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Warmwasserbereiter, insbesondere Heizkessel
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Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter zur Brauchwassererwärmung
und/oder vorzugsweise zur Heizungswassererwärmung. Der erfindungsgemäße Warmwasserbereiter
weist einen Speicherbehälter und eine auf diesen einwirkende Wärmequelle auf.
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Als Wärmequelle dient bei bekannten Warmwasserbereitern in der Regel
ein öl- oder Gasbrenner oder eine Elektroheizung, bei denen eine indirekte Erwärmung
des Wassers durch Wärmeleitung durch die Wand des Speicherbehälters hindurch erfolgt.
Wenn daher an der Wärmeübergangswand Ablagerungen in Form von Ruß oder Kalk entstehen,
verschlechtert sich der Heizwirkungsgrad. Insbesondere mit blbrennern betriebene
Heizkessel sind außerdem in ihrer Leistungsanpaßbarkeit beschränkt, weil z.B. nicht
mit einer Leistung gefahren werden kann, die 20% oder mehr unter der Soll-Leistung
des Brenners im Brennraum liegt.
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Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen Warmwasserbereiter
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der ohne wesentliche Beeinträchtigung des
Heizwirkungsgrades der Wärmequelle auch über längere Zeiträume hin betrieben werden
kann und dessen Leistung leicht veränderbar ist.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß als Wärmequelle
mindestens ein Mikrowellengenerator verwendet wird, der mit dem Innenraum des Speicherbehälters
über einen Mikrowellenleiter verbunden ist, und daß der Speicherbehälter eine den
Austritt von Mikrowellen nach außen verhindernde Abschirmung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Beheizung des Speicherbehälters mit Mikrowellen
hat den Vorteil, daß die Erwärmung unmittelbar in Volumenbereichen des zu erwärmenden
Wassers stattfindet und nicht wie bei den bekannten Wamrwasserbereitern mittelbar
durch Wärmeleitung durch die Behälterwand hindurch erfolgt. Es sind daher durch
die Erfindung keine großen Wärmeaustauschflächen erforderlich, was zu einer kompakten
Bauweise eines erfindungsgemäßen Warmwasserbereiters führt.
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Dadurch, daß die Wärmeenergie direkt im Wasservolumen erzeugt wird,
ist der Heizwirkungsgrad nicht durch eine etwaige Verkalkung der Wände des Speicherbehälters
beeinträchtigt, weil Mikrowellen derartige Schichten nahezu ungehindert durchdringen.
Ein erfindungsgemäßer Warmwasserbereiter ist daher weitgehend wartungsfrei. Aufgrund
der elektrischen Betriebsweise ist er außerdem in seiner Leistung einfach veränderbar.
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Ein sehr einfach aufgebauter Warmwasserbereiter der erfindungsgemäßen
Art weist z.B. einen quaderförmigen Speicherbehälter auf, an dessen Behälterwänden
mehrere Mikrowellengeneratoren verteilt angeordnet sind, die jeweils über einen
Mikrowellenleiter mit dem Innenraum des Speicherbehälters in Verbindung stehen.
Wenn dessen Wände für Mikrowellen durchlässig sind, z.B. aus Kunststoffmaterial
oder Glas bestehen, werden die Mikrowellenleiter von der Behälterwand selbst gebildet.
Hierbei können die Mikrowellengeneratoren an der Außenseite der Wände des SDeicherbehälters
angeordnet sein und mitsamt dem Speicherbehälter innerhalb eines metallischen Abschirmbehälters
angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich die Wände des Speicherbehälters aus
einem für Mikrowellen undurchlässigen Material, wie einem Metall, auszubilden, so
daß die Abschirmung von der Wand des Speicherbehälters selbst gebildet wird, und
die außen an diesen Wänden angeordneten Mikrowellengeneratoren über Öffnungen oder
Wandeinsätze aus für Mikrowellen durchlässigem Material wirkungsmäßig mit dem Behälterinnenraum
zu verbinden.
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Die Erwärmung des Wassers erfolgt hauptsächlich in dessen im Bereich
der Mikrowellengeneratoren liegenden Schichten an der Behälterwand. Bei einer Frequenz
von 2,45 G Hz z.B. wird in Wasser innerhalb einer Schichtdicke von 1cm die Leistung
einer in die Schicht eindringenden Mikrowellenstrahlung zu etwa 70% absorbiert.
Da somit die zugeführte Energie im wesentlichen nur entlang der Behälterwände absorbiert
wird, ist es von Vorteil, das Wasser innerhalb des Speicherbehälters durch ein Flügelrad
oder eine andere Umwälzeinrichtung so zu bewegen, daß immer wieder noch kühles Wasser
in die Randbereiche an den Behälterwänden geführt wird.
