DE2450847A1 - Wasserheizer - Google Patents

Description

65-23.342P(23.343H) 25. 10. 1974

Thermo Electron Corporation, Waltham, Mass. (V. St. A.)

Wasserheizer

Die Erfindung betrifft einen Heiß- oder Warmwasserheizer für Haushalts-oder gewerbliche Zwecke, insbesondere einen gasbeheizten Wasserheizer mit Kunststofftank, -behälter oder -kessel.

Herkömmliche gasbeheizte Speicher-Wasserheizer für Haushaltsoder gewerbliche Zwecke bestehen aus einem Stahlkessel, der von einer Mischrohrbrennereinrichtung beheizt wird, die einen langen Heizkanal oder ein langes Flammrohr verwendet, das mittig durch den Wasserkessel nach oben geführt ist, um die Verbrennungsprodukte abzusaugen

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und das Wasser im Wasserkessel zu heizen oder zu erwärmen. Üblicherweise erzeugen Prall- oder Ablenkplatten im Flam mrohr zusätzlich Turbulenz und unterstützen die Wärmeübertragung von dem mittigen Flammrohr in das Kesselinnere. Um den Kessel gegen Korrosion zu schützen, hat der Kessel, wenn er aus Stahl besteht, innen eine Glasauskleidung. Ein Zusatzschutz gegen Elektrolytwirkung wird durch eine Magnesium-Opferelektrode erreicht. Derartige Speicher-Wasserheizer haben viele Nachteile. Da das Glas nie die gesamte Stahloberfläche im Kessel bedeckt und da Glas etwas wasserlöslich ist, beginnt der Kessel bald zu korrodieren. Die Magnesium anode trägt zur Verminderung der Korrosion bei, jedoch verbleibt die Anode nur eine gewisse Zeitspanne, und deshalb ist die Lebensdauer des Kessels begrenzt und abhängig von der Lebensdauer der Magnesiumanode und der Dicke der Glasauskleidung. Chemische Reaktionen der Magnesiumanode in gewissen Wasserarten können Geschmacks- und Geruchsprobleme im Wasser hervorrufen.

Bei einigen Wasserarten bilden sich Ablagerungen auf dem Kesselboden. Wenn sich Ablagerungen bilden, können vom Kessel Rumpelgeräusche abgegeben werden, wenn Wärme vom Brenner zwischen den Ablagerungen und der Kessel wand eingeschlossenes Wasser zum Sie den und zum geräuschvollen Entweichen aus seiner Einschlußstelle bringt.

Herkömmliche Speicher-Wasserheizer haben einen sehr geringen Wirkungsgrad. Obwohl das mittige Flammrohr notwendig ist, um Wärme vom Brenner auf das Wasser im Kessel zu übertragen, gehen große Wärmemengen durch das obere Ende des Flammrohrs verloren.

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Weiter werden, wenn der Brenner nicht betrieben ist, große Wärmemengen vom heißen Wasser im Kessel an die nun etwas kältere Luft im Flammrohr übertragen, und auch diese Wärme geht durch das obere Ende des Flammrohrs verloren. Die Mischrohrbrennereinrichtung, die ein relativ großes Brennvolumen benötigt, läßt auch beträchtliche Wärmeverluste durch die Seifen und den Boden der Trageinrichtung des Wasserkessels zu. Folglich nimmt die Außenfläche des Speicher-Wasserkessels hohe Temperaturen an.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Wärmerohrprinzip bei einem Wasserheizer vorzusehen, bei dem Wärme auf das Wasser in einem, insbesondere kunststoffbeschichteten oder aus Kunststoff bestehenden, Heiß was ser-Speiser kessel von einer mit Gas oder einem anderen Fossilbrennstoff befeuerten Brennereinrichtung außerhalb des Kessels oder von einem Brenner mit Zwangs verbrennung als Wärmequelle übertragen wird, so daß die Wände des Heißwasser-Speicherkessels nicht der direkten· Einwirkung der Wärme der Br enner einrichtung bzw. der Wärmequelle ausgesetzt sind.

Die den herkömmlichen Stahl Wasserkesseln eigenen Korrosions-, Geschmacks- und Geruchsprobleme können durch Verwendung bestimmter wasserfester Kunststoffe bei der Herstellung des Wasserkessels überwunden werden. Das Wärmeverlust problem aus der Brennkammer in einer Mischrohrbrennereinrichtung kann durch Verwendung einer Zwangsverbrennungseinrichtung überwunden werden. Ein Kunststoffkessel kann jedoch nicht mit herkömmlichen gasbefeuerten Brennern verwendet werden, weder bei Zwangsverbrennungs- oder Mischrohrbrennern, da die meisten Kunststoffe ihre Festigkeit bei relativ ge-

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ringen Temperaturen verlieren und keine direkte Flamme aushalten können. Die Erfindung erlaubt die Verwendung eines Kunststoffwasserkessels und einer Zwang sverbrennung s einrichtung unter Beseitigung des mittigen Flammrohres- Das Wärme Verlustproblem durch das mittige Flammrohr und aus der Brennkammer, die Kesselkorrosion und der schlechte Geschmack und Geruch des Wassers werden so beseitigt.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält einen Kunststoff-Heißwasserkessel, ein Wärmerohr, einen gasbefeuerten Zwang s verbrennung sbrenner außerhalb des Kessels und ein Anschlußoder Zwischenstück, das die sichere Befestigung des Wärmerohrs am Heißwasserkessel ermöglicht. Der Kessel kann entweder ein kunststoffbeschichteter Stahlkessel oder ein Vollkunststoffkessel oder -tank sein, der auch mittels eines Faserwerkstoffs verstärkt (bewehrt) sein kann. Das Wärmerohr kann bei zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen entweder ein an den Enden abgedichtetes, mit Kupferlamellen oder -rippen versehenes Rohrstück oder ein abgedichteter Ringraum zwischen zwei konzentrischen Rohren sein. Ein guter Wärmeträger ist Wasser. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Anschluß- oder Zwischenstück eine Gewindescheibe sein, an der das Wärmerohr befestigt ist, und die Gesamtanordnung kann sicher in der Kessel wand eingepaßt sein.

