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Verfahren und Vorrichtung zur Heizung von Räumen und
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von Brauchwasser mittels eines flüssigen Wärmeträgers Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Heizung von Räumen mittels Konvektoren und von
Brauchwasser mittels Boiler durch Umwälzung eines flüssigen Wärmeträgers über eine
Erwärmungsstation.
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Als Wärmeträger wurde bisher im allgemeinen Wasser verwendet. Die
Erwärmungsstation wurde in aller Regel als Heizkessel für die Verbrennung von gasförmigen,
flüssigen und festen Brennstoffen ausgeführt. In seltenen Fällen wurde die Erwärmungsstation
auch als elektrisch beheizter Kessel ausgeführt, was aber nur dann sinnvoll ist,
wenn die Beheizung mit billigem Nachtstrom durchgeführt und der Wärmeträger in entsprechenden
Tanks gespeichert werden kann. Dennoch gewinnt im Zeitalter steigender Ulpreise
die Verwendung von Edelenergie wie der Elektrizität wieder an Bedeutung, weil es
beispielsweise schwieriger ist, in Kleinfeuerstellen von Haushalten etc.
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minderwertige Brennstoffe zu verheizen, während dies in Kraftwerken
mit besonderen Kesseleinrichtungen ohne weiteres möglich ist. Braunkohlekraftwerke,
die Braunkohle mit hohen Sandanteilen wirtschaftlich verwerten, sind ein Beispiel
hierfür.
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Die Verwendung von Wasser als Wärmeträger führt in Verbindung mit
herkömmlichen Erwärmungsstationen zu einem verhältnismäßig trägen Heizsystem. Der
Wärmeübergang an das Wasser innerhalb der Erwärmungsstation ist ein verhältnismäßig
langsam ablaufender Vorgang, insbesondere dann, wenn ein Sieden des Wassers vermieden
werden soll.
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Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Wärmeübergang nur über die wärmetauschenden
Flächen in der Erwärmungsstation vor sich gehen kann. Der verhältnismäßig niedrige
Siedepunkt des Wassers setzt hierbei eine weitere Grenze, wenn ein druckloses Heizsystem
verwendet werden soll.
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Eine Temperaturüberwachung ist hierbei aus Sicherheitsgründen unerläßlich.
Eine niedrige Temperatur des Wärmeträgers erzwingt verhältnismäßig große wärmetauschende
Flächen, da der Wärmeübergang an die Umgebung bei gegebener Temperaturdifferenz
und auch sonst gleichen Wärmeübergangsparametern von der Größe der Oberfläche des
Heizkörpers abhängig ist.
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Außerdem stellt Wasser ein sehr korrosives Medium dar, das bei entsprechendem
Gehalt an Mineralien auch zu einem Verkalken der Heizungsanlage führt. Mineralablagerungen
auf den wärmeaustauschenden Flächen führen zu weiteren Verlusten in der Anlage.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art anzugeben, mit dem es möglich ist, die zu beheizenden Objekte
in kürzester Zeit auf hohe Temperaturen aufzuheizen, ohne daß es hierzu einer Oberdimensionierung
der Erwärmungsstation und eines druckfesten Heizsystems bedarf.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren
erfindungsgemäß dadurch, daß als Wärmeträger ein Pflanzenöl aus der Gruppe Sojabohnenöl,
Sonnenblumenöl. Erdnussöl durch ein Mikrowellenfeld mit einer Frequenz von 2.450
+ 10 MHz geführt wird.
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Es wurde nämlich überraschend festgestellt, daß Pflanzenöle aus der
genannten Gruppe sich besonders vorteilhaft und rasch mittels Mikrowellenenergie
auf verhältnismäßig hohe Temperaturen aufheizen lassen. Setzt man die genannten
Ole einem Mikrowellenfeld der angegebenen Frequenz aus, so stellen sich nach sehr
langer Zeit folgende Endtemperaturen ein (in der angegebenen Reihenfolge der Ule):
139 OC, 128 OC und 118°C. Auch durch beliebig lange Einwirkung der Hochfrequenzenergie
werden diese Temperaturen nicht mehr gesteigert. Zum Vergleich wird angegeben, daß
die Endtemperatur von Wasser bei 93 "C liegt. Unter Berücksichtigung einer wirtschaftlichen
Betriebsweise liegen die Nutztemperaturen bei den genannten Ollen bei 118 0C-, 109
"C und 98 OC, bei Wasser bei 71 OC.
