-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizkessel für die Brennwertnutzung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des Heizkessels für die Warmwasserversorgung eines Wohnhauses oder eines Geschäftshauses.
-
Moderne Heizkessel zur Wärmeerzeugung in Gebäuden müssen hohen Anforderungen im Hinblick auf den Umweltschutz genügen. Eine Steigerung der Energieeffizienz ist gerade im Bereich Heiz- und Wärmetechnik von großer Bedeutung, da ein hoher Anteil des privaten Energiekonsums den häuslichen Wärmebedarf betrifft.
-
Ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz kann durch die Steigerung des Wirkungsgrads von Heizkesseln bewirkt werden. Insbesondere kann der Wirkungsgrad erhöht werden, indem der bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffen entstehende Wasserdampf kondensiert wird und die dabei freiwerdende Kondensationswärme genutzt wird. Heizkessel, die frei werdende Kondensationswärme nutzen, werden als Brennwertheizkessel bezeichnet und sind im Stand der Technik bekannt.
-
Der Wirkungsgrad eines Heizkessels kann ferner dadurch erhöht werden, dass die Vorlauftemperaturen der Heizkessel erniedrigt werden, da dadurch Wärmeverluste am Heizkessel selbst verringert werden. Diese Art Heizkessel sind im Stand der Technik unter der Bezeichnung Niedertemperaturheizkessel bekannt und beispielsweise in der
DE 42 18 755 A1 beschrieben. Der dort beschriebene Heizkessel nutzt jedoch keine Kondensationswärme.
-
Die Nutzung der Brennwerttechnik bei Heizkesseln ist allgemein mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden. So sind Heizkessel, die die Brennwerttechnik nutzen, besonders korrosionsanfällig. Das liegt darin begründet, dass bei Heizkesseln mit Brennwertnutzung Kondenswasser entsteht, wodurch das Material, aus dem der Heizkessel besteht, in kurzer Zeit korrodiert. Bei Heizkesseln, die mit Öl als Brennstoff betrieben werden, ist die Korrosion besonders gravierend, da bei der Verbrennung von flüssigen fossilen Brennstoffen SO2, SO3und NOx gebildet werden, die mit dem Kondenswasser sehr starke Säuren bilden.
-
Auf Grund eines lange bestehenden Bedarfs an Heizkesseln mit Brennwerttechnik sind im Stand der Technik Lösungen vorgeschlagen worden, die jedoch mit Nachteilen behaftet sind. Zum einen gibt es die Möglichkeit, entstehende Kondensationswärme in einer nachgeschalteten Vorrichtung zu nutzen. Konkret werden nachgeschaltete Wärmetauscher an der Abgasableitung angebracht. Hierbei wird die Kondensationswärme also nicht durch eine in dem Heizkessel integrierte, sondern durch eine separate Vorrichtung genutzt. Hierbei sind jedoch Steuerelemente erforderlich, um das erwärmte Wasser in den Vorlauf einzuspeisen. Ferner ist die übertragene Wärmemenge bei separaten Vorrichtungen bedeutend geringer, so dass der Wirkungsgrad gerade in Bezug zu dem Aufwand sehr gering ist und somit kommerziell praktisch nicht genutzt wird.
-
Aus dem Stand der Technik ist ein Heizkessel bekannt, der einen vom Abgas umströmten Primärwärmetauscher und einen nachgeschaltet vom Abgas umströmten Sekundärwärmetauscher umfasst, wobei der Primär- und der Sekundärwärmetauscher einen Teil des Heizkreises bilden. Ferner umfasst der Heizkessel ein Stellventil, das nach dem Ausschalten des Brenners betätigt wird, um mit dem Sekundärwärmetauscher noch Wärme aus dem abströmenden Restabgas nutzen zu können. Letztlich sind bei diesem Heizkessel Primär- und Sekundärwärmetauscher sinngemäß in Reihe angeordnet. Zum einen ist dieser Heizkessel mit einem erhöhten Steuerungsaufwand verbunden. Zum anderen bedarf es besonderer Maßnahmen, um die Bildung von Kondenswasser in der Brennkammer zu verhindern.
-
Um die Bildung von Kondenswasser zu unterdrücken, sind beispielsweise Heizkessel mit Vorrichtungen entwickelt worden, die den Heizkessel auf einer hohen Temperatur halten. Diese Temperatur wird auch als Stütztemperatur bezeichnet. Das Halten der Stütztemperatur verursacht jedoch hohe Verluste, so dass der Wirkungsgrad dieser Heizkessel niedrig ist.