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Der vorgenannte Warmwasserbereiter ist zwar extrem einfach aufgebaut,
jedoch ist das Flüssigkeitsvolumen entlang der Wandbereiche des Speicherbehälters,
das durch die Mikrowellen direkt erwärmt wird, nicht allzu groß.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen,
innerhalb des von den Mikrowellengeneratoren erzeugten Mikrowellenfeldes eine Mehrzahl
von Leitungsrohren anzuordnen, die zwischen einem Eintrittsspaltraum und einem Austrittsspaltraum
des Speicherbehälters verteilt angeordnet sind und mit diesen den Speicherbehälter
bilden. Die Leitungsrohre bestehen aus einem Material mit möglichst niedrigem Imaginärteil
der komplexen Dielektrizitätskonstanten, damit die Leitungsrohre selbst nicht durch
die Mikrowellen erwärmt werden, sondern nur das durch sie geleitete Wasser selbst.
Bei diesem Aufbau breiten sich Mikrowellen im gesamten Volumen des die Leitungsrohre
enthaltenden Behälterteils aus und wirken auf das in den Leitungsrohren geführte
Wasser erwärmend ein. Ein solcher Warmwasserbereiter weist daher kein Wasservolumen
auf, das durch die Mikrowellen nicht direkt erwärmt wird, und kann daher kompakter
gebaut werden als ein Warmwasserbereiter der zunächst genannten sehr einfachen Ausführungsart.
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Ein Warmwasserbereiter der erfindungsgemäßen Art ist gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung so ausgebildet, daß er außer Heizungswasser auch Brauchwasser
erwärmen kann. Für einen solchen Heizungskessel ist vorgesehen, daß der Innenraum
des Speicherbehälters in einen Brauchwasserraum und einen Heizwasserraum aufgeteilt
ist, zwischen denen eine Abschirmjalousiewand aus verstellbaren Metallklappen angeordnet
ist, die in einer ersten Stellung eine geschlossene Metallfläche bilden, also minimale
Mikrowellentransparenz ergeben, und in einer zweiten Stellung maximale Mikrowellentransparenz
ergeben. In der ersten Stellung der Abschirmjalousie sind daher der Brauchwasserraum
und der Heizwasserraum gegeneinander abgeschirmt, so daß einer der beiden Räume
unabhängig von dem anderen betrieben werden kann, indem die ihn umgebenden Mikrowellengeneratoren
betrieben werden. In der zweiten Stellung der die Abschirmjalousiewand bildenden
Metallplatten hingegen entfällt die Abschirmung, so daß die auf den Brauchwasserraum
einwirkenden Mikrowellengeneratoren je nach ihrer Anordnung auch auf den Heizungswasserraum
einwirken können.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die aus der Zeichnung
wenigstens schematisch ersichtlich sind, erläutert. In der Zeichnung zeigt: Fig.
1 einen schematischen Schnitt durch einen Heizungskessel mit quaderförmigem Speicherbehälter,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Heizungskessel gemäß Fig. 1, Fig.
3 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Heizungskessels
mit einem Leitungsrolre aufweisenden Speicherbehälter,
Fig 4 eine
schematische Seitenansicht des Heizungskessels aus Fig. 3, Fig. 5 eine schematische
Draufsicht auf den Heizungskessel aus den Fig. 3 und 4, und Fig. 6 einen schematischen
Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Heizungskessels mit zusätzlichem
Brauchwasserraum.
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Der Heizungskessel 11 aus Fig. 1 weist als wesentlichstes Bauteil
einen Speicherbehälter 12 auf. Der Speicherbehälter 12 ist als quaderförmiger Metallkasten
zum Beispiel aus Stahlblech ausgebildet. An den Speicherbehälter 12 sind von außen
Mikrowellengeneratoren 16 angesetzt, die über Öffnungen 17 in den Behälterwänden
mikrowellenleitend mit dem Behälterinnenraum 18 in Verbindung stehen.
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Durch den Behälterinnenraum 18 wird das zu erwärmende Wasser geleitet,
das durch einen Einlaßstutzen 19 in den Behälterinnenraum 18.eintritt und diesen
durch einen Auslaßstutzen 20 wieder verläßt. Damit das im Behälterinnenraum 18 befindliche
Wasser nicht mit den Mikrowellengeneratoren in Berührung kommt, sind diese über
eine Dichtungsplatte 21 an die Wände des Behälters 12 angesetzt.
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Die Dichtungsplatte 21 besteht aus einem mikrowellendurchlässigen
Material, also einem gängigen Dichtungskunststoff.