Der relativ geringe Temperaturgradient bei einer Wärmeübertragung mittels Wärmerohr vermeidet das Entstehen von Rumpelgeräuschen. Weiter ist ein Kunststoff- oder ein kunststoffbeschichteter Kessel hochwiderstandsfähig gegenüber einer Ab lagerungsbildung.

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Im Betrieb wird der Verdampfer des Wärmerohrs durch den gasbefeuerten Zwangsverbiennungsbrenner außerhalb des Kessels erhitzt. Das Arbeitsfluid im Verdampfer wird verdampft. Am Kondensatorende des Wärmerohrs kondensiert der Dampf, um wieder eine Flüssigkeit zu bilden, und die Flüssigkeit kehrt in den Verdampfer zurück durch Strömen oder Fließen entlang des Rohrs durch das Eigengewicht oder auf andere Weise. Auf diese Weise wird der Kondensator durch die Abgabe der Verdampfungswärme des Arbeitsfluids erhitzt, und der Kondensator seinerseits erwärmt oder erhitzt das Wasser im Kessel. Es gibt wenige oder gar keine Wärmeverluste oder -abgaben außer am Kondensator, und die sich ergebende Wärmeübertragung ist hochwirksam , weil der Dampfstrom vom Verdampfer zürn Kondensator nahezu adiabat erfolgt. Es gibt auch kein unerwünschtes stellenweises Erhitzen der Kesselwand, was ein Schmelzen des Kunststoffs oder die Bildung von Ablagerungen, wie Kesselstein, hervorrufen könnte | die gesamte Wärme wird gleichförmig von einer äußeren Wärmequelle zum Wasser übertragen, wobei die schnelle Erwärmung des Wassers ohne Beschädigung des Kessels gefördert wird.

Die Erfindung gibt also ein Wärmerohr an, das Wasser als Wärmeträger verwendet und das Wärme auf das Wasser in einem Wasserheizer-Speicherkessel von einem gasbefeuerten Brenner außerhalb des und getrennt vom Kessel überträgt. Das Wärmerohr ist an den Wasserheizer mittels eines Anschluß- oder Zwischenstücks befestigt, das die Entfernung des Wärmerohrs vom Wasserheizer für Reparatur- und Reinigungszwecke ermöglicht. Der Kessel kann aus Kunststoff hergestellt sein, der der Korrosion widersteht. Es handelt sich um einen Zwangsverbrennungsbrenner, der die wirksame Verbrennung, von Erd-

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oder Naturgas ermöglicht und der die Wärmeverluste aus dem Brennerbereich vermindert.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. !perspektivisch im Schnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 1 a den Schnitt Ia-Ia gemäß Fig. 1,

Fig. 2 perspektivisch im Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 im Schnitt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines für die Erfindung verwendbaren Kessels,

Fig. 5 im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmerohrs ,

Fig. 6 eine weitere Wärmerohrausbildung.

In den Fig. 1, la, 2 und 3 enthält ein He iß wasser heizer 10 ein Traggestell 16, einen Wasserkessel 18 zum Aufnehmen des Wassers, eine Wasser-Einlaßleitung 14, um Leitungswasser in den Boden des Kessels zu bringen, eine Wasser-Auslaßleitung 12, um Heißwasser vom

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oberen Ende des Kessels 18 abzuführen, eine Entwässerungs- oder Entleerungsleitung 24, um den Kessel 18 zu entleeren, wenn er nicht in Betrieb ist, ein Wärmerohr 20, 70, 120 gemäß den Fig. 1, 2 bzw. 3 und eine Zwangsverbrennungs-Brennereinrichtung 30.

Der Kessel 18 ist ein Vollkunststoffbehälter. Eine geeignete Kesselwand besteht aus wärmeausgehärtetem Polyesterharz, das mit einem in Matrix gewickelten Glasfasergewebe verstärkt ist. Die Anzahl der verwendeten Faserlagen 82 hängt von den Kesseldaten ab, und für einen Heißwasserkessel, der bei 82 °C (180 °F) 20,7 bar (300 psi) aushalten soll, ist die Anzahl mindestens 2. Die Lagen 82 können in entgegengesetzten Eichtungen gewickelt werden, und üblicherweise werden nur zwei Grundrichtungen verwendet. Diese in Fig. la dargestellte geschichtete Wicklung gibt dem Kessel größere Festigkeit. Eine Kunststoffschaum-Isolation 80 oder -Dämmschicht bedeckt außen den Kessel 18, während vier Lagen 82a, 82b, 82c und 82d die Glasfaserwicklungen sind, wobei jede zweite Lage 82, 82a - d in gleicher Richtung gewickelt ist. Bei der Erfindung sind jedoch viele andere Kesselaufbauten möglich. Ein Kunststoff-Heißwasserkessel kann eine von zwei Grundbauarten aufweisen, nämlich er ist entweder ein Stahlkessel mit einer Kunststoffauskleidung oder ein Vollkunststoffkessel mit oder ohne einer Verstärkung (Bewehrung). Derartige Kessel 18 können aus vielen Werkstoffen außer Polyestern hergestellt sein. Thermoplaste, wie Acetate, Fluoroplaste, Polysulfone und Polyvinylchloride können verwendet werden. Auch wärmeaushärtende Kunststoffe, wie Alkyde und Acrylharze, können verwendet werden. Wenn Vollkunststoffkessel verstärkt werden, sind Fasern vorzuziehen. Glasfasern, Siliziumkarbidfasern, verschiedene Metallfasern, Oxidfasern und Drahtlagen können verwendet werden.