-
Andere Heizkessel sind mit Brennkammern aus Edelstahl ausgestattet worden, bei denen die Entwicklung von Kondenswasser nicht zur Korrosion führt. Damit ist die Herstellung eines solchen Heizkessels jedoch mit sehr hohen Produktionskosten verbunden und auch die Energiebilanz ist ungünstig, da mit hochwertigem Stahl gearbeitet werden muss. Heizkessel mit Brennkammern aus Edelstahl haben ferner den Nachteil einer aufwendigeren Herstellung.
-
Im Stand der Technik wird ein Heizkessel offenbart, der die Vermeidung von Korrosion bezweckt. Die
WO 2009/146990 A2 offenbart einen Flammenrohrkondensationskessel für die Erzeugung von heißem Wasser, der ein Thermostat zwischen einem Auslass und einem Wasserkessel umfasst, wobei das Thermostat Wasser passieren lässt, sobald dieses eine bestimmte Temperatur erreicht hat.
-
Ferner offenbart die
DE 42 18 755 A1 einen Heizkessel für Niedertemperaturheizungen mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis, wobei der Kessel als Dreizugkessel ausgebildet ist und der eigentliche Abgaskanal innerhalb des Primärkreises liegt.
-
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Heizkessel bereitzustellen, der einen höheren Jahresnutzungsgrad aufweist und die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
-
Zur Lösung der zuvor geschilderten Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Heizkessel nach Anspruch 1 vor; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der diesbezüglichen abhängigen Ansprüche.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit – gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung – ein Heizkessel für Brennwertnutzung gemäß Anspruch 1. Dieser umfasst eine Brennkammer, in der ein Brennstoff umgesetzt wird, wobei die Brennkammer eine Abgasleitung zum Abführen der Umsetzungsprodukte aufweist; eine erste Wasserkammer mit einem ersten Zulauf und einem ersten Ablauf; eine zweite Wasserkammer mit einem zweiten Zulauf und einem zweiten Ablauf; wobei die Brennkammer und die erste Wasserkammer eine gemeinsame primäre Wärmeübertragungsfläche aufweisen, um in der Brennkammer entstehende Wärme auf Wasser in der ersten Wasserkammer zu übertragen, wobei die Abgasleitung und die zweite Wasserkammer eine gemeinsame sekundäre Wärmeübertragungsfläche aufweisen, um Wärme von den Umsetzungsprodukten in der Abgasleitung auf das Wasser in der zweiten Wasserkammer zu übertragen, wobei der erste Ablauf mit einem Thermostatventil versehen ist, der erste Ablauf und der zweite Ablauf durch das hermostatventil getrennt sind, und der erste Zulauf mit einem Injektor versehen ist, der den Zustrom von Wasser in die erste Wasserkammer bei geöffnetem Thermostatventil zulässt.
-
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Heizkessels liegt in einem erhöhten Jahresnutzungsgrad gegenüber herkömmlichen Heizkesseln bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit. Der erhöhte Jahresnutzungsgrad wird durch Nutzung von Restwärme insbesondere von Kondensationswärme erreicht. Bei der Umsetzung des Brennstoffs in der Brennkammer entsteht Wasserdampf, dessen Wärmeinhalt in dem erfindungsgemäßen Heizkessel genutzt wird, ohne Korrosion in dem Heizkessel hervorzurufen.
-
Im Folgenden sollen Vorteile des erfindungsgemäßen Heizkessels bei der üblichen Betriebsweise erläutert werden. Zunächst wird der Brennkammer ein Brennstoff zugeführt, der in der Brennkammer umgesetzt wird. Als Brennstoff kommen hier sämtliche gasförmigen oder flüssigen Brennstoffe in Betracht, bevorzugt jedoch flüssige fossile Brennstoffe, besonders bevorzugt Heizöl. Die entstehende Wärme wird über eine primäre Wärmeübertragungsfläche der ersten Wasserkammer zugeführt. Wenn das Wasser in der ersten Wasserkammer erwärmt wird, öffnet das Thermostatventil und heißes Wasser kann durch den ersten Ablauf in den Vorlauf fließen, um dann außerhalb des Heizkessels einen Wärmeabnehmer mit Wärme zu beliefern, wobei der Wärmeabnehmer beispielsweise eine Heizfläche darstellen kann. Die erste Wasserkammer, der erste Ablauf, der Vorlauf und die Wärmeabnehmer sind Teil eines Primärkreises.
-
Die heißen Umsetzungsprodukte aus der Brennkammer werden der Abgasleitung zugeführt. Mindestens ein Teil der Abgasleitung oder ein an der Abgasleitung angeordnetes Bauteil bilden eine sekundäre Wärmeübertragungsfläche, über die Wärme von den Umsetzungsprodukten auf das Wasser in der zweiten Wasserkammer übertragen wird. Das so erwärmte Wasser wird über den zweiten Ablauf dem Vorlauf zur Versorgung der Wärmeabnehmer mit Wärme zugeführt. Somit bilden die zweite Wasserkammer, der zweite Ablauf, der Vorlauf und die Wärmeabnehmer Teil eines Sekundärkreises.
