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Mit Fernwärme als Heizmedium betreibbarer Vorratswasser-
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heizer Die'Erfindung bezieht sich auf einen mit Fernwärme als Heizmedium
betreibbaren Vorratswasserheizer, der einen das zu heizende Brauchwasser aufnehmenden
Speicherbehälter mit einem Kaltwasserzulauf und einem Warmwasserablauf und wenigstens
einen, in das Brauchwasser des Speicherbehälters eingetauchten Wärmetauscher aufweist,
welch letzterer über einen Vorlauf und einen Rücklauf an das Fernwärmenetz anschließbar
ist.
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Bei üblichen Vorratswasserheizern dieser Art ist der Wärmetauscher
als gewendelter Rohrwärmetauscher ausgebildet und nach Art einer Heizbirne in das
Brauchwasser im Innenraum des Speicherbehälter eingetaucht. Der Rohrwärmetauscher
ist über gegebenenfalls verstärkte Zulauf- und Rücklaufrohre an einem eine Zugangsöffnung
zum Speicherbehälter abdeckenden Deckel gehaltert und kann daher nach Entleerung
des Speicherbehälters und Lösen des Deckels von dessen Flansch relativ problemlos
ausgebaut oder ausgewechselt werden. Der Kaltwasserzulauf zum Speicherbehälter ist
regelmäßig im Bodenbereich und der Warmwasserablauf aus dem Speicherbehälter in
dessen oberem Bereich, z. B. im Behälterdom angeordnet.
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Den Vorteilen dieses bekannten Vorratswasserheizers, nämlich der kostengünstigen
Herstellung, der einfachen Anpassung an unterschiedliche Leistungen durch Änderung
der Rohrheizfläche und der Einsatzmöglichkeit bei praktisch allen Heizwasserdrücken,
stehen gerade bei Verwendung von Fernheizmedium als Primärenergiemedium gravierende
Nachteile in Bezug auf die Fernwärmeausnutzung, also die Energiebilanz gegenüber.
Der Wärmeübergang zwischen dem die Wendel des Rohrwärmetauschers durchfließenden
Fernwärmemedium und dem Brauchwasser im Speicherbehälter ist, bedingt durch die
weitgehend stationäre Umspülung der Heizrohrschlange, relativ gering.
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Die Energie des Fernwärmemediums kann günstigenfalls nur bis zur jeweiligen
Brauchwassertemperatur in der Umgebung des in das Brauchwasser eintauchenden Wärmetauschers
genutzt werden.
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Vor allem im Sommer, wenn die Fernheizwerke die Temperatur des Fernwärmemediums
auf bis zu 700C abgesenkt haben, kann der Warmwasserbedarf eines Mehrpersonenhaushalts
mit den bekannten Vorratswasserheizern nicht angemessen gedeckt werden.
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So dauert die Aufheizung eines üblichen 200 1 Brauchwasserspeichers
von der Kaltwassertemperatur von +12 0C auf eine Warmwassertemperatur von +50°C
bei einer Vorlauftemperatur des Heizwassers von 700C ca. 3 h. Eine bessere Wärmeenergieausnutzung
bei der Warmwasserbereitung mit Fernwärme als Primärenergiemedium ergibt sich bekanntlich
durch Verwendung eines außerhalb des Speicherbehälters angeordneten Wärmetauschers,
durch den der Ladekreis des Brauchwassers im Gegenstrom zum Fernwärmemedium geführt
wird. Derartige Warmwasserspeicher mit externem Ladekreis haben einen kostspieligen
und aufwendigen Aufbau, bedingen eine im Ladekreis angeordnete Pumpe und sind daher
nur für größere Anlagen rentabel.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Vorratswasserheizer
der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er bei Aufrechterhaltung aller
Vorteile eine wesentlich bessere Ausnutzung der Fernwärme für die Warmwasserbereitung
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
1.1 bis 1.3 des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung schafft eine besonders glückliche Kombination zwischen
einem die Brauchwassersäule direkt beheizenden Wärmetauscher mit einer statischen
Heizfläche und einem nach dem Prinzip eines Durchlauferhitzers arbeitenden Heizgerät
zum Vorheizen des den Warmwasserbedarf ausgleichenden Kaltwassers.
