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Gasbefeuerten Wassererwärmer Die Erfindung betrifft einen ohne Anschluß
an einen-Hausschornstein, auch im Freien aufstellbaren Wassererwärmer für Freibäder,
deren Wasser durch Pumpen meist über eine Filteranlage und den Wassererwärmer umgewälzt
wird. Durch derartige Freibadbeheizungen wird die Benutzungszeit und damit die Wirtschaftlichkeit
solcher meist öffentlich betriebener Freibäder beträchtlich gesteigert.
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Die Gasverwendung dabei bietet den Vorteil, dass die Feuerung solcher
Anlagen mit einigen hundert Mcal/h sauber ist, keine Auflagen nach TAL für Schornsteinhöhen
zu beachten sind und dass der Sommergasverbrauch eine willkommene Ausgleichung des
hohen Winterheizgasverbrauches bringt.
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Der gegenüber Ö1 höhere Brennstoffwärmepreis des Gases fordert die
volle Ausnutzung der Eigenarten des Gases zur Senkung der Anlage- und über diese
der Betriebskosten. Gasbefeuerte Heizkessel, wie man sie in entsprechender Ausführung
auch bei Ö1 verwendet, sind für die Freibädererwärmung relativ teuer.
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Man hat deshalb Spezialausführungen entwickelt, bei denen ein
Gastauchbrenner in den Heizwasserraum des Kessels ragt und die Heizgase ihre Wärme
beim Durchperlerx des darüberstehenden Kesselwassers abgeben. Die vom Kesselheizwasser
aufgenommene Wärme wird durch einen ebenfalls im Kessel eingebauten Tauscher an
das Freibadwasser abgeführt.
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Die Geräte mit Tauchbrenner und eingebautem Wärmetauscher sind
sehr teuer.
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Die unmittelbare Wärmeabgabe an das Wasser zusammen mit dem
Rückgewinn der Verbrennungswasserwärme nutzt den oberen Heizwert
des
Gases aus, wohingegen die üblichen Heizkessel nur den unteren ausnützen können.
Ein Teil der Brennstoffmehrkosten bei Gas gegenüber Öl kann also auf diese Weise
ausgeglichen werden.
Leider werden diese Einsparungen durch die
hohen Kapital-
. kosten der Geräte mit Überdruckbrennern wieder aufgehoben
-Die
Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, eine Ausführung
zu schaffen, bei der sich die hohe Gasausnutzung mit den nie-
drigsten
Anlagekosten verbindet. --Bei der Suche nach einfachsten Bauarten von
Gaswasserheizern ist eine vor mehr als 8 Jahrzehnten-hergestellte Konstruktion
ermittelt worden, bei der über einem atmosphärischem Gasbrenner
in genügendem
Abstand eine Wasserbrause angeordnet ist, so dass
das herunter tropfende Wasser
in direkten Kontakt mit den auf-
steigenden Heizgasen kommt und somit auch
die Ausnützung des
oberen Heizwertes möglich ist. Diese Gaswasserheizer
sind sehr
einfach im Aufbau und entsprechend billig in der Herstellung.
Allerdings
mußte festgestellt werden, dass diese Gasbadeöfen
mit dem sogenannten offenem
System sich nicht halten konnten,
weil sie generelle Mängel aufwiesen. Sie
haben heute in Fach-
kreisen nur eine historische Bedeutung.
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Die vor Jahrzehnten aufgetretenen Mängel waren u.a.
folgende:
1. Trotz der Verwertung der Verbrennungswasserwärme
lag der
Wirkungsgrad nicht allzu hoch. Ein Grund hierfür war, dass die
Abgase
mit Wasserdampf gesättigt abströmten und der Wärmeinhalt
der Abgase höher
war.
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Bei unmittelbarem Kontaktwärmeaustausch sinkt der Wirkungs- grad
mit der Aufheiztemperatur stark ab, um bei Siedetemperatur
null
zu sein. Die alten Geräte mit offenen System für Haus-
haltzwecke hatten
Aufheiztemperaturen über 500C und kanten also
der oberen
Nullgrenze nahe.