-
Das aus der ersten und zweiten Wasserkammer fließende Wasser wird stromabwärts von dem Thermostatventil in Richtung Vorlauf geführt. Das erfindungsgemäße Merkmal, demgemäß der erste Ablauf und der zweite Ablauf durch das Thermostatventil getrennt sind, muss im Rahmen der vorliegenden Erfindung so verstanden werden, dass das in der zweiten Wasserkammer erwärmte Wasser auf dem Strömungsweg zum Vorlauf von dem in der ersten Wasserkammer erwärmten Wasser auf dem Strömungsweg zum Vorlauf durch das Thermostatventil getrennt ist. Es können jedoch zwischen dem in der ersten Wasserkammer erwärmten Wasser und dem in der zweiten Wasserkammer erwärmten Wasser noch weitere Bauteile oder Vorrichtungen vorgesehen sein.
-
Der erfindungsgemäße Heizkessel kann demnach auch so gestaltet sein, dass das Thermostatventil selbst den ersten Ablauf darstellt. Hierbei wird das Wasser aus der ersten Wasserkammer bei geöffnetem Thermostatventil abgeleitet und wird mit dem Wasser, das an der zweiten Wärmeübertragungsfläche erwärmt wurde, zusammengeführt und wird dann in Richtung Vorlauf geleitet. Auch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizkessels soll selbstverständlich sowohl einen ersten als auch einen zweiten Ablauf im Sinne der Erfindung aufweisen.
-
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Bildung von Kondenswasser in der Brennkammer vermieden wird, bzw. geringste Mengen an gebildetem Kondenswasser schnell wieder verdunsten. Aufgrund des Thermostatventils, das das in der ersten Wasserkammer erwärmte Wasser von dem in der zweiten Wasserkammer gebildeten Wasser trennt, wird gewährleistet, dass sich das Wasser in der ersten Wasserkammer schneller erwärmen kann und sich somit die Temperatur an der primären Wärmeübertragungsfläche schneller erhöht. Dadurch wird der Taupunkt an der ersten Wärmeübertragungsfläche schnell überschritten.
-
Nach dem Abbruch der Umsetzung des Brennstoffs in der Brennkammer werden keine Umsetzungsprodukte, d. h. wird insbesondere kein Wasserdampf, mehr in der Brennkammer gebildet, so dass in der Brennkammer bei deren Abkühlen kein Kondenswasser entsteht. Nach dem Abbruch der Umsetzung in der Brennkammer schließt das Thermostatventil nach einem Zeitablauf, und somit fließt im Wesentlichen kein heißes Wasser aus dem Primärkreis heraus.
-
Indem der zweite Ablauf an dem Thermostatventil vorbei in Richtung Vorlauf geführt wird, kann dem Vorlauf heißes Wasser zugeführt werden, während das Thermostatventil bereits geschlossen ist. An den Oberflächen, an denen weniger Wärme übertragen wird, insbesondere an der zweiten Wärmeübertragungsfläche entsteht Kondenswasser und die entstehende Kondensationswärme und Restwärme können genutzt werden. Bevorzugt sind die Flächen, an denen weniger Wärme übertragen wird, aus einem korrosionsbeständigen Material. Insbesondere ist die Abgasleitung oder zumindest ein Teil der Abgasleitung aus einem korrosionsbeständigen Material, bevorzugt aus Edelstahl. Während in der Brennkammer und an der primären Wärmeübertragungsfläche kein Kondenswasser gebildet wird, das Korrosion hervorrufen würde, wird an der Abgasleitung und/oder an der sekundären Wärmeübertragungsfläche durch gewünschte Kondensation Kondensationswärme frei und somit nutzbar gemacht. Die Brennkammer und die primäre Wärmeübertragungsfläche können somit aus einem beliebigen Material hergestellt werden und müssen insbesondere nicht zwingend aus Edelstahl hergestellt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem das Thermostatventil so eingerichtet ist, dass es nach Taupunktüberschreitung öffnet, so dass Wasser durch den ersten Ablauf strömen kann, und nach Taupunktunterschreitung schließt. Dadurch wird gewährleistet, dass im Primärkreis bevorzugt dann Heißwasser fließt, wenn in der Brennkammer die Umsetzung dafür sorgt, dass die Oberflächen in der Brennkammer heiß genug sind, dass kein Kondenswasser entsteht. Würde im Primärkreis Wasser unabhängig von einer Umsetzung in der Brennkammer zirkulieren, könnte in der Brennkammer an kälteren Flächen Kondenswasser entstehen, wodurch Korrosion in der Brennkammer hervorgerufen werden wird. Als Taupunkt wird im Rahmen dieser Erfindung die Temperatur bezeichnet, bei der an der Brennkammerinnenfläche sich ein Gleichgewicht zwischen kondensiertem und verdunstendem Wasser einstellen würde.
