DE2928520C2

DE2928520C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Heizen von Räumen und von Brauchwasser mittels eines flüssigen Wärmeträgers

Info

Publication number: DE2928520C2
Application number: DE2928520A
Authority: DE
Inventors: Dieter 6050 Offenbach Bayer; Ernst-Günter 8127 Breuberg Jung; Wolfgang 6474 Ortenburg Sander
Original assignee: Jung 6050 Offenbach De GmbH
Current assignee: Jung 6050 Offenbach De GmbH
Priority date: 1979-07-14
Filing date: 1979-07-14
Publication date: 1981-12-10
Also published as: DE2928520A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Heizen von Räumen mittels Heizkörpern und von Brauchwasser mittels eines Boilers durch Umwälzen eines flüssigen Wärmeträgers über eine Heizeinrichtung.

Als Wärmeträger wurde bisher im allgemeinen Wasser verwendet. Die Heizeinrichtung wurde in aller Regel als Heizkessel für die Verbrennung von gasförmigen, flüssigen und festen Eirennstoffen ausgeführt In seltenen Fällen wurde die Heizeinrichtung 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 ölpreise die Verwendung von Edelenergie wie der Elektrizität wieder an Bedeutung, weil es beispielsweise schwieriger ist, in Kleinfeuerstellen von Haushalten etc. 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.

Die Verwendung von Wasser als Wärmeträger führt in Verbindung mit herkömmlichen Heizeinrichtungen zu einem verhältnismäßig trägen Heizsystem. Der Wärmeübergang an das Wasser innerhalb der Heizeinrichtung ist ein verhältnismäßig langsam ablaufender Vorgang, insbesondere dann, wenn ein Sieden des Wassers vermieden werden soll. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Wärmeübergang nur über die wärmetauschenden Flächen in der Heizeinrichtung vor sich geben kann. Der verhältnismäßig niedrige Siedepunkt des Wassers setzt hierbei eine weitere Grenze, wenn ein druckloses Heizsystem verwendet werden soll.

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 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.

Durch die DE-AS 20 40 627 ist eine kombinierte Heizeinrichtung für die Getränkezubereitung bekannt, die mit elektrischen Rohrheizkörpern, sogenannten Widerstandsheizkörpern, und einer Mikrowellenheizeinrichtung ausgestattet ist Dabei sollen die Rohrheizkörper für den niedrigen und die Mikrowellen für den höheren Temperaturbereich des als Heizmedium ausschließlich in Frage kommenden Wassers eingesetzt werden, d. h. die Temperatursteigerung im Bereich unterhalb des Siedepunkts soll durch Mikrowellen bewirkt werden. Dies ist jedoch nur bei derart geringen Wassermengen möglich, wie sie zur Getränkezuberei tung benötigt werden, nicht aber bei großen Wasser mengen, wie sie in Heizsystemen vorhanden sind, weil nämlich bei großen Wassermengen die Temperatur sich asymtotisch dem Grenzwert von etwa 71⁰C nähert, so daß eine weitere Temperatursteigerung nicht mehr möglich ist. Bei der bekannten Vorrichtung geht es auch um andere Problem*.·, nämlich um die Verhinderung von Kalkablagerungen und eine nachteilige Geschmacksbeeinflussung.

Durch den Aufsatz »Organische Wärmeübertra-

gungsmittel« von Rudolf Osiander, veröffentlicht in »Wärme-Lüftungs- und Gesundheitstechnik«, 1956, Seiten 237 bis 242 sind mehrere organische Flüssigkeiten bzw. öle bekannt, die als Wärmeträger für Beheizungszwecke dienen sollen. Die Energiezufuhr in der Heizeinrichtung erfolgt jedoch mittels flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe oder mittels einer elektrischen Heizeinrichtung, die als sogenannte Widerstandsheizeinrichtung ausgebildet ist. Soweit die Wärmeträger dort namentlich bezeichnet sind, lassen sie sich mittels Hochfrequenz nicht oder wesentlich ungünstiger als Wasser aufheizen; dies gilt jedenfalls für die für Mikrowellen allein zugelassene Frequenz von 2450 ± 10 M Hz. Die Stockpunkte der genannten Medien liegen zwischen -3f,°C und +12,3⁰C, wobei diejenigen Medien für Heizungssysteme ausscheiden, deren Stockpunkt oberhalb etwa -15°C liegt. Wenn nämlich die Temperatur des Heizsystems unter den Stockpunkt absinkt, läßt sich die Heizungsanlage nicht in Betrieb setzen.

Der Erfindung liegt daher 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 Überdimensionierung der Heizeinrichtung und eines druckfesten Heizsystems bedarf.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß als Wärmeträger ein Pflanzenöl aus der Gruppe Sojabohnenöl, Sonnenblumenöl oder Erdnußöl durch ein Mikrowellenfeld mit einer Frequenz von 2.450 ± 10 MHz geführt wird.

