DE202007003438U1

DE202007003438U1 - Wärmespeicherelement

Info

Publication number: DE202007003438U1
Application number: DE200720003438
Authority: DE
Original assignee: Holzmann, Adelheid
Current assignee: HOLZMANN, ADELHEID, DE
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2017-03-07

Abstract

Wärmespeicherelement für den Einsatz in einer Brennkammer in einem stationären oder mobilen Heizgerät mit einem Brenner, der in der Brennkammer endet und über eine Düse eine Flamme mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff speist, welches Speicherelement großvolumig ausgebildet ist und in Längsrichtung mindestens ein Durchgangsloch mit rundem, ovalem oder polygonalem Querschnitt aufweist, aus einem wärmebeständigen Werkstoff besteht und auf dem Brennkammerboden aufsteht oder an Trägern verankert und zur Mantelwand der Brennkammer beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (1) obenseitig in der Lochwand einen in Längsrichtung verlaufenden Spalt (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeicherelement mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Ein Wärmespeicherelement der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 20 2005 15 992 U1 bekannt. Aus dieser Schrift ist ebenfalls bekannt, dass der Wärmespeicher aus Porzellan, Keramik, Aluminiumoxid, Magnesiumoxidgestein oder aus Serpentin- oder Speckstein oder aus Edelstahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Material bestehen kann.
Es hat sich gezeigt, dass bei kaskadierter Anordnung von Wärmespeicherelementen in einer Brennkammer keine gleichmäßige Wärmeverteilung zwischen dem dem Flammkegel am nächsten liegenden Wärmespeicherelement und dem entferntesten gegeben ist. Ferner ist eine schnelle Aufheizung der Wärmespeicherelemente nicht gegeben. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Wärmespeicherelement so auszubilden, dass eine schnelle Aufheizung und bei kaskadierter Anordnung von mehreren Wärmespeicherelementen eine gleichmäßigere Wärmeverteilung gegeben ist.
Die Aufgabe löst die Erfindung durch Ausgestaltung des Wärmespeicherelementes entsprechend der Lehre des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen im Detail angegeben, eine weitere Verwendung im Anspruch 22.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Einbringung des erfindungsgemäßen Spaltes eine günstige Verwirbelung des Heizgasstromes innerhalb der Brennkammer gegeben ist, die dazu führt, dass auch bei kaskadierter Anordnung von Wärmespeicherelementen die weiter hinten angeordneten ebenfalls ausreichend Wärme speichern, um diese in der abgeschalteten Brennerphase an die Wandung der Brennkammer und an den Kessel abgeben zu können. Der Vorteil derartiger Wärmespeicherelemente liegt darin, dass neben dem Kesselwasser auch die Wärmespeicherelemente als Festkörperwärmespeicher die Wärme speichern und diese gespeicherte Wärme während der Brennerunterbrechung an die Stahlwände der Brennkammer und des Kessels abgegeben wird, wodurch die Unterbrechungen zwischen den Brennzyklen wesentlich verlängert werden können. Dies führt zu einer merklichen Einsparung des verwendeten Brennstoffes. Es hat sich ferner gezeigt, dass durch den Spalt eine derartige Verwirbelung erfolgt, dass über die Spaltflächen auch ein schnelleres Aufheizen der Wärmespeicherelemente gegeben ist.