-
Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass bei einem besonders bevorzugten Heizkessel der vorliegenden Erfindung die Bildung von Kondenswasser und damit Korrosion in der Brennkammer dann verhindert werden kann, wenn das Thermostatventil öffnet, sobald das Wasser in der ersten Wasserkammer eine Temperatur von 60°C überschreitet, und wieder schließt, sobald eine Temperatur von 60°C unterschritten wird. Nach Beginn der Umsetzung des Brennstoffs in der Brennkammer erwärmt sich das Wasser in der ersten Wasserkammer und erreicht 60°C, so dass das Thermostatventil öffnet, und nach dem Abbruch der Umsetzung des Brennstoffs kühlt das Wasser in der ersten Wasserkammer ab bis es 60°C unterschreitet, so dass das Thermostatventil schließt. Bei dieser Temperatur ist gewährleistet, dass sich in der Brennkammer kein Kondenswasser bildet, durch das Korrosion hervorgerufen werden kann.
-
Der Zulauf in die erste Wasserkammer kann auf unterschiedliche Art und Weise ausgestaltet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem der erste Zulauf mit einem Injektor versehen ist, der den Zustrom von Wasser in die erste Wasserkammer zulässt. Dieser Injektor ist so ausgestaltet, dass das Wasser dann über den ersten Zulauf in die erste Wasserkammer strömt, sobald das Thermostatventil öffnet. Diese vorteilhafte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass keine weiteren Steuerungseinheiten notwendig sind. Bei dieser Ausführungsform bilden die erste Wasserkammer, der erste Ablauf, das Thermostatventil, der Vorlauf mit den Wärmeabnehmern, der Rücklauf, der Injektor und der erste Zulauf einen Teil des Primärkreises.
-
Ferner kann eine weitere Steuereinheit eingespart werden, wenn das Wasser aus dem Rücklauf dann in die zweite Wasserkammer fließt, wenn der Injektor keinen Wasserzulauf in den ersten Zulauf ermöglicht. Diese Ausgestaltung betrifft eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Noch bevorzugter ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Injektor wie folgt ausgestaltet: Der Injektor umfasst eine Strömungsdüse und einen Rohrstutzen, die mindestens teilweise voneinander beabstandet sind und die so angeordnet sind, dass durch die Strömungsdüse fließendes Wasser den Rohrstutzen anströmt, wobei das die Strömungsdüse verlassende Wasser bei geschlossenem Thermostatventil in die zweite Wasserkammer strömt und das die Strömungsdüse verlassende Wasser bei geöffnetem Thermostatventil in die erste Wasserkammer strömt. Der Injektor ist also so gestaltet, dass Wasser bei zumindest teilweise geöffnetem Thermostatventil in die erste Wasserkammer fließt und durch das Schließen des Thermostatventils in die zweite Wasserkammer überfließt.
-
Bei dieser Ausführungsform bilden die zweite Wasserkammer, der zweite Ablauf, der Vorlauf mit den Wärmeabnehmern und der zweite Zulauf Teil des Sekundärkreises. Der Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass lediglich der Öffnungsgrad des Thermostatventils entscheidend dafür ist, wieviel Wasser durch den Primärkreis oder durch den Sekundärkreis fließt.
-
Ganz besonders bevorzugt befindet sich bei dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Injektor in der zweiten Wasserkammer. Das von dem Rücklauf fließende Wasser strömt aus der Strömungsdüse gegen den Rohrstutzen, gelangt bei geöffnetem Thermostatventil über den ersten Zulauf in die erste Wasserkammer, gelangt jedoch bei geschlossenem Thermostatventil direkt in die zweite Wasserkammer.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Injektor unterhalb der Abgasleitung gelegen. Dadurch wird gewährleistet, dass das verhältnismäßig kalte Wasser aus dem Rücklauf von einer tief gelegenen Stelle des Heizkessels einströmt. Wenn das Abgas in der Abgasleitung von oben nach unten strömt, funktioniert die Wärmeübertragung analog zu einem Liebig-Kühler, d. h. im Gegenstromprinzip.
