DE202016105688U1 - Evaporator, steam bath sauna with such an evaporation device and heating system, especially for the operation of a sauna - Google Patents
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Abstract
Verdampfungseinrichtung (1), insbesondere für den Betrieb einer Dampfbadsauna (26), mit einem Behälter (2), der einen Aufnahmeraum (5) für ein Phasenwechselmaterial (20) definiert, und Heizmitteln (9, 10), die ausgebildet sind, um thermische Energie an den Aufnahmeraum (5) abzugeben und ein Aufschmelzen eines darin befindlichen Phasenwechselmaterials (20) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein als Verdampfungskanal ausgebildeter Wärmeaufnahmekanal (15) innerhalb des Aufnahmeraums (5) angeordnet ist, der an seinem einen Ende (16) einen Anschluss zur Zuleitung einer unter Wärmeaufnahme zu verdampfenden Flüssigkeit (17) und an seinem anderen Ende (18) eine Dampfaustrittsöffnung (19) aufweist.Evaporation device (1), in particular for the operation of a steam bath sauna (26), with a container (2) defining a receiving space (5) for a phase change material (20), and heating means (9, 10) which are designed to thermal To give energy to the receiving space (5) and to cause melting of a therein phase change material (20), characterized in that at least one evaporation channel designed as a heat receiving channel (15) within the receiving space (5) is arranged at one end (16 ) has a connection for the supply of a liquid to be evaporated under heat absorption (17) and at its other end (18) has a steam outlet opening (19).
Description
Die Erfindung betrifft eine Verdampfungseinrichtung, insbesondere für den Betrieb einer Dampfbadsauna, mit einem Behälter, der einen Aufnahmeraum für ein Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) definiert, und Heizmitteln, die ausgebildet sind, um thermische Energie an den Aufnahmeraum abzugeben und ein Aufschmelzen eines darin befindlichen Phasenwechselmaterials zu bewirken. Zudem betrifft die Erfindung eine Dampfbadsaunaanlage mit einer solchen Verdampfungseinrichtung.The invention relates to an evaporation device, in particular for the operation of a steam bath sauna, with a container which defines a receiving space for a phase change material (PCM), and heating means, which are designed to deliver thermal energy to the receiving space and a melting of a effect phase change material therein. In addition, the invention relates to a steam bath sauna system with such an evaporation device.
Bei Saunas unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer herkömmlichen Sauna, auch finnische Sauna genannt, und einer Dampfbadsauna mit niedrigerer Temperatur und höherer Luftfeuchtigkeit. Während des Betriebs einer Sauna wird eine relativ große Wärmemenge benötigt, um Dampf und/oder Heißluft zu erzeugen. Im Stand der Technik wird deshalb der Einsatz thermischer Energiespeicher vorgeschlagen, in denen zumindest ein Teil der für den Betrieb einer Sauna benötigten Wärmemenge während einer Aufladeperiode auch vor der Saunabenutzung gespeichert und bei Bedarf während einer Entladeperiode abgegeben werden kann. Durch die Verwendung thermischer Energiespeicher kann auf den Einsatz teurer und ökologisch weniger nachhaltiger elektrischer Energiespeicher verzichtet werden. Erzeugte thermische Energie kann direkt als solche in einem thermischen Energiespeicher gespeichert werden und muss nicht erst zur Speicherung in elektrischen Strom umgewandelt und anschließend wieder in thermische Energie rückumgewandelt werden. Aus der
Eine weitere Heizanlage für eine Sauna mit einem thermischen Energiespeicher ist in der
Während des Betriebs der Heizanlage wird der thermische Energiespeicher zunächst mit Hilfe der Heizmittel beladen. Bei der Bereitung eines Saunaaufgusses wird eine Flüssigkeit mit Hilfe der Zuführeinrichtung auf die Oberfläche des beladenen thermischen Energiespeichers aufgegossen, um sie zu verdampfen, wodurch der thermische Energiespeicher zumindest teilweise entladen wird. Gleichzeitig wird von dem Luftgebläse ein Luftstrom erzeugt, der über die Luftzuführöffnung in den Innenraum des Behälters gelangt und das mit der Flüssigkeit begossene Schüttgut von unten nach oben durchströmt, um den erzeugten Dampf durch die offene Oberseite des Behälters auszutragen. Nicht verdampfte Flüssigkeit verlässt den Behälter über den Röhrensiphon.During operation of the heating system, the thermal energy store is first loaded by means of the heating means. When preparing a sauna infusion, a liquid with the aid of the feed device is poured onto the surface of the loaded thermal energy storage in order to evaporate it, whereby the thermal energy storage is at least partially discharged. At the same time an air flow is generated by the air blower, which passes through the air supply opening into the interior of the container and flows through the liquid poured bulk material from bottom to top to discharge the generated steam through the open top of the container. Unevaporated liquid leaves the container via the tube siphon.
Die Heizanlage der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mit thermischer Energie, die in einem Phasenwechselmaterial gespeichert ist, betriebene Heizanlage bereitzustellen, die möglichst effizient betrieben werden kann. The invention is therefore based on the object, one with thermal energy, in a Phase change material is stored to provide powered heating system, which can be operated as efficiently as possible.
Diese Aufgabe wird bei einer als Verdampfungseinrichtung ausgebildeten Heizanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein als Verdampfungskanal ausgebildeter Wärmeaufnahmekanal innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, der an seinem einen Ende einen Anschluss zur Zuleitung einer unter Wärmeaufnahme zu verdampfenden Flüssigkeit und an seinem anderen Ende eine Dampfaustrittsöffnung aufweist. Bei der zu verdampfenden Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um Wasser oder Wasser mit zugesetzten Aromastoffen handeln.This object is achieved according to the invention in a trained as evaporation heating system of the type mentioned in that at least one evacuation channel designed as a heat receiving channel is disposed within the receiving space, at its one end a connection to the supply of heat to be evaporated under heat absorption and at its other end having a steam outlet opening. The liquid to be evaporated may be, for example, water or water with added flavorings.
Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, einen Verdampfungskanal innerhalb des Aufnahmeraums eines Behälters einer Verdampfungseinrichtung vorzusehen, der einen Weg vorgibt, entlang dem eine zu verdampfende Flüssigkeit den Behälter durchströmt. Während des Durchströmens des Verdampfungskanals steht die Flüssigkeit über die Wandung des Verdampfungskanals in einem mittelbaren thermischen Kontakt mit einem Phasenwechselmaterial, das sich während des Betriebs der Verdampfungseinrichtung innerhalb des Behälters befindet. Das Phasenwechselmaterial kann eine Schmelztemperatur zwischen 110 °C und 140 °C, bevorzugt zwischen 110 °C und 120 °C haben. Bevorzugt handelt es sich bei dem Phasenwechselmaterial um Erythritol. Da das Phasenwechselmaterial auch in thermischem Kontakt mit den Heizmitteln steht, kann dem Phasenwechselmaterial bei einem sogenannten Beladungsvorgang thermische Energie zugeführt werden, was zu einer Phasenumwandlung, insbesondere einem Aufschmelzen, zumindest eines Teils des Phasenwechselmaterials führt, wodurch thermische Energie im Phasenwechselmaterial gespeichert wird. Bei einem sogenannten Entladungsvorgang, der entweder gleichzeitig mit der Beladung oder zeitlich versetzt zu dieser erfolgen kann, wird in dem Phasenwechselmaterial gespeicherte thermische Energie durch eine Phasenrückumwandlung, insbesondere ein Erstarren, zumindest eines Teils des Phasenwechselmaterials freigesetzt und über die Wandung des Verdampfungskanals an die zu verdampfende Flüssigkeit innerhalb des Verdampfungskanals abgegeben. Die Zeit, in der die zu verdampfende Flüssigkeit in thermischem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial steht und somit ein Wärmeeintrag in die zu verdampfende Flüssigkeit stattfinden kann, lässt sich über die Länge des erfindungsgemäßen Verdampfungskanals und/oder über die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch den Verdampfungskanal einstellen. Somit lässt sich der Wärmeeintrag in die zu verdampfende Flüssigkeit steuern, ohne die Heizleistung des Phasenwechselmaterials anpassen zu müssen. Durch eine derartige Steuerung des Verdampfungsprozesses kann ein Dampf gleichbleibender Qualität erzeugt werden.The invention is therefore based on the consideration to provide an evaporation channel within the receiving space of a container of an evaporation device, which provides a path along which a liquid to be evaporated flows through the container. During passage through the evaporation channel, the liquid is in indirect thermal contact with a phase change material via the wall of the evaporation channel which is within the container during operation of the evaporation means. The phase change material may have a melting temperature between 110 ° C and 140 ° C, preferably between 110 ° C and 120 ° C. Preferably, the phase change material is erythritol. Since the phase change material is also in thermal contact with the heating means, the phase change material in a so-called loading thermal energy can be supplied, resulting in a phase transformation, in particular a melting, at least a portion of the phase change material, whereby thermal energy is stored in the phase change material. In a so-called discharge process, which can take place either simultaneously with the loading or offset in time, stored in the phase change material thermal energy is released by a phase rear conversion, in particular solidification, at least a portion of the phase change material and the wall of the evaporation channel to be evaporated Liquid dispensed within the evaporation channel. The time in which the liquid to be evaporated is in thermal contact with the phase change material and thus heat can be introduced into the liquid to be evaporated can be adjusted through the evaporation channel via the length of the evaporation channel according to the invention and / or via the flow rate of the liquid. Thus, the heat input into the liquid to be evaporated can be controlled without having to adjust the heating power of the phase change material. By such control of the evaporation process, a steam of consistent quality can be produced.
Zweckmäßigerweise verzweigt sich der Verdampfungskanal innerhalb des Behälters hinter seinem Anschluss in mehrere parallel durchströmte Kanalabschnitte, die vor der Dampfaustrittsöffnung des Verdampfungskanals wieder zusammengeführt werden, wobei die Kanalabschnitte insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Mehrere parallel durchströmte Kanalabschnitte des Verdampfungskanals sind vorteilhaft, da sie einen Wärmeeintrag in die zu verdampfende Flüssigkeit nicht nur an einer Stelle, sondern gleichzeitig an mehreren unterschiedlichen Stellen innerhalb des Behälters ermöglichen, wodurch das Phasenwechselmaterial gleichmäßig entladen wird. Zudem erhöht sich bei mehreren parallel durchströmten Kanalabschnitten im Vergleich mit einem einzigen nicht verzweigten Verdampfungskanal die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial und der zu verdampfenden Flüssigkeit, so dass die zu verdampfende Flüssigkeit schneller erhitzt werden kann. Ferner lässt sich durch eine geeignete Dimensionierung des Gesamtströmungsquerschnitts der parallelen Kanalabschnitte im Innenraum des Behälters in Bezug auf den Strömungsquerschnitt des nicht verzweigten Verdampfungskanals die Strömungsgeschwindigkeit der zu verdampfenden Flüssigkeit im Innenraum des Behälters einstellen. Ist der Gesamtströmungsquerschnitt, der sich durch die Summe der Querschnitte der Kanalabschnitte ergibt, größer als der Strömungsquerschnitt des nicht verzweigten Verdampfungskanals, so weist die Flüssigkeit innerhalb der Kanalabschnitte eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit auf als innerhalb des nicht verzweigten Verdampfungskanals. Eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit ist beispielsweise sinnvoll, wenn das Phasenwechselmaterial eine geringe Heizleistung aufweist. Ist der Gesamtströmungsquerschnitt hingegen kleiner als der Strömungsquerschnitt des nicht verzweigten Verdampfungskanals, so weist die Flüssigkeit innerhalb der Kanalabschnitte eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit auf. Verlaufen die Kanalabschnitte parallel zueinander ist dies besonders platzsparend.Conveniently, the evaporation channel branches within the container behind its connection in a plurality