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Die wasserdampfgesättigten Abgase führten zu Durchfeuchtungen
der Schornsteine oder ohne Abgasführung im Raute arbeitend zu .
Feuchtigkeitsniederschlägen an den Wänden. Auch Abgastemperaturen
über
1500C konnten dies nicht verhindern, weil mit der gegen eine
Kondensation
bestimmten höheren Abgastemperatur wieder der Wasser-
dampfgehalt anstieg.
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Die Wasserqualität wurde durch Ruß- und Schwefelbestandteile aus
der Verbrennung beeinträchtigt.
4. Die Lebensdauer der Geräte
war wegen der Kalk.- und Wassersteinablagerung und wegen der Korrosionen im mit
Wassertropfen durchsetzten Luftraum sehr gering.
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5. Die Wasserauslaufgeschwindigkeit war wegen des geringen Gefälles
unbefriedigend.
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6. Der Raumbedarf der in ihrer Leistung an sich nicht großen Geräte
bis max. 15 Mcal/h) war sehr erheblich. Eine Mindestfallhöhe des Wassers war nötig,
außerdem war die Zerstäubung wegen des gedrosselten Wasservordruck6s, der der Durchlaufmenge
angeglichen werden mußte, nicht fein genug.
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Damit schien eine wegen ihrer Einfachheit besonders günstige Bauart
aufgrund der erwiesenen Facherfahrung unbrauchbar für die Aufgabe der Erfindung.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass dieses
Jahrzehnte alte Urteil über die offenen Haushaltsgasgeräte für deren spezielle Arbeitsbedingungen
und die damaligen Voraussetzungen richtig war, dass dieses negative Urteil aber
nicht generell richtig ist, vielmehr im Sonderfall der Freibadwassertemperierung
das offene System sich als brauchbar erweisen könnte.
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Nach Überwindung des bis heute nachwirkenden Vorurteils kommt man
zu folgenden Erkenntnissen: 1. Die Freibadheizer stehen in einstöckigen Bauten des
Freibadgeländes oder im Freien, sie werden nicht an Hausschornsteine angeschlossen,
sie haben ein kurzes Abgasrohr, durch das die Abgase direkt ins Freie abgeführt
werden.
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Die Abgastemperaturen können weit unter 1000C liegen, wodurch Wasserdampf-Wärmeverluste
und Durchfeuchtungen nicht auftreten können.
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2. Gegenüber den früheren Aufheiztemperaturen genügen für die Freibadaufheizungen
nur 20 bis 240C. Man kann also diese Geräte mit einem viel höheren Wirkungsgrad
arbeiten lassen.
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Durch die Senkung des Arbeitstemperaturniveaus ergeben sich total
andere thermodynamische Bedingungen für die Anwendung des offenen Systems.
Durch
das niedrigere Temperaturniveau. sind die Ablagerungen und Korrosionen verschwindend
gering.
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4. Die modernen Gasbrenner können rußfrei arbeiten, zumal
wenn
Bunsenbrenner, wie sie bei der immer mehr sich durchsetzenden , Erdgasverwendung
zweckmäßig sind, eingebaut werden. Außerdem
ist das Gas heute praktisch schwefelfrei.
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5. Das Freibadwasser wird durch Pumpen über Filteranlagen umgewälzt.
Es kann deshalb auch mit hohem Druck den wegen der größeren Wassermenge weiteren
Düsen zugeführt, es kann viel feiner verdüst werden.
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Es wird deshalb trotz des überkommenen negativen Urteils über diese
Geräte vorgeschlagen, mit atmosphärischen Flächenbrennern ausgerüstete gasbefeuerte
Wassererwärmer, deren Abgase direkt ins Freie abgeführt werden und denen das Freibadwasser
durch Pumpen zugeführt wird, erfindungsgemäß nach dem offenen System, d.h. mit unmittelbarem
Kontakt des feinst versprühten Wassers mit den Heizgasen, für die Zwecke der Freibadtemperierung
zu bauen.
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Voraussetzung der Erfindung ist 'also die Beschränkung der Verwendung
eines uralten, nahezu. vergessenen und als unbrauchbar in Fachkreisen bezeichneten
Prinzips unter neuen und ganz bestimmten Bedingungen.