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Die Mikrowellengeneratoren 16 sind als scheibenförmige Magnetrons
mit einem Durchmesser von etwa 15cm ausgebildet. Als handelsübliche Magnetrons,
wie sie zum Beispiel in Mikrowellenherden verwendet werden, geben sie Mikrowellen
mit einer Frequenz von 2,45 G Hz bei einer Leistung von etwa 1kW ab. Im Ausführungsbeispiel
gemäß den Fig. 1 und 2 sind etwa zwanzig derartige Mikrowellengeneratoren 16 an
den Speicherbehälter 12 angesetzt, was einer Gesamtleistung von etwa 20kW entspricht.
Die Ge-
neratoren 16 können jedoch erheblich dichter gesetzt werden,
so daß bei den angegebenen Abmessungen etwa 50 Generatoren 16 angebracht werden
können. Dies gibt eine Gesamtleistung von etwa 50kr, wie sie für einen Heizungskessel
für ein normales Wohngebäude gefordert wird. Aufgrund des niedrigen Preises derartiger
handelsüblicher Mikrowellengeneratoren läßt sich zu einem Preis, der vergleichbar
mit dem üblichen Heizungskessel ist, ein Heizungskessel 11 der angegebenen Art herstellen,
der erheblich kompakter aufgebaut ist und weitgehend wartunsfrei läuft.
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Der kompakte Aufbau des Heizungskessels 11 ergibt sich dadurch, daß
nicht mehr wie bei anderen Heizungskesseln herkömmlicher Art große Wärmeaustauschflächen
benötigt werden, sondern daß die Energie aus den Mikrowellen mit hohem Wirkungsgrad
in das Volumen des zu erwärmenden Wassers abgegeben wird. In einer Schichtdicke
von etwa 1cm Wasser werden etwa 70% der auftreffenden Energie absorbiert. Daraus
ist ersichtlich, daß im Ausführungsbeispiel eines Heizungskessels gemäß den Fig.
1 und 2 die Wärmeübertragung vorwiegend in der Nähe der Wandbereiche des Behälters
12 stattfindet. Um zu gewährleisten, daß dauernd noch kühle Wassermengen aus dem
Behälterinnenraum 18 zur Behälterwand geführt werden, ist innerhalb des Behälterinnenraumes
18 ein Flügelrad 44 angeordnet, das durch einen außerhalb des Behälters 12 angeordneten
Motor 23 angetrieben wird.
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Der metallische Behälter 12 wirkt als für Mikrowellen undurchlässige
Abschirmung nach außen. Stattdessen kann auch ein mikrowellendurchlässiger Kunststoffkasten
verwendet werden, auf den Mikrowellengeneratoren aufgesetzt sind. Zum Abschirmen
der Mikrowellen nach außen muß dann jedoch der Kunststoffkasten mit den Mikrowellengeneratoren
von einem Metallblechkasten umgeben sein.
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Bei dem Heizungskessel aus den Fig. 1 und 2 ist das erwärmbare Wasservolumen
entlang der Behälterwand klein im Vergleich zum Gesamtvolumen des Behälterinnenraums
18. Es liegt also ein relativ ungünstiges Verhältnis zwischen den erwärmbaren und
kaum erwärmbaren Volumenteilen vor. Als kaum erwärmbar wird hierbei ein Volumenteil
bezeichnet, wenn die in es eindringende Mikrowellenenergiedichte noch geringer ist
als 5% der Energiedichte der von außen auftreffenden Mikrowellen. Bei einer Frequenz
von 2,45 G Hz und Wasser als wärmeübertragendes Medium ist diese geringe Energiedichte
schon bei Wasservolumina gegeben, die mehr als 3 bis 4 cm von der Außenfläche des
Gesamtwasservolumens entfernt sind.
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Bei einer Ausführungsform eines Heizungskessels 11 gemäß den Fig.
3 bis 5 ist der erwärmbare Anteil des Wasservolumens erheblich vergrößert. Es liegt
nämlich ein Speicherbehälter 22 vor, der aus einem Einlaßstutzen 19, einem Eintrittsspaltraum
24, Leitungsrohren 25, einem Austrittsspaltraum 26 und einem Auslaßstutzen 20 aufsebaut
ist. Die Leitungsrohre 25 weisen einen Durchmesser von etwa 4cm auf. Der gesamte
Speicherbehälter 22 besteht aus einem gut mikrowellendurchlässigen Material und
ist innerhalb eines quaderförmigen metallischen Abschirmbehälters 12 angeordnet,
der im übrigen dem Behälter 12 des Heizungskessels aus Fig. 1 und 2 entspricht.
Die Mikrowellengeneratoren 16 sind nach Fig.
