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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung für Kachelöfen, Kamine oder Grundöfen, die
vor einer angrenzenden Gebäudewand
individuell aufgebaut sind, mit einer Rückwand und Seitenwände aufweisenden
Brennkammer ggf. einem Heizgaszug und einem Fluid durchströmten Wärmetauscher
für die Warm-
und/oder Heizwassergewinnung. Ferner betrifft die Erfindung einen
Wärmetauscher
für diese Anordnung
mit Rücklaufanschluss
und Vorlaufanschluss.
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Zunehmend
verlangen Verbraucher dass individuell gebaute Kachelöfen, Kamine
oder Grundöfen
neben der ästhetischen
Wirkung des Feuers und der behaglichen Beheizung des betreffenden
Raumes auch einen Wärmeeintrag
für das übrige Gebäude liefern.
Da die in derartigen Feuerstätten
erzeugte Wärme,
nämlich
Warmluft und insbesondere Strahlungswärme schlecht auf das gesamte
Gebäude
verteilbar ist, sind Lösungen
vorgeschlagen worden, Fluid durchströmte Wärmetauscher für die Warm- und/oder
Heizwassergewinnung zu verwenden. Beispielhaft wird auf Kamineinsätze mit
aufgesetztem Wärmetauscher
der Firma Ulrich Brunnen GmbH, 84307 Eggenfelden verwiesen. Diese
bekannten Anordnungen zeichnen sich dadurch aus, dass der Wärmetauscher
auf der einen Seite unmittelbar von den Heizgasen aus der Brennkammer,
entweder unmittelbar über
der Brennkammer oder im anschließenden Heizgaszug, durchströmt werden
und auf der anderen Seite einen Fluidkreislauf, meist Wasser, haben.
Mit den bekannten Vorrichtungen ist es möglich, einen Warmwasserspeicher
aufzuheizen und/oder die aus dem Heizgaszug entnommene Wärme der Zentralheizung
zuzuführen.
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Nachteilig
bei derartigen Anordnungen ist jedoch, dass der Wärmetauscher
durch die extreme Temperaturbeanspruchung vom Ruhezustand (Raumtemperatur)
bis zu den auftretenden hohen Verbrennungstemperaturen erheblichen
thermischen und darüber
hinaus durch die chemisch aggressiven Heizgase erheblichen korrosiven
Belastungen ausgesetzt ist. Entsprechend aufwändig und hochwertig muss der
Wärmetauscher
konstruiert sein. Darüber hinaus
ist eine starke Abkühlung
der Heizgase durch einen Wärmetauscher
bei für
eine interne Wärmeausnutzung
in dem Kachelofen, Kamin- oder Grundofen konstruierten Heizgaszügen oft
gar nicht wünschenswert.
Vielmehr soll in dem Ofen über
den längeren
Heizgaszug möglichst
viel Wärme
in besonders angenehme Strahlungswärme gewandelt werden (Grundofenprinzip).
Ein im Heizgaszug eingebauter Wärmetauscher
verringert bei derartigen Öfen somit
die Stahlungswärmeabgabe.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ausgehend vom vorgenannten Stand der
Technik eine Anordnung eines Ofens mit Wärmetauscher anzugeben, bei
der die Strahlungswärmeabgabe
trotz des Wärmetauschers
im wesentlichen nicht vermindert wird und darüber hinaus konstruktiv einfache
Wärmetauscher
verwendet werden können.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit einer Anordnung gemäß Anspruch 1. Ferner wird die
Aufgabe mit einem Wärmetauscher
gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Dadurch,
dass der Wärmetauscher
zwischen der Rückwand
und/oder Seitenwand/wänden
der Brennkammer und/oder dem Heizgaszug einerseits und angrenzenden
Gebäudewänden andererseits angeordnet
ist, wird der Wärmetauscher
nicht von Heizgasen berührt
und hat keinerlei Verbindung zum Ofen. Somit wird die Wärmeabgabe
des Ofens im wesentlichen durch den Wärmetauscher nicht beeinflusst.
