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Heizanlage zur Ausnutzung der Abwärme von Viehställen
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Die Erfindung betrifft eine Heizanlage zur Ausnutzung der Abwärme
von Viehställen.
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Personen, die sich Tiere halten, ist es bekannt, daß Scheunen und
Ställe durch die Tiere selbst erwärmt und belüftet werden müssen. Die potentiell
aus der Belüftungsluft nutzbare Wärme wird weggeblasen und in keiner Weise ausgenutzt.
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Die Erfindung verwendet die Wärmepumpe, die vor vielen Jahren erfunden
wurde. Ein Kühlschrank ist eine Wärmepumpe, bei welchem die Wärme aus dem Inneren
herausgepumpt und aus den Rohren an der Rückseite des Schranks abgeleitet wird.
Bei der Benutzung zu Heizzwecken ist das Prinzip das gleiche mit der Ausnahme, daß
die Innenseite des Kühlschrankes durch eine Kühlungsfläche oder einen Verdampfer
ersetzt ist, durch welche bzw. durch welchen die Belüftungsluft gekühlt und die
Wärme von dieser weggenommen wird. Die Rückseite des Kühlschranks ist durch einen
Wärmeaustauscher ersetzt, in welchem Fluid für Sammelheizung und Warmwasserverbrauch
erwärmt wird.
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Die folgenden US-Patentschriften können als zum Stand der Technik
gehörend betrachtet werden: 2 780 415, 2 375 157, 2 751 761, 3 805 540, 3 916 638,
2 257 893 und 1 788 673.
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Eine Heizanlage für eine Behausung mit einem Innenraum, wie gewöhnlich
benachbart einem Gebäude für Tiere angeordnet ist, umfaßt eine Einrichtung zum Absaugen
der erwärmten Luft aus dem Gebäude, eine Wärmepumpe mit einem
Verdampfer,
eine Einrichtung zum Leiten der erwärmten Luft durch den Verdampfer, einen Wärmeaustauscher
zur Wärmeübertragung von der Wärmepumpe auf ein Fluid, eine Leitung für die Zirkulation
des Fluids zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Wohnraum, und eine Einrichtung
innerhalb der Wohnung zur Wärmeübertragung von dem Fluid auf das Innere der Wohnung.
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Bei einer beispielsweisen Ausführungsform dieser Heizanlage erzeugt
bei 160 C die Anlage das Vierfache der Energie, die sie verbraucht ausschließlich
der Abwärme.
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Die Anlage ermöglicht es einer Farmfamilie, ihre hohen Heizkostenrechnungen
wesentlich dadurch herabzusetzen, daß die früher aus Scheunen oder Ställen abgeleitete
Wärme ausgenutzt wird. Die Wärmepumpe kann das Fluid erwärmen, obwohl die Belüftungsluft
verhältnismässig kühl ist. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß der Energieverbrauch
der Wärmepumpe eine Grenze für die niedrigste Temperatur der Belüftungsluft herabsetzt,
deren Ausnutzung wirtschaftlich ist.
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In den beiliegenden Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt und zwar zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht im Aufriß eines
Wohnraums und eines Viehstals sowie eine Heizanlage gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizanlage
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 eine Seitenansicht im Aufriß der
Wärmepumpen-und Wärmeaustauschereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig.
4 eine Vorderansicht im Aufriß der in Fig. 3 gezeigten Einheit und Fig. 5 eine schaubildliche
Darstellung der Rohrschlangenbefestigung für den Kondensator von Fig. 3; Fig. 6
eine schematische Darstellung der Regelorgane für die Ausführungsform nach Fig.
1 - 5; Fig. 7 eine schematlsche Darstellung einer zweiten Ausführungsform mit einem
Durchlauferhitzer und Fig. 8 eine schematische Darstellung der Regelorgane für die
Ausführungsform nach Fig 7.
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In Fig. 1 ist eine Heizanlage 1 für eine Wohnung 2 mit einem Innenraum
3 dargestellt. Die Wohnung 2 ist benachbart einem Stall oder Gebäude 4 für Kühe
5 oder andere Tiere angeordnet. Die Anlage 1 besitzt eine Leitung bzw; einen Kanal
6 mit einer Einlaßöffnung 8 zum Absaugen der erwärmten Luft aus dem Inneren des
Stalls 4. Die Leitung 6 ist mit einer Warmepwmpe- und Wärmeaustauschereinheit 10
verbunden. Die Einheit 10 erwärmt Fluid innerhalb einer Leitung bzw eInes Rohres
12 das sich won der Einheit 10 zur Wohnung 2 erstreckt Bei der in Ig. 1 gezeigten
Ausführungsform fließt Wasser durch das Q 12 zu einem Heizkörper 16 innerhalb der
Wohnung 2 Das nshK B2 besteht aus einem ZufuhrteLl 8 und aus einem Rücklaufteil
19 zur Rückführung des Wassers zur Einheit 10.
