DE2030833C3 - Wärmespeicher-Heizkessel für Warmwasser-Heizungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher-Heizkessel für Warmwasser-Heizungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem bekannten Elektro-Wärmespeicher-Heizkessel mit diesen Merkmalen (DT-Gbm 69 01 982) wird der primäre Luftkreislauf durch ein Gebläse sowie ein im oberen Bereich der Speicherkernkanäle angeordneics Lochplattenpaar gesteuert, das eine Art Ventileinrichtung bildet, die von außerhalb des Speichers betätigt werden kann, um für den Primärkreis eine mehr oder weniger große Luftdurchtrittsfläche zur Verfugung zu stellen. Der Wärmeaustauscher des bekannten Wärmespeicher-Heizkessels hat außer senkrecht verlaufenden, Seitenwände bildenden Wasserräumen auch deckel- und bodenseitige Wasserräume.

Das Gebläse ist temperaturabhängig in seiner Drehzahl regelbar und in seiner Drehrichtung umkehrbar, um während der Aufladung des Speicherkerns die durch natürlichen Wärmeauftrieb bewirkte innere Luftumwälzung zu unterbinden. Es ist jedoch nicht möglich, den inneren Luftkreislauf über* ein in seiner Drehzahl durch eine die jeweilige Speicherkerntemperatur erfassende Vorrichtung gesteuertes Gebläse so weit zu unterbinden, daß während der Nachtstunden, wenn der Speicherkern aufgeladen wird, die Vorlauftemperatur auf einem gewünschten niedrigen Wert bleibt.

Bei dem bekannten Wärmespeicher-Heizkessel bereitet es auch Schwierigkeiten, mittels des in Schließstellung befindlichen Lochplattenpaars im primären Luftkreislauf den selbsttätigen inneren Luftkreislauf während des Ladevorganges des Speicherkerns völlig zu unterbinden, weil das Lochplattenpaar im oberen Bereich der Speicherkernkanäle angeordnet ist. In diesem Bereich ist das spezifische Gewicht der Luft bei einer Speicherkerntemperatur von 700°C wesentlich kleiner als bei der Entladetemperatur von etwa 90' C. Infolgedessen wirken sich selbst geringfügige Undichtigkeiten bei geschlossenem Lochplattenpaar in erhöhtem Maß aus. Da ferner beim Ladevorgang die Heißluft, die das Lochplattenpaar infolge etwaiger Undichtigkeiten passiert, über den oberen Sammelraum den deckelseitigen Wasserraum ständig beaufschlagt, steigt die Vor'auftemperatur weiter an. Schließt das Lochplattenpaar dagegen dicht, so tritt folgendes ein: Die bei der Aufladung über die Entladetemperatur erhitzte Luft dehnt sich aus. Diese Volumenzunahme kann sich infolge der Anordnung des Lochplattenpaares oberhalb der Speicherkern-Kanäle nur nach unten in den unteren Sammelraum auswirken, der mit den äußeren Kanälen kommuniziert. Auf Grund der kontinuierlich zunehmenden Luftausdehnung erfolgt in den äußeren Kanälen eine Aufheizung der dort befindlichen kälteren Luft in einer Art Mischvorgang, da die heiße Luft nach oben zu steigen bestrebt ist. Die Lufttemperatur im Wärmeaustauscher und damit die Vorlauftemperatur steigen um so mehr, als die sich in den Speicherkernkanälen nach unten ausdehnende Luft am bodenseitigen Wasserraum vorbeistreicht, in den das rücklaufende Heizwasser eingeleitet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen unerwünschten Wärmeübergang zwischen Heißluft aus den Speicherkernkanälen und Heizwasser beim Ladevorgang wirksam zu unterbinden und beim Entladevorgang den Luflkreislauf besser beherrschbar zu machen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß zwei sich entlang dem Speicherkern erstreckende Wasserräume vorhanden sind und die Ventileinrichtung im Bereich der unteren Kanalenden angeordnet ist.

