DE102014211208A1

DE102014211208A1 - Heizvorrichtung zum Heizen von Innenräumen, insbesondere eine Einzelraumfeuerstätte

Info

Publication number: DE102014211208A1
Application number: DE102014211208.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Koehne; Tino Schmid; Vincent Gort; Paul Mielcarek; Paulo Jorge Ferreira Goncalves; Marcus Preissner; Minh Nguyen; Oliver Bachmann; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-12-17
Also published as: EP2955440A1; EP2955440B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Heizen von Innenräumen, insbesondere eine Einzelraumfeuerstätte. Um eine gleichmäßige, langzeitig konstante und effiziente Wärmeabgabe bei inaktiver Brennkammer zu erreichen, weist die Heizvorrichtung einen wärmeleitend mit einer Brennkammer verbundenen Wärmespeicher auf, der als Speichermedium ein Phasenwechselmaterial beinhaltet, welches eine latente Wärmespeicherung ermöglicht.

Description

Heizvorrichtungen mit einer Brennkammer sind üblicherweise aus Metall oder feuerfesten keramischen Baustoffen gefertigt. Innerhalb der Brennkammer wird durch Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen oder durch elektrischen Strom Wärme erzeugt, die beispielsweise zum Heizen von Innenräumen genutzt werden kann.
Aufgrund der stetig steigenden Kosten für Erdöl, Gas und Strom sind bei Privatverbrauchern Einzelraumfeuerstätten wie Kaminöfen oder Kachelöfen zunehmend nachgefragt, zumal diese auch mit regenerativen Energieträgern, wie z. B. Holzschnitzel oder Pellets und anderen Festbrennstoffen befeuert werden können. Vorteilhaft ist auch, dass ein nachträglicher Einbau solcher Einzelraumfeuerstätten häufig ohne großen Aufwand möglich ist.
Ein grundlegender Nachteil besteht bei der Nutzung einer Einzelraumfeuerstätte darin, dass eine Wärmeabgabe nur dann erfolgt, wenn dem Ofen ein Brennstoff zugeführt wird. Um diesem Problem zu begegnen und auch nach Erlöschen des Kaminfeuers eine Wärmeabgabe über mehrere Stunden hinweg zu gewährleisten, sind Einzelraumfeuerstätten häufig mit Wärmespeichern aus Schamott oder Speckstein ausgestattet. Nachteilig an diesen Wärmespeichermaterialien ist jedoch, dass keine gleichmäßige und langzeitig konstante Wärmeabgabe erfolgt. Vielmehr nimmt die Oberflächentemperatur solcher Wärmespeicher und damit der Wärmestrom bzw. die Wärmestrahlung in den zu beheizenden Raum zu Beginn der Brennphase relativ schnell zu. Dabei ist im laufenden Betrieb aus Sicherheitsgründen eine maximale Oberflächentemperatur des Wärmespeichers von ca. 60°C zulässig. Besonders nachteilig ist, dass eine erhöhte Temperatur nur über einen Zeitraum von wenigen Stunden gehalten wird, wobei währenddessen eine ungleichmäßige Wärmeabgabe erfolgt. Von Nachteil ist außerdem, dass nach Erlöschen des Kaminfeuers die Oberflächentemperatur des Wärmespeichers und infolgedessen die Wärmeabgabe relativ rasch abnimmt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Einzelraumfeuerstätten besteht darin, dass die Wärmespeicher aus Schamott oder Speckstein in der Regel Massen im Bereich zwischen 90 kg und 180 kg aufweisen, also relativ schwer sind.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bestehenden Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Heizvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach zu installieren und zu bedienen ist und mit der eine gleichmäßige, langzeitig konstante und effiziente Wärmeabgabe zum Heizen von Innenräumen sichergestellt wird.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 10 zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Heizen von Innenräumen, insbesondere eine Einzelraumfeuerstätte, mit einer Brennkammer und mit mindestens einem Wärmespeicher, wobei der Wärmespeicher wärmeleitend mit der Brennkammer verbunden ist, und wobei der Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial aufweist.
Dabei ist die Heizvorrichtung mit der Brennkammer innerhalb des zu heizenden Raumes angeordnet. Die wärmeleitende Verbindung zwischen Wärmespeicher und Brennkammer kann durch eine wärmeleitende Oberfläche des Wärmespeichers realisiert sein, welche der Brennkammer zugewandt ist. Dazu kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass der Wärmespeicher einen oder mehrere Behälter umfasst, der bzw. die aus einem wärmeleitenden Metall, z. B. Kupfer, bestehen oder wenigstens ein wärmeleitendes Metall aufweisen. Dabei kann der Behälter ein Überdruckventil aufweisen, um im Falle eines Überdrucks dessen Bersten zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich zu einem direkten Kontakt kann in einem gegebenenfalls vorhandenen Zwischenraum oder Spalt zwischen Brennkammer und Wärmespeicher eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft, weil mit dem im Wärmespeicher enthaltenen Phasenwechselmaterial zunächst eine latente Wärmespeicherung und erst danach eine sensible Wärmespeicherung erfolgt, während die üblicherweise verwendeten sensiblen Speichermaterialien, wie z. B. Schamotte oder Speckstein, Wärme ausschließlich als sensible Wärme, d. h. durch Temperaturerhöhung, speichern. Damit ist mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung eine gezielte und über einen langen Zeitraum konstante Temperaturabgabe möglich. Durch die entsprechende Abstrahlung im Aufstellraum kann dieser bei relativ konstanter Raumtemperatur gehalten bleiben.
Die Verwendung des Begriffs Phasenwechselmaterial umfasst im vorliegenden Fall sowohl den Singular als auch den Plural, d. h. Phasenwechselmaterialien in Reinform sowie Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien.
Im Falle eines Phasenwechselmaterials als Speichermedium ändert sich durch die Wärmeaufnahme nicht oder zumindest nicht wesentlich das Temperaturniveau des Speichermaterials, sondern dessen Aggregatzustand, und zwar in der Regel von fest zu flüssig. Dabei kann das Phasenwechselmaterial vorteilhafterweise sehr große Wärmemengen aufnehmen, bis es vollständig geschmolzen ist. Besonders günstig ist, dass die Temperatur des Phasenwechselmaterials während der Wärmeaufnahme durch Schmelzen konstant auf dem Niveau der Schmelztemperatur bleibt (latente Wärmespeicherung). Dadurch kann durch die Wahl des Phasenwechselmaterials im Vorhinein das Temperaturniveau während des Schmelzvorgangs bestimmt werden. Zudem verläuft die Wärmeaufnahme bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher vorteilhafterweise zumindest solange besonders gleichmäßig, bis das Phasenwechselmaterial geschmolzen ist. Erst nach vollständigem Schmelzen führt die Zufuhr weiterer Wärme zu einem Temperaturanstieg des Phasenwechselmaterials (sensible Wärmespeicherung).