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Das erreichbare hohe Temperaturniveau führt zu kleinen Wärmeaustauschflächen
bzw. Konvektoren. Auch die Baugröße der Erwärmungsstation kann sehr klein gehalten
werden, so daß insbesondere gegenüber den bisherigen Heizungskesseln ein erheblich
verringerter Raumbedarf besteht. Eine bereits vorhandene Zentralheizungsanlage kann
ohne weiteres nachträglich zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens umgerüstet
werden. Dieses bedingt eine äußerst kurze Aufheizzeit des Wärmeträgers, da dessen
Erwärmung nicht durch Leitung und Konvektion erfolgt; vielmehr wird die
Wärme
unmittelbar im Wärmeträger selbst erzeugt. Durch den weiter obenbeschriebenen Effekt,
daß die Endtemperatur auch durch beliebig lange Einwirkung der Hochfrequenz nicht
überschritten werden kann, erfolgt eine inhärente Sicherung des Systems, d.h. es
können keine Siedevorgänge und damit auch keine Dberdrücke auftreten.
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Dabei ist eine Regelbarkeit in praktisch beliebigen Temperaturbereichen
durch eine unterschiedliche relative Einschaltdauer gegeben. Große Temperaturintervalle,
die im Sinne einer geringen Schalthäufigkeit und damit einer Schonung des Hochfrequenzerzeugers
wünschenswert sind, stören keineswegs, weil der Einfluß der Heizung sofort wirksam
wird. Auch eine Regelung durch einen Außentemperaturfühler ist auf einfache Weise
möglich, weil die Temperatur des Wärmeträgers etwaigen Regelsignalen sofort folgt.
Die genannten Ole als Wärmeträger neigen von Natur aus weder zur Korrosion noch
zur Ablagerung von Feststoffen. Auch eine Verkrustung durch den Mikrowelleneinfluß
ist ausgeschlossen. Weiterhin kann mit den angegebenen ollen als Wärmeträger beispielsweise
auch Wasser in einem Boiler auf Siedetemperatur erhitzt werden, wenn dieses für
einen bestimmten Zweck erforderlich sein sollte.
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Dies ist mit herkömmlichen Wärmetauschern, bei denen sich auf beiden
Seiten Wasser befindet, nicht möglich, sofern es sich um ein druckloses System handelt.
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Bei Erstinstallationen können Vorrichtungen, wie sie das Brandschutzgesetz
vorschreibt, weitgehend entfallen. Da keine Abgase entstehen, können Kamine, aufwendige
Be- und Entlüftungseinrichtungen und besondere Sicherungsmaßnahmen wie beispielsweise
Feuerschutztüren entfallen. Das System
ist wie sämtliche Elektroheizungen
umweltfreundlich.
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Auch die Investitionskosten sind niedrig, da die für Kessel mit festen
oder flüssigen Brennstoffen erforderlichen Brennstofflagerstätten entfallen. Die
Folge sind niedrigere Baukosten. Das System eignet sich insbesondere zur Dezentralisierung
der Heizanlage. In Mehrfamilienhäusern kann praktisch jede Wohnung eine eigene Kleinanlage
erhalten, wodurch' eine gerechtere Kostenteilung einesteils und ein kostenbewußterer
Energieeinsatz andererseits möglich sind.
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Bei der Mikrowellenerzeugung tritt durch die Notwendigkeit einer Kühlung
des Magnetrons unvermeidbar Abwärme auf. Dies stellt jedoch keineswegs einen Nachteil
dar.
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Vielmehr kann die bei der Mikrowellenerzeugung anfallende Abwärme
zusätzlich an den Wärmeträger abgeführt werden, was beispielsweise durch herkömmliche
Wärmetauscher möglich ist.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß die Erwärmungsstation aus einem Mikrowellenofen mit einem Mikrowellenraum
und einer im Mikrowellenraum angeordneten mikrowellendurchlässigen Leitung besteht.