Bei dem Heizkessel nach der Erfindung befindet sich die Ventileinrichtung dort, wo die Primärluft nach der Wärmeabgabe das größte spezifische Gewicht hat und demzufolge die von der Vorlauftemperatur gesteuerten Änderungen des Durchgangsquerschnittes im Ventilbereich den primären Luftkreislauf beim Entladevorgang wirksamer beeinflussen als bei Anordnung der Ventil-

einrichtung im Bereich der oberen Kanalenden. Etwaige Undichtigkeiten in der Ventileinrichtung verursachen Weniger leicht einen unerwünschten Luftkreislauf. Ferner sind durch das Vorhandensein von nur zwei sich entlang des Speicherkerns erstreckenden Wasserräumen boden- und deckelseitige Wasserräume vermieden, die durch einen etwaigen unerwünschten Luftkreisiauf beim Ladevorgang einen zusätzlichen Wärmeaustausch herbeiführen.

Der Wärmespeicher-Heizkessel gemäß der Erfindung arbeitet mit natürlichem Wärmeauftrieb. In den außerhalb der Wärmedämmschichten angeordneten senkrechten Luftkanälen wird die Luft wegen des durch die Wasserräume verursachten Wärmeentzugs zunehmend schwerer und fällt nach unten, wogegen die in den inneren Kanälen des Speicherkerns erhitzte Luft die Tendenz zum Steigen hat. Hierdurch entsteht ein selbsttätiger Primär-Luftkreislauf, bei dem ein Wärmetausch im Gegenstrom-Prinzip stattfindet, da das Jieizungswasser in den Wasserräumen wie üblich bei $er Erwärmung von unten nach oben steigt.

Die von der Vorlauftemperatur gesteuerte Ventileinrichtung sorgt dafür, daß der Zwangsumlauf der Luft je nach dem Wärmebedarf mehr oder weniger gedrosselt

Während des Ladevorganges wird die Ventileinrichtung mit dem Einschalten der Ladung geschlossen. Dann wird das Heizungswasser in den Wasserräumen durch direkte Wärmeleitung über die Wärmedämmschichten auf einer für die Nacht ausreichenden Temperatur von etwa 35"C gehalten, da ein Wärmeverlust durch Abstrahlung nach außen durch eine äußere Isolierung weitgehend verhindert wird.

Soweit bisher beschrieben, findet der Luftkreislauf durch die Speicherkernkanäle und die äußeren Luftkanäle neben den Wasserräumen allein statt. Bei geringer Wärmeanforderung könnte die Ventilsteuerung insoweit überfordert werden, als bei aufgeladenem Speichel kern, d. h. sehr heißer Primärluft, der Kreislauf feinfühlig sehr weit gedrosselt werden müßte. In weiterer Ausgestaltung wird das über die Wärmedämmschichten eingestellte Temperaturgefälle mit dem Ziele zum Wärmeaustausch herangezogen, die Anforderungen an die Genauigkeit der Arbeitsweise der Ventileinrichtung zu mindern. Hierzu sieht die Erfindung ein weiteres die beiden Sammelräume verbindendes, die Wärmedämmschichten durchziehendes Kanalpaar vor. wobei den unteren Enden der gleichwirkenden Kanäle je eine Kammer zugeordnet ist, von denen die dem Kanalpaar der Wärmedämmschichten zugeordnete Zwischenkammer über die Ventileinrichtung bei Beginn der Entladung mit der dem äußeren Kanalpaar zugeordneten äußeren Kammer verbindbar ist, bevor die Ventileinrichlung den Luftkreislauf über die Kanäle des Speicherkerns freigibt. Hierdurch wird erreicht, daß bei geringer Wärmeanforderung ein Luftkreislauf allein zwischen den Kanälen in den Wärmedämmschichten und den äußeren, an den Wasserräumen entlangführenden Luftkanälen stattfindet, die immer in einer Zone niedriger Temperatur liegen. Die Entladung des Speicherkerns bzw. die Nutzbarmachung der sehr heißen Luft aus den Speicherkernkanälen selbst wird dadurch verzögert, denn erst bei Bedarf wird der Speicherkern konvektiv in den Luftkreislauf einbezogen. Die den gleichwirkenden Kanälen zugeordneten Kammern sowie die Ventileinrichtung befinden sich im Bereich der unteren Kanalenden. Die Ventileinrichtung kann aus teleskopartig nacheinander nach oben