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Der Verwirklichung dieser erfinderischen Idee stellte sich allerdings
die Schwierigkeit entgegen, dass die Leistungen für
die Freibadaufheizung
und anschließende Temperierung im Bereich von rd. 0,5 - 1,0 Gcal/h liegen, also
meist über dem fünfzigfachen der alten Geräte und die Baumaße für die kleineren
Lei-
stungen der früheren Haushaltgeräte bei ca. 1,50 m Höhe fand knapp 1
m Durchmesser gelegen hatten, sich also für einen Freibadheizer nach diesem System
untragbare Dimensionen ergeben hätten.
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Diese Schwierigkeiten konnten bei der Verwirklichung der Erfindung
dadurch behoben werden, dass im Wassererwärmer mit zylindrischem stehenden Mantel
in dessen unterster Zone der
Gasbrenner, darüber ein sich nach oben verjüngender
Verbrennungs-
schacht, über dessen Öffnung im Abstand eine Sp.itzabschirmplatte
angeordnet ist, und über dieser eine zentral sitzende
Feinstversprühungsdüse
mit nach oben gerichteter Ausflußrichtung eingebaut ist, wobei sich im oberen Teil
des Zylindergehäuses ein pilzförmiger Regenschleier mit über den ganzen Zylinderquer-.schnitt
nahezu gleicher Wasserdichte bildet und die Abgase durch
die Abschirmplatte
waagrecht abgelenkt werden, also der Weg der
Abgase im Wassernebel
verlängert wird.
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Die Relativbewegung von Wasserteilchen und Heizgasen kann
dabei
dadurch gesteigert werden, dass an der Austrittsöffnung des Verbrennungsschachtes
Strömungsleitkörper eingebaut sind, die den Abgasen eine Rotation aufzwingen und
dem Düsenwasserstrahl ebenfalls eine Drallbewegung gegeben wird, die aber der des
Heizgases entgegengesetzt ist.
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Durch diese Maßnahmen konnte die spezifische Wärmeleistung des Au.stau.schraumes
in unerwartetem Maße bis auf 400 000 kcal/m3H gesteigert werden. Bei einer
rund 50fachen Leistung gegenüber den alten Geräten überschreiten die Baumaße des
Freibadheizers nach der Erfindung noch nicht einmal das Doppelte der alten Geräte.
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Diese extrem hohe Wärmeleistung mußte nicht einmal durch Einbuße an
Wirkungsgradhöhe erkauft werden, vielmehr stellen sich Abgastemperaturen`von ca
30 - 400C ein. Man erzielt einen Wirkungsgrad von bisher nicht erreichbar bezeichneter
Höhe nämlich, rd. 95 % bezogen auf den oberen Heizwert.
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Diese stehenden Wassererwärmer nach der Erfindung, dessen
Baumaße
kleiner als die eines Kompahtheizkessels, z.B. eines Warmwasserdeeizugkessels,
gleicher Leistung sind, haben eine
Höhe von knapp 3 m und sollen
zur leichteren Montage etwa in
Höhe der Düse in einen abnehmbaren Ober-
und einen die Brennerkammer mit Zubehör enthaltendes Unterteil aufgeteilt
werden.
Um dem Gerät die erforderliche Lebensdauer von mindestens
20
Jahren zlu geben, soll die Verbrennungskammer aus zunder-und korrosipnsfestem
Material bestehen und die wasserbenetzten
Mantelinnenklächen
einen nichtmetallischen Belag, vornehmlich aus
Kunststoff enthalten.
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Derartige unetstoffbeschichtungen sind nicht feuerfest.
Trotzdes ist de an Verwendung in dem von den heißen Heizgasen durchströmten
Zylinder kein Wagnis, da durch die vorgesehene Besprühuntsdichte eine
dauernde ausreichende Kühlung der beschichteten
tläohen sichergestellt
ist. Hilfreich dabei ist das niedrige Ar-
beitatemperaturniveau.