Ein Vorteil von Phasenwechselmaterialien gegenüber sensiblen Speichermedien, wie z. B. Schamotte oder Speckstein, besteht darin, dass ihre Wärmespeicherdichte erheblich höher ist. Dadurch ergibt sich bei Verwendung von Phasenwechselmaterialien als Speichermedien in der Regel ein deutlich geringeres Volumen des Wärmespeichermaterials und damit einhergehend ein geringerer Platzbedarf.
Ein weiterer Vorteil von Phasenwechselmaterialien gegenüber Schamotte oder Speckstein sind deren geringere Massen. Dies ist mit Blick auf den Transport und die Installation einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besonders vorteilhaft.
Die im Vergleich zu Schamotte oder Speckstein geringere Masse von Phasenwechselmaterialien sowie deren geringeres Volumen ermöglichen eine größere Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Aufbaus bzw. der Gestaltung der Heizvorrichtung.
Ganz besonders vorteilhaft ist, dass sich Phasenwechselmaterialien aufgrund ihrer gleichmäßigen Wärmeabgabe dazu eignen, Temperaturschwankungen zu verhindern und Temperaturspitzen auszugleichen.
Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Phasenwechselmaterialien sind:

– Paraffine und Paraffinmischungen
– Fettsäuren und Fettsäuremischungen
– Fettsäurederivate, Fettsäurealkohole, Fettsäureester und deren Mischungen
– Carbonsäure basierte Phasenwechselmaterialien
– andere organische Verbindungen und deren Mischungen
– in Wasser gelöste Salze oder Salzhydrate und deren Mischungen

Verwendbare Paraffine sind beispielsweise Tetracosan, Pentacosan, Hexacosan und Heptacosan. Als Fettsäuren kommen zum Beispiel Myristinsäure, Pentadecansäure, Palmitinsäure und Stearinsäure in Frage. Zu den einsetzbaren Fettsäurederivaten, Fettsäurealkoholen und Fettsäureestern zählen beispielsweise Cetylalkohol, Cetylmyristat, Cetylpalmitat, Methyldocosanoat, Ethyltetracosanoat, Methyloxalat, Cetylstearat, Tristearin, Stearylpalmitat, Stearylstearat, Cetylarachidat und Ethylhexacosanoat. Carbonsäure basierte Phasenwechselmaterialien sind zum Beispiel Chloressigsäure, Heptadecansäure und alpha-Chloressigsäure. Zu den einsetzbaren anderen organischen Verbindungen zählen beispielsweise Camphen und 9-Heptadecanon. Als Phasenwechselmaterialien verwendbare Salzhydrate sind zum Beispiel: Natriumacetat-Trihydrat, Lithiumacetat-Dihydrat, Eisenchlorid-Dihydrat, Eisennitrat-Hexahydrat und Aluminiumnatriumsulfat-Monohydrat.
Derartige Phasenwechselmaterialien sind in der Regel relativ schwer flüchtig, sodass ein Ausgasen dieser Verbindungen aus dem Wärmespeicher relativ unwahrscheinlich ist. Dies ist insbesondere aus ökologischer Sicht vorteilhaft.
Zudem sind Phasenwechselmaterialien normalerweise relativ kostengünstig zu beschaffen. Die Auswahl an kostengünstigen Phasenwechselmaterialien ist groß, sodass für jede Anwendung eine individuelle Auswahl getroffen werden kann. Außerdem ist es möglich, anwendungsspezifische, d. h. maßgeschneiderte, Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien herzustellen. Dabei kann beispielsweise der Schmelzpunkt eines relativ hochschmelzenden Phasenwechselmaterials durch Mischen mit einem oder mehreren anderen erniedrigt und so den individuellen Bedürfnissen angepasst werden. Vorteilhaft ist zudem, dass Phasenwechselmaterialien üblicherweise bis zu Temperaturen von ca. 300°C thermisch stabil sind, was für die Reversibilität des Schmelzvorgangs wichtig ist. Die hohe thermische Stabilität von Phasenwechselmaterialien bedingt zudem eine hohe Ausfallsicherheit dieser Speichermedien. Ist in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial unmittelbar an eine Außenwand des Wärmespeichers angrenzt, mit welcher der Verwender in Kontakt kommen kann, wird vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial eingesetzt, das einen Schmelzpunkt zwischen 50°C und 60°C besitzt. Damit wird die Sicherheitsanforderung eingehalten, nach der im laufenden Betrieb die Temperatur der Oberfläche des Wärmespeichers, welche dem Verwender zugänglich ist, 60°C nicht überschreiten darf.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, ein Salzhydrat als Phasenwechselmaterial einzusetzen, weil Salzhydrate stark unterkühlte Schmelzen bilden können. Bei einer unterkühlten Schmelze handelt es sich um einen durch Abkühlung erreichbaren Zustand eines Stoffes. Charakteristisch für eine unterkühlte Schmelze ist, dass sie bei gegebenem Druck eine niedrigere Temperatur besitzt als es ihrem Aggregatzustand entspricht. Eine unterkühlte Schmelze kann aber zur Kristallisation angeregt werden, wobei dann solange Wärme frei wird, bis die Schmelze wieder vollständig erstarrt ist.
In der unterkühlten Schmelze eines Salzhydrats, welche nach Erlöschen des Kaminfeuers und dem sich daran anschließenden Abkühlen des Phasenwechselmaterials vorliegt, sind erhebliche Wärmemengen gespeichert. Diese Wärme kann durch aktives Auslösen des Kristallisationsvorgangs freigesetzt werden, und zwar in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. der Kristallisationswärme. Dabei kann der Nutzer selbst bestimmen, wann er den Kristallisationsprozess startet. Das Starten kann dann z. B. manuell oder mittels Zeitschaltuhr erfolgen. Beispielsweise kann der Kristallisationsprozess und die damit einhergehende Wärmeabgabe durch gezieltes Abkühlen ausgelöst werden, das beispielsweise mittels Peltier-Element erfolgt. Folglich ist kein Betrieb der Brennkammer der Heizvorrichtung erforderlich, sodass diese durch den Verwender gezielt auslösbare Wärmeerzeugung besonders effizient ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung umgibt der Wärmespeicher die Brennkammer zumindest teilweise. Dann kann zumindest teilweise ein direkter Wärmeübergang von der Brennkammer zum Wärmespeicher erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die von der Brennkammer abgestrahlte Wärme über ein Luftleitsystem dem Wärmespeicher zuzuführen, wobei das Luftleitsystem mit einer Öffnung der Brennkammer verbunden ist. Über das Luftleitsystem ist die übertragene Wärme steuerbar, so dass eine Überhitzung des Wärmespeichers bzw. des Phasenwechselmaterials vermeidbar ist.