Der Wärmetauscher
erhält
den Wärmeenergieeintrag,
der bei sonst gleicher Konstruktion ohne Wärmetauscher in die angrenzenden
Gebäudewände eingebracht
worden wäre.
Da der Wärmetauscher nicht
mit den Heizgasen in Berührung
gelangt, ist sowohl die thermische Belastung wie auch die chemische
Belastung des Wärmetauschers
erheblich geringer.
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Wenn
der/die Wärmetauscher
im Bereich großer
Wärmestrahlung
in Richtung der Wärmestrahlung
vor einer Dämmung
der Gebäudewände angeordnet
sind, wird besonders wirkungsvoll Strahlungswärmeenergie durch den Wärmetauscher
aufgenommen, die sonst den Hausbewohnern nicht unmittelbar zu Verfügung stehen
würde.
Die vom Wärmetauscher
aufgenommene Wärmeenergie
wird dadurch abgeführt,
dass ein Heizkreis mit Umwälzpumpe,
Vorlauf- und Rücklaufleitung
am Wärmetauscher angeordnet
ist, wobei die Vorlaufleitung zu einer Wärmesenke führt und der Rücklauf des
Fluids von der Wärmesenke über die
Rücklaufleitung
führt.
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Bevorzugt
ist die Wärmesenke
ein Pufferspeicher. Aus dem Pufferspeicher kann bedarfsweise die
Wärmeenergie
für die
Hauszentralheizung über die
vorhandenen Zirkulationsleitungen und Heizkörper, Fußbodenheizung, Wandheizung
etc. im Haus verteilt werden. Ferner kann der Pufferspeicher auch für die Warmwassererzeugung
herangezogen werden. Durch das Vorsehen des Pufferspeichers kann beispielsweise
die vom Wärmetauscher
abgeführte Wärmemenge
eines abendlichen Kaminfeuers am nächsten Morgen für das Beheizen
des Bades und das Duschwasser verwendet werden.
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Wenn
ein Temperatursensor am Wärmetauscher,
bevorzugt am im wesentlichen höchsten
Punkt angeordnet ist, der wirkverbunden mit einer Steuerungseinheit
die Umwälzpumpe
oberhalb einer ersten Grenztemperatur einschaltet, wird die Umwälzpumpe
für das
Wärmeträgerfluid
erst bei einer ersten Grenztemperatur, die niedriger ist als die
zweite Grenztemperatur, gestartet. Das heißt, beim Beginn eines Kaminfeuers
wird das Wärmeträgerfluid
im Wärmetauscher
zunächst
nicht zirkuliert. Erst nach Erwärmung
des Wärmetauschers
und des darin befindlichen Fluids wird über den Temperatursensor das Überschreiten
der ersten Grenztemperatur festgestellt, womit die Umwälzpumpe
gestartet wird.
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Um
eine für
den Pufferspeicher zu niedrige Einspeisetemperatur zu vermeiden
und die Aufheizung des Fluids in dem Wärmetauscher zu unterstützen, ist
im Heizkreis in der Vorlaufleitung zwischen Wärmetauscher und Wärmesenke
ein Thermostatventil angeordnet, das unterhalb einer voreinstellbaren
zweiten Grenztemperatur eine Strömungsverbindung
zur Rücklaufleitung über eine
Verbindungsleitung bildet. Es wird somit über das Thermostatventil und
die Verbindungsleitung ein innerer Heizkreis bereitgestellt, der
unterhalb der zweiten Grenztemperatur das Wärmeträgerfluid mittels Umwälzpumpe
im inneren Heizkreis zirkuliert. Bei Überschreiten der zweiten Grenztemperatur öffnet das
Thermostatventil, so dass dann der Pufferspeicher mit Wärmeenergie
beladen wird.