Zusätzlich ist eine,Überwachung der Kühlung- durch das Wasser vorgesehenr Der Freibadheizer
soll eine auf den Zutlußdruck und den Wasserstand ansprechende Wasaermangelsicherung
und als Parallelsicherung einen. Temperaturgrenzwertgeber erhgIten. Alle schalten
im Ansprechfall dein Brenner sofort ab, Bei einer Leistung von z,B,. 0,6 Gdal/h
und einer Temperaturerhöhurg um 2000 beträgt der Wasserdurahfluß 30 m3 /h. Durch
Einbau eines Neviaureglers wird die relativ große Zuflußmenge mit der abfließenden
Wassermenge in Übereinstimmung gebracht. Schließlich ist bei der Konstruktion bedacht
worden, dass das Gerät irgend einmal im Laufe der Betriebsjahre innen inspiziert
werden sollte. Die Einschuböffnung für den Brenner ist so reichlich@bemessen worden,
dass sie nach Herausfahren.. des Brenners als Einstiegöffnung dienen kann, Außerdem
kann die Einbauöffnung des Düsenstockes zur Inspektion des Innenraumes und gegebenenfalles
zu von außen durchführbarer Arbeiten benutzt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Preibadheizers nach der Erfindung ist
in der Abbildung dargestellt.
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Nach dem Aufbauschema in Abb, 1 ist der Freibadheizer auf ein Fundament
1 gestellt. In den Grundrahmen 2 ist ein atmosphärischer Brenner 3 eingeschoben.
Auf dem Rahmen steht der zylindrische Mantel 4, auf dessen oberen Boden ein Abgasstutzen
gesetzt ist. Ebenfalls auf dem Rahmen 2 steht konzentrisch zum Mantel und Brenner
eine konische Brennkammer 6, die am unteren Rand einen Flansch 6a besitzt, der mit
dem (4a) des Mantel wasserdicht verschraubt ist.
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Über der Öffnung der Brennkammer eine Spritzabschirmplatte 7 von Blechstegen
8 getragen. Die Bleche stehen schräg zum Radius. Der unter der Platte liegende Heizgasüberströmungsquersahnitt
9 ist so bemessen, dass die höchsterreichbare Heizgasgeschwindigkeit bei etwa minimal
zulässigen Luftüberschuß sich einstellt. Direkt über der Abschirmplatte sitz die
Düse 10, nach oben gerichtet, Sie wird getragen von einem Düsenstock
11. Dieser ist einfahrbar durch einen Flanschstutzen 't2. Der Stutzen
ist
innen in Fortsetzung des Mantels durch ein Wasserabweisblech
und
außen durch den Düsenstockflansch abgedeckt.
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Der Düsenstock ist direkt mit der Wasserzuleitung 13 verschraubt.
Etwa in Höhe der Düse ist ein Blech-Prallring 14 eingelegt: Sein Rand läßt einen
Spalt 14a zum Mantel hin frei. Im geringen Abstand vor dem Abgasstutzen hängt ein
Prallteller 15. Schließlich ist noch im Abgasstutzen ein Wasserabscheider 16 eingehängt.
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Durch die Brennkammer 6 und den Mantel 4 wird eine ringförmige Wasserauffangschale
17 gebildet, an die ein Abflußstutzen 18 angesetzt ist. Das Wasser in der Ringschale
steht bis etwa 3/4 der Höhe der Brennkammer.
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Am Mantel in Höhe des Wasserniveaus ist ein Wasserstandsregler 19
und zusätzlich direkt über dem Niveau. ein Überlauf 20 mit Syphon angebaut.
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Die Arbeitsweise ist folgende: Zuerst wird der Wasserlauf (Zulauf)
freigegeben, d.h. die nicht dargestellte Düsendruckpumpe wird eingeschaltet. Das
Wasser wird durch die Düse feiest zerstäubt hochgespritzt und bildet einen pilzförmigen,
den Prallteller tangierenden Wasserschleier mit einem Sprühdurchmesser, der etwas
größer als der des Mantels ist. In der Düse sind Drallkanäle, die dem Wasserschleier
eine zusätzliche Drehbewegung am die Mantelachse aufzwingt.