-
Der Fachmann wird selbstverständlich die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so verstehen, dass bei teilweise geöffnetem Thermostatventil, ein Teil des vom Rücklauf kommenden Wassers in den ersten Zulauf strömen kann und ein weiterer Teil des vom Rücklauf kommenden Wassers in die zweite Wasserkammer fließen kann. Somit fließt ein Teil des Wassers durch den Primärkreis und ein weiterer Teil des Wassers fließt durch den Sekundärkreis. Mit anderen Worten: Das Thermostatventil muss im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise ganz geöffnet oder ganz geschlossen sein. Auf diese Art und Weise kann gewährleistet werden, dass auch nach Beginn der Umsetzung des Brennstoffs in der Brennkammer, insbesondere bei Temperaturen von 60°C oder mehr in der ersten Wasserkammer, ein Teil des erwärmten Wassers aus der zweiten Wasserkammer in den Vorlauf gelangt, d. h. auch bei dem Betriebszustand kann die an der sekundären Wärmeübertragungsfläche entstehende Kondensationswärme nutzbar gemacht werden.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Merkmal, demgemäß der erste Ablauf und der zweite Ablauf durch das Thermostatventil getrennt sind, kann ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Dadurch dass in der Brennkammer im Wesentlichen kein Kondenswasser entsteht oder Kondenswasser vermieden wird, das Korrosion hervorruft, ist die Brennkammer nicht notwendigerweise aus einem korrosionsbeständigen Material aufgebaut. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem die Brennkammer im Wesentlichen aus Stahl oder einem anderen nicht-korrosionsbeständigen Material vorliegt. Natürlich kann die Brennkammer bei dieser bevorzugten Ausführungsform auch aus Edelstahl bestehen.
-
Ein weiterer Vorteil bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Auswahl des die Brennkammer aufbauenden Materials größer ist. Wenn auf Edelstahl verzichtet werden kann, verringern sich die Kosten zur Herstellung, es vereinfacht sich die Herstellung und die Gesamtenergiebilanz des Heizkessels wird vorteilhaft beeinflusst.
-
Bevorzugt besteht die Abgasleitung im Wesentlichen aus Edelstahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Material. Diese bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, dass in der Abgasleitung keine Korrosion entsteht.
-
Für den Fall, dass die Brennkammer und die Abgasleitung aus verschiedenen Materialien sind, werden die Brennkammer und die Abgasleitung bevorzugt über eine Hülse verbunden. Dabei wird die Hülse, bevorzugt eine Stahlhülse, über das Edelstahlrohr geschoben und mittels einer Wolfram-Inertgas Schweißung (WIG-Schweißung) mit dem Edelstahlrohr verbunden. Die Innenfläche des Rohres wird im Bereich der entstandenen Schweißnaht nachbehandelt, insbesondere gebeizt. Anschließend wird das mit der Hülse versehene Edelstahlrohr an der Hülse mit dem nicht korrosionsbeständigen Material verbunden. Dies geschieht bevorzugt durch Verschweißen von der Hülse mit dem nicht korrosionsbeständigen Material. Besonders bevorzugt befindet sich etwa an der Stelle, an der die Hülse mit dem nicht korrosionsbeständigen Material verbunden ist, ein Ringspalt zwischen Hülse und Edelstahlrohr, so dass das Edelstahlrohr durch das Verschweißen von der Hülse und dem nicht korrosionsbeständigen Material von einer zu starken Erwärmung verschont bleibt.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Merkmal, demgemäß der erste Ablauf und der zweite Ablauf durch das Thermostatventil getrennt sind, kann ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Der erfindungsgemäße Heizkessel kann aufgrund der Anordnung von dem ersten Ablauf und dem zweiten Ablauf, die durch das Thermostatventil voneinander getrennt sind, so gestaltet werden, dass die erste Wasserkammer mit einem dritten Zulauf und einem dritten Ablauf versehen ist, so dass die erste Wasserkammer mit einem Warmwasserbereiter als ein Wärmeabnehmer verbunden werden kann. Diese vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine bedarfsgerechte Bedienung von Verbrauchsspitzen beim Warmwasser. Ferner hat diese bevorzugte Ausführungsform den Vorteil, dass auch bei der Warmwasseraufbereitung Kondensationswärme als eine Form von Nebenprodukt entsteht, die den Wärmebedarf auf einem anderen Gebiet decken kann. Auch somit steigt der Jahresenergienutzungsgrad gegenüber Heizkesseln im Stand der Technik. Der dritte Ablauf und der dritte Zulauf verbinden jedoch ausschließlich einen Warmwasserbereiter, wie beispielsweise einen Warmwasserboiler.
