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Flüssigkeitsheizquelle, deren Heizflüssigkeitsleitung (en)
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wärmeleitend an die Kühlfläche einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt
ist bzw. sind Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsheizquelle gemäß dem
Gattungsbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Ileizquelle ist beispielsweise aus
der Veröffentlichung ENERGIE Gegen den Strom in DER SPIEGEL, Nr. 31, 1978, S. 71
und 72, bekannt. hiernach ist vorgesehen, im Heizuncjskeller von jedermann einen
Kleinwagenmotor wechselweise mit Erd- oder Stadtgas zu betreiben, gegebenenfalls
im Dieselbetrieb. Die beize Kühlung dieses Motors anfallende Wärme wird dabei über
einen Wärmetauscher in eine für Gebäuden
heizungsecke dienende Heizflüssigkeitsleitung
abgegeben, während der mechanische Abtrieb des Verbrennungsmotors an einen Generator
gekoppelt ist, dessen erzeugter elektrischer Strom in das öffentliche Netz abgegeben
wird es handelt sich beider bekannten Flüssigkeitsheizquelle also primär um einen
elektrischen Generator, der von einem Verbrennungsmotor getrieben ist, dessen bei
der Kühlung anfallende Wärme für lIeizungszwecke rückgewonnen wird.
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Der Erfindung liegt demgegenüber primär die Aufgabe zugrunde, eine
Flüssigkeitsheizquelle zu schaffen, deren zugeführte Energie mit möglichst großem
Wirkungsgrad, variablen Einsatzmöglichkeiten und umweltfreundlich in thermische
Energie einer Flüssigkeitsheizung umgewandelt werden kann.
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Bisher hat man für diesen Zweck überwiegend Ölheizungen eingesetzt,
bei denen jedoch der Wirkungsgrad der Energieumsetzung-nur ca. 40 % beträgt. Derartige
ileizungen erfordern ferner im allgemeinen Kaminanschlüsse, durch die bei dem erforderlichen
Zug Abgase relativ hoher Temperatur ungenutzt -ins Freie abgehen und Schadstoffe
mit sich führen. Die Kamine stellen dabei auch erhöhte bauliche Anforderungen an
die Installation derartiger Heizquellen. Im Ralmen-der Aufgabenstellung der Erfindung
sollen also beispielsweise erschwerende Bedingungen, wie die genannten, gemildert
werden.
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Eine Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich bei einer gattungsgemäßen
Flüssigkeitsheizquelle aus dem Rennzeichen von Anspruch 1.
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Als Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise neben einem Diesel-
oder Otto-Motor auch jede andere nutzbare Abwärme erzeugende Verbrennungskraftmaschine
verwendet werden, wie beispielsweise ein Allstoff- oder Wankelmotor oder eine Turbine.
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Bevorzugt eingesetzt werden dabei solche Verbrennungsmotoren, die
unter den auf dem Markt befindlichen besonders hohe Wärmeabgabe haben oder in Weiterbildung
der Erfindung gar auf maximale Wärmeabgabe speziell ausgelegt sind. Als mögliche
Brennstoffe kommen nicht nur Erd- und Stadtgas, sondern in Abhängigkeit von dem
gewählten Typ und der gewählten Bauweise der eingesetzten Verbrennungskraftmaschine
beispielsweise auch Rohöl, z.B. Heizöl, Leichtöle, Benzine, Gase anderer Art als
Stadt- und Erdgas, auch in Flüssiggasform, und ebenso synthetische Treibstoffe in
Frage, beispielsweise Methanol.
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Im Gegensatz zu der bekannten gattungsgemäßen Flüssigkeitsheizquelle
wird auch die von dem Generator in Form elektrischen Stromes abgegebene Energie
in thermische Energie für IJeizungszwecke weiter gewandelt, so daß man Ausnutzungsgrade
des Energieinhalts des primären Brennstoffs in Größenordnungen von 90 bis 95 % erreichen
kann. Dic elektrische Energie wird dabei unmittelbar in der nach der Erfindung geschaffenen
einheitlichen Energiezelle in thermische Ileizenergie gewandelt und zusammen mit
der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine von dieser Energiezelle abgegeben. Man
kann dabei die entsprechende Energiezelle thermisch und/oder schallmäßig so
isolieren,
daß eine unerwünschte Aufheizung des Heizungsraumes vermieden wird und die Geräuschbelästigung
in vergleichbaren Grenzen wie bei einer konventionellen Ölheizunj bleibt. Dabei
kann man zwar die Abgase bedarfsweise auch in einen Kamin einspeisen; es ist jedoch
auch eine Abführung unmittelbar in die Außenatmosphäre möglich, da man die Abgase
bis auf ca. 40 bis 500C abkühlen kann. Zweckmäßig wird dabei in Weiterbildung der
Erfindung die Abwärme des Auspuffsystems auch noch als Anteil der thermischen Energieabgabe
der Energiezelle in die Heizflüssigkeit mit eingespeist, etwa indem man einen primären
Kühlkreis der Verbrennungskraftmaschine nicht nur für die Kühlflächen von dessen
Verbrennungsraum, sondern auch noch über die Kühlfächen des Abgassystems leitet.
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Einen solchen primären Verbrennungskreislauf kann man dann durch Wärmetausch
in die thermische Nutzenergie weiterleiten.
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Bei geeigneter Brennstoffwahl und Auslegung des Verbrennungsmotors
sowie gegebenenfalls Anwendung geeigneter Filter, insbesondere im Abgassystem,kann
man dabei das Abgas weitgehend frei von Schadstoffen halten, gegebenenfalls sogar
noch zusätzlich als gasförmiges Heizmedium einsetzen.