Die Wärmespeicherelemente dehnen sich bei der Erwärmung aus und ziehen sich bei der Abkühlung wieder zusammen. Dies führt zu Materialspannungen. Besteht das Wärmespeicherelement beispielsweise aus keramischen Werkstoffen, so kann dies bei den Wechselbelastungen zu Rissen in der Materialwand führen. Der Spalt hat den Vorteil, dass die Ausdehnungen ausgeglichen werden und damit eine spannungsgedingte Rissbildung auch bei Wärmespeicherelementen aus keramischen Werkstoffen nicht mehr gegeben ist. Der Spalt kann in die Lochwandung senkrecht oder in einem zur Längsachse schräg verlaufenden Winkel eingebracht werden. Um die aktive Fläche im Spalt zu vergrößern, kann der Spalt in Längsrichtung oder auch in radialer Richtung Wellenform oder Stufenform aufweisen. Es können auch zickzackförmige Verläufe eingebracht werden, die nicht nur die aktive Fläche des Spaltes vergrößern sondern auch Verwirbelungskanten innerhalb des Spaltes bilden. Die Effizienz der Wärmeaufnahme wird darüber hinaus begünstigt, wenn das Durchgangsloch so ausgebildet ist, dass große Auftreffflächen für den Heißgasstrom, erzeugt durch den Flammkegel, gegeben sind. Dies ist auf einfache Weise realisierbar durch eine trichterförmige Ausbildung des Durchgangsloches in Strömungsrichtung und durch eine umgekehrte geringfügige Aufweitung auf der anderen Seite, wodurch zusätzlich Verwirbelungskanten entstehen, die insbesondere auch die nachfolgenden Wärmespeicherelemente in der Aufheizung begünstigen. Die Durchgangslöcher können dabei unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Auch können die Flächen in sich in den Innenraum gewölbt ausgeführt sein. Die zum Flammkegel gerichtete Stirnfläche des ersten Speicherelementes sollte eine solche Größe aufweisen und in einem solchen Abstand zur Düse des Brenners angeordnet sein, dass der Flammkegel an die Lochwand und/oder die Stirnfläche des Wärmespeichers trifft.
Das gleiche Prinzip kann auch angewendet werden, wenn mehrere Durchgangslöcher eingebracht sind. In einem solchen Fall empfiehlt es sich, mehrere Spalte einzubringen, die jeweils die obere Lochwand durchtrennen. Bei entsprechender Anordnung der Durchgangslöcher kann dadurch eine kammartige Segmentierung im oberen Bereich der Wand des Speicherelementes gegeben sein.
Die Wärmespeicherelemente nach der Erfindung werden entweder auf dem Boden der Brennkammer aufgestellt oder an darin befestigten Trägerelementen fixiert oder sind bei kaskadierter Anordnung miteinander über Längsbolzen verbunden. Hierdurch sind eine einfache Montage und Demontage bzw. ein einfacher Austausch gegeben. Wenn die Verschließklappe der Brennkammer, an der der Brenner befestigt ist, geöffnet wird, sind die Wärmespeicherelemente zugänglich.
Die Wärmespeicherelemente können beispielsweise eine Dicke von ca. 40 mm bis 120 mm aufweisen. Sie können darüber hinaus auch unterschiedliche Durchgangslöcher aufweisen, was in der DE 20 2005 015 992 U1 dargestellt ist.
Der Spalt, der in Längsrichtung die Lochwand durchtrennt, kann senkrecht oder in einem bestimmten spitzen Winkel zur Senkrechten in die Lochwand eingebracht sein. Es ist aber auch möglich, den Spalt gegenüber der Längsachse des Wärmespeicherelementes und/oder der Brennkammer in einem Winkel einzubringen, wodurch eine seitliche Anlenkung des Heißgasstromes in dem Spalt gegeben ist. Die Breite des Spaltes ist an die Größen des Wärmespeicherelementes und der Brennkammer anzupassen.
Der Heißgasstrom kann auf einfache Weise in Drehung versetzt werden, um die Verwirbelung zu erhöhen, indem Rippen, Nuten oder Noppen in die Lochwände eingebracht werden, und zwar an den Innenseiten. Diese Nuten oder Rippen können geradlinig oder in Längsrichtung gebogen bzw. drallförmig vorgesehen sein. Die Längen können der Lochwandtiefe entsprechen, sie können aber auch kürzer ausgebildet und versetzt auf Umfangsbahnen angebracht sein. Es hat sich gezeigt, dass dadurch eine höhere Verwirbelung entsteht und damit bei der kaskadierten Ausführung die weiter hinter liegenden Wärmespeicherelemente stärker aufgeheizt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele ergänzend erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Heizgerät mit geöffneter Brennkammer und eingesetzten Wärmespeicherelementen in der Frontansicht,