-
Damit die Wärmeübertragung von den Umsetzungsprodukten auf das in der zweiten Wasserkammer vorhandene Wasser möglichst wirksam stattfindet, können weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Heizkessels vorgesehen sein.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem die Abgasleitung eine Rohrwendel oder eine doppelte Rohrwendel darstellt, die in der zweiten Wasserkammer angeordnet ist. Dadurch wird die Wärmeübertragung in einem kleineren Kesselvolumen ermöglicht.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem die Rohrwendel oder doppelte Rohrwendel eine Spiralform aufweist, die bevorzugter eine Spiralform mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweist. Die Rohrwendel oder doppelte Rohrwendel hat damit keinen kreisrunden Querschnitt, wie dies bei einer idealen Spiralform der Fall wäre. Der Querschnitt der Rohrwendel oder doppelten Rohrwendel ist elliptisch oder rechteckig mit abgerundeten Kanten. Dadurch wird gewährleistet, dass die Umsetzungsprodukte in der Abgasleitung stärker durchmischt werden. Dieser Effekt kann auch erreicht werden, indem die Abgasleitung mit Strömungshindernissen versehen ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist daher die Innenwand der Abgasleitung mit Strömungshindernissen versehen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem die erste Wasserkammer ein Wasserfassungsvermögen aufweist, so dass das Wasser in der gefüllten ersten Wasserkammer durch die Umsetzung des Brennstoffes in der Brennkammer innerhalb einer Zeit von 3 min, bevorzugt innerhalb von 90 s, besonders bevorzugt innerhalb von 60 s von Raumtemperatur auf die Taupunkttemperatur erhitzt werden kann. Bei dieser Definition des Wasserfassungsvermögens der ersten Wasserkammer wird davon ausgegangen, dass die Umsetzung des Brennstoffes durch einen für den Heizkessel ausgelegten Brenner erfolgt. Der Brenner wird dabei mit einer Last gefahren, die der Last bei gewöhnlichem Betrieb entspricht. Mit anderen Worten ausgedrückt, hat die erste Wasserkammer ein Wasserfassungsvermögen, das das Erhitzen des darin befindlichen Wassers beim Betrieb des Heizkessels von Raumtemperatur auf die Taupunkttemperatur, bevorzugt von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 60°C, innerhalb der oben angegebenen Zeiträume, d. h. innerhalb von 3 min, bevorzugt 90 s, bevorzugter 60 s, erlaubt. Wenn diese Bedingungen erreicht sind, ist die erste Wasserkammer so dimensioniert, dass der Taupunkt des Wassers schnell genug überschritten werden kann. Ein verhältnismäßig geringes Volumen der ersten Wasserkammer hat somit den Vorteil, dass sich das Wasser in der ersten Wasserkammer schnell erwärmt. Dadurch bildet sich kein Kondenswasser, das Korrosion hervorrufen kann, da der Taupunkt schnell überschritten wird.
-
Die zweite Wasserkammer hat in einer bevorzugten Ausführungsform ein Wasserfassungsvermögen von 40 l bis 150 l, bevorzugt von 60 l bis 120 l und bevorzugter 80 l bis 100 l. Wenn bei der zweiten Wasserkammer ein verhältnismäßig großes Wasserfassungsvermögen gewählt wird, bleibt die Temperaturdifferenz zwischen den Umsetzungsprodukten in der Abgasleitung und dem Wasser in der zweiten Wasserkammer während der Laufzeit des Brenners groß, so dass auch die übergehende Wärmemenge groß ist. Somit ist die Restwärmenutzung bei der Warmwasserbereitung besonders hoch.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem die erste Wasserkammer mindestens teilweise gegenüber der zweiten Wasserkammer wärmeisoliert ist. Diese bevorzugte Ausführungsform kann insbesondere so gestaltet sein, dass der Wärmefluss aus der ersten Wasserkammer heraus im Wesentlichen nur über das geöffnete Thermostatventil stattfindet. Dieser bevorzugte Heizkessel hat einen erhöhten Wirkungsgrad gegenüber einem Heizkessel, bei dem eine erste Wasserkammer nicht wärmeisoliert ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkessel bereitgestellt, bei dem die Brennkammer horizontal angeordnet ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Flamme bevorzugt in die Horizontale gerichtet. Diese bevorzugte Ausführungsform ist vorteilhaft hinsichtlich der Thermik. Ferner tritt bei einer horizontal angeordneten Brennkammer das Problem von rückströmenden Abgasen nicht auf.