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Das über den Vorlauf in den vorderen Wärmetauscherabschnitt einfließende
Fernheizmedium gibt seine Wärme direkt an den Speicherinhalt ab und kann im günstigsten
Falle bis angenähert auf die Speichertemperatur abgekühlt werden. In der sich anschließenden
Stufe, nämlich in dem innerhalb der Vorheizkammer angeordneten Wärmetauscherabschnitt,
wird das Heizwasser von dem im Gegenstrom über die Heizflächen geleiteten Kaltwasser
auf eine erheblich niedrigere Temperatur - im günstigsten Falle bis kurz über die
Kaltwasser-Eintrittstemperatur - abgekühlt. Die Vorheizung des Kaltwassers unter
den besonders günstigen Wärmeübergangsbedingungen des Gegenstromprinzips kommt praktisch
verlustlos der Warmwasserbereitung zugute, da der gesamte Wärmetauscher in dem Brauchwasser
eingetaucht ist. Der heißeste Abschnitt des Wärmetauschers gibt die Wärme direkt
an den Speicherinhalt ab, während die Wärmetauscherbereiche niedrigerer Temperatur,
also die rücklaufenden Heizwendelbereiche mit dem zuströmenden Kaltwasser in wärmetauschender
Beziehung sind. Das aus der offenen Seite der Vorheizkammer austretende vorgeheizte
Kaltwasser verstärkt darüberhinaus die Bewegung des im Behälterinnenraum befindlichen
Brauchwassers besonders im Bereich der freiliegenden Heizflächen und erhöht dadurch
die bereits in diesem Bereich auf den Speicherinhalt direkt übergebene Leistung.
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Im Ergebnis ergeben sich durch die Erfindung die folgenden Vorteile:
1. Die in den Vorratswasserheizer über den Zulauf eingeführte Wärmemenge wird weitestgehend
ausgenutzt.
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2. Der Wohnheizbetrieb wird aufgrund der raschen Aufheizung des Speicherinhalts
auf dessen Solltemperatur von der Boilervorrangschaltung nur relativ kurz unterbrochen;
3. die Warmwasserbereitung führt nicht zu einer Erhöhung der Fernheizmenge; 4. der
erforderliche Speicherinhalt kann vergleichsweise klein ausgelegt werden; und 5.
der Vorratswasserheizer deckt selbst bei relativ geringer Fernheizleistung den Bedarf
eines Mehrpersonenhaushalts in bedarfsgerechter Form.
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Die Mehrkosten in der Herstellung des Wärmetauschereinsatzes mit Vorheizkammer
sind im Vergleich zu bekannten Vorratswasserheizern mit internen statischen Heizflächen
sehr gering und werden durch die Möglichkeit kleinerer Dimensionierung des Speicherbehälters
und der Größe der Heizflächen mehr als kompensiert.
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In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Wärmetauscher
als gewendelte Heizrohrschlange ausgebildet ist, daß die Vorheizkammer eine zylindrische
Ringkammer aufweist, in die der mit dem Rücklauf verbundene Abschnitt der Heizrohrschlange
eingesetzt ist, und daß die Ringkammer an einem dem Kaltwassereinlauf zugewandten
stirnseitigen Ende mit einer Kaltwasser-Verteilerkammer verbunden ist'und am entgegengesetzten
stirnseitigen Ende eine in den Innenraum des Speicherbehälters mündende Ringöffnung
hat, durch die die Wendel der Heizrohrschlange und der in der Ringkammer vorgeheizte
Kaltwasserstrom durchtreten. Dabei sind die Ring-und Verteilerkammern vorzugsweise
durch zwei konzentrisch ineinandergesetzte zylindrische Töpfe begrenzt.
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Die Heizrohrschlange kann in besonders einfacher Ausführung als schraubenlinienförmig
verlaufende einfache Wendel ausgebildet sein, von der ein Abschnitt in der Ringkammer
angeordnet ist und der andere, mit dem Vorlauf verbundene Abschnitt axial aus der
Ringkammer in den Innenraum des Speicherbehälters vorsteht. In alternativer und
besonders kompakt bauender Ausführung ist die Heizrohrschlange als Doppelwendel
ausgebildet, wobei die Innenwendel in der Ringkammer und die Außenwendel um den
Ringkammer-Außenmantel im Innenraum des Speicherbehälters verlaufen.