of parallel-flow channel sections, which are merged again in front of the steam outlet opening of the evaporation channel, wherein the channel sections in particular at least substantially parallel to each other. Several parallel-flow channel sections of the evaporation channel are advantageous because they allow a heat input into the liquid to be evaporated not only at one point, but simultaneously at several different locations within the container, whereby the phase change material is discharged evenly. In addition, increases in several parallel-flow channel sections in comparison with a single non-branched evaporation channel, the heat transfer surface between the phase change material and the liquid to be evaporated, so that the liquid to be evaporated can be heated faster. Furthermore, by suitable dimensioning of the total flow cross section of the parallel channel sections in the interior of the container with respect to the flow cross section of the non-branched evaporation channel, the flow velocity of the liquid to be evaporated in the interior of the container can be adjusted. If the total flow cross-section, which results from the sum of the cross-sections of the channel sections, is greater than the flow cross-section of the non-branched evaporation channel, the liquid within the channel sections has a reduced flow velocity than within the non-branched evaporation channel. A reduced flow rate is useful, for example, if the phase change material has a low heating power. On the other hand, if the total flow cross section is smaller than the flow cross section of the non-branched evaporation channel, then the liquid within the channel sections has an increased flow velocity. If the channel sections run parallel to each other, this saves a lot of space.
In mindestens einem der Kanalabschnitte kann ein Ventil angeordnet sein, das mittels einer Steuerung geöffnet und geschlossen werden kann, um eine Durchströmung des hinter dem Ventil liegenden Teils des Kanalabschnitts zu ermöglichen oder zu verhindern. Wird durch ein Schließen eines Ventils die Durchströmung des entsprechenden Kanalabschnitts verhindert, so verringert sich automatisch die in dem verzweigten Bereich zur Verfügung stehende Gesamtströmungsquerschnittsfläche, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit der zu verdampfenden Flüssigkeit innerhalb der verbleibenden Kanalabschnitte erhöht, ohne dass hierfür der Volumenstrom der zugeführten Flüssigkeit insgesamt verändert werden muss. In at least one of the channel sections, a valve may be arranged which can be opened and closed by means of a control in order to allow or prevent a flow through the part of the channel section lying behind the valve. If the passage of the corresponding channel section is prevented by closing a valve, then the total flow cross-sectional area available in the branched region automatically decreases, as a result of which the flow velocity of the liquid to be evaporated within the remaining channel sections increases without the Volume flow of the supplied liquid must be changed overall.
Vorteilhaft befinden sich die beiden Enden des Verdampfungskanals jeweils innerhalb einer zugehörigen Durchgangsöffnung der Wandung des Behälters. Alternativ können die beiden Enden des Verdampfungskanals aus dem Behälter ragen, wodurch sie sich beispielsweise problemlos mit einem Zuleitungsrohr für eine zu verdampfende Flüssigkeit und/oder mit einem Ableitungsrohr für erzeugten Dampf verschweißen lassen.Advantageously, the two ends of the evaporation channel are each within an associated passage opening of the wall of the container. Alternatively, the two ends of the evaporation channel may protrude out of the container, thereby allowing them to be easily welded, for example, to a supply pipe for a liquid to be evaporated and / or to a generated steam discharge pipe.
Der Behälter weist bevorzugt eine hohlzylindrische Form auf. Ferner kann die Verdampfungseinrichtung einen wärmeisolierenden, die Wandung des Behälters zumindest teilweise umschließenden Außenmantel umfassen und/oder kann der Behälter mit einer Vakuumisolierung versehen sein. Durch den wärmeisolierenden Außenmantel und/oder die Vakuumisolierung lassen sich Wärmeverluste verringern und somit die Energieeffizienz der Verdampfungseinrichtung steigern.The container preferably has a hollow cylindrical shape. Furthermore, the evaporation device may comprise a heat-insulating, the wall of the container at least partially enclosing the outer jacket and / or the container may be provided with a vacuum insulation. The heat-insulating outer jacket and / or the vacuum insulation can reduce heat losses and thus increase the energy efficiency of the evaporation device.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Heizmittel mindestens einen Wärmeträgerfluidkanal, der innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist und der endseitig Anschlüsse zum Verbinden mit Wärmeträgerfluidleitungen eines Wärmeträgerfluidkreislaufs zum Zuführen von thermischer Energie von einer Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie, insbesondere einem solarthermischen Kollektor und/oder einem aerothermischen Generator, umfasst. Durch die Nutzung von thermischer Energie kann zumindest teilweise auf die Nutzung von elektrischer Energie aus nicht ökologisch nachhaltigen Energiequellen verzichtet werden. Dadurch, dass der Wärmeträgerfluidkanal innerhalb des Aufnahmeraumes angeordnet ist, kommt seine Wandung in thermischen Kontakt mit einem sich in dem Aufnahmeraum befindlichen Phasenwechselmaterial. According to one embodiment of the invention, the heating means comprise at least one heat transfer fluid channel, which is arranged within the receiving space and the end connections for connection with heat transfer fluid lines of a heat transfer fluid circuit for supplying thermal energy from a supply device for thermal energy, in particular a solar thermal collector and / or an aerothermal generator , includes. Through the use of thermal energy can be at least partially dispensed with the use of electrical energy from non-environmentally sustainable energy sources. Characterized in that the heat transfer fluid channel is arranged within the receiving space, its wall comes into thermal contact with a located in the receiving space phase change material.
In einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform verzweigt sich der Wärmeträgerfluidkanal innerhalb des Behälters hinter seinem einen Anschluss in mehrere parallel durchströmte Kanalabschnitte, die vor dem anderen Anschluss des Wärmeträgerfluidkanals wieder zusammengeführt werden, wobei die Kanalabschnitte insbesondere im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Wie in den Kanalabschnitten des Verdampfungskanals kann auch in mindestens einem Kanalabschnitt des Wärmeträgerfluidkanals ein Ventil angeordnet sein, das mittels einer Steuerung geöffnet und geschlossen werden kann, um eine Durchströmung des hinter dem Ventil liegenden Teils des Kanalabschnitts zu ermöglichen oder zu verhindern. Durch die Verzweigung des Wärmeträgerfluidkanals und die darin angeordneten Ventile ergeben sich ähnliche Vorteile wie bereits im Zusammenhang mit dem Verdampfungskanal beschrieben. Vorteilhaft befinden sich die beiden Enden des Wärmeträgerfluidkanals innerhalb einer zugehörigen Durchgangsöffnung der Wandung des Behälters. Alternativ können die beiden Enden des Wärmeträgerfluidkanals aus dem Behälter ragen, wodurch sie sich beispielsweise problemlos mit den Wärmeträgerfluidleitungen verschweißen lassen.In one embodiment of this embodiment, the heat transfer fluid channel branches within the container behind its one port into several parallel-flow channel sections, which are merged again before the other connection of the heat transfer fluid channel, the channel sections in particular substantially parallel to each other. As in the channel sections of the evaporation channel, a valve can also be arranged in at least one channel section of the heat transfer fluid channel which can be opened and closed by means of a control in order to allow or prevent a flow through the part of the channel section lying behind the valve. The branching of the heat transfer fluid channel and the valves arranged therein result in similar advantages as already described in connection with the evaporation channel. Advantageously, the two ends of the heat transfer fluid channel are within an associated passage opening of the wall of the container. Alternatively, the two ends of the heat transfer fluid channel protrude from the container, whereby they can be welded, for example, easily with the heat transfer fluid lines.
Zweckmäßigerweise erstrecken sich der mindestens eine Verdampfungskanal und/oder der mindestens eine Wärmeträgerfluidkanal zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Behälters, beispielsweise in vertikaler Richtung. Die Verdampfungs- und Wärmeträgerfluidkanäle können zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Verdampfungskanal und dem Wärmeträgerfluidkanal um gegenläufig durchströmte Kanäle. Beispielsweise kann der Verdampfungskanal von einer zu verdampfenden Flüssigkeit von unten nach oben durchströmt werden, wohingegen der Wärmeträgerfluidkanal von einem Wärmeträgerfluid entsprechend von oben nach unten durchströmt wird. Eine Durchströmung des Verdampfungskanals von unten nach oben ist sinnvoll, da der heiße Dampf der verdampften Flüssigkeit physikalisch bedingt, also ohne eine zwingend benötigte Pumpe oder Ventilator, den Verdampfungskanal oben aus seiner Dampfaustrittsöffnung verlässt. Expediently, the at least one evaporation channel and / or the at least one heat carrier fluid channel extend between two opposite sides of the container, for example in the vertical direction. The evaporation and heat transfer fluid channels can run at least substantially parallel to one another. Advantageously, the evaporation channel and the heat transfer fluid channel are countercurrent channels. For example, the evaporation channel can be traversed by a liquid to be evaporated from bottom to top, whereas the heat transfer fluid channel is flowed through by a heat transfer fluid from top to bottom. A flow through the evaporation channel from bottom to top is useful because the hot steam of the evaporated liquid physically, ie without a mandatory pump or fan, the evaporation channel leaves the top of its steam outlet.
Bevorzugt sind der mindestens eine Verdampfungskanal und/oder der mindestens eine Wärmeträgerfluidkanal als Rohrleitungen, insbesondere als geradlinige, hohlzylindrische Rohrleitungen und/oder als insbesondere geradlinige Schächte mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Der Aufbau des Behälters mit den Kanälen kann also dem eines Rohrbündelwärmeübertrager und/oder Plattenwärmeübertragers ähneln. Insbesondere hohlzylindrische Rohrleitungen sind in den unterschiedlichsten Ausführungen auf dem Markt erhältlich, leicht herzustellen und kostengünstig zu erwerben.Preferably, the at least one evaporation channel and / or the at least one heat transfer fluid duct are designed as pipelines, in particular as rectilinear, hollow cylindrical pipelines and / or in particular rectilinear ducts with an at least substantially rectangular cross section. The construction of the container with the channels can therefore be similar to that of a shell-and-tube heat exchanger and / or plate heat exchanger. In particular, hollow cylindrical pipes are available in a variety of designs on the market, easy to manufacture and inexpensive to purchase.
Zusätzlich oder alternativ zu dem mindestens einen Wärmeträgerfluidkanal können die Heizmittel eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung, insbesondere eine Widerstandsheizung, eine Strahlungsheizung und/oder eine Induktionsheizung, umfassen.In addition or as an alternative to the at least one heat carrier fluid channel, the heating means may comprise an electrically operated heating device, in particular a resistance heater, a radiant heater and / or an induction heater.