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Bei der bekannten gattungsgemäßen Flüssigkeitsheizquelle wird die
Abwärme des Generators auch noch der von der kombinierten Wärme-Strom-Maschine abgegebenen
Wärmeenergie zugeführt. Es zeigt sich, daß ein- noch günstigerer Wirkun(jsgrad bei
kompakten Dimensionen dcL Fliissigkeitsheizquelle und insbesondere deren Verbrennungskraftmasciine
und des Generators erreicht werden kann, wenn man stattdessen
die
zweckmäßig von der Außenatmosphäre durch eine Ansaugleitung zugeführte Verbrennungsluft
für das Brennstoffgemisch zunächst als Kühlfluid über'den Generator leitet und so
vorgewärmt der Verbrennungskraftmaschine zuführt, um optimale Verbrennungsbedingungen
sicherzustellen. Aus diesem Grunde ist es auch zweckmäßig, die Verbrennungskraftmaschine
auf konstante Drehzahl einzustellen, so daß man insgesamt den im Rahmen der erfindungsgemäßen
Aufgabenstellung optimalen Wirkungsgrad der Energiewandler erhält.
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Ein besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsheizquelle
besteht allgemein darin, die abgegebene thermische Energie nicht nur durch Wärmeleitung
von der ortsgebundenen Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine ableiten
zu müssen, sondern auch zusätzlich über geeignete Plazierung der elektrischen Heizelemente
gezielt, variabel, mit günstigem Regelverhalten ohne große Verzögerungszeiten räumlich
intensiv einsetzen zu können. Die Variabilität rührt nicht nur aus der Möglichkeit,
den Heizwiderstand in Einzelelemente zu unterteilen und bedarfsweise verschiedenen
Heizelementen zu verschiedener Zeit unterschiedliche elektrische Energieanteile
zuführen zu können, sondern auch daraus, daß man gegebenfalls auch den Generator
im Leerlauf oder mit geringer elektrischer Nutzlast einfach mitlaufen lassen kann,
so daß der Einsatz der elektrischen Heizenergie auch zeitlich beliebig eingestellt
werden kann. Im Gegensatz zu der bekannten kombinierten WÇirme-Strom-Maschine ist
also die erfindungsgemäße
Maschine in sich primär auf eine vorgegebene
thermische Nutzleistung ausgelegt, wobei in dieser Auslegung die Auslegung des Generators
und der Heizwiderstände eingeschlossen ist und dabei die Verbrennungskraftmaschine
entsprechend kleiner als im bekannten Fall dimensioniert werden kann. Dem widerspricht
nicht, daß man gegebenenfalls zur Verfügung stehende elektrische Uberschußenergie
auch noch selbständig weiterhin nutzen kann; so ist beispielsweise vorzugsweise
nach der Erfindung vorgesehen, die Flüssigkeitsheizquelle betriebsmäßig autark zu
machen, indem ein für die gesamte Stromversorgung der Flüssigkeitsheizquelle vorgesehener
Stromspeicher, beispielsweise eine Akkubatterie, vorgesehen ist, der durch den Generator
währendcbr Zeiten, während derer dessen elektrischeNutzleistung nicht oder nicht
voll gebraucht wird, aufladbar ist und der seinerseits unter für Personen ungefährlichen
Niederspannungsverhältnissen, beispielsweise bei 12 V, alle erforderlichen elektrisch
betriebenen Schaltelemente speist. Im Grenzfall kann man sogar diesen Stromspeicher
noch als Zwischenspeicherelement für thermische Heizenergie mit heranziehen. Bei
totalem Netzausfall besteht fernerhin1 durch das Vorsehen eines entsprechenden elektrischen
Ausganysanschlussestdie Möglichkeit, teilweise auf die übliche thermische Energieerzeugung
zu verzichten und das erfindungsgemäße Aggregat dann als Notstromgenerator einzusetzen.
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Unter bestimmten Verhältnissen ist es denkbar, die in der oder den
Heizflüssigkeitsleitung (en) geführte Heizflüssigkeit
unmittelbar
zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine und gegebenenfalls deren Auspuff systems
heranzuziehen. Aus verschiedenen Gründen, unter anderen denen der besseren Konstanthaltung
der Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine und der Regelbarkeit der Ausgangstemperatur
der Abwärme wird es jedoch vorgezoyen, daß zwischen der oder den lIeizflüssigkeit
leitung(en) und der Kühlfläche der Verbrennungskraftmaschine - gegebenfalls unter
Einschluß der Kühlfläche für das Abgas -ein primärer oder erster Kreislauf eines
primären oder ersten Wärmetauschfluids zwischengeschaltet ist. Ein solcher Kreislauf
wird zweckmäßig unabhängig von der Leistungsbelastung der Flüssigkeitsheizquelle
im Dauerbetrieb bei der Soll-Abgahetemperatur gehalten und entsprechend geregelt,
wobei analog bei Ein- und Ausschaltung einer Ölheizung hier der Verbrennungsmotor
in Abhängigkeit von der Regeleinrichtung ein- und ausgeschaltet wird. Zur Regelung
des Betriebs der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsheizquelle werden dabei zweckmäßig
nicht nur solche Temperaturfühler herangezogen, die auf Wärmeverbrauch in der Flüssigkeitsheizung
bzw. Temperaturabfall der Eleizflüssigkeit ansprechen, sondern auch Außenfühler
und/oder Innenfühler am bzw. im Gebäude, die in Abhängigkeit von äußeren Temperaturänderungen
oder vorgegebenen Einstellungen Steuersignale geben.
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Es ist möglich und auch preisgünstig, den ersten bzw. primären Wärmekreislauf
unmittelbar über Wärmetauscher an die mit der Nutzheizflüssigkeit beaufschlagteln)
Heizflüssigkeitsleitung
(en) wärmeleitend anzukoppeln, und zwar
vorzugsweise durch mindestens einen bedarfsweise zu- und abschaltbaren Zweig dieses
Heizkreislaufs, zweckmäßig im Nebenschluß.