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Eine besonders einfache Ausführung des Vorratswasserheizers, der sich
vor allem für leistungsschwache Anlagen eignet, ist dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmetauscher als wenigstens abschnittsweise gerades, durchgehendes Heizrohr
ausgebildet ist und die Vorheizkammer ein Ringraum zwischen dem Heizrohr und einem
dieses koaxial umschließenden, an einer Stirnseite zum Innenraum des Speicherbehälters
offenen Mantelrohr ist, wobei der Kaltwasserzulauf in den dem offenen Mantelrohrende
entgegengesetzten Endbereich in den Ringraum mündet.
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Eine einfache Variationsmöglichkeit der Größe der Heizflächen sowie
leichte Wartungsbedingungen ergeben sich gemäß Weiterbildung der Erfindung dadurch,
daß Vorlauf und Rücklauf des Fernheizmediums und Kaltwasserzulauf in paralleler
Anordnung durch einen eine Öffnung des Speicherbehälters dicht verschließenden Deckel
durchgeführt sind.
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Die Wärmeausnutzung des Fernheizmediums läßt sich in Weiterbildung
der Erfindung noch dadurch steigern, daß in der Vorheizkammer den Strömungsweg des
Kaltwassers auf den Heizflächen des Wärmetauschers verlängernde Führungsmittel eingebaut
sind. Diese Führungsmittel bestehen vorzugsweise in der als Ringraum ausgebildeten
Vorheizkammer aus wenigstens einem wendelförmig verlaufenden Profil beispielsweise
aus entsprechend temperaturbeständigem Kunststoff, das eine
schraubenlinienförmige
Kaltwasser-Strömungsbahn begrenzt.
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Auf diese Weise wird das Kaltwasser zwangsweise entlang den wendelförmigen
Windungen der Rohrschlange geführt und der kürzeste Weg parallel zur Zentralachse
der Wendel, also etwa quer zum Rohrverlauf weitgehend gesperrt.
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Als Führungsprofile oder Kanäle können auch die Windungen des Heizrohrs
selbst ausgenutzt werden. Dies gelingt in Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß
der Abstand zwischen den die Ringkammer begrenzenden Innen- und Außenmänteln dem
Außendurchmesser des Heizrohrs angepaßt ist, so daß die Kaltwasser-Strömungsbahn
parallel zur Heizrohrschlangenwendel in den Zwickelräumen zwischen benachbarten
Heizrohrschleifen verläuft. Diese Zwickelräume können auch durch einen flüssigkeitsdurchlässigen,
porösen Zement oder durch in die Zwickelräume eingelegte Zusatzwendel verengt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel des neuen Vorratswasserheizers mit einer gewendelten,
liegend angeordneten Heizrohrschlange und einer einen Abschnitt der Heizrohrwendel
umschließenden, mit dem Kaltwasserzulauf verbundenen Vorheizkammer; und Fig. 2 eine
Teilansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Vorratswasserheizers, bei dem
zwischen einem geraden Heizrohrabschnitt und einem koaxialen Mantelrohr eine Vorheizkammer
für das Kaltwasser gebildet ist.
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Der in Figur 1 als Ganzer mit 1 bezeichnete Vorratswasserheizer weist
als wesentliche Komponenten einen das Brauchwasser aufnehmenden Speicherbehälter
2 und einen zur Beheizung des Brauchwassers im Speicherinnenraum 3 angeordneten
Rohrwärmetauscher
4 auf. Die für die Erläuterung der Erfindung unwesentlichen Teile, so z. B. die
übliche Behälterisolierung sowie die Anschlüsse für die üblichen Meß-, Regel-und
Sicherheitselemente, sind in der Zeichnung fortgelassen.