Der Wärmespeicher kann einen oder mehrere Behälter umfassen, der bzw. die aus einem wärmeleitenden Metall, z. B. Kupfer, besteht oder ein wärmeleitendes Metall aufweist, wobei der bzw. die Behälter wärmeleitend mit der Brennkammer verbunden sind. Alternativ kann die der Brennkammer zugewandte Seite des Wärmespeichers formgleich oder -ähnlich zu der Außenform der Brennkammer ausgebildet sein und als eine Art Hülle die Brennkammer umgeben. Dabei erfolgt der Wärmeübergang von der Brennkammer zum Wärmespeicher durch Wärmeleitung. In einem gegebenenfalls vorhandenen Zwischenraum oder Spalt zwischen Brennkammer und Wärmespeicher kann eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein, um Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Alternativ oder zusätzlich umgibt der Wärmespeicher ein mit dem Brennraum verbundenes Rohr, über welches Verbrennungsabgase abgeführt werden. Dadurch wird auch die Wärme des Abgasstroms in Richtung des Wärmespeichers abgestrahlt und dann gespeichert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmspeicher als Ummantelung des Abgasrohres ausgebildet ist, wobei das Abgasrohr entweder abschnittsweise oder über dessen gesamte Länge ummantelt sein kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Wärmespeicher auf einen Adapter wie beispielsweise einen Kuppelrahmen aufgesetzt ist, welcher das Abgasrohr zumindest teilweise umgibt. In allen vorgenannten Ausführungsformen wird die von der Brennkammer abgestrahlte Wärme ohne größere Verluste auf den Wärmespeicher übertragen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist innerhalb des Wärmespeichers ein wärmeleitfähiges Bauteil zur Einleitung von Wärme in das Phasenwechselmaterial vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Bauteil eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Phasenwechselmaterial besitzt. Vorzugsweise weist das Bauteil ein gut wärmeleitendes Metall auf oder ist aus einem solchen gefertigt. Dabei wird die Form des Bauteils vorteilhafterweise so gewählt, dass der von der Brennkammer kommende Wärmestrom in das Phasenwechselmaterial hinein und der Wärmestrom aus dem Phasenwechselmaterial heraus – in Richtung des zu heizenden Innenraumes oder eines gegebenenfalls vorgesehenen Wärmeleitsystems – verbessert wird. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn das Bauteil eine große Oberfläche aufweist, wobei ein hohes Oberfläche/Volumen-Verhältnis besonders effizient ist. Beispielsweise kann das Bauteil als Metalldrahtgeflecht, Metallwolle oder als Schüttgut aus einfachen Metallformteilen ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Einleitung von Wärme in das Phasenwechselmaterial über eine im Wärmespeicher vorgesehene wärmeleitende Flüssigkeit erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmespeicher zumindest eine erste Kammer und eine zweite Kammer aufweist, die wärmeleitend miteinander verbunden sind, wobei eine erste Oberfläche der ersten Kammer an eine Außenseite der Brennkammer angrenzt, und wobei die zweite Kammer eine Wärmeabgabefläche aufweist, die von der ersten Kammer abgewandt ist. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die erste Kammer und die zweite Kammer als Behälter ausgestaltet sind, wobei die erste Kammer innerhalb der zweiten Kammer angeordnet und teilweise von dem Phasenwechselmaterial der zweiten Kammer umgeben ist. Die wärmeleitende Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer können in diesem Fall die Außenwände der ersten Kammer darstellen, welche nicht an die Brennkammer angrenzen.
In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung weist die erste Kammer wenigstens zwei Kammern auf. Dabei können die zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer separat voneinander ausgebildet sein oder miteinander verbunden sein. In jedem Fall sind die zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer und die zweite Kammer wärmeleitend miteinander verbunden. Außerdem grenzt jede der zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer mit einer ihrer Oberflächen an die Außenseite der Brennkammer an. Die zweite Kammer weist eine Wärmeabgabefläche auf, die von den zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer abgewandt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kammer zwischen der Brennkammer und der zweiten Kammer angeordnet. Dabei kann der Wärmespeicher einen Behälter umfassen, innerhalb dessen eine Trennwand eingezogen ist. Bei dieser Ausgestaltung kann die Trennwand die erste und die zweite Kammer wärmeleitend miteinander verbinden. Dazu kann die Trennwand ein wärmeleitfähiges Material aufweisen oder mit einem solchen Material beschichtet sein. Alternativ können die erste und die zweite Kammer als separate Behälter ausgestaltet sein. Die wärmeleitende Verbindung der beiden Kammern kann dann durch die einander zugewandten, wärmeleitfähigen (Seiten-)Wände der beiden Kammern realisiert werden. In einem gegebenenfalls zwischen den beiden Kammern vorhandenen Zwischenraum oder Spalt kann eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein, um Wärmeverluste zu vermeiden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weisen die erste Kammer und die zweite Kammer wenigstens ein unterschiedliches Phasenwechselmaterial auf, wobei das Phasenwechselmaterial in der zweiten Kammer einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Phasenwechselmaterial in der ersten Kammer. Dabei kann die erste Kammer vorteilhafterweise ein Phasenwechselmaterial beinhalten, das einen Schmelzpunkt oberhalb von 60°C hat, wobei die zweite Kammer ein Phasenwechselmaterial mit einem Schmelzpunkt bis zu 60°C, vorzugsweise zwischen 50°C und 60°C, enthält. Besonders bevorzugt enthält die erste Kammer ein Phasenwechselmaterial mit einem Schmelzpunkt weit oberhalb von 60°C, weil solche Phasenwechselmaterialien besonders hohe Wärmspeicherkapazitäten besitzen. Dabei wird die erste Kammer nach außen durch die zweite Kammer abgeschirmt. Damit ist die Gefahr auszuschließen, dass der Verwender im laufenden Betrieb die Oberfläche der ersten Kammer berührt, welche möglicherweise die aus Sicherheitsgründen maximal zulässige Temperatur von 60°C überschreitet. Vielmehr kann er nur in Kontakt mit der Oberfläche der zweiten Kammer gelangen, deren Temperatur unterhalb von 60°C liegt. Dadurch ist das Risiko von Verletzungen minimiert, wobei durch den hohen Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials in der ersten Kammer die Wärmespeicherkapazität der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung insgesamt deutlich gesteigert wird.