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Noch günstigere Regelbedingungen, insbesondere auch auf verschiedene
Abgabetemperaturen auf die Heizflüssigkeit unterschiedlicher Heizflüssigkeitsleitungen
erhält man jedoch, wenn zwischen dem ersten Kreislauf und der oder den Heizflüssigkeitsleitung(en)
ein zweiter Kreislauf eines zweiten Wärmetauschfluids zwischengeschaltet ist, der
mindestens einen wahlweise zuschaltbaren Zweig aufweist, der jeweils über eine Wärmetauscheinrichtung
mit der jeweiligen Heizflüssigkeitsleitung verbunden ist. Dann kann man beispielsweise
mit der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsheizquelle zugleich Brauchwasser mit etwa
9O0C, Heizwasser mit etwa 600C und Schwii&nbadwasser mit etwa 28 oder 300C thermisch
versorgen. Bei Zwischenschaltung eines primären und sekunden Zwischenkreislaufs
zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der oder den Flüssigkeitsheizleitung(en)
kann man ferner weiterhin Temperaturschwankungsrückwirkungen aus den Verbraucherleitungen,
also den Heizflüssiykeitsleitungen, auf den Temperaturregelkreis der Verbrennungskraftmaschine
weiter reduzieren und so die optimalen Betriebsbedinguhgen der Verbrennungskraftmaschine
und damit auch deren Lebensdauer weiter verbessern.
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Soweit ein Heizungssystem Warm- oder eizwasserspeichcr erfordert und
nicht nur im Durchlauf erhitzt wird, wird
zweckmäßig bereits der
entsprechende Wärmetauscher der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsheizquelle selbst
als thermisch isolierter Speicher der betreffenden Heizflüssigkeit hinreichend groß
dimensioniert innerhalb der Installationszelle ausgebildet. Bedarlisweise, z.B.
im Durchlaufbetrieb, aber auch sonst, kann außerdem in der betreffenden Heizflüssigkeitsleitung
ein Vorwärme-Wärmetauscher, zweckmäßig auch noch innerhalb der Installationszelle,
angeordnet sein, der zweckmäßig im Nebenschluß von dem primären oder bedarfsweise
alternativ auch einem sekundären Heizmittelzwischenkreislauf mit beaufschlagt wird.
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Eine besonders zweckmäßige Anordnung des erfindungsgemäß vorgesehenen
Heizwiderstandes besteht darin, daß dieser Heizelemente aufweist, die innerhalb
der jeweiligen Wärmetauscheinrichtung angeordnet sind. Ein derartiges Heizelement
kann dabei. beispielsweise innerhalb einer Fläche eines solchen Wärmetauschers mit
eingebaut sein. Bevorzugt wird jedoch eine in das betreffende Fluid eintauchende
Anordnung. Dies ermöglicht es, bei Betriebsaufnahme der i1eizung in mindestens einem
IIeizungszweig den betreffenden Wärmetauscher selbst schnell vorzuheizen und damit
die Ansprechzeit weiter zu verbessern und somit auch den Verbrauch von Heizflüssigkeit
zu reduzieren.
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Alternativ kann man allerdings die Heizwiderstände auch an beliebig
anderer Stelle einsetzen, beispielsweise einfach in eine Eleizflüssigkeitsleitung
tauchsiederartig eingebaut, um beispielsweise entweder als Vorwärmelement oder als
schnell
und intensiv ansprechendes Regel- oder Steuerelement zu
dienen.
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Besonders bevorzugt ist dabei auch eine Anordnung der Eleizwiderstände
gerade in den Wärmetauschern innerhalb des sekundären Zwischenkreislaufs, um dort
schnell eine Einstellung und gegebenenfalls auch Umstellung der gewünschten Betriebstemperatur
erreichen zu können. Zweckmäßig erstrecken sich dabei die betreffenden Heizelemente
großflächig innerhalb des Wärmetauschers, beispielsweise unter Flächerroder Raumgitteranordnung
zur möglichst gleichmäßigen Verteilung der thermischen Energie auf den gesamten
durchströmten Wärmekreislaufsquerschnitt einerseits und die wirksame Aufheizlänge
-des Wärmetauschers andererseits.
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Eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsheizquelle läßt sich nach Art einer
Ölbrennerheizung für Gebäudeheizungszwecke als relativ kleindimensionierte Zelle
aufbauen, die bedarfsweise zugänglich oder begehbar ist, aber solche Dimensionen
hat, wie beispielsweise in einem Kellerraum aufgestellt und selbst durch Kellertüren
installierbar ist. In Frage kommt dabei zweckmäßig beispielsweise eine Dimensionierung
im Schreibtischformat mit doppelter Höhe, beispielsweise einer Länge von 150 cm,
einer Breite von 80 cm und einer Höhe von 160 cm.
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Die Erfindung wird im folgenden annnd schematischer Zeichnungen an
mehreren Ausführungsbespielen noch näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 einen A')laufplan der Flüssigkeitsheizquelle
von der Brennstoffzufuhr bis zu den verschiedenen Verbrauchern, in dem mehrere Ausführungsmöglichkeiten
integriert sind; Fig. 2 die Flüssigkeitsheizquelle mit ihren einzelnen Gruppen und
deren Verbindungen und Anschlüssen in einer Installationszelle eingebaut; Fig. 3
die Anordnung eines Heizwiderstandes in einem Wärmetauscher im Schnitt; und Fig.
4 eine perspektivische Ansicht einer Installationszelle der Flüssigkeitsheizquelle
mit ihren Außenanschlüssen.