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Bei einem Stahlkessel mit einer Kunststoffauskleidung, wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Auskleidung 150 vom Stahl 152 durch eine Lage aus Schaum isolation 154 getrennt, die sowohl zur Isolation oder Dämmung gegen Wärmeverluste dient, als uach zum Abfedern der Kunststoffauskleidung 150. In diesem Kessel 18 trägt der Stahl 152 die gesamte Last, so daß die Kunststoffauskleidung 150 weder dick noch fest aufgebaut sein muß. Der bevorzugte Werkstoff für die Verkleidung 150 ist Polypropylen, jedoch können viele andere Kunststoffe verwendet werden. Einige Beispiele sind Thermoplaste, wie chlorierte Polyester, verschiedene Fluoroplaste, Phenylenoxid oder Polysulfone oder wärmeaushärtende Kunststoffe, wie Alkyde und Acrylharze.

Drei Ausführungsbeispiele des Wärmerohr-Geräts sind in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt. Jedes Ausführungsbeispiel enthält die folgenden gleichen Bauteile: eine Zwangs verbrennung s-Brennereinrichtung 30 mit einem Gaseintritts-Absperrorgan 28, einen Lufteinlaß 34, eine Gas-Luft-Mischkammer 36, ein Brenn-Gebläse 38, ein Thermoelement mit Zündeinrichtung 40, einen Brenn-Verteiler 42, einen Brenner 44 und eine A us puff öffnung 46, sowie eine das Wärmerohr 20, 70 bzw. 120 umgebende Isolation oder Dämmung 48. Die Wärmerohre 20, 70 und 120 erscheinen in den Fig. 1, 2 bzw. 3. Des weiteren enthalten die Ausführungsbeispiele der Fig. 1, 2 bzw. 3 jeweils ein Anschluß- oder Zwischenstück 50, 62 bzw. 104 zum Befestigen des Wärmerohrs 20, 70 bzw. 120 am Kessel 18.

In der Fig. 1 besteht das Wärmerohr 20 aus einem einfachen Stück eines luftdicht verdeckelten, mit Lamellen oder Rippen versehenen Rohr. Ein extrudiertes Rippen-Kupferrohr mit 31,8 mm Innen-

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durchmesser (l 1/4") und 47,7 mm Rippendurchmesser (l 7/8") ist geeignet, jedoch kann jedes Rohr, das wärme- und wasserkorrosionsbeständig ist, verwendet werden. Das untere Ende des Wärmerohrs 20 ist im wesentlichen horizontal und über dem Brenner 44 angeordnet; das ist der Verdampfer 56. Der Brenner 44 und der Verdampfer 56 sind von einem Dämmstoff 48 bzw. einer -schicht umgeben, um Wärmeverluste an Bereiche außerhalb des Heißwasserkessels 18 zu verhindern.Das den Verdampfer 56 bildende Ende des Wärmerohrs 20 erstreckt sich über einen Abschnitt horizontal und biegt dann zum Eintritt in den darüberliegenden Kessel 18 nach oben um. Der Abschnitt des Wärmerohrs 20 von der Stelle, wo es zuerst umzubiegen beginnt, bis zu der Stelle, bei der es in den Kessel 18 eintritt, kann ohne Rippen ausgeführt sein, d. h. ι .ppenlos sein, da dieser zusammen mit dem Abschnitt des Wärmerohrs 20, der durch die Kesselwand tritt, ein adiabates Übergangsglied 58 bildet. Die Zone oder das Glied 58 wirkt als im wesentlichen adiabate Leitung für die Heißgase nach oben vom Verdampfer 56 zum Kondensator 54 und als Abwärtsleitung für die kalte Flüssigkeit vom Kondensator 54 zum Verdampfer 56. Das Übergangsglied 58 ist von einem Dämmstoff 52 umgeben, um die adiabate Dampf strömung zu erhöhen.

Das Wärmerohr 20 tritt in den Kessel 18 durch die Bodenwand 32 ein und erstreckt sich vertikal über eine kurze Strecke in das Wasser im Kessel 18. Dieser Abschnitt des Wärmerohrs 20 im Kessel 18 ist der Kondensator 54. Das Wärmerohr 20 muß weder durch die Bodenwand 32 des Kessels 18 treten, noch vertikal in den Kessel 18 geführt sein, jedoch muß es in den Kessel 18 irgendwo unter der Wasserlinie 10 in den Kessel 18 eintreten und darf keine Wand des

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Kessels 18 berühren, außer im Bereich des Übergangsglieds 58. Das Wärmerohr 20 kann in die Kesselbodenwand 32 eingeformt oder -gegossen sein (vgl. Fig. 5) oder wie beim bevorzugten Ausführungsbeispiel in ein Dämmzwischenstück 50. Das Zwischenstück 50 sollte aus dem gleichen Werkstoff bestehen wie die Kesselbodenwand 32 oder aus einem anderen Werkstoff, der den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.