Als Material für die Leitung kann mikrowellenfester Kunststoff verwendet werden,
wie beispielsweise Polypropylen.
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Die Form der Leitung ist in weiten Grenzen veränderlich; es ist jedoch
dafür Sorge zu tragen, daß der größte Abstand eines Volumenelements des Wärmeträger
von der Lei-
tungswandung nicht größer ist als etwa 4,5 cm, damit
auch dieses Volumenelement noch von der Mikrowellenenergie erreicht wird. Es ist
dabei ganz besonders zweckmäßig, die mikrowellendurchlässige Leitung als Rohrwendel
auszuführen und sie insbesondere in Richtung von der Mikrowelleneintrittsöffnung
weg mit einem zunehmenden Querschnitt zu versehen. Auf diese Weise werden sämtliche
Oberflächenelemente der Rohrwendel weitgehend gleichmäßig von der Mikrowellenenergie
beaufschlagt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich wie auch bei herkömmlichen
Heizungssystemen durch Automatisierung verschiedener Regelfunktionen weiter ausgestalten.
So ist es möglich, den Wärme träger in Parallelschaltung sowohl einem Boiler als
auch einem oder mehreren Konvektoren zuzuführen. Ein Teil der Heizenergie dient
dabei zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser; die verbleibende Restwärme dient
Heizzwecken. Dabei kann der Heizkreis im Sommerbetrieb mittels Ventilen abgeschaltet
werden, so daß nur noch der Boiler zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser vom
Wärmeträger durchströmt wird.
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Das System kann aber auch für den Sommerbetrieb mit einer zusätzlichen
Wärmepumpe versehen werden, die es gestattet, aus dem Heizsystem Wärme abzusaugen
und in einen Speicher zu übertragen. Die Anordnung kann hierbei auch so getroffen
werden, daß die abgepumpte Wärme dem Brauchwasser zugeführt wird. Auf diese Weise
wird eine weitgehend verlustarme Klimaanlage gebildet.
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In Verbindung mit einem Speichervolumen kann auch ein Wärmespeicherbetrieb
durchgeführt werden, d.h. die Aufheizung des Wärmeträgers erfolgt nur zu Zeiten
billigen Nachtstroms.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Funktionsweise
werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher beschrieben. Darin zeigt: Fig.
1 eine Leitungsführung für ein Heizsystem mit Mikrowellenofen, Boiler und Konvektoren,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für die Steuerung bzw. Regelung des Mikrowellenofens,
Fig. 3 eine Vorderansicht einer Schalttafel für die Anordnung gemäß Fig. 2 und Fig.
4 und 5 eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine Rohrwendel für die Durchleitung
des Wärmeträgers durch den Mikrowellenraum.
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In Fig. 1 ist eine Erwärmungsstation 1 dargestellt, die als Mikrowellenofen
2 ausgebildet ist. Dieser enthält einen Mikrowellenraum 3 und einen Generatorraum
4, in dem ein Magnetron 5 angeordnet ist, von dem aus die Mikrowellen über einen
Hohlleiter 6 in den Mikrowellenraum 3 gelangen. Im Mikrowellenraum ist eine mikrowellendurchlässige
Leitung 7 angeordnet, die aus einer Rohrwendel 8 besteht. Diese Rohrwendel besitzt
von der Mikrowelleneintrittsöffnung am Ende des Hohlleiters 6 aus gesehen einen
zunehmenden Querschnitt, so daß sämtliche Windungen im wesentlichen gleichmäßig
von der Mikrowellenenergie beaufschlagt werden. Der Mikrowellenraum 3 ist ansonsten
nach außen hermetisch geschlossen, so daß keine Mikrowellen in die Umgebung gelangen
können.