Bevorzugterweise ist der Wärmespeicher oder zumindest eine der Kammern des Wärmespeichers aus der Heizvorrichtung entnehmbar und separat zur Wärmeabgabe verwendbar. Der Wärmespeicher bzw. die Kammer können dann zur Erwärmung in andere Räumlichkeiten, wie beispielsweise ein Auto oder ein unbeheizter Raum, bewegt werden. Es kann auch ein Anschluss an ein Wärmeleitsystem erfolgen, um beispielsweise eine externe Fußbodenheizung oder Ähnliches mit Wärme zu versorgen. Durch Initiation des Kristallisationsvorgangs, also dem Phasenwechsel von flüssig zu fest, kann die gespeicherte Wärmemenge dann gezielt frei gegeben werden. Die Form des Wärmespeichers muss dazu für eine modulare Entnahme geeignet sein. Dadurch ist auch eine Nachrüstung bestehender Heizvorrichtungen mit relativ wenig Aufwand möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besteht der Wärmespeicher aus einem Material, das gegenüber einer Schmelze des Phasenwechselmaterials korrosionsbeständig ist. Alternativ weist der Wärmespeicher eine Beschichtung auf, die gegenüber der Schmelze des Phasenwechselmaterials korrosionsbeständig ist. Die Verwendung eines korrosionsbeständigen Materials bzw. einer solchen Beschichtung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Wasser gelöste Salze oder Salzhydrate als Phasenwechselmaterialien eingesetzt werden. Denn wässrige Salzlösungen können korrodierend auf den Wärmespeicher oder dessen Teile wirken, sofern der Wärmespeicher oder Teile davon die üblicherweise verwendeten Werkstoffe, wie z. B. Eisen, enthalten oder aus diesen bestehen. Als Materialien für den Wärmespeicher eignen sich nichtrostende beziehungsweise Edelstähle, wie zum Beispiel V4A-Stahl und V2A-Stahl.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung weist der Wärmespeicher ein Mittel zur Beeinflussung eines Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials auf. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Phasenwechselmaterial verwendet wird, welches beim Abkühlen eine unterkühlte Schmelze bildet, wie z. B. ein Salzhydrat. Bei Vorliegen einer unterkühlten Schmelze kann die Kristallisation und damit die Abgabe der Wärme, welche in der unterkühlten Schmelze gespeichert ist, zunächst unterdrückt und dann auf Wunsch eines Nutzers gezielt mit dem Mittel ausgelöst werden. Dies kann durch einen Keimbildner als Mittel erfolgen. Ein Keimbildner kann beispielsweise durch Freilegen einer Oberfläche geschaffen werden, die den Wachstumsflächen des Phasenwechselmaterials chemisch ähnlich ist. Im Falle von Natriumacetat Trihydrat kann beispielsweise die Oberfläche von LiF oder Na₅P₂O₇·10H₂O als Keimbildner wirken, während sich bei CaCl₂·6H₂O zum Beispiel die Oberfläche von Bal₂ als Keimbildner eignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel zur Beeinflussung eines Aggregatzustandes als elektrothermisches, als mechanisches Mittel oder als eine Oberfläche, die Impfkristalle aufweist, ausgebildet. So kann die unterkühlte Schmelze beispielsweise weiter abgekühlt und dadurch die Kristallisation ausgelöst werden, wobei die gespeicherte Wärmeenergie in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. Kristallisationswärme freigesetzt wird. Dabei wird das Abkühlen besonders bevorzugt durch Verwendung eines Peltier-Elements als Mittel realisiert. Alternativ kann ein mechanisches Mittel zur Beeinflussung des Aggregatzustandes eingesetzt werden. So kann als Mittel z. B. eine Blattfeder, ein Keramikstäbchen, eine Feder oder ein Metallplättchen betätigt und durch die dadurch hervorgerufene Erschütterung die Kristallisation und damit die Wärmeabgabe gestartet werden. Eine weitere Alternative besteht darin, als Mittel eine Oberfläche innerhalb des Wärmespeichers vorzusehen, die Impfkristalle aufweist. Dabei wirken die Impfkristalle als Kristallisationskeime und lösen die Kristallisation und die damit einhergehende Wärmeabgabe in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. -wärme aus. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Oberfläche nur dann mit der unterkühlten Schmelze in Kontakt tritt, wenn die Kristallisation gestartet werden soll. Daher muss die Oberfläche während des Schmelzens des Phasenwechselmaterials und auch während des Vorliegens der unterkühlten Schmelze des Phasenwechselmaterials entweder entfernt oder abgedeckt werden, bis der Kristallisationsprozess ausgelöst werden soll.
Wird als Phasenwechselmaterial ein Salzhydrat eingesetzt, das beim Abkühlen der Heizvorrichtung bzw. Wärmespeichers eine unterkühlte Schmelze bilden kann, so ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung, die in der unterkühlten Schmelze des Phasenwechselmaterials gespeicherte Wärme zu einem beliebigen Zeitpunkt freizusetzen, ohne dass in der Brennkammer eine Verbrennung erfolgen werden muss. Für diesen Zweck eignen sich als Phasenwechselmaterialien besonders Salzhydrate, weil diese stark unterkühlte Schmelzen bilden können. Bevorzugt sind Natriumacetat-Trihydrat, Lithiumacetat-Dihydrat, Eisenchlorid-Dihydrat, Eisennitrat-Hexahydrat, Aluminiumnatriumsulfat-Monohydrat und deren Mischungen. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Mischung von 60% Mg(NO₃)₂·6H₂O mit 40% MgCl₂·6H₂O.