2 das in 1 gezeichnete Heizgerät in der schematischen Seitenansicht und
3 ein Wärmespeicherelement aus keramischem Werkstoff mit eingebrachtem Spalt.
In den 1 und 2 ist ein Heizgerät 10 in Form eines Warmwasserheizungskessels dargestellt. Dieser weist eine Brennkammer 5 auf, in der am Boden 2 Trägerelemente 8 angebracht sind. Diese Trägerelemente 8 nehmen Wärmespeicherelemente 1 auf, die, wie aus 2 ersichtlich, in Kaskade angeordnet und gleichförmig ausgebildet sind. Der vom nicht eingezeichneten Brenner erzeugte Heißgasstrom heizt die Wand der Brennkammer auf und strömt aus der Brennkammer in die Rauchgaszüge 9 des Warmwasserkessels, bevor das Rauchgas in den Schornstein geleitet wird. Dabei wird die Wärme an den Kessel und damit an das dadurch strömende Wasser abgegeben. Die Besonderheit liegt nun darin, dass die Wärmespeicherelemente 1, die in diesem Fall in Kaskade angeordnet sind, durch den heißen Brenngasstrom aufgewärmt werden und während der Ausschaltphase des Brenners ihre Wärme an die Wandung der Brennkammer und damit auch an das im Kessel befindliche Wasser abgeben können. Diese Wärmespeicherelemente 1 weisen einen Spalt 3 auf, der eine außerordentlich günstige Verwirbelung des Heißgasstromes bewirkt. Dies hat zur Folge, dass auch die nachfolgenden Wärmespeicherelemente stärker aufgeheizt werden, was zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung führt. Durch die Verwirbelung und die Wärmeübertragung in den Spaltwänden wird zudem eine schnellere Aufheizung der einzelnen Wärmespeicherelemente erzielt. Durch die kegelstumpfförmige Ausführung des Flächenverlaufes 7 innerhalb des Durchgangsloches 4 in Flammrichtung ist darüber hinaus eine große Wärmeübertragungsfläche gegeben, was ebenfalls die Aufwärmung des Wärmespeicherelementes beschleunigt. Das Durchgangsloch 4 wird, wie aus 2 ersichtlich, an der Rückseite wiederum geweitet, so dass eine Verwirbelungskante 6 entsteht, die den Aufwärmungsprozess des nächstfolgenden Wärmespeicherelementes ebenfalls begünstigt.
3 zeigt ein Beispiel eines Wärmespeicherelementes 1 aus keramischem Werkstoff mit angeformtem Aufstellfuß, um auf ein Trägerelement innerhalb der Brennkammer aufgeschoben werden zu können. Der Spalt 3 ist auch hier eingebracht und hat zudem den Vorteil, dass Ausdehnungen ausgeglichen werden, so dass das Wärmespeicherelement 1 durch die thermische Belastung nicht reißt bzw. sich keine Risse bilden können. Die Nutzungsdauer eines solchen Wärmespeicherelementes wird dadurch wesentlich erhöht. Das Durchgangsloch 4 weist eine trichterförmige Fläche 7 auf, ebenso an der Rückseite mit einer Verwirbelungskante 6. Die Abbildung zeigt ferner, dass an der Innenwand des Durchgangsloches vorstehende Rippen 11 vorgesehen sind, die aufgrund ihrer Schrägstellung eine Drehung des Heißgasstromes und damit eine stärkere Verwirbelung bewirken. An Stelle solcher Rippen 1 können auch Nuten eingearbeitet sein, die dem gleichen Zweck dienen. Des Weiteren ist die Länge variabel bzw. können auf Umfangsbahnen versetzt solche Anordnungen gleicher Art oder unterschiedlicher Art vorgesehen sein. Des Weiteren sind diese Mittel auch auf der ausgehenden Lochwand, also an der Rückseite, anbringbar. Ferner können die Rippen beispielweise auch durch Noppen oder Noppenreihen ersetzt werden, die zur Erhöhung der Verwirbelung des Heißgasstromes beitragen.