Das Zwischenstück 50 weist zwei flache Ringe auf, einen Innenring 52 und einen Außenring 53, mit etwa der gleichen Dicke wie die Bodenwand 32 des Kessels 18. Das Wärmerohr 20 tritt durch ein mittiges Loch oder eine Öffnung des Innenrings 52, und das Wärmerohr 20 ist am Innenring 52 an einer Stelle am Übergangsglied 58 bzw. in der Übergangszone befestigt, ζ. Β geklebt.

Die Rippen am Wärmerohr 20 sind an dieser Stelle wieder vorhanden und verstärken die Befestigung, führen aber keine beträchtlichen Wärmemengen vom Wärmerohr 20 ab. Die Befestigung ist wasserdicht bzw. -fest. Der Außenrand des Innenrings 52 ist mit einem Schraubgewinde versehen. Der Außenring 53 besitzt ein mittiges Loch mit gleichem Durchmesser wie der Außendurchmesser des Innenrings 52 und mit einem Außendurchmesser, der gleich dem Lochdurchmesser in der Bodenwand 32 des Kessels 18 ist. Der Außenring 53 enthält drei symmetrisch beabstandete Löcher oder Öffnungen, durch die die Einlaßleitung 14, die Auslaßleitung 22 bzw. die Entleerungsleitung 24 treten. Jede der Leitungen 12, 14 und 24 ist am Außenring 53 wasserdicht abgedichtet befestigt, z. B. geklebt. Der Außenrand des Außenrings 53 und der Rand des. mittigen Lochs des

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Außenrings 53 sind beide mit einem Schraubgewinde versehen, ebenso der Innenrand des Loches in der Bodenwand 32 des Kessels 18. Der Innenring 52 wird in den Außenring 53 und der Außenring 53 in das Loch in der Bodenwand 32 des Kessels 18 geschraubt, und zwar wasserdicht.

Bei einem in Fig. 2 dargestellten anderen Ausführungsbeispiel besteht das Zwischenstück 62 aus einem flachen Ring der Dicke der Bodenwand 32 des Kessels 18, und dieses Zwischenstück 62 besteht ebenfalls aus einem Werkstoff, der den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt wie die Bodenwand 32 des Kessels 18. An diesem Einzelring-Zwischenstück 62 ist das Wärmerohr 70 in einem mittigen Loch befestigt oder geklebt, wie das beim oben genannten Ausführungsbeispiel erläutert wurde, und die Öffnungen oder Löcher für die Einlaßleitung 14, die Auslaßleitung 12 und die Entleerungsleitung 24 sind alle symmetrisch um das Wärmerohr 70 angeordnet. Auch dieses Zwisc henstück 62 ist in das Loch in der Bodenwand 32 des Kessels 18 einschraubbar.

Das anhand der Fig. 1 beschriebene Doppelring-Zwischenstück ist gegenüber dem Einzelring-Zwischenstück 62 vorteilhaft, da das Wärmerohr 20 ohne Störung oder Beeinflussung der Einlaßleitung 14, der Auslaßleitung 12 und der Entleerungsleitung 24 entfernt werden kann. Jedes Zwischenstück 50, 62 erlaubt jedoch die Entfernung des Wärmerohrs 20, 70, um Verunreinigungen oder Ablagerungen vom Wärmerohr-Kondensator 54 und vom Boden des Kessels 18 zu entfernen, zum Erhöhen der Lebensdauer des Wärmerohrs 20, 70. Jede geeignete Anordnung, wie z. B. Schrauben, kann zur Befestigung

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des Wärmerohr-Zwischenstücks 50, 62 an der Wand des Kessels 18 verwendet werden, solange die Abdichtung wasserdicht erfolgt.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist am besten geeignet für größere Wasserkessel 18, bei denen eine größere Wärmeübertragung, d. h. eine Übertragung größerer Wärmemenge, notwendig ist. Das Wärmerohr 70 enthält ein einfaches Kupfer-Rippenrohr-Stück mit einer U-Krümmung nahe seiner Mitte, wodurch zwei Arme oder Zweige gebildet sind. Der U-Abschnitt und Horizontalabschnitt der Arme sind über dem äußeren gasbefeuerten Brenner 44 angeordnet und dienen als zwei Verdampfer 66. Die Verdampfer 66 und der Brenner 44 sind von einem Dämmstoff 48 umgeben. Beide Arme des Wärmerohrs 70 weisen eine rechtwinklige Krümmung an einer Stelle 67 über dem Brenner 44 auf. Die Abschnitte der Arme über der Stelle 67 sind vertikal nach oben durch die Bodenwand 32 des Kessels 18 geführt und bilden zwei adiabate Übergangszonen oder -glieder 68 und zwei Kondensatoren 64.

Das Wärmerohr 70 besteht aus Kupfer, jedoch können andere Werkstoffe, wie Aluminium, Stahl oder Kunststoff ebenso verwendet werden. Es ist wünschenswert, daß das Rohr mit Rippen oder Lamellen versehen ist, da größere Wärmemengen durch ein Wärmerohr, das aus Rippenrohren besteht, als durch ein Rohr ohne Rippen übertragen werden können.

Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung in den Fig. 1 und dient die Schwerkraft zum Rückführen des kondensierten Wärmeträgers zum Verdampfer. Wenn jedoch ein Kondensator auf einem Pegel

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ist, der auf gleichem Pegel wie der oder unterhalb des Verdampfers liegt, kann ein Geflecht notwendig sein, um den Fluidstrom vom Kondensator zum Verdampfer aufrechtzuerhalten. Ebenso kann, wenn der Brenner den Verdampfer vollständig umgeben sollte, statt genau unter ihm zu sein, ein Geflecht verwendet werden, um eine Fluidversorgung an allen Seiten des Verdampfers aufrecht zu erhalten. Die Fig. 5 zeigt ein Geflecht 130, wie ein feinmaschiges Drahtgitter, das die Innenwand 132 eines Verdampfers bedeckt.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmerohrs. Der Verdampfer 125 und die adiabate Zone bzw. das Übergangsglied 127 sind ähnlich dem Verdampfer 56 und der adiabaten Zone bzw. dem Übergangsglied 58 der Fig. 1. Der Kondensator 129 enthält mehrere Hohlplatten 131, um eine hochwirksame Einheit zur Wärmeübertragung auf das umgebende Wasser zu bilden.

Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Wärmerohr 120 einen Ring enthält, wobei der Wärmeträger im Raum 96 zwischen zwei konzentrischen Rohren, einem Innenrohr 100 und einem Außenrohr 78, eingeschlossen ist. Der untere Abschnitt des Wärmerohrs 120, der vollständig außerhalb des Kessels angeordnet ist, ist der Verdampfer 112, und der vollständig im Kessel 18 angeordnete obere Abschnitt ist der Kondensator 114. Die Wände der Rohre 78 und 100 im Ringraum 96, die den Verdampfer 112 bilden, der sich von einer Stelle gegenüber der Außenseite der Kesselbodenwand 32 zum Ende des Wärmerohrs 120 erstreckt, ist mit einem Geflecht 116 bedeckt, um die Rückkehr des Fluids zum Verdampfer 112 zu unterstützen und eine gleichmäßige Verteilung des Wärme-

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trägers über den Verdampfer 112 aufrecht zu erhalten. Ein bevorzugtes Geflecht 116 ist. ein feinmaschiges Drahtgitter.

Die den Kondensator 114 vom Verdampfer 112 trennende Grenze liegt im wesentlichen entlang und parallel zu der Kesselboden wand Innerhalb des Innenrohrs 100 enthält die den Kondensator 114 vom Verdampfer 112 trennende Grenze eine Metallplatte 102, die an der Innenwand des Innenro.hrs 100 befestigt ist. Oberhalb der Platte 102 ist eine Vertiefung oder Aussparung durch die Innenwände des Innenrohrs 100 gebildet, und da das obere Ende der Vertiefung offen ist, enthält die Vertiefung Wasser aus dem Kessel 18. Eine zweite ähnliche Vertiefung 122, die von der Innenwand des Innenrohrs 100 gebildet ist, liegt unterhalb der Metallplatte 102. In der zweiten Vertiefung 122 ist der Brenner 44 angeordnet, in den ein Gebläse 38 ein Gas-Luft-Gemisch von einem Mischer oder einer Mischkammer 36 einführt. Für andere außer dem Gemisch sind die einzig erlaubten Strömungswege von oder zu der zweiten Vertiefung 122 durch Durchtritte oder Kanäle 94 durch das Wärmerohr 120. Diese Kanäle 94 sind gleichmäßig beabstandet um den Verdampfer 112 unter der Metallplatte 102 und über einem als Kegelstumpf ausgeführten Pralloder Umlenkzylinder 90 angeordnet.

Die Außenkammer 92 ist ein Ringraum, der gebildet ist durch das Außenrohr 78, ein das Außenrohr 78 konzentrisch umgebendes drittes Rohr 124, die Kesselbodenwand 32 und eine Platte 126 unterhalb und im wesentlichen parallel zu der Bodenwand 32 des Kessels 18. Die Außenkammer 92 ist vollständig abgedichtet mit Ausnahme der Kanäle 94 in die zweite Vertiefung 122 und einer Auspuff öffnung

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In der Außenkammer 92 ist der Umlenkzylinder 90. Der Umlenkzylinder 90 hat mehrere gleichmäßig beabstandete, im wesentlichen ringförmige Öffnungen. Er ist entlang seinem oberen Rand an der Außenwand des Außenrohrs 78 an einer Stelle gerade unter· dem unteren Ende der Kanäle 94 und entlang seinem unteren Rand an der Wand des dritten Rohrs 124 befestigt. Die A us puff öffnung 46 ist ein Rohr, das von einem Loch in der Außenkammer 92 nach außen führt.

Das Wärmerohr 120 ist an der Bodenwand 32 des Kessels 18 mittels eines Zwischenstücks 104 befestigt, das dem bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verwendeten ähnlich ist. Das Wärmerohr 120 tritt durch das mittige Loch des Zwischenstücks 104 und ist am Zwischenstück 104 zuverlässig befestigt oder gesichert, so daß die Metallplatte 102 im wesentlichen parallel zum und in einer Linie mit dem Zwischenstück 104 angeordnet ist.