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Die Rohrwendel 8 ist über eine-Leitung 9, in der sich ein Temperaturfühler
10 befindet, mit einem Umschaltventil 11 verbunden. Von diesem aus führt eine Leitung
12 zu einer beliebigen Anzahl von Konvektoren (Heizkörpern) 14, die über Regulierventile
15 einzeln regelbar sind. Eine weitere Leitung 13 führt vom Umschaltventil 11 aus
zu einem Boiler 16, der für die Erzeugung von heißem Brauchwasser dient. Im Innern
des Boilers 16 ist zu diesem Zweck ein Wärmetauscher 17 angeordnet. Die Rückläufe
von den Konvektoren 14 sowie vom Boiler 16 führen über eine Leitung 18 zu einer
Umwälzpumpe 19 und von hier zur Rohrwendel 8, so daß der Kreislauf auf diese Weise
geschlossen ist. In den Leitungen 12 und 18 befinden sich noch Umschaltventile 20
und 21, die durch eine Leitung 22 miteinander verbunden sind. In diese mündet eine
Ausgangsleitung 23 vom Wärmetauscher 17, und zwar gleichfalls über ein Umschaltventil
24.
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Mittels der verschiedenen Umschaltventile 11, 20, 21 und 24 ist es
möglich, die Konvektoren 14 und den Boiler 16 wahlweise in Reihen- oder Parallelschaltung
zu betreiben, oder auch die Konvektoren 14 abzuschalten und nur den Boiler 16 zu
beheizen (Sommerbetrieb). Sofern die Umschaltventile als kontinuierlich verstellbare
Ventile ausgeführt werden, ist auch ein stufenlos verstellbarer Mischbetrieb möglich.
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Mit Ausnahme des Boilers 16, der mit Brauchwasser gefüllt ist, sind
die übrigen Teile des Leitungssystems einschließlich der Rohrwendel 8, des Wärmetauschers
17 und der Konvektoren 14 mit dem erfindungsgemäßen Wärmeträger gefüllt.
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Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn dieser Wärmeträger in der
Richtung in die Rohrwendel 8 eingeleitet wird, daß er an der vom Hohlleiter 6 am
weitesten entfernten Stelle des Mikrowellenraums 3 sowie in denjenigen Teil der
Windung des Hohlleiters 8 eintritt, die den größten Querschnitt einschließt. Diese
Strömungsrichtung des Wärmeträgers ist durch den Pfeil in der Umwälzpumpe 19 angedeutet.
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In Fig. 2 erfolgt der Netzanschluß an die Klemmen 25a, 25b und 25c
einer Funkentstörschaltung 26. Zur Hochfrequenzerzeugung dient ein Magnetron 27,
welches über einen Hochspannungstransformator 28 versorgt wird, dessen Sekundärwicklung
über einen Hochfrequenzkondensator 29 an Masse gelegt ist. Der Stromversorgung des
Magnetrons 27 ist ein Intervallschalter 30 zugeordnet, der über einen Intervallmotor
31 angetrieben wird. Durch entsprechende Maßnahmen innerhalb des Schalterantriebs
kann die relative Einschaltdauer verändert werden. Der Intervallschalter 30 betätigt
seinerseits zwei Schaltglieder 32 und 33, mit denen das Magnetron 27 geschaltet
wird. Im Stromkreis des Magnetrons befindet sich außerdem ein Dämpfungswiderstand
34, welcher über die Schaltglieder 32 und 33 einschaltbar ist.
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Das Magnetron 27 besitzt eine beheizte Katode 35, der der Heizstrom
über einen Heiztransformator 36 zugeführt wird.
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Die mit dem Heiztransformator in Verbindung stehende Zuleitung 37
ist über eine Blockdiode 38 an Masse gelegt.
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Durch einen Widerstand 39 wird die Heizspannung auf den erforderlichen
Wert reduziert. Im Stromkreis befinden sich ferner noch eine Betriebsschaltuhr 40,
mittels welcher eine
Betriebsphase von beispielsweise 6.oo bis
22.oo Uhr und eine Pause von 22.oo bis 6.oo Uhr einstellbar ist. Außerdem sind Sicherungen
41 und ein Netzrelais 42 vorgesehen.
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Dem Magnetron 27 ist ein Ventilator 44 zugeordnet sowie ein hinter
dem Ventilator angeordneter Luftwächter 45 in Form eines Schalters, der nur dann
geschlossen ist, wenn der Ventilator eine zur Kühlung ausreichende Luftströmung
erzeugt. In Reihe mit dem Luftwächter 45 befindet sich ein Schutzthermostat 46,
der öffnet, wenn die Umgebungstemperatur des Magnetrons einen zulässigen Grenzwert
überschreitet.