-
Es versteht sich von selbst, dass Richtungsangaben wie beispielsweise „oben”, „unten”, „horizontal” etc. sich stets auf Positionen bei gewöhnlichem Betrieb des Heizkessels beziehen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Anordnung der ersten Wasserkammer. Vorteilhafterweise stellt die erste Wasserkammer einen Hohlzylinder dar, in dessen Innenraum die Brennkammer angeordnet ist. Die erste Wasserkammer umfasst somit einen Innenmantel, der die erste Wärmeübertragungsfläche darstellt, und einen Außenmantel, der die erste Wasserkammer begrenzt. Dadurch wird eine große Wärmeübertragungsfläche zwischen Brennkammer und erster Wasserkammer geschaffen. Ferner erleichtert die Anordnung die Herstellung des erfindungsgemäßen Heizkessels. Der Innenmantel, der die Wärmeübertragungsfläche darstellt, kann mit Rippen versehen sein, um eine schnelle Wärmeübertragung zu gewährleisten.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Brennkammer mit einem Brennkammereinsatz versehen, der einen Zylindermantel umfasst, in dessen Innenraum die Umsetzung des Brennstoffs stattfindet und der so in der Brennkammer angeordnet ist, dass die heißen Umsetzungsprodukte an der Außenseite des Zylindermantels im Rückstromprinzip zur Strömung im Inneren des Zylindermantels strömen. In anderen Worten, die Brennerflamme ist in das Innere des als Zylindermantel ausgebildeten Brennkammereinsatzes gerichtet. Da der Zylindermantel in Brennerflammenrichtung offen gestaltet ist, wird die Strömung umgelenkt und wird an der Außenseite des Zylindermantels geführt. Die Außenseite des Zylindermantels ist gegenüberliegend zur ersten Wärmeübertragungsfläche. Diese bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Brennerflamme eine hohe Temperatur aufweisen kann, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe vollständig umzusetzen. Ferner ermöglicht die Verwendung des Brennkammereinsatzes die Nutzung von Wärmestrahlung innerhalb der Brennkammer, die einen Beitrag zur Verhinderung von Kondenswasser auf den Oberflächen der Brennkammer beim Brennerstart oder bei Brennerabschaltung leisten kann.
-
Besonders bevorzugt hat der Heizkessel bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Leistung von 10 kW bis 75 kW. Bei Heizkesseln in diesem Leistungsbereich können die Vorteile des erfindungsgemäßen Heizkessels besonders wirksam genutzt werden. Besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Heizkessel ein Ölheizkessel.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist – gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung – die Verwendung eines Heizkessels gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung für die Warmwasserversorgung eines Wohnhauses oder eines Geschäftshauses.
-
Bevorzugt wird der Heizkessel so gefahren, dass das Wasser in der ersten Wasserkammer höchstens eine Temperatur von 75°C, bevorzugter von höchstens 90°C erreicht und/oder das Wasser in der zweiten Wasserkammer eine Temperatur von höchstens 50°C, bevorzugter 35°C, bevorzugter 25°C erreicht. Anders als in der ersten Wasserkammer, wo eine hohe Temperatur bevorzugt ist, um Verbrauchsspitzen bedienen zu können, ist in der zweiten Wasserkammer eine niedrige Temperatur bevorzugt, um eine hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und dem in der zweiten Wasserkammer vorhandenen Wasser zu gewährleisten.
-
Es versteht sich von selbst, dass besondere Ausgestaltungen und Ausführungsformen, welche nur im Zusammenhang mit dem ersten Erfindungsaspekt beschrieben sind, auch in Bezug auf den zweiten Erfindungsaspekt entsprechend gelten, ohne dass dies ausdrücklich beschrieben ist.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Selbstverständlich sollen die Ausführungsbeispiele nicht als einschränkend verstanden werden. Die Zeichnungen zeigen dabei in
-
1 eine Darstellung eines Heizkessels 1, der in einen Heizkreis 2 mit einem Wärmeabnehmer 15 und einem Warmwasserbereiter 15b eingegliedert ist;
-
2 die Darstellung eines Teils des in 1 dargestellten Heizkessels 1 in einer seitlichen Ansicht und
-
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizkessels 1.
-
In 1 ist ein Heizkessel 1 dargestellt, der eine Brennkammer 3 umfasst, die eine primäre Wärmeübertragungsfläche 4 aufweist, um Wärme aus der Brennkammer 3 in die erste Wasserkammer 5 zu übertragen. Die Brennkammer 3 umfasst einen Brennkammereinsatz 3a und an der Brennkammer 3 ist eine Abgasleitung 6 angebracht, durch die die heißen Umsetzungsprodukte aus der Brennkammer 3 abgeführt werden. An der Innenseite der Abgasleitung 6 kann der Wasserdampf kondensieren. Die Kondensationswärme und ferner die Restwärme der Umsetzungsprodukte werden über mindestens einen Teil der Abgasleitung 6, die gleichsam die sekundäre Wärmeübertragungsfläche 7 darstellt, auf das Wasser in der zweiten Wasserkammer 8 übertragen. Wenn nun Brennstoff in der Brennkammer 3 umgesetzt wird, wird das Wasser in der ersten Wasserkammer 5 erwärmt und das Thermostatventil 13 öffnet. Somit entsteht ein Heißwasserstrom, der durch den ersten Ablauf 10 fließt und über den Vorlauf zu den Wärmeabnehmern 15 zugeführt wird, die beispielsweise eine Heizfläche 15a (nicht dargestellt) oder einen Warmwasserbereiter 15b darstellen können. Die erste Wasserkammer 5 und die zweite Wasserkammer 8 sind durch eine Isolation 16 voneinander getrennt.
