DE19921735A1 - Einrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten in Leitungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vorwärmen von Flüssigkeiten in Versorgungsnetzen. Zum Vorwärmen der Flüssigkeiten vor dem Eintritt in den Erhitzer wird die Umgebungsluft und/oder das Abgas des Brenners verwendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zu Erwärmung von Flüssigkeiten in Rohrleitungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Trinkwasser- oder Brauchwassererwärmer gehören heute zum Standard bei Heizungs­ systemen mit einem geschlossenen Warmwasserkreislauf. Zur Erwärmung des Wassers im Heizkreislauf und des Trinkwassers werden Heizkessel eingesetzt, die z. B., wie bei der Brennwerttechnik, optimiert auf einen niedrigen Energiebedarf arbeiten. Die Erwärmung des Trink- oder Brauchwassers erfolgt beispielsweise über einen Hilfskreislauf. Das Trink- oder Brauchwasser wird dazu aus dem Leitungsnetz in den Warmwasserbereiter mit oder ohne Speicher eingespeist.

Zusätzlich werden Systeme zur Wassererwärmung mit Sonnenkollektoren für die Montage im Dach und Wärmepumpen zur Nutzung der Erdwärme eingesetzt.

Die Kaltwasserrohre in Gebäuden werden wärmeisoliert verlegt, damit sich kein Kon­ denswasser an den Rohrleitungen bildet, das Bauschäden verursacht. Das Wasser erreicht deshalb mit einer Temperatur von <10°C den Heizkessel. Vom Heizkessel wird das Wasser auf die übliche Temperatur von <60°C erhitzt. In den Sommermonaten erhitzt sich ein nicht wärmeisoliertes Rohr auf die Raumtemperatur <10°C. Dem zur Folge ist die Temperaturdifferenz zwischen Kalt- und Warmwasser geringer. Folglich ist der Energiebedarf für die Erwärmung ebenfalls geringer.

Weder die Abgaswärme des Heizkessels noch die Umgebungsluft in den Sommermonaten wird von diesen Systemen genutzt, um das Wasser vor dem Eintritt in den Brenner vorzuwärmen und damit den Energiebedarf für die Warmwasserbereitung zu minimieren.

Die Verwendung von Sonnenkollektoren und Wärmepumpen zu diesem Zweck erhöht die Baukosten, insbesondere bei der Altbausanierung, sehr stark.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorwärmung des Wassers in Kalt­ wasserrohren mit Hilfe der Umgebungsluft und/oder der Abwärme des Heizkessels preiswert zu ermöglichen und damit die Energiekosten für den Betrieb der Anlage zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Aufbau der Einrichtung zur Erwärmung von Flüssigkeiten in Leitungen ermöglicht eine preiswerte Nutzung der in der Umgebungsluft oder im Abgas gespeicherten Energie. Mit ihr wird die zu erwärmende Flüssigkeit vor dem Eintritt in den Warmwasserbereiter vorgewärmt. Dies führt beim Betrieb von Warmwasserbereitungssystemen in Gebäudeheizungen, insbesondere in den Sommermonaten, zu Energieeinsparungen. Die Erfindung macht sich vorteilhafterweise zu Nutzen, daß aus Warmwasserversorgungen sehr häufig nur kleinere Mengen warmes Wasser diskontinuierlich entnommen werden. Beispielsweise kann in einem Einfamilienhaus der Bedarf von einzelnen Mengen von wenigen Litern beim Kochen und Reinigen, über die Speisung der Spülmaschine und der Dusche bis hin zum Befüllen von Badewannen gehen. Die größte Häufigkeit liegt bei den Kleinmengen zwischen 0 und 31. Durch die diskontinuierliche Entnahme stehen immer größere Pausen zur Verfügung, in denen das im Wärmetauscher befindliche Wasser erwärmt werden kann. Der Wärmetauscher muß deshalb keine große Wärmeleistung aufweisen und kann vorteilhafter Weise einfach und preiswert aufgebaut werden.