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Der Mantelinnenraum oberhalb des Prallrings ist annähernd gleichmäßig
mit feiest verteiltem Wasser gefüllt. Ist, wie es häufiger bei Wasser als bei Öl
vorkommt, die Feinsteinteilung nicht immer homogen, d.h. verh. größere Wassertröpfchen
in Bewegung, so werden sie an den Prallteller 15 oder an den Mantel 4 geworfen.
Sie können auch auf den Prallring 14 herabfallen.
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Beim Auftreffen auf die festen Flächen zerspringen diese Tröpfchen
infolge der großen Kohäsionskraft des Wassers in feine Teilchen.
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Die den Sprühraum begrenzenden Flächen haben also noch die zusätzliche
Aufgabe einer Nachversprühung des Wassers.
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Auf dem Mantel bildet sich ein Wasserfilm, so dass der Mantel nie
von den Abgasen direkt berührt wird. Unterhalb des Prallringes 14 bildet sich durch
das am Mantel und von dem Ring
ablaufende Wasser eine zusammenhängende
abströmende Wasserschicht 4b.
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Der Prallring verhindert ferner das Herabregnen von nicht genügend
aufgeteilten Tröpfchen auf die Wasseroberfläche und ein Zurückspritzen in Richtung
auf,den Heizgasüberströmungsquerschnitt, d.h. ein Eindringen von Spritzwasser in
die Brennkammer. Dem gleichen Zweck dient der Kragen 6b am oberen Rand der Brennkammer.
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Auf diese Weise kann eine sehr starke Wasserbewegung in einem kleinen
offenen und auch den Brenner tragenden Raum ermöglicht werden.
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Nach Einschalten des Brenners drücken die heißen Heizgas® nach oben.
Sie werden durch die Abschirmplatte waagrecht umgelenkt und erhalten durch die als
Strömungsleitkörper dienenden Blechstege 8 einen zur Wasserschleierdrehung engegen
gesetzten Drall. Außerdem ist der Rand der Platte 7 nach unten abgebogen. Durch
ihn werden die Heizgase nach unten abgelenkt, so dass sie über die Wasseroberfläche
streichen.
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Manteldurchmesser und Heizgasgeschwindigkeit sind so aufeinander abgestimmt,
dass die Heizgase unterhalb des Prallringes auf die Wasserschicht 4b am Mantel treffen.
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In diesem Bereich des Gerätes wird das Wasser im Ringraum 17 durch
die vom Brenner unmittelbar befeuerte Brennkammer 6, durch die über die Oberfläche
hinstreichenda3sehr,heiBen Heizgase und die Heizgasanströmung auf die Mantelwasserschicht
4b intensiv erwärmt.
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Die Heizgase drängen durch die Öffnung der Ringplatte nach oben und
steigen im Gegenstrom zum herabfallenden Wasser zum Abgasstutzen auf.
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Dabei entstehen Heizgaswirbel zwischen Prallring 14 und Wasseroberfläche
einerseits und dazu. oberhalb der Düse und unter dem pilzförmigen Schleier andererseits,
z.T. bildet sich unter der Düsenwirkung des Wasserstrahls eine Rückzirkulation aus.
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Insgesamt wird die Aufwärtsströmung der Heizgase stark gebremst und
der Wärmeaustausch gesteigert.
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Dies führt dazu, dass die Abgastemperatur sich der den Einirittewassers
nähert. Ist diese etwa 15°C, so kann jene auf etwa 35'C liegen, d.h. bei einer Abflußtemperatur
von z.B. rd. 40'C ist
die Abgastemperatur niedriger als die Aufheiztemperatur.
Durch
die zwei Stufen der Wassererwärmung, einmal in der unteren Zone durch die noch sehr
heißen Heizgase, zum anderen in der durch das Eintrittswasser im wesentlichen gekühlten
Sprühzone, ist*auch die Abhängigkeit des Wirkungsgrades des im offenen System arbeitenden
Gerätes, was bisher zur Diskreditierung dieser Art von Komtaktwärmeübertragung geführt
hatte, zum großen Teil behoben. Darin liegt ein wesentlicher Vorteil des Freibadheizers
nach der Erfindung. .
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Der Wärmeverlust durch das Sättigungswasser im Abgas ist bei z.B.
350C Abgastemperatur verschwindend gering.