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3 jedoch nicht über Dichtungsplatten 21, sondern direkt an den Abschirmbehälter
12 angesetzt, da das durch den Heizungskessel 11 geleitete Wasser nun nicht mehr
direkt mit der Wand des Abschirmbehälters 12 in Berührung kommt, sondern durch die
Leitungsvorrichtung geleitet wird.
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Der Eintrittsraum 24 und der Austrittsspaltraum 26 erstrecken sich
jeweils über die gesamte Höhe und Breite des Speicherbehälters 22 hin. Die Leitungsrohre
25
stehen rechtwinklig zu den die Spalträume 24 und 26 begrenzenden
Wänden des Speicherbehälters 22. Die am besten geeignete Anzahl von Leitungsrohren
25 kann durch Versuche ermittelt werden. Werden zuviele Rohre 25 verwendet, so tritt
wieder der Effekt eines Aufbaus gemäß Fig. 1 ein, nämlich der, daß die weit im Inneren
des Behälterinnenraums 18 liegenden Leitungsrohre 25 stark durch das Wasser in den
sie umgebenden Leitungsrohren 25 abgeschirmt sind, so daß das Wasser in den inneren
Leitungsrohren kaum mehr erwärmt werden kann. Werden dagegen nur sehr wenige Leitungsrohre
25 eingesetzt, so kann nur sehr wenig Energie absorbiert werden.
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In Fig. 6 ist eine Ausführungsform eines Heizungskessels 11 dargestellt,
die von der Ausführungsform aus den Fig. 3 bis 5 ausgeht, jedoch zum Erhitzen von
Brauchwasser und Heizwasser geeignet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist
über dem Heizwasser-Speicherbehälter 22 ein analog zu diesem aufgebauter Brauchwasser-Speicherbehälter
40 angeordnet, der gesonderte Eintritts- und Austrittsstutzen 19, 20 aufweist und
zu dem Heizwasser-Speicherbehälter 22 hin durch Trennwände 48 getrennt ist.
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Zwischen den Leitungsrohren 25 des Brauchwasserbehälters 40 und denen
des Heizwasserbehälters 22 ist eine jalousierbare Abschirmwand aus Metallklappen
45 angeordnet, die jeweils um eine Achse 46 drehbar sind. Die Achsen 46 verlaufen
alle parallel zueinander und werden gemeinsam angetrieben. In der Darstellung der
Fig. 6 stehen die Metallklappen 45 in einer Stellung, in der sie für Mikrowellen
maximal transparent sind, da sie für diese die geringste Querschnittsfläche bieten.
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Wenn die Metallklappen 45 jedoch durch Verdrehen der Achsen 46 um
90" alle in eine gemeinsame Ebene geklappt werden, bewirken sie eine völlige Sperrung
der Mikrowellen.
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Bei der Betriebsweise gemäß Fig. 6 werden alle Mikrowellengeneratoren
betrieben, und die Metallklappen 45 sind in der Stellung, in der sie kein Hindernis
für die Mikrowellen darstellen. In diesem Fall wird das Brauchwasser und das Heizwasser
gleichmäßig erhitzt.
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Wenn jedoch die Metallklappen 45 in die gemeinsame Ebene verdreht
sind, werden nur die den Brauchwasserbehälter 40 umgebenden Mikrowellengeneratoren
16 betrieben. Da hierbei der Heizwasserbehälter 22 durch die Metallklappen 45 vom
Brauchwasserbehälter 40 mikrowellenmäßig abgetrennt ist, findet keine Erwärmung
des Wassers im Heizwasserbehälter 22 statt. Entsprechend könnten auch nur die den
Heizwasserbehälter 22 umgebenden Mikrowellengeneratoren 16 betrieben werden, wodurch
ausschließliche eine Erhitzung des Heizwassers im Heizwasserbehälter 22 erfolgen
würde.
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In den Ausführungsformen wurden jeweils Heizungskessel 11 mit quaderförmigen
Behältern 12 dargestellt. Die Behälter können jedoch beliebig ausgestaltet sein.
Wesentlich für Heizungskessel der angegebenen Art ist es, daß die Erwärmung des
wärmetransportierenden Wassers durch Mikrowellen erfolgt. Es wurden auch nur Mikrowellengeneratoren
erwähnt, wie sie handelsüblich sind.
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Die Verwendung derartiger Generatoren ist besonders vorteilhaft, da
sie sehr billig zu erhalten sind, jedoch können für Sonder zwecke auch Hochleistungsmikrowellengeneratoren
verwendet werden, die bei 2,45 G Hz derzeit bis zu 1OkW Dauerleistung abgeben.