Die zuvor erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Dampfbadsaunaanlage gelöst, die eine Saunakabine, eine Verdampfungseinrichtung der zuvor beschriebenen Art und ein Energiebereitstellungssystem aufweist. Hierbei wird das Energiebereitstellungssystem insbesondere von Windenergie und/oder Sonnenenergie und/oder sonstigen ökologisch nachhaltigen Energiequellen gespeist und ist über Leitungen mit den Heizmitteln der Verdampfungseinrichtung verbunden. Da die Dampfbadsaunaanlage ein eigenes Energiebereitstellungssystem aufweist, kann sie unabhängig vom Vorhandensein eines allgemeinen Stromnetzes betrieben werden. Durch den Einsatz ökologisch nachhaltiger Energiequellen werden während dem Betrieb der Dampfbadsaunaanlage keine Schadstoffe oder Treibhausgase erzeugt, wie dies bei klassischen Saunas, die mit Holz oder Gas betriebenen werden, der Fall ist.The aforementioned object is also achieved by a steam bath sauna system having a sauna room, an evaporation device of the type described above and an energy supply system according to the invention. Here, the energy supply system is fed in particular by wind energy and / or solar energy and / or other ecologically sustainable energy sources and is connected via lines with the heating means of the evaporation device. Because the Steam bath sauna has its own energy supply system, it can be operated independently of the presence of a general power grid. Through the use of ecologically sustainable energy sources, no pollutants or greenhouse gases are produced during operation of the steam bath sauna system, as is the case with classic saunas operated with wood or gas.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Energiebereitstellungssystem eine Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie, insbesondere einen solarthermischen Kollektor zum Umwandeln von Sonnenenergie in thermische Energie und/oder einen aerothermischen Generator zum Umwandeln von Windenergie in thermische Energie. Sowohl der solarthermische Kollektor als auch der aerothermische Generator erzeugen einen heißen Wärmeträgerfluidstrom. Die an den Enden des Wärmeträgerfluidkanals angeordneten Anschlüsse des Wärmeträgerfluidkanals sind über Wärmeträgerfluidleitungen unter Bildung eines geschlossenen Wärmeträgerfluidkreislaufs mit der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie verbunden. Zweckmäßigerweise ist in einer Wärmeträgerfluidleitung zwischen der Verdampfungseinrichtung und der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie eine Pumpe zum Bewegen eines Wärmeträgerfluides innerhalb des Wärmeträgerfluidkreislaufs angeordnet.According to one embodiment of the invention, the energy supply system comprises a thermal energy supply device, in particular a solar thermal collector for converting solar energy into thermal energy and / or an aerothermal generator for converting wind energy into thermal energy. Both the solar thermal collector and the aerothermal generator generate a hot heat transfer fluid stream. The arranged at the ends of the heat transfer fluid duct connections of the heat transfer fluid duct are connected via heat transfer fluid to form a closed heat transfer fluid circuit with the supply device for thermal energy. Conveniently, a pump for moving a heat transfer fluid within the heat transfer fluid circuit is arranged in a heat transfer fluid between the evaporation device and the supply device for thermal energy.
Vorteilhaft umfasst die Dampfbadsaunaanlage weiter einen Wärmeträgerfluidanschluss zum Zuführen und/oder Nachfüllen von Wärmeträgerfluid in den Wärmeträgerfluidkreislauf, der über ein Leitungsstück mit einer der Wärmeträgerfluidleitungen fluidverbunden ist. Ein Nachfüllen des Wärmeträgerfluides ist in regelmäßigen Zeitabständen beispielsweise aufgrund von kleinen Leckagen nötig. Das Wärmeträgerfluid kann Thermoöl, Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel sein und ist insbesondere ein zweiphasiges Wärmeträgerfluid. Advantageously, the steam bath sauna installation further comprises a heat transfer fluid connection for supplying and / or refilling heat transfer fluid into the heat transfer fluid circulation, which is fluidly connected to one of the heat transfer fluid conduits via a line section. A refilling of the heat transfer fluid is necessary at regular intervals, for example due to small leaks. The heat transfer fluid may be thermal oil, water or a mixture of water and antifreeze and is in particular a two-phase heat transfer fluid.
Im Falle des Einsatzes eines zweiphasigen Wärmeträgerfluides ist die Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie bevorzugt derart ausgebildet, dass das Wärmeträgerfluid, insbesondere Wasser, bei einem Wärmeeintrag in der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie verdampft, um im dampfförmigen Zustand dem Wärmeträgerfluidkanal der Verdampfungseinrichtung zugeleitet zu werden. Innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals kondensiert das dampfförmige Wärmeträgerfluid dann unter Abgabe von thermischer Energie an den Aufnahmeraum, wodurch wiederum ein darin befindliches Phasenwechselmaterial aufschmilzt.In the case of the use of a two-phase heat transfer fluid, the thermal energy delivery device is preferably designed such that the heat transfer fluid, in particular water, evaporates when heat is introduced into the thermal energy supply device in order to be supplied to the heat transfer fluid duct of the evaporation device in the vapor state. Within the heat transfer fluid channel, the vaporous heat transfer fluid then condenses with the release of thermal energy to the receiving space, which in turn melts a phase change material located therein.
Durch die Verdampfung des Wärmeträgerfluides in der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie kann die von derselben zur Verfügung gestellte thermische Energie optimal ausgenutzt werden. Da sowohl das Wärmeträgerfluid als auch das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel vollziehen und dabei bei beiden Stoffen die Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt, wird zur Erzeugung eines ausreichenden Wärmestromes nur eine geringe Temperaturdifferenz benötigt. Eine geringere Temperaturdifferenz führt wiederum zu einer geringeren Entropieerzeugung und dadurch einer geringeren Exergievernichtung. Zudem kann bei einem zweiphasigen Betrieb des Wärmeträgerfluidkreislaufs durch die zusätzlich ausgenutzte Verdampfungsenthalpie verglichen mit einem einphasigen Betrieb des Wärmeträgerfluidkreislaufs eine größere Wärmemenge transportiert werden. By the evaporation of the heat transfer fluid in the thermal energy supply device, the thermal energy provided by the latter can be optimally utilized. Since both the heat transfer fluid and the phase change material undergo a phase change while the temperature remains substantially constant in both substances, only a small temperature difference is needed to generate a sufficient heat flow. A lower temperature difference in turn leads to a lower entropy production and thus a lower Exergievernichtung. In addition, in a two-phase operation of the heat transfer fluid circuit by the additionally exploited evaporation enthalpy compared with a single-phase operation of the heat transfer fluid circuit, a larger amount of heat to be transported.
