Einstellen
der Heizmediendurchflußraten und der Strömungskonfiguration durch
die Wärmetauscherkerne wird es möglich, eine gewünschte
Heizmedienrücklauftemperatur auf der Basis der Wärmezufuhr
zur Brennereinheit zu wählen.
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In
einer alternativen Ausführungsform wird ein flüssiges
Wärmeübertragungsmedium durch die inneren Hohlelemente
zirkuliert, wobei es Wärmeenergie von den heißen
Verbrennungsgasen absorbiert. Die erwärmte Flüssigkeit
kann dann leicht zu anderen Orten gefördert werden, wo
die Wärmeenergie extrahiert wird, um Wärme für
einen Raum oder einen anderen Bereich bereitzustellen. Ein idealer entfernter
Ort wäre ein Wärmetauscher, der im vorhandenen
Heizsystem für ein Haus angeordnet ist, wodurch die Wärmeenergie
von der Feuerstätte effizient über den ganzen
beheizten Teil eines Hauses oder einer Gebäudestruktur
verteilt wird. Eine solche Anwendung stellt weitere Vorteile für
Wärmepumpensysteme bereit, die eine Zusatzheizquelle benötigen,
wenn die Außenlufttemperaturen unter bestimmte Schwellwerte
fallen. Wärmeenergie von der Feuerstätte kann
teure elektrische Widerstandsheizelemente ersetzen, die oft als
Zusatzheizquellen für Wärmepumpen verwendet werden,
was potentiell die Energiekosten senkt. Auf Grund der modularen
Anordnung der Wärmetauscheranordnung kann eine Kombination
von Raumluft aus einem Raum, der an die Feuerstätte grenzt, und
einer Wärmeübertragungsflüssigkeit, die
zu einem Wärmetauscher an einem anderen Ort geleitet wird,
vorgesehen werden, was eine effektive Beheizung von größeren
Teilen eines Hauses mit einer einzigen Feuerstätte ermöglicht,
wodurch die Effektivität der Feuerstätte als ergänzende
Heizquelle weiter erhöht wird.
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Mit
Bezug nun auf 5, in der eine erste alternative
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt wird,
werden die Verbrennungsgas- und Heizmedien-Umlenkadapter (62, 64,
in 2 gezeigt) entfernt und durch einen nichtlinearen
Wärmetauscherkern 42 ersetzt. Im Endeffekt werden
die inneren und äußeren Hohlelemente 44, 46 zu
einer U-Form umgeformt, so daß die Heizmedieneinlaß- und
-auslaßöffnungen 84, 94 und
die Verbrennungsgas-Einlaß- und -Auslaßöffnungen 86, 96 im
allgemeinen dicht beieinander liegen. Diese alternative Ausführungsform
vereinfacht die Materialauswahl und Konstruktion, indem sie die
Umlenkadapter und zugehörigen Anschlüsse im Austausch
für die Verwendung von gekrümmten Hohlelementen
anstelle der geraden Hohlelemente beseitigt. Es ist zu erwarten,
daß diese erste alternative Ausführungsform die Herstellungskosten
der Erfindung reduziert und die Montage vereinfacht. Die Ströme
von heißen Verbrennungsgasen und des Heizmediums sind so,
wie in der ersten Ausführungsform in Verbindung mit den 2 bis 4 beschrieben.
Es können eine oder mehrere Düsenscheiben 70 in
dieser Ausführungsform verwendet werden, wobei die erste
in der Nähe der Verbrennungsgas-Einlaßöffnung 86 angeordnet ist.
Wenn sich die Länge des Wärmetauscherkerns 42 erhöht,
kann es notwendig sein, zusätzliche Düsenscheiben
stromabwärts im ringförmigen Durchgang anzuordnen,
um eine angemessene Rotationsbewegung in den Verbrennungsgasen aufrechtzuerhalten,
während sie durch den Durchgang 48 zur Verbrennungsgas-Auslaßöffnung 96 hin
strömen. Es können auch ein oder mehrere Stoßstellen 49 im Wärmetauscherkern 42 zur
leichteren Herstellung und Montage verwendet werden.
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Es
versteht sich, daß für Fachleute auf diesem Gebiet
beim Lesen dieser Offenbarung Änderungen in den Details,
Materialien, Schritten und Anordnungen von Teilen, die beschrieben
und erläutert wurden, um die Natur der Erfindung zu erklären,
ersichtlich sind und von ihnen im Rahmen der Prinzipien und des
Geltungsbereichs der Erfindung vorgenommen werden können.
Die vorhergehende Beschreibung erläutert die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung; es können jedoch
Konzepte, die auf der Beschreibung beruhen, in anderen Ausführungsformen
eingesetzt werden, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen.
Dementsprechend sollen die folgenden Ansprüche die Erfindung in
breitem Rahmen sowie in der Form, die gezeigt wird, schützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4357930 [0004, 0022]
- - US 4471756 [0022]
- - US 6047695 [0022]