In der einfachsten Form kann ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher aus einem Rippenprofil bestehen, durch das die zu erwärmende Flüssigkeit geleitet wird. Der die Flüssigkeit aufnehmende Hohlraum kann so groß gewählt werden, daß ein Flüssigkeitsspeicher entsteht. Erfindungsgemäß sind in weiteren Ausgestaltungen der Erfindung z. B. der Einsatz von Wärmetauschern aus dem Fahrzeugkühlerbau, Gebäudeheizungsbau oder von Wärmetauschern mit einem thermischen Trägermedium möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich sowohl die Abgase des Heizungsbrenners als auch die Umgebungsluft zur Vorwärmung zu nutzen. Somit ist es möglich eine solche Einrichtung unabhängig von den Außentemperaturen auch im Winter zu betreiben und die im Abgas enthaltene Energie, auch bei Brennern mit Brennwerttechnik, besser auszunutzen. Systeme dieser Art werden vorteilhafterweise mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Steuerung durch Steuerung der Luftströme energieoptimal geführt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Vorratsvolumen des Wärme­ tauschers für das zu erwärmende Wasser so groß gewählt, das bei Entnahme von kleinen Mengen an warmen Wasser kein kaltes Wasser in den Warmwasserbereiter der Heizungsanlage gelangt.

Setzt man Wärmetauscher mit einem Trägermedium ein, das vorteilhafterweise Trink­ wasser mit einem Zusatz zur Entkeimung und/oder Frostschutz sein kann, ist es möglich den Speichereffekt auch über die Menge des Trägermediums zu erzielen, ohne das Volumen des zu erwärmenden Wassers im Wärmetauscher zu vergrößern. Das nachströmende Wasser wird dann durch die im Trägermedium gespeicherte Wärmeenergie erwärmt.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades können die Strömungsgeschwindigkeiten in der Verrohrung des Wärmetauschers durch Querschnittänderungen angepaßt werden.

Vorteilhaft ist es, die Außenhülle des mit einem Trägermedium gefüllten Wärmetauschers aus Aluminiumprofilen aufzubauen, wie sie in der Elektronik zur Kühlung der Komponenten eingesetzt werden. Mit diesen Profilen wird ein schneller Energieaustausch zwischen der Warmluft und dem Trägermedium möglich.

Stark förderlich für den Energieaustausch ist weiterhin eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Warme Luft über Schläuche oder Verrohrungen herangeführt wird. Große Einsparungen sind bei Heizungen die im Dachbereich eingebaut wurden auf diese Weise möglich, da hier durch die Erwärmung der Dachflächen große Mengen warmer Luft mit geringen Kosten für Verrohrungen und Verkleidungen erschließbar sind.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Wärmetauscher vorteilhafterweise so aufgebaut, daß bei der Verwendung zur Erwärmung von Trinkwasser, die gleichen Materialien bei der Verrohrung eingesetzt werden können, wie sie auch für die Installation der Rohr­ leitungen im Gebäude verwendet werden. Es ist somit möglich die hygienischen Anforderungen einfach einzuhalten. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn das eventuell Verwendung findende Trägermedium nur dem atmosphärischen Druck ausgesetzt wird. Undichtigkeiten im Transportrohr führen wegen des herrschenden Überdrucks nicht zu hygienischen Problemen. Der Einbau in der Nähe des Brenners ist sehr einfach. Der Wärmetauscher benötigt nur wenig Platz. Im Gegensatz zu Sonnenkollektor- oder Wärmepumpensystemen entstehen nur geringe Bau- und Installationskosten.

Speziell bei der Erwärmung von erdkaltem Trinkwasser, dessen Temperatur häufig <10°C ist, ist mit dem Niederschlag von Kondenswasser am Wärmetauscher zu rechnen. Dieses wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in einem Behälter aufgefangen und kann dann z. B. mit dem Kondensat aus dem Brenner in die Kanalisation eingeleitet werden.

Diese Art der Vorwärmung kann immer dann eingesetzt werden, wenn die Umgebungsluft eine höhere Temperatur aufweist als das zugeführte Trinkwasser. Erfindungsgemäß kann die Überwachung der Temperaturverhältnisse und die Steuerung der Gebläse durch eine elektronische Schaltung und/oder Steuerung durchgeführt werden, die in einer weiteren Ausgestaltung die Leistungsdaten errechnet, speichert, an ein Leitsystem und/oder Heizung überträgt und/oder anzeigt, oder eine Fernsteuerung vorsieht und/oder ermöglicht.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Prinzipskizzen des möglichen Aufbaus erfindungsgemäßer Wärmetauscher soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Sicht von oben auf den geöffneten Wärmetauscher mit Trägermedium, Heizrippengehäuse und Rohrleitungen.

Fig. 2 Sicht von der Seite in den geöffneten Wärmetauscher mit Trägermedium, Heizrippengehäuse und Rohrleitungen.