Zusätzlich oder alternativ kann das Energiebereitstellungssystem eine Bereitstellungsvorrichtung für elektrische Energie, insbesondere eine Photovoltaikanlage zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie und/oder einen Windgenerator zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie, umfassen. Die erzeugte elektrische Energie kann in einem elektrischen Energiespeicher, also einer Batterie, gespeichert werden, wird jedoch bevorzugt direkt in thermische Energie umgewandelt. Beispielsweise ist die Bereitstellungsvorrichtung für elektrische Energie über eine elektrische Leitung mit der elektrisch betriebenen Heizvorrichtung der Verdampfungseinrichtung verbunden, um dieser die erzeugte elektrische Energie direkt zuzuführen. Additionally or alternatively, the energy delivery system may include an electrical energy delivery device, in particular a photovoltaic system for converting solar energy into electrical energy and / or a wind generator for converting wind energy into electrical energy. The generated electrical energy can be stored in an electrical energy store, ie a battery, but is preferably converted directly into thermal energy. For example, the electrical energy supply device is connected via an electrical line to the electrically operated heating device of the evaporation device in order to supply the generated electrical energy directly to it.
Zweckmäßigerweise ist eine Steuerung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Abgabe von thermischer Energie an den Aufnahmeraum der Verdampfungseinrichtung zu regeln. Die Steuerung ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Strömung des Wärmeträgerfluides innerhalb des Wärmeträgerfluidkreislaufs zu regeln. Eine solche Regelung kann in einem Erhöhen oder Erniedrigen der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgerfluides und/oder in einem Schließen oder Öffnen von Ventilen innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals bestehen. Durch Regelung der Strömung des Wärmeträgerfluides wird die Zeit gesteuert, die das Wärmeträgerfluid in thermischem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial steht.Conveniently, a control is provided, which is adapted to regulate the delivery of thermal energy to the receiving space of the evaporation device. The controller is preferably configured to regulate the flow of the heat carrier fluid within the heat transfer fluid circuit. Such a control may consist in increasing or decreasing the flow rate of the heat transfer fluid and / or in closing or opening valves within the heat transfer fluid channel. By controlling the flow of the heat transfer fluid, the time is controlled that the heat transfer fluid is in thermal contact with the phase change material.
Vorteilhafterweise befindet sich die Verdampfungseinrichtung innerhalb der Saunakabine und steht die Dampfaustrittsöffnung der Verdampfungseinrichtung in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Saunakabine. Auf diese Weise tragen Wärmeverluste der Verdampfungseinrichtung zur Aufheizung der Saunakabine bei. Advantageously, the evaporation device is located inside the sauna cabin and the steam outlet opening of the evaporation device is in fluid communication with the interior of the sauna cabin. In this way, heat losses of the evaporation device contribute to the heating of the sauna cabin.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Dampfbadsaunaanlage einen thermoelektrischen Generator zum Umwandeln von in dem sich in dem Aufnahmeraum befindlichen Phasenwechselmaterial gespeicherter thermischer Energie in elektrische Energie umfassen, um in der Dampfbadsaunaanlage benötigte elektrische Geräte zu betreiben. Bei diesen Geräten kann es sich beispielsweise um Beleuchtungen, Pumpen, etc. handeln.In a further embodiment of the invention, the steam bath sauna system can be a thermoelectric generator for converting in the comprise stored in the receiving space phase change material stored thermal energy into electrical energy to operate in the steam bath sauna equipment required electrical equipment. These devices may be, for example, lights, pumps, etc.
Der zuvor beschriebene vorteilhafte zweiphasige Betrieb des Wärmeträgerfluidkreislaufs mit Hilfe eines zweiphasigen Wärmeträgerfluides ist nicht auf Verdampfungseinrichtungen beschränkt. Daher betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt eine Heizanlage, insbesondere für den Betrieb einer Sauna, mit einem Behälter, der einen Aufnahmeraum für ein Phasenwechselmaterial definiert, und mindestens einem Wärmeaufnahmekanal, der innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist und vom Aufnahmeraum abgegebene thermische Energie aufnehmen kann.The above-described advantageous two-phase operation of the heat transfer fluid circuit with the aid of a two-phase heat transfer fluid is not limited to evaporation devices. Therefore, in a further aspect, the invention relates to a heating system, in particular for the operation of a sauna, with a container defining a receiving space for a phase change material, and at least one heat receiving channel, which is disposed within the receiving space and can absorb thermal energy emitted from the receiving space.