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45 abhebenden Ventilplatten bestehen, von denen die untere Platte die äußere, mit dem äußeren Luftkanalpaar in Verbindung stehende Kam>ner gegen die Außenluft abdichtet und bei Unterdruck im Kessel selbsttätig in der Art eines Saugventils öffnet und von denen eine mittlere und obere Ventilplatte bei der Entladung des Speicherkerns in gleitendem Abheben zuerst die äußere Kammer mit der Zwischenkammer und zuletzt die den Speicherkernkanälen zugeordnete innere Kammer mit den beiden anderen Kammern verbinden.

Die Anordnung der einzelnen Kammern und der Ventileinrichtung im Bereich der unteren Kanalenden hat zur Folge, daß die Ventilplatten nicht nur durch ihr Eigengewicht selbsttätig schließen, sondern auch bei einem sich innerhalb der Kanäle einstellenden Unterdruck zum Ansaugen von Außenluft selbsttätig öffnen, was insbesondere für die die äußere Kammer nach außen hin absperrende untere Ventilplatte gilt. Wenn nämlich die während der Kernladung erhitzte Luft sich temperaturabhängig ausgedehnt hat, wobei zur Sicherung des Kessels Luftvolumen über ein Überdruckventil abgeblasen wurde, stellt sich nach beendeter Ladung, wenn sämtliche Ventile geschlossen bleiben und absolut dicht wären (was in dei Praxis nicht möglich sein wird), allmählich ein Unterdruck gegenüber der äußeren Atmosphäre ein.

Für den völlig abgeschlossenen, theoretisch dichten Kessel ist der obere Sammelraum das Ausgleichsgefäß für Druck und Unterdruck im Inneren des Kessels. Es kommt dabei zu keinem Kreislauf der Luft, weil kein Ausgleich von einem höheren zu einem niedern Potential stattfinden kann, solange die Ventile geschlossen bleiben. Die Ventile bieten, entsprechend ihrer fabrikationsmäßig erzielbaren Dichtheit, gegenüber einem ständigen Potentialausgleich einen mehr oder weniger großen Widerstand. Die in den Kanälen verbleibenden Luftmassen halten sich daher im Kessel selbst das Gleichgewicht. Erst wenn das untere Ventil öffnet, findet ein Ausgleich über sämtliche Kanäle mit der äußeren Atmosphäre statt. Warmluft kann jedenfalls niemals aus dem geöffneten unteren Ventil entweichen, weil sie stets leichter ist als die Luft der Atmosphäre.

Die Ventileinrichtung wird durch die Vorlauftemperatur so gesteuert, daß die vorgewählte Temperatur durch den Luftkreislauf in den äußeren Kanälen, den Kanälen der Wärmedämmschichten und/oder den Kanälen des Speicherkerns aufrechterhalten wird, je nachdem welches Temperaturpotential der Luft unter Berücksichtigung des Entladungszustandes des Speicherkerns zur Aufrechterhaltung der Vorlauftemperatur in Anspruch genommen werden muß.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Wärmespeicher-Hei/kessels gemäß der Erfindung dargestellt und nachstehend beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Heizkessel im senkrechten Längsmittelschnitt und

F i g. 2 einen Querschnitt nach de· Linie 11-11 in F i g. Der Heizkessel besteht aus einem Speicherkern l.der durch nicht dargestellte Mittel durch Nachtstrom aufladbar ist, je einer den Speicherkern umgebenden Wärmedämmschicht 2 und einem äußeren Gehäusemanlel 20 aus Isolierstoff. Der Speicherkern 1 ist von i drei senkrechten Luftkanälen 3 durchzogen. Jede der Wärmedämmschichten 2 hat einen Luftkanal Außerhalb der Wärmedämmschichten 2, die im übrigen vorzugsweise aus Steinwolle bestehen, sind Rohre 6 als

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Wasserräume angeordnet, die das zu erwärmende Heizwasser aufnehmen und mit den zwischen den Wasserräumen 6 und den Wärmedämmschichten 2 liegenden Luftkanälen 7 einen Wärmeaustauscher zur Übertragung der Luftwärme auf das Heizungswasser bilden. Die Rohre 6 weisen oben eine Querverbindung 8 und unten eine Querverbindung 9 auf, wobei der Heizungsvorlauf an die obere Querverbindung 8 und der Heizungsrücklauf an die untere Querverbindung 9 angeschlossen ist. Die Rohre 6 haben in die Kanäle 7 hineinragende Lamellen 6a, wie aus F i g. 2 zu ersehen ist.