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Die Anordnung gemäß Fig. 2 ist außerdem mit einem Thermostaten 47
für den Wärmeträger ausgestattet, dessen Einstellbereich bis über 120 "C hinaufreicht.
Dem Thermostaten 47 ist eine Kontrolleuchte 48 mit einem Vorwiderstand 49 zugeordnet,
so daß die Einschaltung des Magnetrons angezeigt wird. Die Anordnung besitzt außerdem
ein Verzögerungsrelais 50 und schließlich einen Schalter 51 für die Umwälzpumpe
19, dem eine Kontrolleuchte 52 zugeordnet ist, die über einen Vorwiderstand 53 mit
Spannung versorgt wird.
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Der Anordnung ist weiterhin ein Thermostat 54 zugeordnet, der mit
einem nicht gezeigten Temperaturfühler in Verbindung steht, der im Boiler 16 (Fig.
1) angeordnet ist.
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Der Thermostat 54 für das Brauchwasser hat einen Einstellbereich von
maximal etwa 85 OC. Dem Thermostat 54 ist ein Schalter 55 parallelgeschaltet, der
für den Fall geschlossen wird, daß ausschließlich ein Heizungsbetrieb gewünscht
ist. Ein weiterer Schalter 56 ist für den Fall vorgesehen, daß das System nur zur
Brauchwassererhitzung
verwendet wird. Die Ventilkombination 11/24
dient für den Fall, daß kein Heißwasser erzeugt werden soll, die Ventilkombination
20/21 für den Fall, daß kein Heizungsbetrieb erfolgen soll. Die Stellantriebe der
einzelnen Ventile sind miteinander durch ein Koppelglied 57 verbunden. Entsprechende
Bezugszeichen wurden aus Fig. 1 übernommen. Die Anordnung besitzt außerdem noch
einen Schutzschalter 58, der mit einer Wartungsöffnung im Mikrowellenraum 3 in Verbindung
steht, so daß die gesamte Anlage außer Betrieb gesetzt wird, wenn der Mikrowellenraum
3 geöffnet ist.
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Der Anordnung ist eine Schalttafel 59 gemäß Fig. 3 zugeordnet, in
der Drucktasten 51a, 55a und 56a für die entsprechenden Schalter 51, 55 und 56 angeordnet
sind. Die Drucktaste 51a dient für die Einschaltung der Umwälzpumpe; die Drucktaste
55a für den Zustand "nur Heizung", und die Drucktaste 56a für den Zustand "nur Heißwasser".
Ein Einstellknopf 47a dient für die Einstellung des Sollwertes für den Thermostaten
47 (Wärmeträger), und ein Einstellknopf 54a für die Einstellung des Sollwertes des
Thermostaten 54 (Brauchwasser). Die entsprechenden Ist-Werte werden durch Fernthermometer
47b bzw. 54b angezeigt.
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Die Schalttafel 59 enthält auch die Skala 40a der Betriebsschaltuhr
40 für den Pausenbetrieb des Magnetrons.
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Unterhalb der Skala 40a ist noch eine Sicherung 60 angeordnet.
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In den Fig. 4 und 5 ist die besondere Gestaltung der Rohrwendel 8
deutlich erkennbar. Die einzelnen Windungen haben in etwa die Form eines Rechtecks,
wobei die Querschnitts-
fläche der einzelnen Windungen von unten
nach oben abnimmt. Besonders vorteilhaft haben sich für ein Magnetron mit einer
Mikrowellenleistung von 1.500 W folgende Abmessungen erwiesen. Gesamtabmessungen
der Rohrwendel: 380 mm x 315 mm x 220 mm bei einem Rohr-Außendurchmesser von 25
mm. Die einzelnen Windungen hatten dabei folgende Abmessungen, von unten angefangen:
1. Windung: 350 x 300 2. Windung: 280 x 230 3. Windung: 210 x 160 4. Windung: 140
x 90 (alle Maße in mm)