Die zuvor erwähnte Aufgabe wird bei einer derartigen Heizanlage dadurch gelöst, dass innerhalb des Aufnahmeraums mindestens ein Wärmeträgerfluidkanal angeordnet ist, der endseitig über Wärmeträgerfluidleitungen unter Bildung eines geschlossenen Wärmeträgerfluidkreislaufs mit einer Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie, insbesondere einem solarthermischen Kollektor und/oder einem aerothermischen Generator, verbunden ist. Zudem ist die Heizanlage mittels einer Steuerung derart gesteuert, dass ein in dem Wärmeträgerfluidkreislauf zirkulierendes Wärmeträgerfluid während des Betriebs der Heizanlage die Phase wechselt, wobei das Wärmeträgerfluid in der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie durch Wärmeeintrag verdampft und später im Wärmeträgerfluidkanal durch Abgabe von thermischer Energie an den Aufnahmeraum kondensiert.The aforementioned object is achieved in such a heating system in that within the receiving space at least one heat transfer fluid channel is arranged, the ends connected via heat transfer fluid to form a closed heat transfer fluid circuit with a supply device for thermal energy, in particular a solar thermal collector and / or an aerothermal generator is. In addition, the heating system is controlled by means of a control such that circulating in the heat transfer fluid circuit heat transfer fluid during operation of the heating system changes phase, wherein the heat transfer fluid evaporated in the supply device for thermal energy by heat input and later in the heat transfer fluid channel by emitting thermal energy to the receiving space condensed.
Die sich durch den Phasenwechsel des Wärmeträgerfluides innerhalb des Wärmeträgerfluidkreislaufs ergebenden Vorteile wurden bereits bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Dampfbadsaunaanlage ausführlich erläutert. Insbesondere erhöht sich bei einem zweiphasigen Betrieb des Wärmeträgerfluidkreislaufs die Energieeffizienz der Heizanlage.The advantages resulting from the phase change of the heat carrier fluid within the heat transfer fluid circuit have already been explained in detail in the description of the steam bath sauna system according to the invention. In particular, in a two-phase operation of the heat transfer fluid circuit increases the energy efficiency of the heating system.
Zweckmäßigerweise ist der Wärmeaufnahmekanal derart ausgebildet, dass in ihm ein beliebiges Fluid erhitzbar ist. Hierfür kann der Wärmeaufnahmekanal an seinem einen Ende eine Lufteintrittsöffnung und an seinem anderen Ende eine Luftaustrittsöffnung oder an seinem einen Ende einen Anschluss für eine Zuleitung für eine unter Wärmeaufnahme zu verdampfende Flüssigkeit und an seinem anderen Ende eine Dampfaustrittsöffnung aufweisen. Der Wärmeaufnahmekanal kann somit je nach seiner Ausbildung auch als Verdampfungskanal verwendet werden. Bezüglich der Vorteile eines solchen Verdampfungskanals gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdampfungseinrichtung verwiesen.Conveniently, the heat receiving channel is formed such that in it any fluid can be heated. For this purpose, the heat receiving channel at its one end an air inlet opening and at its other end an air outlet opening or at one end a connection for a supply line for a heat absorption to be evaporated liquid and at its other end a steam outlet opening. The heat receiving channel can thus be used as an evaporation channel depending on its design. With regard to the advantages of such an evaporation channel compared to the solutions of the prior art, reference is made to the statements in connection with the evaporation device according to the invention.
Bevorzugt umfasst die Heizanlage zumindest einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Wärmeträgerfluides und/oder zumindest einen Drucksensor zum Messen des Drucks des Wärmeträgerfluides. Vorteilhaft umfasst die Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung, insbesondere eine Widerstandsheizung, eine Strahlungsheizung und/oder eine Induktionsheizung, zum Aufheizen des Wärmeträgerfluides und/oder des Phasenwechselmaterials. Die Heizanlage kann auch eine Druckregulierungsvorrichtung zum Einstellen des Drucks des Wärmeträgerfluides umfassen. In diesem Fall kann die Heizanlage mittels der Steuerung derart gesteuert sein, dass sich die Verdampfungstemperatur des Wärmeträgerfluides verändern lässt, indem der Druck des Wärmeträgerfluides mittels der Druckregulierungsvorrichtung verändert wird. In einem Beispiel kann es sich bei dem Wärmeträgerfluid um Wasser handeln und kann die Heizanlage mittels der Steuerung derart gesteuert sein, dass sich die Verdampfungstemperatur des Wassers beispielsweise von 100 °C auf 130 °C erhöhen lässt, indem der Wasserdruck mittels der Druckregulierungsvorrichtung beispielsweise von 1 bar auf 2,7 bar erhöht wird. Handelt es sich bei dem Phasenwechselmaterial, das sich im Aufnahmeraum des Behälters der Verdampfungseinrichtung befindet, insbesondere um ein Material mit einer Schmelztemperatur zwischen 110 °C und 120 °C, wie beispielsweise Erythritol mit einer Schmelztemperatur von in etwa 120 °C, so kann das Phasenwechselmaterial problemlos aufgeschmolzen werden. The heating system preferably comprises at least one temperature sensor for measuring the temperature of the heat carrier fluid and / or at least one pressure sensor for measuring the pressure of the heat carrier fluid. Advantageously, the provision device for thermal energy comprises an electrically operated heating device, in particular a resistance heater, a radiant heater and / or an induction heater, for heating the heat transfer fluid and / or the phase change material. The heating system may also include a pressure regulating device for adjusting the pressure of the heat transfer fluid. In this case, the heating system can be controlled by the controller such that the evaporation temperature of the heat transfer fluid can be changed by the pressure of the heat transfer fluid is changed by the pressure regulating device. In one example, the heat transfer fluid may be water, and the heating system may be controlled by the controller such that the evaporation temperature of the water may be increased, for example, from 100 ° C to 130 ° C by adjusting the water pressure by means of the pressure regulating device, for example, from FIG bar is increased to 2.7 bar. If it is the phase change material, which is located in the receiving space of the container of the evaporation device, in particular a material having a melting temperature between 110 ° C and 120 ° C, such as erythritol with a melting temperature of about 120 ° C, so can the phase change material be easily melted.