1: Wärmespeicherelement
2: Boden (Brennkammer)
3: Spalt
4: Durchgangsloch
5: Brennkammer
6: Verwirbelungskante
7: kegelstumpfförmiger Flächenverlauf
8: Trägerelement
9: Rauchgaszüge
10: Heizgerät
11: Rippen

Claims

Wärmespeicherelement für den Einsatz in einer Brennkammer in einem stationären oder mobilen Heizgerät mit einem Brenner, der in der Brennkammer endet und über eine Düse eine Flamme mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff speist, welches Speicherelement großvolumig ausgebildet ist und in Längsrichtung mindestens ein Durchgangsloch mit rundem, ovalem oder polygonalem Querschnitt aufweist, aus einem wärmebeständigen Werkstoff besteht und auf dem Brennkammerboden aufsteht oder an Trägern verankert und zur Mantelwand der Brennkammer beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (1) obenseitig in der Lochwand einen in Längsrichtung verlaufenden Spalt (3) aufweist.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) senkrecht zur Längsachse des Wärmespeicherelementes (1) und/oder zur Brennkammerlängsachse und durchgehend verlaufend in die Lochwand eingebracht ist.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) im oberen Bereich sich radial erstreckend in einem definierten spitzen Winkel zur Senkrechten und/oder in Längsrichtung des Wärmespeicherelementes (1) schräg verlaufend in die Lochwand eingebracht ist.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) geradlinig, gebogen, sägezahnförmig oder wellenförmig verlaufend, durchgehend mit gleicher Kontur und Breite oder mit abweichender Kontur und variabler Breite eingebracht ist.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Wärmespeicherelementes (1) verlaufend der Spalt mindestens einen Stufenform- oder einen Wellenform- oder einen Freiformverlauf aufweist, wobei der Eintrittsspalt und der Austrittsspalt deckungsgleich oder versetzt zueinander verlaufend an den gegenüberliegenden Stirnflächen der Lochwände vorgesehen sind.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Porzellan, Keramik, Aluminiumoxid, Magnesiumoxidgestein oder aus Serpentin- oder Speckstein oder aus Edelstahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Material besteht.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchgangsloch sich über einen bestimmten Tiefenabschnitt in Verbrennungsgas-Strömungsrichtung zur Vergrößerung der aktiven Wärmeaufnahmefläche zur anderen Seite des Wärmespeicherelementes (1) hin verjüngt.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchgangsloch rund ist und einen kegelstumpfförmigen Flächenverlauf (7) aufweist oder quadratisch ausgeführt ist und einen pyramidenförmigen Flächenverlauf aufweist oder polygonal ausgebildet ist, und dass die Austrittsöffnung symmetrisch zur Eintrittsöffnung oder asymmetrisch hierzu verlaufend angeordnet ist.
Wärmespeicherelement nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Durchgangsloches (4) geradlinig oder konvex gebogen ausgeführt ist und mindestens an der Austrittsöffnung eine Verwirbelungskante (6) aufweist.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefenabschnitt des Durchgangsloches (4) sich über die gesamte Breite bzw. Dicke des Wärmespeicherelementes (1) oder nur einen Teil der Breite des Wärmespeicherelementes (1) erstreckt und dass im zweiten Tiefenabschnitt das Durchgangsloch (4) einen umgekehrten oder achsparallelen Wandverlauf aufweist.
Wärmespeicherelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über die Stirnfläche des Wärmespeicherelementes (1) verteilt mehrere Durchgangslöcher vorgesehen sind und dass in die Lochwände Spalte eingebracht sind.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der umlaufenden Fläche der Durchgangslöcher (4) ausgehend Kanäle in das Wärmespeicherelement (1) eingebracht sind, deren Austrittsöffnungen an der Mantelfläche oder an der Rückseite des Wärmespeicherelementes (1) enden.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Wärmespeicherelementes (1) der Querschnittskontur der Brennkammer (5) angepasst ausgeführt oder rund oder viereckig oder polygonal ausgebildet ist oder im Wesentlichen einer Vergrößerung des Querschnittes der Mantelform des Flammkegels entspricht.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (5) kaskadiert mehrere Wärmespeicherelemente (1) hintereinander in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die weiteren Wärmespeicherelemente (1) versetzt angeordnete Durchgangsbohrungen (4) gleicher oder abweichender Form aufweisen.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Wärmespeicherelemente (1) zentrisch oder außenseitig über stangen- oder bolzenförmige Verbindungselemente miteinander verbunden sind.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmespeicherelement (1) bodenseitig einen Standfuß zum Aufstellen auf den Boden (2) der Brennkammer (5) aufweist oder an einem Trägerelement (8) verankert ist.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (1) eine Dicke zwischen ca. 40 mm und 120 mm aufweist.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (1) einen Außendurchmesser von ca. 150 mm bis ca. 350 mm oder eine Ei-Querschnittsform mit angesetztem Aufstellfuß aufweist.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (4) bei einem Eingangsöffnungsdurchmesser von ca. 120 mm bis ca. 140 mm einen Ausgangsdurchmesser von ca. 60 mm bis ca. 80 mm aufweist.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der Lochwand noppen- und/oder rippenförmige Vorsprünge (11) und/oder Nuten zur Drallbildung und zur Erhöhung der Verwirbelung des Heißgasstromes vorgesehen sind.
Wärmespeicherelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die noppen- oder rippenförmigen Vorsprünge oder Nuten in der dem Brenner zugewandten Lochwand und/oder in der rückseitigen Lochwand vorgesehen sind.
Wärmespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Schornsteinzuführungsrohr oder in einem Schornstein eingesetzt ist.