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Um
einen Überdruck
im Zirkulationssystem zu vermeiden, ist aus Sicherheitsgründen ein
Sicherheitsventil im Heizkreis nahe des Wärmetauschers, bevorzugt in
der Rücklaufleitung
angeordnet, das bei einem vorwählbaren
Grenzdruck öffnet.
Der Grenzdruck beträgt
beispielsweise 3 bar. Der Ausgang des Sicherheitsventils kann bei
Verwendung von Wasser als Wärmeträgerfluid
direkt an die Abwasserleitung angeschlossen sein.
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Der
Wärmetauscher
besteht aus einem Rohrleitungssystem mit einer Vielzahl von Rohrschleifen
zwischen Rücklaufanschluss
und Vorlaufanschluss, wobei an dem Rohrleitungssystem wärmeleitende
Wärmeleitplatten
angeordnet sind. Die Wärmeleitplatten
nehmen die vom Ofen abgestrahlte Strahlungswärme auf und leiten die Wärme zum Rohrleitungssystem
und dem darin aufgenommenen Wärmeträgerfluid.
Bevorzugt sind die Wärmeleitplatten
aus metallischem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit über λ > 100 W/(m · K), insbesondere Aluminium
oder Kupfer gebildet.
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Wenn
das Rohrleitungssystem aus Kupferrohren gebildet ist, die schlangenförmig mit
senkrechten geraden Abschnitten verlegt sind, kann der Wärmetauscher
handwerklich einfach aufgebaut werden.
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Dadurch,
dass die Wärmeleitplatten
im wesentlichen orthogonal zum Kupferrohr an den senkrechten geraden
Abschnitten angeordnet sind, können
die Wärmeleitplatten
ohne großen
Aufwand auf die Kupferrohre aufgesteckt werden.
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Eine
besonders bevorzugte Dimensionierung ergibt sich, wenn die Wärmeleitplatten
rechteckig aus Aluminiumblech, bevorzugt mit einer Größe von ca.
100 mm × 50
mm gebildet sind, darin zwei parallel liegende Rohrabschnitte einer
Rohrschleife durchschneidend aufgenommen sind, die Wärmeleitplatten
eine Stärke
von 0,2 mm bis 2,0 mm, bevorzugt ca. 0,5 mm haben und in einem vertikalen
Abstand von 3 mm bis 20 mm, bevorzugt ca. 7 mm zueinander angeordnet
sind.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Darin
zeigt:
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1 eine
Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung und
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2 eine
Ansicht eines Wärmetauschers für die Anordnung
gemäß 1 .
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In 1 ist
in einer Prinzipdarstellung der Verschaltung der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt.
Die Anordnung weist einen Ofen 1, beispielsweise einen
Kachelofen, Kamin- oder Grundofen, der individuell aufgebaut ist,
auf. Der Ofen hat eine Brennkammer 11 mit einer Rückwand 12 und nicht
näher bezeichneten
Seitenwänden.
Die Verbrennungsgase aus der Brennkammer 11, in der Holz,
Holzpellets, Briketts oder dergleichen verbrannt werden, werden über einen
Heizgaszug 13 zum Schornstein geführt. Pfeil X zeigt die Strömungsrichtung
der Heizgase an.
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Hinter
der Rückwand 12 und
dem Heizgaszug 13 des Ofens 1 ist ein Wärmetauscher 2 vor
einer mit Dämmstoffen
versehenen Gebäudewand,
die in der 1 nicht dargestellt ist, angeordnet.
Der Aufbau des Wärmetauschers 2 ist
detailliert in 2 dargestellt. Der Wärmetauscher
hat ein Rohrleitungssystem 20, das aus im wesentlichen
senkrecht angeordneten geraden Rohrabschnitten 21, die
mit Rohrbögenabschnitten 22 zu
einem schlangenförmig
ausgebildeten Rohrleitungssystem 20 zusammengefügt sind.