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Wie sich aus Fig. 1 - 4 ergibt weist die Leitung 6 einen ersten Teil
20 auf, der den Stall 4 mit einem Gebläse 22 verbindet. Die Leitung 6 wird ferner
durch einen zweiten Teil 24 gebildet, der das Gebläse 22 mit dem Verdampfer 26
verbindet.
Eine Luftaustrittsöffnung 28 ist auf derjenigen Seite des Verdampfers 26 vorgesehen,
der dem Teil 24 der Leitung 6 entgegengesetzt ist. Ein Luftfilter 30 überbrückt
die Innenseite der Leitung 6 zwischen dem Einlaß 8 und dem Gebläse 22. Das Gebläse
wird durch einen Elektromotor 32, einen Keilriemen 34 und Riemenscheiben 36 und
37 am Motor bzw. Gebläse angetrieben.
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Der Verdampfer 26 bildet einen Teil einer Wärmepumpe 38, die innerhalb
der Einheit 10 angeordnet ist. Die Wärmepumpe 38 besitzt eine Leitung bzw. ein Rohr
40, das einen geschlossenen Regelkreis für ein geeignetes Kühlmittel, wie Ammoniak
oder Freon 22, dem eine bestimmte Menge Kompressoröl zugesetzt worden ist, besitzt.
Die Pfeile neben der Rohrleitung 40 zeigen die Strömungsrichtung des Kühlmittels
an. Bauelemente werden als "stromaufwärts" zu anderen Bauelementen bezeichnet, die
weiter längs des Rohres 40 in der Strömungsrichtung angeordnet sind. Die entgegengesetzte
Bezeichnung ist stromabwärts. Der Verdampfer 26 wird durch einen Rohrsohlangenteil
der Rohrleitung 40 gebildet. Ein zweiter schlangenförmig geformter Teil des Rohres
40 bildet den Kondensator 42 der Wärmepumpe. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist das
Rohr 40 mit einer Anzahl Windungen 43 in vertikalen Abständen voneinander geformt,
welche von einer stehenden Trägerstange 41 getragen werden. Um es den Windungen
43 zu ermöglichen, sich um einen begrenzten Betrag zu bewegen und Schwingungen zu
absorbieren, sind die Windungen 43 auf der Stange 41 in der in Fig. 5 gezeigten
Weise angeordnet. Für jede Windung 43 ist ein kurzer erster Rohrabschnitt 41a mit
enger Passung auf der Stange 41 angevrdnet. Ein zweiter kurzer waagrechter Abschnitt
eines engeren Rohres 43a ist rechtwinkelig mit jedem Abschnitt des Rohres 41a verschweißt.
Jede Windung 43 tritt durch einen der Rohrabschnitte 43a hindurch. Dieses Verfahren
zur Halterung des Kondensators 42
ermöglicht eine begrenzte Bewegung
der Windungen 43 längs der Stange 41 und durch die Rohrabschnitte 43a.
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Hierdurch werden Schwingungen im Kondensator 42 absorbiert und wird
ein Bruch desselben verhindert. Wie in Fig. 2 gezeigt, nimmt die Größe des Rohres
40 stromabwärts vom Kompressor 44 ab. In der Tat nimmt für die in Fig. 2 - 4 gezeigten
Ausführungsformen der Durchmesser des Rohres von 15,9 mm auf 9,5 mm (von 5/8 " auf
3/8 ) ab. Dies ermöglicht ein zusätzliches Volumen des verdampften Kühlmittels,
bevor es zu einer Flüssigkeit im Kondensator kondensiert ist, und ermöglicht einen
niedrigeren Austrittsdruck für den Kompressor. Wie bereits erwähnt, wird das Kühlmittel,
beispielsweise Freon, mit einer bestimmten Menge Kompressoröl vermischt. Hierdurch
wird die Innenseite des Kondensators 42 geschmiert und gereinigt, um die Strömung
des Kühlmittels zu diesem zu verbessern.