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Im Ablaufplan der Fig. 1 ist die Flüssigkeitsheizquelle mit ihren
Baugruppen und deren Verknüpfungen dargestellt. Hierbei kennzeichnen die durchgezogenen
Linien und Pfeile die Ablaufrichtung. Die Doppelstriche innerhalb dieser durchgezogenen
Linien markieren Schalter bzw. Ventile, mittels derer eine Steuerung und Regelung
der Heizquelle möglich ist. Die punktförmige Linie charakterisiert dabei den Generatorbereich.
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Der Motorbereich ist mit unterbrochener Linie dargestellt.
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Der abhängig von der Art der Verbrennungskraftmaschine erforderliche
Brennstoff wird dem Motor zugeführt. Als Brennstoff komm;en dabei Schwer- und Leichtöle
sowie Benzine, Gase, letztereauch in Flüssigform, und synthetische Brennstoffprodukte
in Frage Uber einen Anlasser, der mit einet internen Stromspeicher in Verbindung
steht, wird der Motor
gestartet. Die Verbrennungsluft wird, wenn
die ilüssicJkeitsheizquelle beispielsweise im Rauin eines Hauses installiert ist,
vorzugsweise über ein ein Ansaugrohr aus der freien Atmosphäre angesaugt. Die angesaugte
Frischluft kühlt zunächst den Generator, wodurch sie sich selbst auf eine höhere
Temperatur aufwärmt und anschließend dem Motor zugeführt wird.
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Durch den Verbrennungsprozeß des Motors wird die in Brennstoffform
zugeführte Energie einerseits in Bewegungsenergie mit einem Anteil von ca. 40 bis
45 % umgewandelt. Der überwieyende Energieanteil unterliegt der Umwandlung in Wärmeenergie,
die an Kühlflächen und Kühlmedien des Motors einerseits mit ca.
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40 % und andererseits als Wärmeenergie des Abgases mit ca.
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10 bis 15 % abgegeben werden. Die Energieverluste, die durch Reibung
und ähnliche Verlustfaktoren beim Umwandlungsprozeß entstehen, betragen näherungsweise
ca. 5 %. Die beispielsweise beim Kraftfahrzeugmotor negativ bewertbar Wärmeentwicklung
ist bei der Flüssigkeitsheizquelle gewollt und sogar gezielt auf maximale Wärmeabgabe
ausgelegt. Die durch Verbrennung erzeugte Wärmeenergie wird bei der Flüssigkeitsheizquelle
auf den Motorkühlmittelkreislauf übertragen. Auch die durch die Verbrennung entstandenen
Abgase werden zur Erwärmung des Motorkühlmittelkreislaufs ausgenutzt, so daß einerseits
das Kühlmittel mit möglichst konstanter Temperatur zum rotor zurückgeführt werden
kann und andererseits ein möglichst hoher Wirkuigsgrad durch 1nerc3ie.lusnutzung
erreicht wird.
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Dies bringt weiterhin den Vorteil, daß die Abgase aufgrund
ihrer
relativ niedriger Temperatur umweltfreundlicher gehalten werden können.
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Die an den Motorkühlmittelkreislauf, der auch als erster Kreislauf
oder Primärkreislauf angesehen werden kann, übertragene Energie wird alternativ
über einen zweiten Kreislauf oder Sekundärkreislauf an die angeschlossenen Verbrauchersysteme
übertragen. Die Energieübertragung vom Primärkreislauf auf den Sekundärkreislauf
erfolgt in einem oder mehreren Wärmetauscher(n).
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Als Verbrauchersysteme sind im Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 ein
Brauchwasserkreislauf, der vorzugsweise im Temperaturbereich von ca. 900C gefahren
wird, des weiteren ein Heizwasserkreislauf, dessen Temperatur etwa 600C betragen
soll, und ein Kreislauf III, z.B. für eine Schwimmbaderarmung im Bereich von 300C,
vorgesehen. Diese drei Verbraucherkreise werden durch ihnen zugeordnete Wärmetauscher,
einen Wärmetauscher-Brauchwasser, einen Wärmetauscher-Heizwasser und einen llarmetarnher
III auf der entsprechends Solltemperatur gehalten. Hierbei besteht die Möglichkeit,
diese Solltemperaturen allein durch den Energieaustausch über die Wärmetauscher
zu erreichen, oder mittels der über die Bewegungsenergie umgewandelten Wärmeenergie
eine direkte schnelle Temperaturregelung der einzelnen Verbraucherkreisläufe zu
erreichen.
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Die aus dem Verbrennungsprozeß des Motors resultierende kinetische
Energie wird bei der Flüssigkeitsheizquelle über einen Wandler, vorzugsweise einen
Generator, in elektrische
Energie und nachfolgend anteilsmäßig
in Wärmeenergie umgewandelt.
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Um die Flüssigkeitsheizquelle weitgehendst autark zu machen, wird
die elektrische'Energie je nach Bedarf einem Stromspecher zugeführt. Von diesem
Stromspeicher aus erfolgt die Versorgung beispielsweise des Anlassers, aber auch
der Regel- und Steuereinrichtung der Flüssigkeitsheizquelle. Die in elektrische
Energie umgewandelte kinetische Energie steht somit einerseits zur Beaufschlagung
von Heizwiderständen, andererseits aber auch zur Aufladung des Stromspeichers, zur
Verfügung.
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Durch diese Energieumwandlung besteht die Möglichkeit, die Flüssigkeitsheizquelle
in Ausnahmefällen auch als Notstromaggregat zu verwenden.