Fig. 3 Darstellung des Querschnitts des prinzipielle Aufbaus eines Wärmetau­ schers ohne Trägermedium.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte beispielhafte Wärmetauscher besteht aus einem Alu­ miniumgehäuse (3), das mit Heizrippen ausgerüstet ist. Dieses Gehäuse ist am Boden mit einer Bodenplatte dicht verschlossen. In das Gehäuse wurde ein System von Rohr­ leitungen (4) eingebracht, das einen Einlauf (1) und einen Auslauf (2) hat. Das zu erwärmende Trinkwasser durchströmt den Wärmetauscher von (1) nach (2). Das Gehäuse mit der Verrohrung ist mit dem Trägermedium (5) gefüllt, so daß eine thermische Kopplung zwischen dem Gehäuse (3) und dem Rohrleitungssystem (4) entsteht. Das Trägermedium erfüllt in diesem Fall zusätzlich den Zweck der Speicherwirkung. Bei Strömungsstillstand erwärmt sich das Gehäuse (3), das Trägermedium (5) und das Rohrsystem (4) mit dem zu erwärmenden Trinkwasser auf die Temperatur der Umgebungsluft. Wird nun Wasser entnommen strömt kaltes Wasser in den Wärmetauscher, das durch die in den Materialien und der Trägerflüssigkeit des Wärmetauschers gespeicherten Wärmeenergie solange erwärmt wird, bis die gesamte Anordnung eine gleiche Temperatur aufweist. Es ist also möglich in Abhängigkeit der Volumenverhältnisse zwischen dem Trinkwasser im Rohrsystem (4) und dem Trägermedium (5) eine größere Menge Trinkwasser als die, die im Rohrsystem gespeichert ist, zu erwärmen. Zur Verbesserung der Heizleistung können Gebläse oder Ventilatoren (8) eingesetzt werden, die Warmluft zu den Gehäuserippen befördern. Die hierfür erforderliche elektrische Energie läßt sich durch Auswahl optimaler Gebläse auf wenige Watt reduzieren. Die Gebläse sollten mit einer niedrigen Spannung betrieben werden, so daß bei Undichtigkeiten kein Sicherheitsrisiko für den Betreiber entsteht. Speziell für im Dachbereich eingebaute Warmwasseraufbereiter ist es sinnvoll, Warmluft mit Hilfe von Schläuchen und/oder Rohren aus dem nicht isolierten Dach­ bereich zum Wärmetauscher zu befördern. Luft in diesen Gebäudebereichen erhitzt sich in den Sommermonaten bis <40°C, so daß es möglich ist, daß das Trinkwasser <30°C erreicht, bevor es in den Warmwasseraufbereiter eintritt. In diesem Fall wäre das Trink­ wasser schon <20°C wärmer als das aus dem Leitungsnetz der Kaltwasserversorgung. Um das System möglichst optimal zu betreiben, ist es sinnvoll eine elektronische Steuerung für den Wärmetauscher vorzusehen. Die Temperaturen der Umgebungsluft und des Wärmetauschers müssen ständig verglichen werden. Sollte der Wärmetauscher wärmer oder gleich warm wie die Umgebungsluft sein, müssen die Gebläse abgeschaltet werden, damit sich der Wärmetauscher nicht wieder abkühlt. In den Nachtstunden empfiehlt sich ebenfalls aus Gründen der Ersparnis, der sich abkühlenden Luft sowie einer eventuellen Geräuschbelästigung durch die Gebläse, diese abzuschalten.

Für den Betrieb mit Gebläsen und/oder Abgasnutzung ist es notwendig, den Wärme­ tauscher zumindest teilweise in den Abgas- und/oder Luftkanal einzubauen.

Die Elektronische Steuerung kann zusätzlich die Aufgabe übernehmen, die momentanen Betriebswerte des Wärmetauschers zu messen und/oder zu errechnen. Mit einem Interface kann dann eine Fernsteuerung durch ein Leitsystem oder die Steuerung einer Heizung implementiert werden. Sinnvoll ist zudem eine Anzeige der Betriebszustände vor Ort.

Fig. 3 zeigt einen Wärmetauscher ohne Trägerflüssigkeit. Das zu erwärmende Medium (2) durchströmt einen mit Heizrippen versehenen Abschnitt des Tranport­ rohres (1). Zur Erhöhung der Wärmeleistung kann auch hier ein Gebläse (3) eingesetzt werden. Eine Speicherwirkung ist nur durch die Vergrößerung des Volumens des Rohrabschnittes möglich. Die Anordnung des Wärmetauschers erfolgt senkrecht, so daß er von unten nach oben von dem kalten Wasser durchströmt wird. Auf Grund der Dichteunterschiede ist immer wärmeres Wasser vor dem Auslauf. Bei einem Speicher­ volumen von beispielsweise 101 strömt am Austritt erst bei größerem Bedarf kaltes Wasser in den Warmwasserbereiter. Zur Verringerung des Wärmeübergangswider­ standes zwischen Transportrohr und Medium kann, abweichend von Fig. 3, eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche des Rohres mit dem Wasser vorgesehen werden. Dies ist beispielsweise durch eine Ausführung mit Rippen, auch an der Innenseite des Rohres, möglich.