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Das Kaltwasser tritt durch ein Zulaufrohr 5 in den Speicherbehälter
2 ein. Das Zulaufrohr 5 ist parallel zu einem Vorlauf 6 und einem Rücklauf 7 des
Fernwärmemediums durch einen Behälterstutzen 8 und einen letzterem angeflanschten,
die Stutzenöffnung dicht verschließenden Deckel 9 durchgeführt.
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Ein Warmwasseraustrittsstutzen 10, der im Betrieb mit den Warmwasserzapfstellen
verbunden ist, ist in üblicher Weise im Behälterdom angeordnet.
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Der Wärmetauscher 4 ist als gewendelter Rohrwärmetauscher ausgebildet.
Der in Figur 1 rechts dargestellte Abschnitt 40, der mit dem Vorlauf 6 verbunden
ist, taucht frei in das im Innenraum 3 befindliche Brauchwasser ein. Der mit dem
Rücklauf 7 verbundene Heizflächenabschnitt 41 der Rohrwendel taucht dagegen in eine
als Ringkammer ausgebildete Vorheizkammer 11 ein und wird in letzterer im Gegenstrom
vom Kaltwasser umströmt, das durch den Kaltwasserzulauf 5 und einer Verteilerkammer
12 axial in die Ringkammer 11 eingeleitet wird.
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Die der Vorheizung des Kaltwassers dienende Ringkammer 11 und die
durch Rohröffnungen mit dem Kaltwasser-Zulaufrohr 5 verbundene Verteilerkammer 12
sind durch zwei mit Abstand konzentrisch ineinandergesetzte, zylindrische Töpfe
13 und 14 innen und außen begrenzt. In den Zwickelräumen zwischen den in der Ringkammer
11 verlaufenden Heizrohrwindungen sind schematisch durch Kreuze 15 veranschaulichte
Führungselemente angeordnet, die dafür sorgen, daß das von der Verteilerkammer 12
aus in die Ringkammer 11 eintretende Kaltwasser in Richtung des Verlaufs der Rohrwendel,
also parallel zur Rohrachse an den Heizflächen der Wendel vorbeigeführt wird. Die
Führungselemente 15 können parallel zur Wendelführung verlaufende, also entsprechend
der Rohrschlange 4 gewendelte Kunststoffprofile sein, die aus einem mindestens bis
zur Maximal~temperatur des
Fernwärmemediums temperaturbeständigen
Material bestehen.
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Es kann unter Umständen zweckmäßig sein, den Außenquerschnitt der
Heizrohrschlange 4 dem Abstand zwischen den benachbarten Mantelflächen der Innen-
und Außentöpfe 13 und 14, also der Radialabmessung der Vorheizkammer 11 anzupassen.
In solcher Ausführung bilden die Windungen der Rohrschlange 4 im Abschnitt 41 Begrenzungswände
für die Strömungsbahn des Kaltwassers und führen das Kaltwasser zwangsweise in den
Zwickelräumen parallel zum Wendelverlauf. Die Zwickelräume können vor allem in dieser
Ausführung mit einem die Querschnitte verengenden Material, beispielsweise einem
porösen Zement oder gewendelten Füllum profilen teilweise ausgefüllt sein,/die Strömungsgeschwindigkeit
des Kaltwassers entlang der Heizflächen in der Vorheizkammer zu erhöhen und damit
den Wärmeübergang zwischen dem Fernwärmemedium und dem Kaltwasser zu verstärken.
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Das in der Vorheizkammer 11 vorgeheizte Kaltwasser tritt an den der
Bodenwand des Topfes 14, also der Eintrittsseite des Kaltwassers entgegengesetzten
Ende der Vorheizkammer 11 durch eine Ring öffnung 16 aus und wird dem im Innenraum
3 des Behälters 2 befindlichen Brauchwasser beigemischt. Die Ringöffnung 16 wird,
wie in Figur 1 dargestellt, auch von der Rohrschlangenwendel 4 durchgriffen, die
mit dem Heizflächenabschnitt 40 frei in den Innenraum 3 vorspringt.