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Während die elektrische Energie bei einem derartigen Energieumwandlungsprozeß
normalerweise an externe Verbraucher stellen abgegeben wird, wird in der Flüssigkeitsheizquelle
der We(; beschritten, diese selbst erzeugte elektrische Energie durch eine Rückumwandlung
in Wärmeenergie über Heizwiderstände dem Heizkreislauf wieder zuzuführen. Hierzu
bieten sich die Möglichkeiten an, einerseits ein oder mehrere Heizwiderstände in
den einzelnen Wärmeaustauschern vorzusehen. Andererseits können Heizwiderstände
auch direkt in den einzelnen Heizkreisläufen, z.B. dem Brauchwasserkreislauf, dem
Heizwasserkreislauf- oder dem Schwimmbadkreislauf, angeordnet warden. Abhängig von
bekannten Regelcharakteristiken, auf die hier nicht näher cingegangen werden soll,
eignet sich für eine sehr schnelle Regelung, jedoch mit häufigen Einschaltvorgängen,
die Anordnung Von Heizwiderständen direkt im jeweiligen Verbraucherkrcislauf.
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Bei einer etwas trägeren Regelung mit längerer Totzeit können die
Heizwiderstände in den entsprechenden Wärmeaustauschern angeordnet werden. In diesen
Fällen ist es vorteilhaft, die Wärmeaustauscher so auszulegen, daß sie gleichzeitig
als Zwischenspeicher für den Verbraucherkreis verwendbar sind.
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Die externe Frischwasserzufuhr in die jeweiligen Verbraucherkreisläufe
kann gegebenenfalls direkt erfolgen. Zweckmäßig ist es jedoch, das Frischwasser
beispielsweise durch einen Bypasskreislauf zum Motorkühlmittelkreislauf vorzuerwärmen
und erst dann dem entsprechenden Verbraucherkreislauf zuzuführen.
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Die Regeleinrichtung, die im Ablaufplan als Block dargestellt ist,
ermöglichtes, entsprechend den Erfordernissen und Wünschen noch weitere Verbraucherkreisläufe
dazuzuschalten, diese Kreisläufe einzeln mit Wärme zu beaufschlagen oder sie in
Kombination mit anderen Heizkreisläufen zu erwärmen. Zur Steuerung und Regelung
dieser lleizkreisläufe sind sowohl externe Fühler in Form'vorn Temperatur- und Mengenverbrauchsfühlern
als auch innerhalb der Flüssigkeitsheizquelle vorgesehene Niveauregler, Temperatursoll-
und -istwertgeber eingebaut. Weitere Eingriffsmöglichkeiten in die Regelung der
Flüssigkeitsheizquelle bestehen durch die in den Zu- bzw. Abflüssen der einzelnen
Medien vorgesehenen Ventile und Schalter.
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Fig. 2 zeigt eine Flüssigkeitsheizquelle in kompakter Bauweise, die
in einer Zelle installiert ist. Die Zelle 62 und einzelne Baugruppen sind dabei
im Schnitt dargestellt. Der Ubersichtlichkeit wegen sind die verschiedenen Kreisläufe
nicht vollständig
und mit allen Verknüpfungen dargestellt, da Leitungssysteme,
wie sie beispielsweise in Wärmetauschern vorgesehen sind, dem Fachmann bekannt sind
und in verschiedenen Ausführungsformen gebaut werden können.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird in der Flüssigkeits--heizquelle
als Verbrennungskraftmaschine ein Dieselmotor 2 mit vier Zylindern 4 verwendet.
Die Verbrennungsräume des Dieselmotors 2 sind von Kühlflächen 6, die die durch die
Verbrennung erzeugte Wärme auf einen Primärkreislauf 8 übertragen, umgeben. Über
eine Brennstoffzuleitung 3 wird dem Dieselmotor 2 flüssiger Brennstoff zugeführt.
Der Abtrieb bzw. die Welle des Dieselmotors 2 ist über eine Kupplung 28 mit einem
Generator 24 verbunden. über ein Gebläse und ein Filter 22, das im Bereich einer
Zellwand 25 angeordnet ist, wird über einen Frischluftansaugstutzen -20 vorzugsweise
aus der freien Atmosphäre Frischluft angesaugt. Die angesaugte Frischluft umströmt,durch
Leitbleche 26 geführt, den Generator 24.
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Hierdurch wird die in den Generatorwicklungen erzeugte Wärme an die
Frischluft übertragen, so daß dadurch einmal die erforderliche Generatorkühlung
und zum andern eine Vorwärrnung der angesaugten Frischluft erfolgt. Durch die vorgewärmte
Frischluft kann eine optimalere Einstellung des Verbrennungsprozesses im Dieselmotor
2 erfolgen.
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Die an den Primrkreislauf 8 des vorzugsweise auf konstante Drehzahl
geregelten Motors 2 übertragene Wärmeenergie wira in einem
Motorwärmetauscher
10 auf einen Sekundärkreisläuf 54 übertragen.
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Das Kühlmedium des Motors, das durch die Verbrennung erhitzt wird
und im Motorwärmetauscher 10, der aus Gründen der Kompaktheit am Motor angegliedert
ist, als Heizmedium des Wärmetauschers 10 fungiert, wird über einen Abgaswärmetauscher
12 an die Kühlflächen 6 des Motors zurückgeleitet. Durch die Aufwärmung der aus
dem Motorwärmetauscher 10 im Kreislauf in einen Abgaswärmetauscher 12 fließenden
Flüssigkeit wird der Temperaturunterschied zwischen Motoraustritt und Motoreintritt
etwas angehoben, so daß Belastungen des Motors durch starke Temperaturunterschiede
vermieden werden. Parallel dazu verbleibt der wesentliche Anteil der Abgasrmeenergie
innerhalb der Flüssigkeitsheizquelle, da diese Wärmeenergie in den Primärkreislauf
8 zurückgeführt wird. Über den mit dem Motor 2 und dem Wärmetauscher 10 in Verbindung
stehenden Abgaswärmetauscher 12 werden die Abgase über ein Filter 14, einen nachgeschalteten
Schalldämpfer 16 und ein Abgasableitungsrohr 18 umweltfreundlich und auf einen Temperaturbereich
von ca. 500C abgekühlt an die Außenluft abgegeben.