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Der Kompressor 44 ist längs des Rohres 40 zwischen den Verdampfer
26 und den Kondensator 42 geschaltet. Ein thermostatisches Expansionsventil 45 ist
in das Rohr 40 auf der Stromaufwärtsseite des Verdampfers 26 eingesetzt.
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Ein Filter 48 und ein Sammelgefäß 50 für das Kühlmittel sind in dem
Rohr 40 zwischen dem thermostatischen Expansionsventil 45 und dem Verdampfer 26
angeordnet.
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Der Kondensator 42 befindet sich innerhalb eines geschlossenen Tanks
oder Behälters 52 für Wasser. Der Tank 52 ist mit dem Rohr 12 verbunden. Der Rückführteil
19 des Rohres 12 erstreckt sich zur Wohnung 2 und der Zufuhrteil 18 erstreckt sich
vom unteren Ende des Tanks 54 in die Nähe des oberen Endes desselben. Eine geeignete
Isolierung, beispielsweise aus Glasfasern, umschließt den Tank 52, um den Wärmeverlust
aus dem Wasser innerhalb des Tanks zu verhindern.
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Fig. 6 zeigt das Regelsystem für die Heizanlage nach Fig. 1 - 5. Die
Heizanlage wird durch einen Dreiwegschalter 64 geregelt. Wenn sich der Schalter
64 in der mit voll ausgezogener Linie gezeigten Mittelstellung befindet, ist die
Heizanlage abgeschaltet. Wenn sich der Schalter in der mit einer gestrichelten Linie
gezeigten Stellung links von der Mittelstellung befindet, sind die Kontakte 66a,
66b und 66c geschlossen. Wenn der Kontakt 66a geschlossen ist, wird ein Einphasenstrom
über Leiter 75 einem Thermostaten 74 und den druckbetätigten Schalter 76 zugeführt.
Wenn angenommen der Thermostat 74, der Druckschalter 76 und der Wärmeausschaltschalter
72 alle geschlossen sind, so ergibt dies einen Einphasenstrom für die Magnetspule
68, wodurch die Kontakte 70a, 70b und 70c des Schalters 70 geschlossen werden. Dem
Kompressormotor 60 und dem Gebläsemotor 32 wird daher ein Dreiphasenstrom zugeführt.
Der thermische Abschalter 72 wirkt als Trennschalter und öffnet den Kontakt 72a
im Falle einer Abschaltung in einer Phase, die eine Überlastung der anderen Phasen
zur Folge hat. Hierdurch wird der Strom zur Magnetspule 68 abgeschaltet, wodurch
der Kompressormotor 60 und der Gebläsemotor 32 abgeschaltet werden.
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Die Lampe 78 zeigt die Überlastung an. Der Druckschalter 76 ist mit
der Kühlmittelleitung auf beiden Seiten des Kompressors 44 verbunden, wie in Fig.
7 schematisch für eine ähnliche Heizanlage dargestellt. Der Schalter 76 dient zum
Abschalten des Stroms zur Magnetspule 68, wodurch die Heizanlage abgeschaltet wird,
falls sich der Druck über bestimmte Grenzen hinaus verändert. Der Thermostat 74
wird in der in Heizanlagen üblichen Weise verwendet, um die Magnetspule 68 mit Strom
für den Betrieb der Heizanlage zu versorgen, wenn die Temperatur unter einen eingestellten
Wert abfällt, und die Heizanlage abzuschalten, wenn die Temperatur einen anderen
Wert überschreitet, in-dem die Stromzufuhr zur Magnetspule 68 abgeschaltet wird.
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Wenn der Schalter 64 in die mit einer gestrichelten Linie gezeichnete
rechte Stellung bewegt wird, wird nur der Kontakt 65 geschlossen. Während hierdurch
Strom der Magnetspule 68 zugeführt wird, wodurch die Kontakte 70a, 70b und 70c geschlossen
werden, um den Gebläsemotor 32 zu speisen, bleiben die Kontakte 66a, 66b und 66c
offen und ist der Kompressormotor 60 abgeschaltet. Diese Arbeitsweise ist erforderlich,
um den Verdampfer 26 zu enteisen. Die Gefahr der Vereisung des Verdampfers 26 ist
besonders wahrscheinlich, wenn die Warmluftströmung aus dem Stall 4 durch den Umstand
verringert ist, daß das in Fig. 2 gezeigte Filter 30 nicht gereinigt worden ist.