Das Rohrleistungssystem 20 verbindet einen Rücklaufanschluss 23 mit
einem Vorlaufanschluss 24. Die geraden Rohrabschnitte 21 sind
parallel zueinander im wesentlichen senkrecht angeordnet. Zur Vergrößerung der
Wärmeübertragungsfläche sind Wärmeleitplatten 25 vorgesehen,
die von den Rohrabschnitten 21 durchdrungen werden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Wärmeleitplatten 25 im
wesentlichen waagerecht, also orthogonal zu den Rohrabschnitten 11 ausgerichtet
und werden von jeweils zwei parallel nebeneinander liegenden Rohrabschnitten 21 durchdrungen.
Dabei sind über
die Höhenerstreckung
des Wärmetauschers 2 entlang
der Rohrabschnitte 21 eine Vielzahl von Wärmeleitplatten 25 übereinander mit
einem Abstand von beispielsweise d = 7 mm angeordnet.
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Der
Wärmetauscher 2 ist
Teil eines Wärmeträgerzirkulationssystems 3,
das ein Wärmeträgermedium
zwischen dem Wärmeträger 2 und
einer Wärmesenke 4 über eine
Vorlaufleitung 31 vom Vorlaufanschluss 24 des
Wärmetauschers 2 zur
Wärmesenke 4 und
von der Wärmesenkung 4 über eine Rücklaufleitung 35 zum
Rücklaufanschluss 23 des Wärmetauschers 2 führt. Im
Wärmeträgerzirkulationssystem 3 ist
eine Umwälzpumpe 32 in
der Vorlaufleitung 31 angeordnet. Die Umwälzpumpe 32 zirkuliert
das in dem System befindliche Wärmeträgermedium,
bevorzugt Wasser.
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Am
Wärmetauscher 2 bzw.
in der Vorlaufleitung 31 nahe dem Wärmetauscher 2 ist
ein Temperatursensor 37 mit Wirkleitung 39 zu
einer Steuereinheit 38 vorgesehen. Die Steuereinheit 38 steuert
die Umwälzpumpe 32 über weitere
Wirkleitung 39 in Abhängigkeit
von der vom Temperatursensor 37 gemessenen Temperatur.
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Stromabwärts der
Umwälzpumpe 32 ist
ein Thermostatventil 33 in der Vorlaufleitung 31 vorgesehen.
Am Thermostatventil 33 zweigt eine Verbindungsleitung 34 von
der Vorlaufleitung 31 ab, die bei Unterschreiten einer
zweiten Grenztemperatur einen kurzen inneren Heizkreis 30 bildet,
bei dem das Wärmeträgermittel
nicht über
die Wärmesenke 4 geführt wird.
Die Verbindungsleitung 34 mündet in die Rücklaufleitung 35 nahe
dem Rücklaufanschluss 23 des Wärmetauschers 2.
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Ferner
ist im Bereich der Rücklaufleitung 35 ein
Sicherheitsventil 36 angeordnet, das bei einem voreinstellbaren
Druck des Wärmeträgermediums öffnet, um
einen übermäßigen Überdruck
im Wärmeträgerzirkulationssystem 3 zu
vermeiden.
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Die
Wärmesenke 4 ist
bevorzugt als Pufferspeicher ausgebildet, in dem die vom Wärmeträgerzirkulationssystem 3 eingetragene
Wärme schichtenweise
ablegbar ist und bei Bedarf abgerufen werden kann. Beispielsweise
sind am Pufferspeicher 4 die Gebäudezentralheizung mit Heizkörpern, Fußboden- oder
Wandheizrohren und die Warmwasserversorgung angeschlossen.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung und des Wärmetauschers
beschrieben.
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Im
Ruhezustand, d. h. ohne Kaminfeuer und Restwärme befindet sich das System
annähernd
auf Raumtemperatur. Die Umwälz-
oder Zirkulationspumpe 32 steht still, da der Temperatursensor 37 an die
Steuereinheit 38 der Pumpe 32 eine Temperatur niedriger
als die erste Grenztemperatur über
Wirkleitung 39 meldet. Ebenso ist das Thermostatventil 33 aufgrund
der niedrigen Temperatur so gestellt, dass der innere Heizkreis 30 freigeschaltet
ist.