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Während das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zwischen dem Primärkreislauf
8 und dem Verbraucherkreislauf einen Sekundcirkreislauf 54 vorsieht, an den im Motorwärmetauscher
10 die Wärmeenergie übertragen wird, kann gegebenenfalls dieser Sekundärkreislauf
54 in anderen Ausführungsformen auch entfallen.
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Der Primärkreislauf 8 wäre dann mit den entsprechenden VJärmetauschern
der einzelnen Verbraucher direkt wärmegekoppelt.
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Sofern es der Temperaturunterschied im Primärkreislauf
in
Abhängigkeit von der Dimensionierung der gesamten Flüssigkeitsheizquelle und der
angeschlossenen Verbraucher zuläßt, kann der im Primärkreislauf 8 nachgeschaltete
Abgaswärmetauscher 12 separat oder zusätzlich zur Aufheizung einerHeizflüssigkeit
eines Verbrauchers herangezogen werden. Als Medium des Primär- und Sekundärkreislaufes
wird normalerweise Wasser, das vorzugsweise mit einem Korrosionsschutzmittel versetzt
ist, verwendet. Im Sekundärkreislauf kann auch ein Öl eingesetzt werden.
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Der im Motorwärmetauscher mit unterbrochener Linie dargestellte Primärkreislauf
8 ist zur Erzeugung einer großen Wärmeabgabefläche in einer Vielzahl von Rohren
durch den Wärmetauscher 10 geführt. Es bietet sich auch die Möglichkeit an, den
Wärmetauscher 10 bzw. auch die anderen in der Flüssigkeitsheizquelle verwendeten
Wärmetauscher in Rohrwindungen oder großflächigen Rippen im Wärmetauscher anzuordnen.
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Über einen in den Motorwärmetauscher 10 mündendes Rücklauf rohr 56
des Sekundärkreislaufs wird die abgekühlte Flüssigkeit bzw.
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das Fluid des Sekundärkreislaufes dem Wärmetauscher 10 zugeführt.
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Aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen Primärkreislauf 8 und
der Flüssigkeit des Sekundärkreislaufes im Wärmetauscher 10 wird die Wärmeenergie
auf den Sekundärkreislauf übertragen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der
Zulauf zum Sekundärkreislauf 54 mit drei, jeweils einem Wärmetauscher 44, 46 bzw.
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48 zugeordneten Zuläufen 55 verbunden. Der Zulauf 54 in den Sekundärkreislauf
ist vorzugsweise auf einem höheren Niveau des Wärmetauschers 10 angeordnet als der
Rücklauf 56.
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Die Zuläufe 55 sind vor dem jeweiligen Wärmetauscher mit Ventilen
66 versehen, die entsprechend dem Bedarf bzw.
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der Temperatur in den Verbrauchskreisen durch eine Kegeleinrichtung
72 gesteuert werden können. Die Regeleinrichtung 72 ist in der Draufsicht an der
rechten Seite einer Zellwand 25 angeordnet und auch von außerhalb der Zelle bedienbar.
Da die Flüssigkeitsheizquelle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 vorzugsweise
in einem Kellerraum eines Hauses angeordnet werden kann, sind als Verbraucher ein
Brauchwasserkreislauf mit einem Vorlauf 43 und einem Rücklauf 45 angeschlossen.
Auch für die weiteren Verbraucher, beispielsweise für Heizwasser, sind je ein Vorlaufanschluß
47 der als Rohrstutzen ausgelegt durch die Isolation 65 der rechten Zellwand 25
hindurchgeht und ein Rücklauf 49 vorgesehen. Weiterhin ragen die Anschlußstutzen
eines Vorlaufes 51 und eines Rücklaufes 53 für eine Schwimmbaderwärmung durch die
Zcilaa 25. Diese Anschlußstutzen sind im Ausführungsbeispiel horizontal nebeneinander
angeordnet, wobei der Vorlauf zweckmäßigerweise etwas höher vorgesehen ist.
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Der Brauchwasserrücklauf 45 mündet in einen Brauchwasser wärmetauscher54.
Der Zulauf 55 des Sekundärkreislaufs 54, der in den Wärmetauscher 44 mündet, ist
in der Darstellung in vereinfachter Weise schlangenförmig mit Heizwindungen 58 durch
den Wärmetauscher 44 geführt. Das Rohrleitungssystem des Wärmetauschers 44 bietet
einerseits die Möglichkeit, die in den Wärmetauscher einströmende Heizflüssigkeit
direkt über einen Rücklauf 57 und den Rücklauf 56 des Sekundärkreislaufes in den
Wärmetauscher 10 zurückzuführen. Es besteht jedoch auch die Alternative, einen zun
Bralchasasserwtirmetauscher 44 in Reihe angeordneten Wärmetauscher 46 seriell mit
der Heizflüssigkeit
zu beaufschlagen. Hierzu ist eine Verbindungsleitung
68 zwischen Wärmetauscher 44 und 46 angeordnet, die mittels eines Ventils 66 auch
gesperrt erden kann.
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Zur Rückführung der im Generator 24 erzeugten kinetischen Energie
innerhalb der Flüssigkeitsheizquelle sind im Wärmetauscher 44 zwei Heizwiderstände
42 angeordnet. Die Heizwiderstände 42 stehen über ein Anschlußkabel mit einem am
Generator 24 angeordneten Spannungsreyier 34 in Verbindung.
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Weiterhin sind am Generator Anschlußklemmen 32 vorgesehen, die mit
dem Spannungsregler, der vorzugsweise als Spannungskonstanthalter ausgelegt ist,
verbunden sind. Vom Spannungsregler 34 wird ein Anschlußkabel 36 zu einem Stromspeicher
30, der als 12 V-Batterie, aber auch in anderer Art und Weise hinsichtlich Spannung
und Kapazität bemessen sein kann, geführt.