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'Nimmt man z.B. als Brennstoff ein Erdgas mit einer Verbrennungswärme
von 10 000 kcal/mn und einen Heizwert von 9 000 kcal/m3n an, so könnten theoretisch
fast 1000 kcal/m3n zusätzlich gewonnen werden.
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Bei einer Abgastemperatur von 350C, einer Raumtemperatur von 150C
und einem Luftüberschuß von rd 30 ,% errechnet sich ein feuerungstechnischer Wirkunsgrad
von rd. 97 %.
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Beim Erdgas bildet 1 m3 1,66 kg H20 Verbrennungswasser, d.s. 149 g/m3.
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Die Sättigungswassermenge x8 der Abgase mit 350C ist nur 39,6 g/m3.
Über 70 % des Verbrennungswassers kondensieren beim Kontaktwärmeaustausch. Der Wärmeinhalt
dieses Wasserdampfes ist innerhalb
A des Gesamtwärmeumsatzes vernachlässigbar
klein.
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Da die Mantelaußenfläche bei rd. 150C Übertemperatur zu isolieren
nicht lohnt, entsteht ein Mantelauskühlungsverlust, so dass schließlich Wasserwirkungsgrade
in Höhe von 95 % gemessen werden konnten.
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Gleiche Werte ergeben sich bei Verwendung anderer Versorgungsgase.
In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Freibadheizers nach der Erfindung in
Vorderansicht (Abb.2a), Grundriss (Abb.2b) in Rückansicht (2c) und im Schnitt (Abb.
2d) dargestellt. Nach ihr besteht das Gehäuse aus einem zylindrischen glockenförmigen
Oberteil 21 und einen in Anpassung an die viereckige Brennergrundfläche kastenförmigen
Unterteil 22. Ober- und Unterteil sind so aufgesetzt, dass an der Innenmantelfläche
herunterlaufendes Wasser nicht nach außen dringen kann,
Das Abgasrohr
ist durch ein Zwischenstück 22 nach den jeweiligen Aufstellungsverhältnissen in
der Länge anzupassen.
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Den oberen Abschluß des Abgasrohres bildet eine Wetterhaube 23, "in
die eine Wassertraufe 24 mit Ablaufrohr eingebaut ist.
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Im Unterteil ist der Brenner 25, die Brennkammer 26, das Abschirmblech
27 mit Lenkstegen 28 und der Düsenstock 29 mit Prallring 30, schließlich vor den
Abgasstutzen der Prallteller 31 eingebaut.
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An der Vorderseite des Unterteiles ist ein Kasten 32 vorgesetzt. In
dessen Innenraum sind die Gasarmaturen 33 (Gasdruckregler, Gasschalter, die elektrischen
Steuerungs- und Sicherungsorgane mit der Anschlußleiste ) untergebracht. Die abgeschrägte
Deckplatte des Vorbaukastens ist als Schaltpult mit Anzeige-und Schaltinstrumenten
35 und Stör- und Betriebslampen `36 ausgebildet.
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An der Rückseite sind die Wasseranschlüsse zusammengefaßt: der Düsenstockanschluß
37, der Warmwasserablauf 38 und der Überlauf mit Syphon 39.
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Hier sitzt auch der Niveauregler mit Wassermangelsicherung 40. Schließlich
trägt die Rückwand noch ein Kontrollfenster 41, durch das der Brenner und
die Düse während des Betriebes beobachtet werden können.
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Diese Wasseranschlüsse können auch von der Rückseite auf eine der
Seitenwände verlegt werden, wenn sich dadurch die Aufstellungsverhältnisse in derlteaxis
verbessern, z.B. die Aufstellung des Gerätes in einer Ecke. In Sonderfällen ist
es sogar möglich alle oder die meisten der Wasserarmaturen mit auf die Vorderseite
zu ziehen.
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Schließlich ist ein Anlegethermostat 42 als Temperaturbegrenzer und
damit Trockengehschutz im Schaltschrankraum an die Außenwand des innen beheizten
Unterteils untergebracht.
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Es ist zu erkennen, dass durch diesen Aufbau ein vollautomatisches
und modernst gesichertes Kompaktgerät geschaffen worden ist. _