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Der Betrieb der Heizanlage 1 wird dadurch eingeleitet, daß der Schalter
64 in die in Fig. 6 gezeigte linke Stellung bewegt wird. Hierdurch werden die Kontakte
66a, 66b und 66c geschlossen und eine Spannung an die Magnetspule 68 gelegt, um
die Kontakte 70a, 70b und 70c zu schließen.
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Wenn das Wasser im Tank 52 eine Temperatur hat, die unter der gewünschten
liegt, befindet sich der Thermostat 74 in der durch eine voll ausgezogene Linie
inFig. 6 dargestellten Stellung, um die Magnetspule 68 mit Strom zu versorgen. Hierdurch
wird der Schalter 70 geschlossen und eine Stromversorgung sowohl für den Gebläsemotor
32 als auch für den Kompressormotor 60 herbeigeführt. Der Motor 32 saugt erwärmte
Luft durch die Leitung 6 aus dem Einlaß 8 und fördert sie durch den Verdampfer 26
und durch den Auslaß 28 nach aussen.
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Das Kühlmittel in der Rohrleitung 40 der Wärmepumpe 38 zirkuliert
im Uhrzeigersinn, gesehen in der Darstellung der Fig. 2. Das in den Verdampfer 26
im flüssigen Zustand eintretende Kühlmittel ist wesentlich kälter als die Luft,
die vom Stall am Verdampfer vorbeiströmt. Das KUhlmittel wird daher innerhalb des
Verdampfers erwärmt und
verdampft. Im Kompressor 44 wird das Kühlmittel
verdichtet und dadurch erwärmt. Das erwärmte Kühlmittel tritt durch den Kondensator
42 hindurch, in welchem es zu einer Flüssigkeit kondensiert wird und Wärme an das
Wasser im Tank 52 abgibt. Das Kühlmittel nimmt sodann seinen Weg durch das Expansionsventil
45, durch welches der Druck auf das Niveau herabgesetzt wird, bevor der Verdichter
44 und der Zyklus von neuem beginnt.
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Die Anlage arbeitet so lange weiter, bis die Temperatur im Tank 52
das am Thermostaten 74 eingestellte Niveau erreicht. An dieser Stelle wird der Thermostat
74 in die in Fig. 6 gestrichelt dargestellte Stellung bewegt.
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Die Stromzufuhr zur Magnetspule 68 wird abgeschaltet, wodurch die
Kontakte 70a, 70b und 70c geöffnet werden, so daß die Heizanlage abgeschaltet wird.
Wenn die Temperatur unter den niedrigeren Wert abfällt, die am Thermostat eingestellt
ist, bewegt sich der Thermostat in die mit voll ausgezogenen Linien gezeichnete
Stellung, in welcher die Magnetspule 68 mit Strom gespeist und die Heizanlage wieder
in Betrieb gesetzt wird.
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Fig. 7 zeigt eine Heizanlage, die der vorangehend beschriebenen im
wesentlichen gleich ist. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen
und die Anlage wird nur in Verbindung mit den bestehenden Unterschieden beschrieben.
Die in Fig. 7 gezeigte Heizanlage hat als zusätzliches Merkmal einen Warmwassertank
52a. Der Tank 52a ist im wesentlichen der gleiche in der Gestaltung wie der Behälter
52, ist jedoch für die Zwecke der Erwärmung von Haushaltwarmwasser vorgesehen. Für
diesen Zweck ist ein zweiter Kondensator 42a innerhalb des Tanks 52a vorgesehen
und ein zweiter Thermostat 74a ist für den Betrieb der Heizanlage entsprechend der
Temperatur
des Wassers im Tank 52a geschaltet. Magnetspulen 80a
und 80b sind mit den Kühlmittelleitungen verbunden, die zu den Kondensatoren 42
und 42a führen, um die Kühlmittelströmung abzuschalten bzw. diese in die Kondensatoren
zu ermöglichen. Rückschlagventile 82a und 82b verhindern den Rückfluß von Kühlmittel.
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Fig. 8 zeigt die Regelorgane für eine Heizanlage, die der in Fig.
7 dargestellten ähnlich ist. Auch dieses Regelsystem ist dem in Fig. 6 dargestellten
im wesentlichen ähnlich mit zusätzlichen Bauelementen für den Warmwassertank 52a.