Die Einlaßleitung 14 erstreckt sich von einem Loch in der Oberseite des Kessels 18 bis gerade über dem oberen Ende des Wärmerohrs 120 hinab, und die Entleerungsleitung 24 durchdringt eine Seitenwand des Kessels 18 und entwässert die Seite des Kessels 18 nach außen. Die Auslaßleitung 12, die Einlaßleitung 14 und die Entleerungsleitung 24 können alle durch Löcher oder Öffnungen im Zwischenstück 104 treten.

Der bevorzugte Wärmeträger ist Wasser. Jedoch können auch andere Fluide alternativ dazu verwendet werden, wie z.B. Dowtherm der Dow Chemical Company, Midland, Michigan 48 640, Silikonöle oder Freone. Das Wärmerohr ist im wesentlichen entleert oder abgesaugt

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außer für den Wärmeträger, und der Wärmeträger kann in das Wärmerohr mittels Vakuumdestillation eingeführt werden. Das Wärmerohr wird dann abgedichtet. Geringe Gasmengen, wie z. B. Argon, können in das Wärmerohr mit dem Wärmeträger eingeführt werden, um die Einstellung des Dampfdrucks im Wärmerohr zu fördern.

Die Brennereinrichtung 30 ist eine Zwangsverbrennungseinrichtung . Luft wird in die Brennereinrichtung 30 von der Atmosphäre über den Lufteinlaß 34 eingeführt, und Erd- oder Naturgas wird in die Brennereinrichtung 30 von einer äußeren Quelle durch den Gaseinlaß 28 eingeführt. Die Luft und das Gas werden in den Mischer 36 geführt, in dem sie vollständig vermischt werden in den geeigneten Verhältnissen, um das vollständige und wirksame Verbrennen des Gases zu ergeben, was bei Naturgas 1 Teil Gas auf 10 Teile Luft ist. Das Geblä'se 38 treibt dann das Gemisch in den Brennverteiler 42, der das Gemisch in den Brenner 44 kanalisiert, in dem die Verbrennung stattfindet. Weil das Luft-Gas-Gemisch vollständig ist, ist die Flamme des Brenners 44 sehr niedrig und sehr heiß. Die Verbrennung sprodukte werden aus dem Brenner 44 und durch die Auspufföffnung 46 ausgetrieben, da das Gebläse 38 eine konstante Strömung durch die Brennereinrichtung 30 aufrecht erhält. Die Auspufföffnung 46 muß lediglich ein dünnes Rohr sein, durch das die Verbrennungsprodukte an irgendeine außen liegende Stelle gefördert werden können. Es wird keine große Gicht oder Kamin benötigt, da die Verbrennungsprodukte eingefaßt bzw. eingeschlossen und druckbelüftet sind.

Wenn die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung in Betrieb

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ist, strömt kaltes Wasser in den Kessel 18 durch die Einlaßleitung zum Boden des Kessels 18 nur dann, wenn Wasser aus dem Kessel am oberen Ende durch die Auslaßleitung 12 entfernt wird. Der Gesamtbetrieb wird vom Druck des örtlichen Wassersystems betrieben. Das Wasser im Kessel 18 wird durch das Wärmerohr 20 oder 70 der Fig. bzw. 2 erwärmt. Wenn ein Teil des Wassers wärmer und damit weniger dicht wird, steigt es nach oben. Gegebenenfalls wird das wärmste Wasser vom oberen Ende des Kessels 18 über die Auslaßleitung 12 entfernt.

Das Wärmerohr 20 bzw- 70 transportiert seinerseits Wärme vom Brenner 44 durch die Bodenwand 32 des Kessels 18 zum darin enthaltenen Wasser. Die Flamme des Brenners 44 heizt direkt den Verdampfer 56 bzw. 66 des Wärmerohrs 20 bzw. 70. Das im Verdamp-

fer 56 bzw. 66 enthaltene Arbeitsfluid absorbiert die Wärme der Flamme und verdampft. Der Dampf füllt schnell den gesamten Raum im Wärmerohr 20, 70. Im Übergangsglied 58 bzw. 68 des Wärmerohrs bzw. 70 bleibt die Dampfatmosphäre auf konstanter Temperatur, wobei die Temperatur eine Funktion des Dampfdrucks im Wärmerohr 20 bzw. 70 ist. Gleichzeitig mit dieser Erscheinung wird der Kondensator 54 bzw. 64 des Wärmerohrs 20 bzw. 70 von dem ihn umgebenden Kesselwasser gekühlt. Auf diese Weise kondensiert der Dampf wieder und bildet ein Fluid im Kondensator 54, 64, und die Verdampfungswärme wird an der Kondensatorwand und von dort seinerseits an das Wasser im Kessel 18 abgegeben. Das Arbeitsfluid kehrt dann in den Verdampfer 56, 66 zurück durch Herabfließen an den Wänden des Kondensators 54, 64 und des Übergangsgliedes 58, 68 aufgrund des Eigengewichts. Ein Geflecht 130 kann verwendet werden, um die

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Rückkehr und Verteilung -des Arbeitsfluids im und zum Verdampfer 56, 66 zu unterstützen.