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Zur Erlangung kurzer Leitungswege ist der Stromspeicher 30 in der
Nähe des Generators angeordnet. Um gegebenenfalls auch als Notstromaggregat verwendet
werden zu können, ist weiterhin vom Spannungsregler 34 durch die Zellwand 35 ein
externer Anschluß 38 verleyt.
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In analoger Weise wie der Brauchwasserwärmetauscher 44 ist auch der
für das Ileizwasser vorgesehene Wärmetauscher 46 aufgebaut. Der Wärmetauscher 46
weist ebenso wie der Wärmetauscher"44 einen Zulauf 55 und einen Rücklauf 57 für
den Sekundärkreislauf auf. Beide Anschlüsse sind vor dem Wärmetauscher 46 mit je
einem Ventil 66 versehen. Auf der Zellwandseite
25 sind im Wärmetauscher
46 der Zulauf 47 und der Ablauf 49 für die Heizwasserverbraucher angebracht. Auch
bei diesem Wärmetauscher 46 ist eine weitere Verbindungsleitung 70 zu einem Wärmetauscher
48, beispielsweise zur Schwimmbaderwärmung, vorgesehen. Diese Wärmetauscher weisen,
wie beim Wärmetauscher 48 dargestellt, eine thermische Außenisolation auf. Entsprechend
den angeschlossenen Verbrauchern können die jeweiligen Wärmetauscher mehrere Heizwiderstände
42 aufweisen, die jeweils mit dem Anschlußkabel 40 an den Spannungsregler 34 angeschlossen
sind.
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Diese Eleizwiderstände 42 der jeweiligen Wärmetauscher können über
die Regeleinrichtung 72 manuell oder automatisch zu- bzw. abgeschaltet werden. Ebenso
wie die anderen Wärmetauscher ist auch der Wärmetauscher 48 durch eine Zuleitung
55 und eine Rückleitung 57 an den Sekundärkreislauf 54 angeschlossen. In den entsprechenden
Zu- und Rückleitungen sowie in der Verbindungsleitung 70 sind jeweils Ventile 66
vorgesehen.
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Die Frischwasser zufuhr zu den einzelnen Verbraucherkreisen kann entweder
in den entsprechenden Wärmetauschern direkt erfolgen (nicht dargestellt) oder in
den jeweiligen Rücklauf außerhalb der Installationszelle der Flüssigkeitsheizquelle
erfolgen.
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Durch die konstruktive Auslegung und Rückführung der kinetischen Energie
in einen bzw. mehrere ileizkreisläufe ist es möglich, die Betriebs zeit des Motors
so gering wie möglich zu halten und andererseits auch bei Spitzenbedarf in einem
bestis ten
Verbraucherkreis durch Einschalten aller Heizwiderstände
42 dieses Verbraucherkreises auch einen derartigen Spitzenbedarf durch kurze Regelzeit
zu beherrschen. Durch das Verbundsystem der Flüssigkeitsheizquelle besteht auch
die Möglichkeit, die im Stromspeicher 30 gespeicherte Energie in einen bzw. mehrere
lIeizkreisläufe zurückzuführen. Anstelle der Anordnung der ijeiz widerstände 22
in den entsprechenden Wärmetauschern können die Heizwiderstände auch direkt in den
Verbraucherkreis und/ oder im Wärmetauscher 10 vorgesehen sein. Auch Kombinationen
dieser Möglichkeiten sind vorstellbar.
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Unter der Annahme, daß der Heizkreis des eizwassers und des Schwimmbades
auf ihre Solltemperaturerwärmt sind, wird die Funktion der Flüssigkeitsheizquelle
für den Brauchwasserkreis betrachtet. Es wird angenommen, daß die Solltemperatur
des Brauchwassers 900C beträgt, während die Isttemperatur auf 700C abgesunken ist.
Durch die auf den unteren Ansprechwert 70 C eingestellte Regeleinrichtung wird der
Dieselmotor 2 angelassen. Eine interne Vorwärmung des Primärkreislaufs 8 kann dabei
bereits über den Stromspeicher 30 erfolgt sein. Die Trägheit der Wärmeübertragung
zwischen Primärkreislauf und Sekundärkreislauf 54 wird durch die sofort vorhandene
kinetische i:nergie am Generator 24,die in elektrische Energie umgewandelt wird,
überbrückt, so/ /daß eine' direkte Zuschaltung der Heizwiderstände 42 im Wärmetauscher
44 des Brauchwasserkreislaufes möglich ist. Parallel dazu wird das Vcntil 66 der
Verbindungsleitung G8 zum Wärmetauscher 46 und die Ventile 66 in der jeweiligen
Zulaufleitung 55 der anderen Wärmetauscher geschlossen. Durch die Schließung der
vorgenannten Ventile entsteht ein kurzer
Durchlaufweg des Sekundärkreislaufs,
so daß auch dadurch der Wärmeaustausch mit dem srauchwasserkreislauf verstärkt wird.
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Bei Erreichung der Solltemperatur von 900C im Brauchwasserkreislauf
kann der Motor 2 über die Regeleinrichtung 72 abgeschaltet werden. Bei Bedarf wird
jedoch zunächst der Stromspeicher 30 aufgeladen. Um eine weitere Temperaturerhöhung
im Brauchwasserkreislauf zu vermeiden, werden die Heizwiderstände 42 abgeschaltet
und gegebenenfalls die Ventile 66 zu den weiteren Wärmetauschern sukzessive geöffnet.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines in einen Wärmetauscher eingebauten
Heizwiderstandes 42 dargestellt. Dieser Heizwiderstand 42 ist beispielsweise in
den Wärmetauscher 44 für Brauchwasser eingebracht. Ein dünnwandiger zylinderförmiger
Behälter 82, der auf der Brauchwasserseite abgeschlossen ist, ragt bei dieser Ausführungsform
durch eine Wandung 86 des Wärmetauschers 44 in das Brauchwasser 80 hinein. Auf der
Wandungsseite ist der Behälter 82 beispielsweise durch Schweißnähte mit dem Wärmetauscher
44 verbunden. Im Behälter 82 sind mehrere, auf eitlem Bolzen 88 angeordnete, vorzugsweise
zylinderförmige Isolat;onskörper angeordnet, die auf beiden Seiten des Bolzens 88
mittels Schrauben 90 gegeneinander gehalten werden. Der Heizwiderstand 42 der Fig.