Die Luftkanäle 3, 4 und 7 münden oben in einen Sammelraum 10 und unten in einen unterteilten Sammelraum 11, 11a, 12 ein. Die Unterteilung dieses unteren freien Raumes durch die wannenförmigen Elemente 14 und 15 in die den unteren Kanalenden zugeordneten Kammern 11, 12, 11a hängt damit zusammen, daß im Ausführungsbeispiel die in den Kanälen 4 der Wärmedämmschichten 2 aufsteigende Luft niedriger Temperatur auch allein oder in Mischung mit der heißen Luft aus den Kernkanälen 3 zum Wärmetausch herangezogen werden soll.

Hierzu dient im Zusammenwirken mit der erwähnten Unterteilung des unteren Sammelraumes eine Ventileinrichtung mit den Ventilplatten 16, 17, 18, die teleskopartig nacheinander zum Abheben von ihren Sitzen gebracht werden können, indem die an der untersten Ventilplatte 16 kleinster Abmessung befestigte Stellstange 22 durch einen Schwenkhebel 23 hochgesteuert wird. Der Schwenkhebel 23 ist temperaturgesteuert, und zwar schwenkt er aus seiner untersten Lage, die er beim Aufladen des Speicherkerns einnimmt, um so mehr nach oben, je mehr die Vorlauftemperatur von dem eingestellten Sollwert nach unten abweicht und umgekehrt. Die Einrichtung zum temperaturabhängigen Betätigen der Ventileinrichtung 16, 17, 18 ist nicht dargestellt.

Beim Ladevorgang liegen — wenn nicht in kalten Nächten Wärme angefordert wird — alle Ventilplatten auf ihren Sitzen, wobei die untere Platte 16 in der Art eines Saugventils eine öffnung 20a im Gehäusemantel 20 absperrt. Die mittlere Ventilplattt 17 verschließt die öffnung 15a des wannenförmigen Elementes 15, wogegen die obere Ventilplatte 18 die öffnung 14a des wannenförmigen Elementes 14 absperrt, wenn die Stellstange 22 und der Schwenkhebel 23 in der gestrichelt dargestellten Ladestellung sind.

Wird zu einer voreingestellten Tageszeit der Heizkessel auf Entladungsbetrieb umgeschaltet, dann hebt die untere Ventilplatte 16 gesteuert um den Betrag ab, der erforderlich ist, um auch die mittlere Ventilplatte 17 von ihrem Sitz abzuheben. Da die in den äußeren Kanälen 7 befindliche Luft höchstens die Temperatur des Heizungswassers in den Röhren 6 hat, die bei aufgeladenem Speicherkern 1 stets schwerer ist als die Temperatur der Luft in den Kanälen 4 der Wärmedämmschichten 2, hat sie die Tendenz abzusinken und treibt dadurch, die öffnung 15a und die Zwischenkammer 12 durchziehend, die Luft in den Kanälen 4 nach oben. Hierdurch ergibt sich ein selbsttätiger Luftkreislauf, wobei die erwähnte hochsteigende Luft aus dem '5 oberen Sammelraum 10 nur durch die Kanäle 7 des Wärmeaustauschers absinken kann. Genügt der Wärmeinhalt der in den Wärmedäimmschichten aufgeheizten Luft nicht, um die Vorlauftemperatur auf den Sollwert zu erhöhen, so wird die Stellstange 22 weiter hochgesteuert, so daß nun die mittlere Ventilplatte 17 die obere Ventilplatte 18 abhebt und auch die innere Kammer 11 und damit die Kernkanäle 3 in den Primär-Luftkreislauf eingezogen sind. Die heißere Luft aus den Kernkanälen 3 wird unter Umständen nur kurzzeitig zum Wärmetausch herangezogen, so daß insbesondere in der ersten Zeit der Entladung die obere Ventilplatte 18 abwechselnd öffnet und schließt. Im übrigen ist durch Zwischenstellungen der Ventiiplatten 17 und 18 auch eine graduelle Drosselung des Primärkreises möglich.