Vorteilhafterweise weisen einzelne Kammern und/oder Behälter des Wärmespeichers jeweils ein Mittel zur Aktivierung auf. Die Wärmeabgabe kann dann individuell gesteuert werden und beispielsweise über einen längeren Zeitraum erfolgen, indem einzelne Kammern nach und nach aktiviert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung eine insbesondere drahtlose Kommunikationsschnittstelle auf, über die das Mittel aktivierbar ist. Damit kann die Steuerung zur Aktivierung des Phasenwechselmaterials zur Abgabe von Wärme in eine vernetzte Umgebung eingebunden werden. Beispielsweise ist eine Steuerung dann über internetfähige Endgeräte möglich. Neben einer Steuerung mittels Thermostat oder Zeitschaltuhr ist so auch eine individuelle Fernsteuerung möglich. Dabei kann zusätzlich ein Lernalgorithmus vorgesehen werden, durch das ein Nutzerverhalten erlernt wird. Die Wärmeabgabe wird dadurch beispielsweise dann initialisiert, wenn der Nutzer voraussichtlich nach Hause kommt.
Vorzugsweise weist die Heizvorrichtung eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials auf, die insbesondere einen Teilbereich des Wärmespeichers überwacht. Die Überwachung sollte dabei zumindest in dem Teilbereich des Wärmespeichers erfolgen, der am weitesten entfernt zur Brennkammer angeordnet ist. Mit Hilfe einer derartigen Überwachungseinrichtung kann erfasst werden, ob eine vollständige Umwandlung des Phasenwechselmaterials insbesondere aus der festen in die flüssige Phase erfolgt ist, so dass eine Energiespeicherung ohne Wärmeabgabe erfolgen kann. Bei nur teilweiser Umwandlung beginnt mit Beendigung der Wärmezufuhr aus der Brennkammer nämlich direkt die Rückumwandlung des Phasenwechselmaterials unter Wärmeabgabe, so dass keine langfristige Speicherung möglich ist. Mit Hilfe der Überwachungseinrichtung wird also sozusagen der Ladezustand des Phasenwechselmaterials erfasst.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Überwachungseinrichtung einen Sensor aufweist, der insbesondere als Temperatursensor, Resonanzsensor, elektrischer Leitfähigkeitssensor oder optischer Dichtesensor ausgebildet ist. Eine vollständige Aufladung kann dann im Falle eines Temperatursensors angenommen werden, wenn alle bzw. zumindest der an der kältesten Stelle des Wärmespeichers angeordnete Temperatursensor eine Temperatur angibt, die oberhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials liegt. Dabei kann durch eine geeignete Auslegung des Phasenwechselmaterials bzw. durch Unterteilung des Wärmespeichers in mehrere Kammern eine unvollständige Umwandlung des jeweils zusammenhängenden Phasenwechselmaterials vermieden werden.
Ein Temperatursensor kann dabei zusätzlich dazu dienen, eine Überlastung des Wärmespeichers durch zu hohe Temperaturen zu verhindern, indem ein Warnsignal ausgegeben wird oder beispielsweise durch Drosselung einer Zufuhr von Brennluft in die Brennkammer die Heizleistung reduziert wird.
Vorzugsweise weist die Überwachungseinrichtung mehrere Sensoren auf, die netzförmig angeordnet sind. Damit ist beispielsweise eine Fortschrittsanzeige des Ladezustandes möglich. Darüber hinaus erhöht sich die Sicherheit der erhaltenen Information.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung mindestens ein insbesondere elektrisches Zusatzheizelement auf, das dem Wärmespeicher zugeordnet ist. Mit einem derartigen Zusatzheizelement kann beispielsweise dann zusätzliche Wärme in den Wärmespeicher eingebracht werden, wenn bereits vor vollständiger Umwandlung des Phasenwechselmaterials der Betrieb der Heizvorrichtung beendet wird. Somit kann immer eine vollständige Umwandlung und damit eine langfristige Speicherung der Wärme erreicht werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Energieversorgung des Zusatzheizelements mittels regenerativer Energien erfolgt. Beispielsweise wird das Zusatzheizelement mit elektrischer Energie versorgt, die mittels Solarzellen erhalten wird.
Bevorzugterweise weist die Heizvorrichtung eine Luftzufuhrsteuereinrichtung auf, mit der die Zufuhr von Brennluft in die Brennkammer insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder dem Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials steuerbar ist. Die Menge an Brennluft hat großen Einfluss auf die innerhalb der Brennkammer stattfindende Verbrennung und damit auf die frei werdende und dem Wärmespeicher zugeführte Wärmemenge. Durch eine entsprechende Luftzufuhrsteuerung kann dann beispielsweise eine relativschnelle Umwandlung des Phasenwechselmaterials erreicht werden und gleichzeitig eine Überhitzung des Phasenwechselmaterials verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung ein Anzeigemittel auf, mit dem eine vollständige und unvollständige Umwandlung des Phasenwechselmaterials aus einem Aggregatszustand in einen anderen Aggregatzustand anzeigbar ist. Ein Benutzer kann sich dann jederzeit über den Fortschritt des Phasenwechsels informieren und den Betrieb der Heizvorrichtung entsprechend steuern.
Durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung wird eine gleichmäßige, langzeitig konstante und effiziente Wärmeabgabe zum Heizen von Innenräumen sichergestellt. Zudem besteht die Heizvorrichtung aus wenigen, kompakten Bauteilen und ist daher einfach zu installieren und einfach in der Bedienung.
Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Heizvorrichtung,
2a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Wärmespeichers mit einer ersten und einer zweiten Kammer
2b eine Untersicht des in 2a gezeigten Wärmespeichers,
3a eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Wärmespeichers mit einer ersten und einer zweiten Kammer,
3b eine Untersicht des in 3a gezeigten Wärmespeichers und
In 1 erkennt man die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 mit einer Brennkammer 2 und einem Wärmespeicher 3, wobei die Heizvorrichtung 1 mit der Brennkammer 2 in einem zu beheizenden Raum angeordnet ist. Dabei umfasst die Brennkammer 2 einen Brennraum 4, in dem durch Verbrennung von festen Brennstoffen Wärme erzeugt wird, welche zum Heizen von Innenräumen genutzt werden kann. Der Brennraum 4 ist mit einem Rohr 7 verbunden, über das Verbrennungsgase abgeführt werden. Die Brennkammer 2 ist vom Wärmespeicher 3 zumindest teilweise umgeben, wobei der Wärmespeicher 3 mehrere Behälter umfasst. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Behälter aus einem wärmeleitenden Metall bestehen, z. B. Kupfer, oder ein wärmeleitendes Metall aufweisen. Alternativ kann der Wärmespeicher 3 einteilig ausgebildet sein, beispielsweise so, dass die der Brennkammer 2 zugewandte Seite des Wärmespeichers 3 formgleich oder -ähnlich zu der Außenform der Brennkammer 2 ausgestaltet ist und als eine Art Hülle bzw. Teil der Brennkammerwände die Brennkammer 2 umgibt, wobei gegebenenfalls eine Unterseite der Brennkammer 2 nicht vom Wärmespeicher 3 umgeben ist. Vorteilhafterweise umgibt der Wärmespeicher 3 zumindest einen Abschnitt 7a des mit dem Brennraum 4 verbundenen Rohrs 7, sodass die Wärme des Abgasstroms ebenfalls in Richtung des Wärmespeichers 3 abgestrahlt und somit gespeichert wird. Dabei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der Wärmspeicher 3 als Ummantelung des Rohres 7 ausgebildet ist, wobei das Rohr 7 zumindest abschnittsweise ummantelt ist, insbesondere der Abschnitt 7a des Rohrs 7. Alternativ kann das Rohr 7 über dessen gesamte Länge ummantelt sein. Vorteilhafterweise weist der Wärmespeicher 3 – unabhängig von seiner Ausgestaltung – ein Überdruckventil auf, um im Falle eines Überdrucks ein Bersten des Wärmespeichers 3 zu verhindern.