Bezüglich weiterer möglicher Ausgestaltungen des Behälters, des Wärmeträgerfluidkreislaufes sowie der Wärmeaufnahme- und Wärmeträgerfluidkanäle und deren Vorteile wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung der erfindungsgemäßen Verdampfungseinrichtung beziehungsweise der erfindungsgemäßen Dampfbadsaunaanlage verwiesen.With regard to further possible embodiments of the container, the heat transfer fluid circuit and the heat absorption and heat transfer fluid channels and their advantages, reference is made to avoid repetition on the above description of the evaporation device according to the invention or the steam bath sauna invention.
Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Heizanlagen weisen also gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Heizanlagen, die mit thermischer Energie betrieben werden, die in einem Phasenwechselmaterial gespeichert ist, eine gesteigerte Effizienz auf. The above-described heating systems according to the invention thus have an increased efficiency compared to the heating systems known from the prior art, which are operated with thermal energy stored in a phase change material.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Verdampfungseinrichtung sowie jeweils einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfbadsaunaanlage und einer erfindungsgemäßen Heizanlage unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. In der Zeichnung zeigt:Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of two embodiments of an evaporation device according to the invention and in each case one embodiment of a Dampfbadsaunaanlage invention and a heating system according to the invention with reference to the accompanying drawings clearly. In the drawing shows:
Die
Die Verdampfungseinrichtung
Erfindungsgemäß ist innerhalb des Aufnahmeraumes
Der Wärmeträgerfluidkanal
Der Aufnahmeraum
Die
Auf eine ähnliche Weise verzweigt sich der Wärmeträgerfluidkanal
Die
Die Dampfbadsaunaanlage
Die Dampfbadsaunaanlage
Des Weiterem umfasst die Dampfbadsaunaanlage
Bei der zu verdampfenden Flüssigkeit
Während des Betriebs der Dampfbadsaunaanlage
Die Dampfbadsaunaanlage
Während einem Entladungsvorgang des Phasenwechselmaterials
Je nachdem zu welcher Tages- und/oder Nachtzeit die Dampfbadsaunaanlage benutzt wird, erfolgen die Be- und Entladung des Phasenwechselmaterials
Die
Dementsprechend unterscheidet sich der Betrieb der Heizanlage
Bezüglich weiterer Vorteile der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verdampfungseinrichtungen sowie der erfindungsgemäßen Dampfbadsaunaanlage und/oder der erfindungsgemäßen Heizanlage wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Beschreibungsteil verwiesen.With regard to further advantages of the above-described evaporation devices according to the invention and of the steam bath sauna installation according to the invention and / or the heating installation according to the invention, reference is made to the general description part in order to avoid repetition.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Verdampfungseinrichtung Evaporation device
- 22
- Behälter container
- 33
- Boden ground
- 44
- Pfeil arrow
- 55
- Aufnahmeraum accommodation space
- 66
- Wandung des Behälters Wall of the container
- 77
- Außenmantel outer sheath
- 88th
- Durchgangsöffnungen Through openings
- 99
- Widerstandsheizung resistance heating
- 1010
- Wärmeträgerfluidkanal Heat transfer fluid channel
- 1111
- Ende des Wärmeträgerfluidkanals End of the heat transfer fluid channel
- 1212
- Ende des Wärmeträgerfluidkanals End of the heat transfer fluid channel
- 1313
- Wärmeträgerfluidleitung Heat transfer fluid line
- 1414
- Wärmeträgerfluidleitung Heat transfer fluid line
- 1515
- Wärmeaufnahmekanal Heat absorption channel
- 1616
- Ende des Wärmeaufnahmekanals End of the heat absorption channel
- 1717
- zu verdampfende Flüssigkeit liquid to be evaporated
- 17a17a
- flüssiges Frischwasser liquid fresh water
- 17b17b
- Frischwasserdampf Fresh water vapor
- 18 18
- Ende des Wärmeaufnahmekanals End of the heat absorption channel
- 1919
- Dampf- und/oder Luftaustrittsöffnung Steam and / or air outlet opening
- 2020
- Phasenwechselmaterial (PCM) Phase change material (PCM)
- 20a20a
- festes PCM solid PCM
- 20b20b
- flüssiges PCM liquid PCM
- 2121
- Kanalabschnitt des Wärmeaufnahmekanals Channel section of the heat-receiving channel
- 2222
- Kanalabschnitt des Wärmeaufnahmekanals Channel section of the heat-receiving channel
- 2323
- Kanalabschnitt des Wärmeträgerfluidkanals Channel section of the heat transfer fluid channel
- 2424
- Kanalabschnitt des Wärmeträgerfluidkanals Channel section of the heat transfer fluid channel
- 2525
- Ventil Valve
- 2626
- Dampfbadsauna(anlage) Steam bath (plant)
- 2727
- Saunakabine sauna cabin
- 2828
- Innenraum inner space
- 2929
- Sitz- und/oder Liegebank Sitting and / or sunbathing bench
- 3030
- Energiebereitstellungssystem Energy supply system
- 3131
- Bereitstellungsvorrichtung für elektrische Energie (z.B. Windgenerator) Electric power supply device (e.g., wind generator)
- 3232
- elektrische Leitung electrical line
- 3333
- Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie (z.B. solarthermischer Kollektor) Thermal energy delivery device (e.g., solar thermal collector)
- 3434
- Wärmeträgerfluid Heat transfer fluid
- 34a34a
- flüssiges Wärmeträgerfluid liquid heat transfer fluid
- 34b34b
- dampfförmiges Wärmeträgerfluid vaporous heat transfer fluid
- 3535
- Wärmeträgerfluidanschluss Heat transfer fluid connection
- 3636
- Leitungsstück line section
- 3737
- Pumpe pump
- 3838
- Steuerung control
- 3939
- Frischwasserleitung Fresh water pipe
- 4040
- Frischwasseranschluss Fresh water connection
- 4141
- Heizanlage heating system
- 4242
- Lufteintrittsöffnung Air inlet opening
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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-
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