Die Möglichkeit, eine Flüssigkeit durch Mikrowellen

bzw. Hochfrequenz zu beheizen, hängt von deren Eignung ab, an die Hochfrequenz anzukoppeln. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Mehrzahl der organischen Flüssigkeiten, insbesondere der ö|e, für diesen Zweck ausscheidet Wasser läßt sich zwar mittels Hochfrequenz erhitzen, Jedoch liegen hier die Endtemperaturen bei den für Heizsysteme erforderlichen großen Wassermengen und wirtschaftlicher Betriebsweise bei etwa 71°C. Für kleine Wassermengen läßt sich eine Endtemperatur von 93° C erreichen.

Es wurde nun überraschend festgestellt, daß Pflanzenöle aus der genannten Gmppe sich besonders vorteilhaft und rasch mittels Mikrowellenenergie auf verhältnismäßig hohe Temperaturen aufheizen lassen. Setzt man die genannten Öle einem Mikrowellenfeld der angegebenen Frequenzjius, so stellen sich nach sehr langer Zeit folgende Endtemperaturen ein (in der angegebenen Reihenfolge der Öle): 139°C, 128°C und 118° C. Auch durch beliebig lange Einwirkung der Hochfrequenzenergie werden diese Temperaturen nicht mehr gesteigert Unter Berücksichtigung einer wirtschaftlichen Betriebsweise liegen die Nutztemperaturen der genannten öle bei 118° C, 109⁰C und 98° C. Diese Temperaturen sind in Gegenüberstellung zu den vergleichbaren Wassertemperaturen von 93° C bzw. 7 TC zu sehen.

Das erreichbare hohe Temperaturniveau führt zu kleinen Wärmeaustauschflächen bzw. Heizkörpern. Auch die Baugröße der Heizeinrichtung 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 oben beschriebenen 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 Überdrücke auftreten. 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 einer. Außentemperaturfühler ist auf einfache Weise möglich, weil die Temperatur des Wärmeträgers etwaigen Regelsignalen sofort folgt, nie genannten öle 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 ölen als Wärmeträger beispielsweise auch Wasser in einem Boiler auf Siedetemperatur erhitzt werden, wenn dieses für einen bestimmten Zweck erforderlich sein sollte. Dies ist mit herkömmlichen Wärmetauschern, bei denen sich auf beiden Seiten Wasser befindet, nicht möglich, sofern es sich um ein druckloses System handelt.

Bei Erstinstallationen können Vorrichtungen, wie sie das Brandschutzgesetz »erschreibt, weitgehend entfallen. Da keine Abgase entstehen, können Kamine, aufwendige Be- und Entlüftungseinrichtungen und besondere Sicherungsmaßnahmen wie beispielsweise Feuerschutztür entfallen. Das System ist wie sämtliche Elektroheizungen umweltfreundlich. 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.

Bei der Mikrowellenerzeugung tritt durch die Notwendigkeit einer Kühlung des Magnetrons unvermeidbare Abwärme auf. Dies stellt jedoch keineswegs einen Nachteil dar. Vielmehr kann die bei der Mikrowellenerzeugung anfallende Abwärme zusätzlich an den Wärmeträger abgeführt werden, was beispielsweise durch herkömmliche Wärmetauscher möglich ist Die Erfindung bezieht sich auch <;aä eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäten Verfahrens. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung aus einem Mikrowellenofen mit einem Mikrowellenraum und einer im Mikrowellenraum angeordneten mü.Towellendurchlässigen Rohrleitung besteht. Als Material für die Rohrleitung kann mikrowellenfester Kunststoff verwendet werden, wie beispielsweise Polypropylen.

Die Form der Rohrleitung ist in weiien Grenzen veränderlich; es ist jedoch Sorge dafür zu tragen, daß der größte Abstand eines Volumenelements des Wärmeträgers von der Leitungswandung nicht größer ist als etwa 4,5 cm, damit auch dieses Volumenselement noch von der Mikrowellenenergie erreicht wird. Es ist dabei ganz besonders zweckmäßig, die mikroweilendurchlässige Rohrleitung als Rohrwendel auszuführen und sie insbesondere entgegengesetzt zur Richtung der Eintrittsöffnung der Mikrowellen mit einen zunehmenden Querschnitt zu versehen. Auf diese Weise werden sämtliche Oberflächenelemente der Rohrwendel weitgehend gleichmäßig von der Mikrowellenenergie beaufschlagt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich wie auch bei herkömmlichen Heizungssystemen durch Automatisierung verschiedener Regelfunktionen weiter ausgestalten. So ist es möglich, den Wärmeträger in Parallelschaltung sowohl einem Boiler als auch einem oder mehreren Heizkörpern zuzuführen. Ein Teil der

so 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 nuch der Boiler zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser vom Wärmeträger durchströmt wird.