Der Wärmespeicher 3 und die Brennkammer 2 sind wärmeleitend miteinander verbunden. Dazu kann in dem Zwischenraum oder Spalt 6 zwischen Brennkammer 2 und Wärmespeicher 3 eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein. Anstelle einer wärmeleitenden Schicht kann auch ein Luftleitsystem im Spalt 6 angeordnet sein, wobei das Luftleitsystem zumindest mit einer Öffnung der Brennkammer 2 verbunden ist, um die von der Brennkammer 2 abgestrahlte Wärme Q aufzunehmen. Besonders vorteilhaft und effizient ist es, wenn der Wärmespeicher 3 zusätzlich eine wärmeleitende Oberfläche aufweist, welche der Brennkammer 2 zugewandt ist. Dann kann gegebenenfalls auf eine wärmeleitende Schicht oder ein Luftleitsystem verzichtet werden, sofern die Brennkammer 2 und der Wärmespeicher 3 räumlich sehr nahe zueinander angeordnet sind.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmespeicher 3 eine erste Kammer 3a und eine zweite Kammer 3b aufweist, die wärmeleitend miteinander verbunden sind. Dabei grenzt eine erste Oberfläche der ersten Kammer 3a an eine Außenseite der Brennkammer 2 an und die zweite Kammer 3b weist eine Wärmeabgabefläche auf, die von der ersten Kammer 3a abgewandt ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erste Kammer 3a und die zweite Kammer 3b als Behälter ausgestaltet sind, wobei die erste Kammer 3a innerhalb der zweiten Kammer 3b angeordnet und teilweise von dem Phasenwechselmaterial 5b der zweiten Kammer 3b umgeben ist. Die beiden Kammern 3a, 3b können dann zum Beispiel über die Außenwände der ersten Kammer 3a, welche nicht an die Brennkammer 2 angrenzen, wärmeleitend miteinander verbunden sein.
Beispielhafte Ausführungsformen eines Wärmespeichers 3 mit einer ersten Kammer 3a und einer zweiten Kammer 3b sind in 2a und 3a gezeigt. 2b und 3b zeigen jeweils eine Untersicht der in 2a und 3a dargestellten Wärmespeicher 3. Der in 2a dargestellte Wärmespeicher 3 ist als Halbzylinder ausgestaltet, wobei die erste Kammer 3a innerhalb der zweiten Kammer 3b angeordnet ist und wobei beide Kammern 3a, 3b Halbzylinder darstellen. Dabei befinden sich die Unterseiten der beiden Kammern 3a, 3b sowie die beiden der Brennkammer 2 zugewandten Rechteckflächen (vgl. 2b und 3b) der Kammern 3a, 3b jeweils in einer Ebene. Der in 3a gezeigte Wärmespeicher 3 ist analog zu dem in 2a dargestellten aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, dass die beiden Kammern 3a, 3b als Quader ausgestaltet sind und damit der Wärmespeicher 3 insgesamt ebenfalls quaderförmig ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt weisen die erste Kammer 3a und die zweite Kammer 3b wenigstens ein unterschiedliches Phasenwechselmaterial 5a, 5b auf, wobei das Phasenwechselmaterial 5b in der zweiten Kammer 3b einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Phasenwechselmaterial 5a in der ersten Kammer 3a. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Kammer 3a ein Phasenwechselmaterial 5a mit einem Schmelzpunkt weit oberhalb von 60°C aufweist, weil solche Phasenwechselmaterialien 5a besonders hohe Wärmspeicherkapazitäten besitzen. Insgesamt wird dadurch die Wärmespeicherkapazität der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 deutlich gesteigert, ohne gegen die Sicherheitsauflage zu verstoßen, nach der die Temperatur der Oberfläche des Wärmespeichers 3, die dem Verwender zugänglich ist, im laufenden Betrieb maximal 60°C betragen darf. Vorteilhafterweise wird bei den in 2a und 3a gezeigten Wärmespeichern 3 der Großteil der Wärme Q in das Phasenwechselmaterial 5a mit der höheren Wärmespeicherkapazität abgestrahlt (vgl. 2b und 3b). Dadurch erfolgt eine besonders effiziente Wärmespeicherung unter Einhaltung der vorgenannten Sicherheitsauflage.
Alternativ zu den in 2a und 3a gezeigten Wärmespeichern 3 kann die erste Kammer 3a innerhalb der zweiten Kammer 3b so angeordnet sein, dass die erste Kammer auch bodenseitig von der zweiten Kammer abgedeckt ist. Die erste Kammer 3a ist dann vollständig – mit Ausnahme der Seite, die der Brennkammer 2 zugewandt ist – von dem Phasenwechselmaterial 5b der zweiten Kammer 3b umgeben. Dies kann beispielsweise aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, nämlich dann, wenn dem Verwender alle Außenflächen des Wärmespeichers 3 – mit Ausnahme derjenigen, die der Brennkammer 2 zugewandt ist – zugänglich sind.