Claims (22)

1. Verfahren zur Erwärmung von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß kaltes Wasser in Wasserversorgungssystemen vor dem Eintritt in den Warmwasseraufbereiter mit Hilfe von Umgebungsluft erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung Wärme­ tauscher ohne Hilfsmedium eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung des Trinkwassers Warmluft aus nicht wärmeisolierten Räumen z. B. im Dachbereich und/oder im Keller von Gebäuden eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwär­ mung Wärmetauscher, wie sie aus dem Heizungsbau, der Klimatechnik und/oder aus dem Kühlerbau für Motoren bekannt sind, eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wär­ metauscher ein Speichervolumen für das zu erwärmende Wasser aufweist, das so groß bemessen ist, daß die relativ großen Pausen zwischen zwei größeren Entnahmen zur Erwärmung einer größeren Trinkwassermenge genutzt werden können.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichervolumen groß genug ist, daß bei kleinen Bedarfsmengen kein kaltes Wasser ohne Vorwärmen in den Warmwasseraufbereiter einläuft.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zur Vergrößerung seiner Leistung mit Lüftern und/oder Gebläsen ausgerüstet ist, die ihm ein großes Volumen warmer Luft pro Zeiteinheit zuführen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lüfter und/oder Gebläse in Abhängigkeit der Temperatur elektrisch und/oder elektronisch gesteuert werden, um eine hohe Heizleistung und/oder einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch mit Hilfe einer Kammer, die mit einem Trägermedium gefüllt ist, aufgebaut wird, durch das das Wasserrohr geführt ist und die Kammer mit Trägerrohr und Wasserrohr über Zuführung von Warmluft an die Außenwände der Kammer erwärmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und/oder, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitungen im Erwärmungsbereich eine Querschnittsänderung durch einen Veränderung des Rohrquerschnittes und/oder die Aufteilung auf mehrere größere, kleinere und/oder gleiche Querschnitte aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Träger­ medium Trinkwasser und/oder ein konservierender und/oder schützender Zusatz ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer des Wärmetauschers aus Aluminiumprofilen aufgebaut wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwände der Kammer als Rippen und/oder andere Formen zur Verbesserung des Wirkungsgrades, wie sie beispielsweise bei Kühlkörpern für die Elektronik üblich sind, ausgebildet sind.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Transportrohr für das Wasser selbst eine Form mit einem großen Innenvolumen und/oder eine große innere und/oder äußere Oberfläche aufweist und/oder als Speicher und/oder Wärmetauscher dient.

15. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Transportrohr für das Wasser selbst eine Form mit einem großen und/oder kleinen Innenvolumen hat und/oder senkrecht angeordnet ist und die kalte Flüssigkeit unten ein- und oben aus dem Transportrohr austritt.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektrik und/oder Elektronik mit einem Mikroprozessor und/oder einer anderen Schaltung ausgestattet ist und die Betriebsdaten und/oder Leistungsdaten errechnet, speichert, an ein Leitsystem und/oder eine Heizung überträgt und/oder anzeigt und die Möglichkeit der Fernsteuerung bietet.

17. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Warmluft, über ein Schlauch und/oder Rohrsystem zugeführt wird.

18. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Warmluft mit Hilfe eines Gehäuses und/oder Leitbleches am Wärmetauscher so geführt wird, daß ein möglichst optimaler Wärmeaustausch statt­ findet.

19. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmetauscher den besonderen technischen und/oder hygienischen Anforderungen für Trinkwasser genügt.

20. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die am Wärmetauscher kondensierende Feuchtigkeit der zur Erwärmung verwendeten Warmluft über ein Auffangsystem gesammelt, gespeichert und/oder dem Abwasserkanal zugeführt wird.

21. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abgas in einem Abgassystem einer Heizung und/oder die damit vorgewärmte Luft und/oder die Umgebungsluft zur Erwärmung verwendet wird.

22. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Nutzung von Abgaswärme einer Heizung und/oder Umgebungsluft zur Erwärmung eine Steuerung eingesetzt wird, die die Luftströme so steuert, daß ein Betrieb mit maximalem Wirkungsgrad möglich wird.