Wenn das Wärmerohr 20, 70 isoliert ist, insbesondere in der Übergangszone des Übergangsglieds 58, 68, wird im wesentlichen keine Wärme gewonnen oder verloren von dem Wärmerohr 20, 70, außer am Verdampfer 56, 66 bzw. Kondensator 54, 64. Deshalb ist der Dampfstrom vom Kondensator 54 bzw. 64 zum Verdampfer 56 und 66 nahezu adiabat, was eine notwendige Bedingung für den geeigneten und wirksamen Betrieb des Wärmerohrs 20, 70 ist. In der Praxis wird wohl etwas Wärme an der Kesselbodenwand. 32 verlorengehen, jedoch sind solche Verluste minimal, weil der Kessel 18 aus Kunststoff besteht, oder weil ein Kunststoff-Zwischenstück 50, 62 verwendet wird, da Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter ist und als Isolator, d. h. dämmend wirkt. Wenn ein Metallkessel verwendet wird, kann ein Dämmstoff zwischen dem Zwischenstück 50, 62 und dem Wärmerohr 20, 70 verwendet werden.

Die Rippen des Wärmerohrs 20, 70 dienen der Erhöhung der Wärineübertragungsflache des Kondensators 54, 64 und des Verdampfers 56, 66, wodurch eine größere Wärmeübertragung erreicht wird. Am Übergangsglied 58, 68 tragen die Rippen lediglich zur sicheren Befestigung des Wärmerohrs 20, 70 am Zwischenstück 50, 62 bei.

Die Arbeitsweise des dritten Ausführungsbeispiels des Wärmerohrs 120 gemäß Fig. 3 ist der der ersten beiden Ausführungsbeispiele identisch. Der Wärmeträger wird im Verdampfer 112 verdampft durch die Wärme oder Hitze des Brenners 44, und der Dampf

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wird im Kondensator 114 kondensiert, wobei die Verdampfungswärme an das Wasser im Kessel 18 abgegeben wird. Beim dritten Ausführungsbeispiel findet das gesamte Verfahren in einem Ringraum 96 statt. Deshalb wird Wärme an zwei Flächen absorbiert und von zwei Flächen abgegeben anstelle von je einer. Das Wasser im Kessel 18 berührt beide an der Innenfläche des Kondensators 114. Deshalb wird Wärme von zwei Ringflächen an das Wasser im Kessel 18 abgegeben. Beim Verdampfer 112 wärmt die Flamme des Brenners 44 die Innenwand des Innenrohrs 100 direkt auf, wodurch Wärme von der Wand auf das Arbeitsfluid übertragen wird. Verbrennungsprodukte des Brenners 44 strömen unter Druck vom Gebläse 38 von der zweiten Vertiefung 122 durch Kanäle 94 und in die Außerikammer 92. Die Verbrennungsprodukte werden dann durch Öffnungen im Umlenkzylinder 90 gedrückt, um mehrere Strahlen zu bilden, die auf die Außenwand des Außenrohrs 78 des Verdampfers 112 einwirken, wodurch eine erhöhte konvektive Wärmeübertragung erreicht wird. Die Verbrennungsprodukte treten dann aus der Außenkammer 92 durch die Auspufföffnung 46 aus. Auf diese Weise wird der Verdampfer 112 an beiden Ring wänden beheizt oder erwärmt. Da der Verdampfer 112 an Vertikal wänden erwärmt oder geheizt wird, kann ein Geflecht 116 verwendet werden, um eine gleichmäßige Arbeitsfluidschicht an den Wänden aufrecht zu erhalten.

Da der Verdampfer 112 und der Kondensator 114 in dem Ring-Wärmerohr 120 nahezu aneinanderstoßen, ist eine Übergangszone, wie sie bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen beschrieben ist, lediglich an der Stelle, an der das Wärmerohr 120 durch die Bodenwand 32 des Kessels 18 tritt, vorhanden. In diesem sehr engen Abschnitt

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des Wärmerohrs 120 ist der Gasstrom nahezu adiabat. Wenig oder gar keine Wärme wird an die Bodenwand 32 des Kessels 18 verloren, da die Bodenwand 32 oder das Zwischenstück 104 aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind.

Die Erfindung hat viele besondere Eigenschaften. Da ein Vollkunststoffkessel 18 oder ein Kessel 18 mit einer Kunststoff auskleidung verwendet ist, ist Korrosion wirksam beseitigt. Deshalb ist die Lebensdauer des Kessels 18 erhöht, besitzt das Wasser keinen durch Korrosion verursachten Geschmack oder Geruch, und sind Ablagerungen an der Bodenwand 32 des Kessels 18 und der sich daraus ergebende Rumpellärm vermindert. Die Verwendung eines Wärmerohrs zur Übertragung von Wärme auf das Wasser im Kessel 18 erlaubt die Beseitigung des mittigen Flammrohrs und seines großen Kamins, und daraus folgt ein wesentlich geringerer Wärmeverlust während der Nicht-Betriebs- oder Stillstandszeiten; deshalb ist der Wirkungsgrad der Vorrichtung wesentlich erhöht. Die Verwendung eines Zwischenstücks erlaubt eine leichte Entfernbarkeit des Wärmerohrs vom Kessel 18. Deshalb können das Wärmerohr und die Bodenwand 32 des Kessels 18 von Ablagerungen befreit werden, so daß die Lebensdauer der Vorrichtung verlängert wird.

Schließlich erlaubt die Verwendung einer Zwangsverbrennungs-Brennereinrichtung 30 die Einfassung oder Umhüllung der Verbrennungsprodukte. Deshalb werden Wärmeverluste von der Brennereinrichtung 30 verringert, und die Außenflächentemperaturen des Kessels 18 und der Brennereinrichtung 30 werden ebenfalls entsprechend verringert. Die Zwangsverbrennungs-Brennereinrichtung 30 erlaubt auch die Verwendung einer kleinen Auspufföffnung anstelle eines großen Kamins.