In einer anderen Ausführungsform kann die erste Kammer 3a zwischen der Brennkammer 2 und der zweiten Kammer 3b angeordnet sein, wobei der Wärmespeicher 3 einen Behälter umfassen kann, innerhalb dessen eine Trennwand eingezogen ist. Dabei kann die Trennwand ein wärmeleitfähiges Material aufweisen oder mit einem solchen Material beschichtet sein und somit die erste und die zweite Kammer 3b wärmeleitend miteinander verbinden. Möglich ist ferner, dass die erste Kammer 3a und die zweite Kammer 3b als separate Behälter ausgestaltet sind. Die wärmeleitende Verbindung der beiden Kammern 3a, 3b kann dann durch die einander zugewandten, wärmeleitfähigen Oberflächen der beiden Kammern 3a, 3b realisiert werden. Um Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten, kann in einem gegebenenfalls zwischen den beiden Kammern 3a, 3b vorhandenen Zwischenraum oder Spalt 6 eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein.
Problematisch ist, dass einige Phasenwechselmaterialien 5, insbesondere in Wasser gelöste Salze oder Salzhydrate, korrodierend auf den Wärmespeicher 3 oder dessen Teile wirken können, sofern der Wärmespeicher 3 oder Teile davon die üblicherweise verwendeten Werkstoffe, wie z. B. Eisen, enthalten oder aus diesen bestehen. Um dem entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft, wenn der Wärmespeicher 3 aus einem Material gebildet ist, das gegenüber einer Schmelze des Phasenwechselmaterials 5 korrosionsbeständig ist. Alternativ weist der Wärmespeicher 3 eine Beschichtung auf, die gegenüber der Schmelze des Phasenwechselmaterials 5 korrosionsbeständig ist. Besonders bevorzugt ist der Wärmespeicher 3 aus V4A-Stahl und/oder V2A-Stahl gefertigt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn innerhalb des Wärmespeichers 3 ein wärmeleitfähiges Bauteil zur Einleitung der Wärme Q in das Phasenwechselmaterial 5 vorgesehen ist. Dadurch kann der von der Brennkammer 2 kommende Wärmestrom in das Phasenwechselmaterial 5 hinein und der Wärmestrom aus dem Phasenwechselmaterial 5 heraus – in Richtung des zu heizenden Innenraumes oder eines gegebenenfalls vorgesehenen Wärmeleitsystems – deutlich verbessert werden. Dabei besitzt das Bauteil vorteilhafterweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Phasenwechselmaterial 5.
Beispielsweise kann das Bauteil ein gut wärmeleitendes Metall aufweisen oder aus einem solchen gefertigt sein. Besonders bevorzugt weist das Bauteil eine große Oberfläche auf, wobei ein hohes Oberfläche/Volumen-Verhältnis zu einer besonders effizienten Leitung des Wärmestroms führt. Beispielsweise kann das Bauteil als Metalldrahtgeflecht, Metallwolle oder als Schüttgut aus einfachen Metallformteilen ausgestaltet sein.
Als Speichermedien können sowohl Phasenwechselmaterialien 5 in Reinform als auch Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien 5 eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft, weil das im Wärmespeicher 3 enthaltene Phasenwechselmaterial 5 im Unterschied zu den üblicherweise verwendeten Speichermaterialien, z. B. Schamotte oder Speckstein, die Wärme Q nicht nur als sensible Wärme, d. h. durch Temperaturerhöhung, speichert, sondern zunächst eine latente Wärmespeicherung erfolgt. Das heißt, es ändert sich bei dem Phasenwechselmaterial 5 durch die Wärmeaufnahme nicht das Temperaturniveau des Speichermaterials, sondern dessen Aggregatzustand, und zwar von fest zu flüssig. Dabei kann das Phasenwechselmaterial 5 vorteilhafterweise sehr große Wärmemengen aufnehmen, bis es vollständig geschmolzen ist. Besonders günstig ist, dass die Temperatur des Phasenwechselmaterials 5 während der Wärmeaufnahme durch Schmelzen konstant auf dem Niveau der Schmelztemperatur bleibt (latente Wärmespeicherung). Folglich kann durch die Wahl des Phasenwechselmaterials 5 das Temperaturniveau während des Schmelzvorgangs bestimmt werden. Dabei kann beispielsweise der Schmelzpunkt eines relativ hochschmelzenden Phasenwechselmaterials 5 durch Mischen mit einem oder mehreren anderen erniedrigt und so den individuellen Bedürfnissen angepasst werden. Vorteilhaft ist zudem, dass Phasenwechselmaterialien 5 üblicherweise bis zu Temperaturen von ca. 300°C thermisch stabil sind, was für die Reversibilität des Schmelzvorgangs wichtig ist. Darüber hinaus ist bei Verwendung des thermisch sehr stabilen Phasenwechselmaterials 5 eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet.
Zudem verläuft die Wärmeaufnahme bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher 3 vorteilhafterweise zumindest solange besonders gleichmäßig, bis das Phasenwechselmaterial 5 geschmolzen ist. Erst nach vollständigem Schmelzen führt die Zufuhr weiterer Wärme Q zu einem Temperaturanstieg des Phasenwechselmaterials 5 (sensible Wärmespeicherung).
Gegenüber sensiblen Speichermedien weisen Phasenwechselmaterialien 5 erheblich höhere Wärmespeicherdichten auf. Dies ist besonders günstig, weil sich dadurch ein deutlich geringeres Volumen des Speichermediums und infolgedessen ein erheblich geringerer Platzbedarf ergibt. Zudem besitzen Phasenwechselmaterialien 5 im Vergleich zu Schamotte oder Speckstein geringere Massen. Dies ist mit Blick auf den Transport und die Installation einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besonders vorteilhaft. Insgesamt ergibt sich durch die vergleichsweise geringen Volumina sowie die geringen Massen der Phasenwechselmaterialien 5 eine erhöhte Freiheit bezüglich der Gestaltungsmöglichkeiten der Heizvorrichtung 1. Ferner sind Phasenwechselmaterialien 5 in der Regel relativ schwer flüchtig, sodass ein Ausgasen dieser Verbindungen aus dem Wärmespeicher 3 relativ unwahrscheinlich ist. Dies ist insbesondere aus ökologischer Sicht vorteilhaft. Zudem sind Phasenwechselmaterialien 5 normalerweise relativ kostengünstig zu beschaffen. Die Auswahl an kostengünstigen Phasenwechselmaterialien 5 ist groß, sodass für jede Anwendung eine individuelle Auswahl getroffen werden kann. Außerdem ist es möglich, anwendungsspezifische, d. h. maßgeschneiderte, Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien 5 herzustellen.
Ganz besonders vorteilhaft ist, dass sich Phasenwechselmaterialien 5 aufgrund ihrer gleichmäßigen Wärmeabgabe dazu eignen, Temperaturschwankungen zu verhindern und Temperaturspitzen auszugleichen.