3 weist dabei drei Isolationskörper 84, die vorzugsweise aus Steatit hergestellt
sind1 rund einen flanschartigen Isolationsabschluß 92 auf. Der einen größeren Durchmesser
als der Behälter 82 aufweisende Isolationsabschluß 92 kann dabei auf der Wandung
des Wärmetauschers zur Halterung
des gesamten Isolationskörpers
befestigt sein. Des weiteren sind durch den flanschartigen Isolationsabschluß 92
zwei Anschlußstifte 94 und 96 vorgesehen, die als Anschlußklemmen für die Stromzufuhr
dienen. Diese Anschlußstifte 94 und 96 stehen mit in axialer Richtung des Heizwiderstandes
42 auf bzw. an den Isolationskörpern 84 angebrachten Heizwendeln in elektrischer
Verbindung. Aus Sicherheitsgründen ist über den Anschlußstiften 94 und 96 eine Abschlußhaube
loo angebracht. Neben dieser bevorzugten zylindrischen Ausführungsform des Heizwiderstandes
42, der das Brauchwasser 80 indirekt über den Behälter 82 aufheizt, sind jedoch
auch andere beispielsweise tauchsiederartige elektrische Aufheizeinrichtungen in
der Flüssigkeitsheizquelle einsetzbar. Die Wandung 86 des Wärmetauschers 44 ist
normalerweise mit einer thermisch isolierenden Ummantelung 25 umgeben.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Installationszelle 25 in perspektivischer
Ansicht. Hierbei ist besonders auf die bereits fabrikmäßig vorgefertigten Außenanschlüsse
abgestellt, wobei weitere Blindstutzen in Hinblick auf weitere Verbraucher vorgesehen
werden können.
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Die Installationszelle 62 weist einen schrankähnlichen Aufbau auf,
der entsprechend der abzugebenden Leistung und der Anzahl der Verbraucher in verschiedenen
Größen hergestellt werden kann. Eine bevorzugte Einsatzmöylichkeit der Flüssigkeitsheizquelle
ist die autarke Heizversorgung in Gebäuden. Hierfür ist die Flüssigkeitsheizquelle
etwa in doppelter Schreibtischgröße ausgelegt, wobei die ungefähren Abmessungen
ca. 80 cm x 150 cm x 160 cm (B x L x H) betragen.
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Aufgrund dieser Abmessungen ist es möglich, eine Installationszelle
für die Flüssigkeitsheizquelle in ähnlich einfacher Weise wie Ölbrenner in Heizungsräumen
von Gebäuden zu installieren.
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Die Installationszelle weist vorwiegend, von innen nach außen gesehen,
zunächst eine Isolationsschicht auf, die nach außen durch eine tragende Blechverkleidung
ummantelt ist. Durch diese zweifache Hülle erfolgt eine wärme- und schalldämmende
Abschirmung nach außen, so daß ein Geräuschpegel von etwa 30 bis 40 db erreicht
werden kann.
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Zur Erhöhung der Servicefreundlichkeit ist die kompakt gebaute Installationszelle
der Flüssigkeitsheizquelle mindestens auf einer Seite zu öffnen. EIierzu ist vorzugsweise
die Vorderseite 102 der Installationszelle wegklappbar oder in anderer Weise zu
öffnen.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 weist die Installationszelle 62
auf der rechten Seite zunächst eine Armaturentafel der Regeleinrichtung 72 auf.
Über diese Regeleinrichtung ist die Flüssigkeitsheizquelle in Verbindung beispielsweise
mit extern an einer Hauswand angeordneten oder in Wohnräumen vorgesehenen Thermostaten
regelbar. Neben dieser Regeleinrichtung sind am rechten Seitenteil der Installationszelle
62 in vertikaler Richtung die einzelnen Vorläufe 43, 47, 51 bzw. Rückläufe 45, 49,
53 als Anschlußstutzen bereits fabrikmäßig vorgesehen. Zur Verdeutlichung dieser
Anschlußstutzen sind diese in der Fig. 4 etwas länger dargestellt. Das Anschiußrohr
20 für die Frischluftzufuhr ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 an der Oberseite
im rückwärtigen Bereich der Installationszelle 62 vorgesehen.
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Zur Vorderwand 1o2 hin ist an der Oberseite das Anschlußrohr 18
für
die Abgase befestigt. Am linken Seitenteil, in der Perspektive mit unterbrochener
Linie dargestellt, ist einerseits ein rohrförmiger Anschlußstutzen 3 für die Brennstoffzufuhr
angebracht.
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Etwa auf gleicher Höhe, jedoch versetzt zur Rückwand, ist der externe
elektrische Anschluß vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsheizquelle, deren Baugruppen, Anschlüsse
und Regeleinrichtungen bereits fabrikmäßig vorgefertigt in einer wie in Fig. 4 dargestellten
Installationszelle 62 zusammengefaßt werden, ist durch ihre kompakte Anordnung relativ
einfach zu transportieren. Durch die Umschaltbarkeit des Ccnerators auf den extern
elektrischen Anschluß 38 bietet sie neben dem hohen Wirkungsgrad von ca. 95 % der
zugeführten Energie und der hohen Umweltfreundlichkeit sogar die Möglichkeit, als
Notaggregat zur Stromversorgung verwendet zu werden.