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Claims (14)

Patentansprüche

1. ftfa s s er heizer mit einem Wasserkessel, einschließlich einer

Wasser-Einlaß- und einer -Auslaßleitung und mit einer fossilölbe-

feuerten Brennereinrichtung außerhalb des Wasserkessels, gekennzeichnet durch

ein Wärmerohr (20, 70, 120) zur Wärmeübertragung von der Brennereinrichtung (30) in das Kesselinnere, mit

einem Wärmeträger,

einem durch die Brennereinrichtung (30) beheizten Verdampfer (56, 66, 112, 125) außerhalb des Kessels (18) zum Verdampfen des Wärmeträgers,

einem vollständig im Kessel (18) angeordneten und in das Wasser eingetauchten Kondensator (54, 64, 114, 129) zum Kondensierendes Wärmeträgers, und

einem Übergangsglied (58, 68, 127) zwischen dem Verdampfer (56, 66, 112, 125) und dem Kondensator (54, 64, 114, 129) zur im wesentlichen ädiabaten Übertragung heißen Wärmeträger dampf es vom Verdampfer (56, 66, 112, 125) durch eine Wand (32) des Wasserkessels (18) zum Kondensator (54, 64, 114, 129).

2. Wasserheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (20, 70) ein einziges Metallrohr hat. .

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3. Was s er heizer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (20, 70) mindestens einen Kondensatorabschnitt (54, 64, 129) und mindestens einen Verdampferabschnitt (56, 66, 125) aufweist.

4. Wasserheizer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (20, 70) ein Metallrohr mit beabstandeten, äußeren Metallrippen aufweist.

5. Wasserheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (120) ein. Paar beabstandeter konzentrischer Rohre (lOO, 78) enthält, die zwischen sich einen abgeschlossenen Ringraum (96) bilden, der durch eine Wand (32) des Wasserkessels (18) vorspringt, wobei ein Teil des Ringraums (96) vollständig außerhalb des Kessels (18), den Verdampfer (112) bildend, und ein anderer Teil des Ringraums (96) vollständig innerhalb des Wasserkessels (18), den Kondensator (114) bildend, angeordnet ist.

6. Wasserheizer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die außerhalb des Wasserkessels (18) angeordnete Brennereinrichtung (30) innerhalb des Innenrohrs (lOO) angeordnet ist, und

daß ein Strahlaufprall-Wärmetauscher am Verdampfer (112) befestigt ist zum Wärmetausch von der Brennereinrichtung (30) zum Verdampfer (112), wobei der Strahlaufprall-Wärmetauscher enthält: eine Außenkammer (92) außerhalb des und neben dem Ringraum (96) zum Auf-

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nehmen von Verbrennungsprodukten der Brennereinrichtung (30), Öffnungen oder Kanäle (94) durch den Ringraum (96), durch die die Verbrennungsprodukte von der Brennereinrichtung (30) in die Außenkammer (92) strömen, und eine perforierte Umlenkeinricutung (90) in der Außenkammer (92), um Verbrennungsproduktstrahlen der Brennereinrichtung (30) auf die Außenseite des Außenrohrs (78) zu richten .

7. Wasserheizer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein an dem Übergangsglied (58, 68, 127) fest mit dem Wärmerohr (20, 70, 120) verbundenes Zwischenstück (50, 62, 104). das das Wärmerohr (20, 70, 120) mit einer Wand (32) des Wasserkesseis (18) an einer Stelle unterhalb eines bestimmten Mindestwasserstandes im Wasserkessel (18) verbindet und einen fluiddichten Abschluß zwischen dem Kessel (18) und dem Wärmerohr (20, 70, 120)· bil det.

8. Wasserheizer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (50, 62, 104) einen das Übergangsglied (58, 68, 127) des Wärmerohrs (20, 70, 120) umgebenden Kunststoff aufweist.

9. Wasserheizer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (50, 62, 104) eine Konvektion zwischen dem Wärmerohr (20, 70, 120) und dem Kessel (18) aufweist.

10. Wasserheizer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkessel (18) einen das Übergangsglied (58, 68, 127) des Wärmerohrs (20, 70, 120) umgebenden Kunststoff aufweist.

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11. Wasserheizer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel (18) aus Kunststoff besteht.

12. Wasserheizer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger im Wärmerohr (20, 70, 120) Wasser ist.

13. Wasserheizer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennereinrichtung (30) enthält;

eine Zwangs Verbrennungseinrichtung mit einem Mischer (36) zum Bilden eines homogenen Öl-Luft-Gemisches,

einen Brenner (44) zum Verbrennen des homogenen Gemisches,

ein Gebläse (38) zum Richten des homogenen Gemisches unter Druck auf den Brenner (44),

einen Isolator zum Einschließen der Verbrennungsprodukte, und eine A us puff öffnung (46) zum Abführen der Verbrennungsprodukte.

14. Wasserheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verdampfer (125) ein einzelnes Metallrohr und der Kondensator (129) mehrere Hohlplatten (131) enthält,

daß ferner ein mittiges Hohlrohr vorhanden ist, das den Kondensator (129) und den Verdampfer (125) verbindet, wobei die Hohlplatten (131) in das im Wasserkessel (18) enthaltene Wasser zum Abgeben der Kondensationswärme an das Wasser eintauchbar sind, die durch Kondensation des Dampfes im Kondensator (129) abgegeben ist.

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