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Wird
nun der Kamin 1 mit Festbrennstoffen, beispielsweise Kaminholz
angeheizt, erhöht
sich die Temperatur in der Brennkammer 11 sowie im Heizgaszug 13.
Nach einer Weile wird ausreichende Strahlungswärme produziert, die von allen
erhitzten Oberflächen
ausgehen und neben dem ästhetischen Feuerbild
in der Brennkammer 11 die behagliche Kaminwärme in Form
von Strahlungswärme
erzeugt. Die Strahlungswärme,
die von den Rückwänden der Brennkammer
und des Heizgaszuges abgestrahlt wird, gelangt, bevor sie auf die
mit Dämmstoffen
versehenen Gebäudewände trifft,
auf den Wärmetauscher 2.
Dabei werden insbesondere die Wärmeleitplatten 25 durch
die auftreffende Strahlungswärme erwärmt, womit
das in dem Rohrleitungssystem 20 des Wärmetauschers 2 befindliche
Wärmeträgermedium,
bevorzugt Wasser, durch Wärmeleitung
erwärmt
wird.
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Die
Temperatur im Rohrleitungssystem 20 des Wärmetauschers 2 steigt
somit an. Der an möglichst
hoher Stelle nahe dem Wärmetauscher 2 oder im
Wärmetauscher 2 angeordnete
Temperatursensor 37 signalisiert über seine Wirkleitung 39 somit
die ansteigenden Temperaturen zur Steuereinheit 38.
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Bei Überschreiten
der ersten Grenztemperatur schaltet die Steuerheit 38 die
Umwälzpumpe 32 an,
so dass das Wärmeträgermedium über den
inneren Heizkreis 30, also Vorlaufanschluss 24,
vorderer Teil der Vorlaufleitung 31 bis zum Thermostatventil 33, über Verbindungsleitung 34 zum
stromabwärtigen
Teil der Rücklaufleitung 35 und über Rücklaufanschluss 23 zurück in das
Rohrleitungssystem 20 des Wärmetauschers 2 gelangt.
In diesem inneren, kurzen Zirkulationsheizkreislauf 30 wird
die Temperatur weiter ansteigen, so dass dann bei Erreichen der zweiten
Grenztemperatur das Thermostatventil 33 auf den großen Wärmeträgerzirkulationskreislauf, also über die
Wärmesenke
bzw. Pufferspeicher 4 umschaltet. Das Thermostatventil 33 sperrt
somit die Verbindungsleitung 34. Nun wird so lange Wärme in den
Pufferspeicher transportiert, bis das Kaminfeuer ausgebrannt ist
und die Restwärme
von den Bauteilen des Kamins abgestrahlt sind. Im Pufferspeicher 4 wird
somit Wärmeträgermedium,
insbesondere Wasser, durch den Eintrag von Wärme erwärmt, wobei dabei nur die vom
Kamin nach hinten abgestrahlte Strahlungswärme ausgenutzt wird.
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- 1
- Ofen
- 11
- Brennkammer
- 12
- Rückwand
- 13
- Heizgaszug
- 2
- Wärmetauscher
- 20
- Rohrleitungssystem
- 21
- Rohrabschnitt
- 22
- Rohrbogenabschnitt
- 23
- Rücklaufanschluss
- 24
- Vorlaufanschluss
- 25
- Wärmeleitplatte
- 3
- Wärmeträgerzirkulationssystem,
Heizkreis
- 30
- innerer
Heizkreis
- 31
- Vorlaufleitung
- 32
- Umwälzpumpe
- 33
- Thermostatventil
- 34
- Verbindungsleitung
- 35
- Rücklaufleitung
- 36
- Sicherheitsventil
- 37
- Temperatursensor
- 38
- Steuereinheit
- 39
- Wirkleitung
- 4
- Wärmesenke,
Pufferspeicher
- X
- Strömungsrichtung
Heizgas