-
Die bei der Umsetzung des Brennstoffs entstehenden Umsetzungsprodukte enthalten Wasserdampf, der in der Abgasleitung 6 an der sekundären Wärmeübertragungsfläche 7 vorbeigeführt wird, wobei der Wasserdampf kondensiert. Die Kondensationswärme und Restwärme der Umsetzungsprodukte werden über die sekundäre Wärmeübertragungsfläche 7 dem Wasser in der zweiten Wasserkammer 8 zugeführt. Der Heißwasserstrom aus der zweiten Wasserkammer 8 wird über den zweiten Ablauf 12 via Vorlauf den Wärmeabnehmern 15 zugeführt. Wie man in 1 erkennt, stellt das Thermostatventil 13 den ersten Ablauf 10 dar, durch den das Wasser aus der ersten Wasserkammer 5 mit dem Wasser, das an der sekundären Wärmeübertragungsfläche 7 erwärmt wurde, zusammengeführt wird. In der Darstellung von 1, die eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizkessels darstellt, wird das an der sekundären Wärmeübertragungsfläche 7 erwärmte Wasser direkt mit dem aus dem Thermostatventil 13 geleiteten Wasser zusammengeführt, um dann durch die zweite Ablaufleitung 12 in Richtung Vorlauf geleitet zu werden.
-
Der Rücklauf führt Wasser dem ersten und zweiten Zulauf 9, 11 zu. (Der erste Zulauf 9 ist in 1 oben in einer aufgeschnittenen Form dargestellt.) Wenn das Thermostatventil 13 geschlossen ist, wird der ersten Wasserkammer 5 kein Wasser über den ersten Zulauf 9 mittels Injektor 14 zugeführt. In dem Fall wird das Wasser aus dem Rücklauf nur über den zweiten Zulauf 11 der zweiten Wasserkammer 8 zugeführt. Wenn das Thermostatventil 13 geöffnet ist, kann Wasser aus dem Rücklauf über den ersten Zulauf 9 in die erste Wasserkammer 5 gelangen und dort erwärmt werden.
-
Der Injektor 14 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie auch in 1 gezeigt ist, in der zweiten Wasserkammer 8 angeordnet. Dann kann bei geschlossenem Thermostatventil 13 das über den Rücklauf fließende Wasser am Injektor 14 überlaufen, so dass dieses am Injektor 14 überlaufende Wasser direkt in die zweite Wasserkammer 8 einfließt.
-
1 zeigt ferner einen dritten Zulauf 17 und einen dritten Ablauf 18, die beide mit der ersten Wasserkammer 5 verbunden sind. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird erwärmtes Wasser direkt aus der ersten Wasserkammer 5 über einen ersten Ablauf 18 einem Warmwasserbereiter 15b zugeführt. Das Wasser aus dem Warmwasserbereiter 15b wird anschließend über einen dritten Zulauf 17 der ersten Wasserkammer 5 wieder zugeführt. Ferner zeigt 1 noch zwei Umwälzpumpen.
-
2 zeigt beispielhaft einen Teil des erfindungsgemäßen Heizkessels 1 in der Seitenansicht. Insbesondere zeigt 2 den ersten Zulauf 9, wie dieser in die erste Wasserkammer 5 mündet. Die Umsetzung des Brennstoffs erfolgt in der Brennkammer 3, wobei die 2 auch den Brennkammereinsatz 3a zeigt. Die Wärmeübertragungsfläche 4 ist hier einschließlich von Rippen gezeigt, die die Wärmeübertragung beschleunigen. Die Umsetzungsprodukte aus der Brennkammer 3 werden anschließend durch die Abgasleitung 6 geführt, hier teilweise in Schnittprojektion und in der bevorzugten Ausführungsform als doppelte Rohrwendel dargestellt. Die Abgasleitung 6 umfasst die sekundäre Wärmeübertragungsfläche 7. Ferner ist die Isolierung 16 dargestellt, die u. a. die erste Wasserkammer 5 gegenüber der zweiten Wasserkammer 8 wärmeisoliert.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizkessels 1. Bei diesem beispielhaft dargestellten Heizkessel 1 ist der Heizkreis ohne einen Warmwasserbereiter 15b als Wärmeabnehmer 15 dargestellt.