In der in 1 gezeigten Heizvorrichtung 1 grenzt das Phasenwechselmaterial 5 unmittelbar an eine Außenwand des Wärmespeichers 3 an, mit welcher der Verwender in Kontakt kommen kann. Um die Sicherheitsanforderung einzuhalten, nach der im laufenden Betrieb die Temperatur der Oberfläche des Wärmespeichers 3, welche die dem Verwender zugänglich ist, 60°C nicht überschreiten darf, wird ein Phasenwechselmaterial 5 eingesetzt, das einen Schmelzpunkt zwischen 50°C und 60°C besitzt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, ein Salzhydrat als Phasenwechselmaterial 5 einzusetzen, weil Salzhydrate stark unterkühlte Schmelzen bilden können. In der unterkühlten Schmelze eines Salzhydrats, welche nach Erlöschen des Kaminfeuers und dem sich daran anschließenden Abkühlen des Phasenwechselmaterials 5 vorliegt, sind erhebliche Wärmemengen gespeichert. Diese Wärme kann durch ein im Wärmespeicher 3 vorgesehenes Mittel zur Beeinflussung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials 5, d. h. durch Auslösen des Kristallisationsvorgangs, freigesetzt werden. Dabei kann der Kristallisationsprozess und die damit einhergehende Wärmeabgabe beispielsweise durch weiteres Abkühlen, z. B. durch Verwendung eines Peltier-Elementes als Mittel, ausgelöst werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein mechanisches Mittel zum Auslösen der Kristallisation einzusetzen. So kann z. B. durch Betätigung einer Blattfeder, eines Keramikstäbchens, einer Feder oder eines Metallplättchens eine Erschütterung hervorgerufen und dadurch die Kristallisation gestartet werden. Alternativ kann die Kristallisation durch einen Keimbildner als Mittel ausgelöst werden. Beispielsweise kann der Keimbildner eine Oberfläche innerhalb des Wärmespeichers 3 sein, die Impfkristalle aufweist. Dabei wirken die Impfkristalle als Kristallisationskeime und lösen die Kristallisation und die damit einhergehende Wärmeabgabe in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. -wärme aus. Alternativ kann der Keimbildner durch Freilegen einer Oberfläche geschaffen werden, die den Wachstumsflächen des Phasenwechselmaterials 5 chemisch ähnlich ist. Im Falle von Natriumacetat Trihydrat kann beispielsweise die Oberfläche von LiF oder Na₅P₂O₇·10H₂O als Keimbildner wirken, bei CaCl₂·6H₂O zum Beispiel die Oberfläche von Bal₂. Besonders vorteilhaft ist, dass die Wärmeabgabe aus einem als unterkühlte Schmelze vorliegenden Phasenwechselmaterial 5 zu einem vom Verwender frei gewählten Zeitpunkt erfolgen kann. Dazu ist vorteilhafterweise kein Betreiben der Brennkammer 2 der Heizvorrichtung 1 erforderlich, sodass diese durch den Verwender gezielt auslösbare Kristallisation und infolgedessen Wärmeerzeugung besonders effizient ist. Für diesen Zweck sind als Phasenwechselmaterialien 5 besonders Salzhydrate geeignet, weil diese häufig stark unterkühlte Schmelzen bilden und damit die Effizienz besonders hoch ist. Bevorzugt eingesetzt werden Natriumacetat-Trihydrat, Lithiumacetat-Dihydrat, Eisenchlorid-Dihydrat, Eisennitrat-Hexahydrat, Aluminiumnatriumsulfat-Monohydrat und deren Mischungen. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Mischung von 60% Mg(NO₃)₂·6H₂O mit 40% MgCl₂·6H₂O.

Claims

Heizvorrichtung (1) zum Heizen von Innenräumen, insbesondere eine Einzelraumfeuerstätte, mit einer Brennkammer (2) und mit mindestens einem Wärmespeicher (3), – wobei der Wärmespeicher (3) wärmeleitend mit der Brennkammer (2) verbunden ist, – wobei der Wärmespeicher (3) ein Phasenwechselmaterial (5) aufweist.
Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) die Brennkammer (2) zumindest teilweise umgibt.
Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Wärmespeichers (3) ein wärmeleitfähiges Bauteil zur Einleitung von Wärme (Q) in das Phasenwechselmaterial (5) vorgesehen ist.
Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) zumindest eine erste Kammer (3a) und eine zweite Kammer (3b) aufweist, die wärmeleitend miteinander verbunden sind, – wobei eine erste Oberfläche der ersten Kammer (3a) an eine Außenseite der Brennkammer (2) angrenzt, und – wobei die zweite Kammer (3b) eine Wärmeabgabefläche aufweist, die von der ersten Kammer (3a) abgewandt ist.
Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (3a) und die zweite Kammer (3b) wenigstens ein unterschiedliches Phasenwechselmaterial (5) aufweisen, wobei das Phasenwechselmaterial (5b) in der zweiten Kammer (3b) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Phasenwechselmaterial (5a) in der ersten Kammer (3a).
Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) oder zumindest eine der Kammern (3a, 3b) des Wärmespeichers (3) aus der Heizvorrichtung (1) entnehmbar ist und separat zur Wärmeabgabe verwendbar ist.
Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmspeicher (3) ein Mittel zur Beeinflussung eines Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials (5) zur Aktivierung einer Wärmeabgabe aufweist.
Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als elektrothermisches Mittel, als mechanisches Mittel oder als eine Oberfläche, die Impfkristalle aufweist, ausgebildet ist.
Heizvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine insbesondere drahtlose Kommunikationsschnittstelle aufweist, über die das Mittel aktivierbar ist.
Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Aggregatszustandes des Phasenwechselmaterials insbesondere in einem Teilbereich des Wärmespeichers aufweist.
Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung einen Sensor aufweist, der insbesondere als Temperatursensor, Resonanzsensor, elektrischer Leitfähigkeitssensor oder optischer Dichtesensor ausgebildet ist.
Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein insbesondere elektrisches Zusatzheizelement aufweist, das dem Wärmespeicher (3) zugeordnet ist.
Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Luftzufuhrsteuereinrichtung aufweist, mit der die Zufuhr von Brennluft in die Brennkammer (2) insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder dem Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials (5) steuerbar ist.
Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Anzeigemittel aufweist, mit dem ein Fortschritt einer Umwandlung des Phasenwechselmaterials aus einem Aggregatszustand in einen anderen Aggregatzustand anzeigbar ist.