Die Beschreibung wird daher im wesentlichen auf die Unterschiede gegenüber dem vorangehend
beschriebenen Regelsystem gerichtet. Wie bei dem vorangehend beschriebenen System
befindet sich der Schalter 64 in der mit einer voll ausgezogenen Linie gezeichneten
Abschaltstellung. Durch die Bewegung nach rechts werden, wie mit gestrichelten Linien
gezeigt, die Kontakte 66a, 66b und 66c zusammen mit dem Kontakt 92 geschlossen.
Dies schließt die Leitungen, die zum Kompressormotor 60 führen, und einen Einphasenstrom
dem Leiter 75 für die Magnetspule 68 zuführen. Die rechte Stellung des Schalters
64, wie mit gestrichelten Linien gezeigt, ist für das Enteisen, wie bereits erwähnt,
und Strom wird der Magnetspule 68 zugeführt, während der Kompressormotor 60 ausser
Betrieb bleibt. Wenn der Einphasenstrom der Magnetspule 68 über die Leitung 75 zugeführt
wird, erreicht er die Magnetspule 68 über zwei parallele Leiter 75a und 75b. Der
Thermostat 74a für den in Fig. 7 gezeigten Warmwassertank 52a und der Thermostat
74 für den in Fig. 7 gezeigten Behälter 52 sind über die Leiter 75a bzw. 75b verbunden.
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Infolgedessen wird, wenn sich entweder der Thermostat 74a oder der
Thermostat 74 in der geschlossenen Stellung befindet, wie mit voll ausgezogenen
Linien gezeigt, und der Schalter 64 sich in der linken Stellung befindet, Strom
der Magnetspule 68 zugeführt und die Heizanlage ist in
Betrieb.
Die Thermostaten 74a und 74 befinden sich in der Betriebsstellung, wenn das Wasser
im Tank 52a oder im Behälter 52 geringere Werte hat als auf den Thermostaten eingestellt.
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Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, ist das Magnetventil 80a zur Abschaltung
der Strömung des Kühlmittels durch den Kondensator 42 vorgesehen. Wie in Fig. 8
gezeigt, wird Strom dem Magnetventil 80a nur zugeführt, wenn der Thermostat 74 in
der gestrichelt gezeichneten Offenstellung ist. Dies schließt das Ventil 80a, wodurch
die Strömung des Kühlmittels abgeschaltet wird. Infolgedessen, falls die Temperatur
des Wassers im Behälter 52 oberhalb des am Thermostaten 74 eingestellten Wertes
liegt, hat der Betrieb der Heizanlage, wenn sich der Thermostat 74a in der Schließstellung
befindet, eine Strömung von Kühlmittel durch den Kondensator 42a allein zur Folge.
In Fig. 7 sind der Warmwassertank 52a und der Kondensator 42a mit einem äquivalenten
Magnetventil 80b und einem Rückschlagventil 82b ausgerüstet gezeigt. Für eine Heizanlage,die
mit diesen Bauelementen ausgerüstet ist, ist das in Fig. 8 gezeigte Regelsystem
so abgeändert, daß sie einen Stromkreis mit einem Magnetventil 80b für den Thermostaten
74a aufweist, der dem äquivalent ist, der das Magnetventil 80a enthält, wie für
den Thermostaten 74 dargestellt. Das Regelsystem nach Fig. 8 ist mit zusätzlichen
Anzeigelampen 86 und 88 versehen. Die Lampe 86 zeigt an, daß das Ventil 80a geöffnet
wird, während die Lampe 88 anzeigt, daß es geschlossen ist.
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Die Wirkungsweise des in Fig. 7 gezeigten Systems ist im wesentlichen
die gleiche wie die des vorangehend beschriebenen Systems. Der einzige Unterschied
besteht darin, daß die Heizanlage betriebsfähig ist, wenn entweder der
Thermostat
74a, der dem Warmwassertank 52a zugeordnet ist, oder der Thermostat 74, der dem
Behälter 52 zugeordnet ist, geschlossen wird, wenn die Temperatur des Wassers in
den jeweiligen Bauelementen unter einen Wert abfällt, der am Thermostaten eingestellt
ist. Wenn das System durch das Schließen des einen Thermostaten, während der andere
offen ist, betriebsfähig ist, verhindert eines der Magnetventile 80a oder 80b die
Kühlmittelströmung durch den Kondensator, wennkeine Wärme erforderlich ist. Die
Rückschlagventile 82a und 82b verhindern die Rückströmung von Kühlmittel durch die
Kondensatoren.
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Ende der Beschreibung.