Beim Entladebetrieb ist die untere Gehäuseöffnung 20a stets geöffnet, um der Volumenänderung der umlaufenden Luft Rechnung zu tragen. Es kann aber immer nur so viel Luft eintreten, wie es einem inneren Unterdruck gegenüber der Außenluft entspricht. Beim Laden des Speicherkerns ohne Wärmeanforderung ist die öffnung 20a und zumindest auch die öffnung 15,-i zwischen der äußeren Kammer 11a und der Zwischenkammer 12 geschlossen, urn jeden Luftkreislauf zu verhindern, der einen Wärmeaustausch auslösen könnte. Das in den Röhren 6 enthaltene IHeizungswasser wird dann bei der Ladung im wesentlichen durch die von den Wärmedämmschichten 2 ausgehende Strahlung aul einer mäßigen Nachttemperatur von etwa 35°C gehalten.

Der obere Sammelraum 10 kann zum Schutz dei wannenförmigen Elemente 14,15 mit einem Überdruck ventil in Verbindung stehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wärmespeicher-Heizkessel für Warmwasser-Heizungen mit einem aufladbaren Speicherkern, der s von einer Wärmedämmschicht umgeben und von senkrechten Kanälen durchzogen ist, die über je einen oberen und unteren Sammelraum miteinander in Verbindung stehen, wobei eine weitere Verbindung über einen Wärmeaustauscher führt, der aus im Abstand von der Wärmedämmschicht angeordneten, miteinander kommunizierenden und nach außen isolierten Wasserräumen für das zu erwärmende HeizwaEser besteht, mit einem geschlossenen Primärkreis für die in den Kanälen des Speicherkerns erhitzte Luft, die zur Wärmeabgabe über äußere, zwischen der Wärmedämmschicht und den Wasserräumen verlaufende Kanäle entlang den nach innen weisenden Oberflächen der Wasserräume geführt ist und deren Kreislauf über eine temperaturabhängig gesteuerte, zwischen den äußefen Kanälen und den Speicherkernkanälen wirksame Ventileinrichtung regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich entlang dem Speicherkern (1) erstreckende Wasserräume (6) vorhanden sind und die Ventileinrichtung (16,17,18) im Bereich der unteren Kanalenden angeordnet ist.

2. Wärmespeicher-Heizkessel nach Anspruch 1. «iadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres die beiden Sammelräume (10 bzw. II, 11a, 12) verbindendes, die Wärmedämmschichten (2) durchziehendes Kanalpaar (4) eingebaut ist, wobei den unteren Enden der gleichwirkenden Kanäle (3 bzw. 4 bzw. 7) je eine kammer (11 bzw. 12 bzw. lla) zugeordnet ist, von denen die dem Kanalpaar der Wärmedämmschichlen zugeordnete Zwischenkammer (12) über die Ventileinrichtung (16, 17, 18) bei Beginn der Entladung mit der dem äußeren Kanalpaar (7) zugeordneten äußeren Kammer (11 a) verbindbar ist, fcevor die Ventileinrichtung den Luftkreislauf über die Kanäle (3) des Speicherkerns freigibt.

3. Wärmespeicher-Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung Bus teleskopartig nacheinander nach oben abhebenden Venlilplatten (16, 17,18) besteht, von denen die Untere Platte (16) die äußere mit dem äußeren Luftkanal (7) in Verbindung stehende Kammer (lla) gegen die Außenluft abdichtet und bei Unterdruck Im Kessel selbstätig in der Art eines Saugventils öffnet und von denen eine mittlere und eine obere Ventilplatte (17, 18) bei der Entladung des Speicherkerns (1) in gleitendem Abheben zuerst die Üußere Kammer (lla) mit der Zwischenkammer (12) Und zuletzt die den Speicherkernkanälen (3) rugeordnete innere Kammer (11) mit den beiden anderen Kammern(lla, 12) verbinden.