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 weitgehen i verlustarme Klimaanlage gebildet.

In Verbindung mit einem Speichervolumen kann auch ein Wärmespeicheructrieb durchgeführt werden, d. h. die Aufheizung des Wärmeträgers erfolgt nur zu Zeiten billigen Nachtstroms.

Ein AusführunesbeisDiel des Erfinduneseeeenstandes

und seine Funktionsweise werden nachfolgend an Hand der F i g. 1 bis 3 näher beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine Leitungsführung für ein Heizsystem mit Mikrowellenofen, Boiler und Heizkörpern.

Fig.2 und 3 eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine Rohrwendel für die Durchleitung des Wärmeträgers durch den Mikrowellenraum.

In F i g. 1 ist eine Heizeinrichtung 1 dargestellt, die als Mikrowellenherd 2 ausgebildet ist. Dieser enthält einen Mikrowellenraum 3 und einen Oeneratorraum 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 mikrowellcndiirchlässige Rohrleitung 7 angeordnet, die aus einer Rohrwendel 8 bestehi. Diese Rohrwendel besitzt von der Mikrowelleneintrittsöffnung am Ende des Hohlleiters 6 aus gesehen einen zunehmenden Mittels der verschiedenen Umschaltventile 11, 20, 21 und 24 ist es möglich, die Heizkörper 14 und den Boiler

16 wahlweise in Reihen- oder Parallelschaltung zu betreiben, oder auch die Heizkörper 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.
Mit Ausnahme des Boilers 16, der mit Brauchwasser

ίο gefüllt ist. sind die übrigen Teile des Leitungssystems einschließlich der Rohrwendel 8, des Wärmetauschers

17 und der Heizkörper 14 mit dem erfindungsgemäBen Wärmeträger gefüllt.

Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn dieser

π Wärmeträger in der Richtung in die Rohrwendel 8 eingeleitet wird, daß er an der vom Hohlleiter 6 am weitesten entfernten Stelle des Mikrowellenraums 3

V/UCI »lllMItl, 3\J UdU Sd 11111IL I IC "'iMUÜMgCII Ül'l WCSci'lttl· chen gleichmäßig von der Mikrowellenenergie beaufschlagt werden. Der Mikrowellenraum 3 ist ansonsten nach außen hermetisch geschlossen, so daß keine Mikrowellen in die Umgebung gelangen können.

Die Rohrwendel 8 ist über eine Leitung 9, in der sich ein Temperaturfühler 10 befindet, mit einem Umschaltventil (I verbunden. Von diesem aus führt eine Leitung 12 zu einer beliebigen Anzahl von 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 Heizkörpern 14 sowie von dem 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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eintritt, die den größten Querschnitt einschließt. Diese Strömungsrichtung des Wärmeträgers ist durch den Pfeil in der Umwälzpumpe 19 angedeutet.

In den F i g. 2 und 3 ist die besondere Gestaltung der Rohrwendel 8 deutlich erkennbar. Die einzelnen Windungen haben in etwa die Form eines Rechtecks, 2-, wobei die Qiierschnittsfiäche der einzelnen Windungen von unten nach oben abnimmt. Besonders vorteilhaft haben s'. .h für ein Magnetron mit einer Mikrowellenleistung von 1.500 W folgende Abmessungen erwiesen. Gesamtabmessungen der Rohrwendel:

380 mm χ 315 mm χ 220 mm

bei einem Rohr-Außcndurchmesser von 25 mm. Die einzelnen Windungen hatten dabei folgende Abmessungen, von unten angefangen:

1. Windung

2. Windung

3. Windung

4. Windung

350 χ 300
280 χ 230
210 χ 160
140 χ 90
(alle Maßein mm)

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Heizen von Räumen mittels Heizkörpern und von Brauchwasser mittels eines Boilers durch Umwälzen eines flössigen Wärmeträgers über eine Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger ein Pflanzenöl aus der Gruppe Sojabohnenöl, Sonnenblumenöl oder Erdnußöl durch ein Mikrowellenfeld mit einer Frequenz von 2.450+10 MHz geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Mikrowellenerzeugung anfallende Abwärme zusätzlich an den Wärmeträger abgeführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (1) aus einem Mikrowellenofen (2) mit einem Mikrowellenraum (3) und einer im Mikrowellenraum angeordneten mikrowellendurchlässigen Rohrleitung (7) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellendurchlässige Rohrleitung (7) als Rohrwendel (8) ausgebildet ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendel iß) entgegengesetzt zur Richtung der Eintrittsöffnung der Mikrowellen einen zunehmenden Querschnitt aufweist.