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Das über den Vorlauf 6 zugeführte Fernwärmemedium erreicht zunächst
die äußerste Windung des direkt in das Speicherwasser eintauchenden Heizflächenabschnitts
40. In diesem Abschnitt findet ein Wärmetausch mit dem im Behälter 2 befindlichen
Brauchwasser statt, wobei die Wärmemenge des Fernwärmemedium entsprechend seinem
Volumenstrom bis zu einer Temperaturabsenkung auf eine Temperatur etwas oberhalb
der Brauchwassertemperatur nutzbar gemacht werden kann. In dem anschließenden Rohrschlangenabschnitt
41 kann dann aufgrund der Wirkungsweise der Vorheizkammer und der in dieser im Gegenstromprinzip
geführten Kaltwasserströmung
die Temperatur des Heizmediums noch
wesentlich weiter, nämlich im Idealfall bis angenähert zur Eintrittstemperatur des
Kaltwassers abgesenkt und die dem Heizmedium entzogene Wärmemenge für die Warmwasserbereitung
nutzbar gemacht werden.
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Günstig ist dabei, daß das Kaltwasser mit fortschreitender Aufwärmung
in der Vorheizkammer 11 über die Heizflächen der Rohrwendel mit zunehmend wärmerem
Heizmedium in wärmetauschende Beziehung gebracht wird, so daß das Temperaturgefälle
zwischen Heizmedium und aufzuheizendem Wasser über die Gesamtlänge der Vorheizkammer
in relativ engen Grenzen gleich bleibt. Das aus der Ringöffnung 16 in den Innenraum
3 austretende vorgeheizte Kaltwasser trägt zu einer Bewegung des Brauchwassers gerade
im Bereich des Wendel abschnitts 40 bei und erhöht dadurch den Wärmeübergang vom
Heizmedium zum Brauchwasser.
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Der lichte Querschnitt des Behälterstutzens 8 ist so gewählt, daß
sich der Wärmetauscher 4 zusammen mit den die Vorheizkammer 11 begrenzenden konzentrischen
Töpfen 13 und 14 als Einheit nach Lösen des Deckels 9 aus dem Behälterinnenraum
3 entfernen läßt. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heizrohrwendel
4 horizontal, also liegend angeordnet. Eine unter Umständen günstigere Kaltwasserführung
in der Vorheizkammer 11 läßt sich dann erreichen, wenn die Wendelachse 18 um wenige
Grad, beispielsweise um 50 in Figur 1 von links nach rechts steigend angeordnet
ist.
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Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 durch eine andere Heizflächenführung und
eine dementsprechend abgewandelte Ausbildung der Vorheizkammer.
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Der Wärmetauscher ist in dem in Figur 2 dargestellten vereinfachten
Ausführungsbeispiel durch eine U-förmige, das
Fernwärmemedium führende
Rohrschlange 4' gebildet, die an einem Ende mit dem Vorlauf 6 und am anderen Ende
mit dem Rücklauf 7 verbunden ist. Der an den Vorlauf 6 angeschlossene Heizrohrabschnitt
40' verläuft frei im Innenraum 3 des Speicherbehälters 2 und tritt daher unmittelbar'mit
dem zu heizenden Brauchwasser in wärmetauschende Beziehung.
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Ein zum Rücklauf 7 führender Abschnitt 41' ist durch ein konzentrisches
Mantelrohr 20 derart ummantelt, daß zwischen dem Heizrohr im Rohrabschnitt 41' und
dem konzentrischen Mantelrohr 20 ein Ringraum 21 entsteht. Das Mantelrohr 20 ist
an der dem Rücklauf 7 benachbarten Stirnseite dicht abgeschlossen. Um einen Anschlußstutzen
22 ist die Ringkammer 21 mit dem Kaltwasserzulauf 5 verbunden. Das durch den Anschlußstutzen
22 in den Ringraum 21 im Mantelrohr 20 eintretende Kaltwasser läuft etwa im Gegenstrom
zum Fernwärmemedium im Rohrabschnitt' 41 durch das Mantelrohr 20 bis zu der am entgegengesetzten
Ende des Mantelrohrs angeordneten Ringöffnung 16 und tritt dort unter Vermischung
mit dem Brauchwasser in den Innenraum 3 des Speicherbehälters 2 ein.
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Auch bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur
Verlängerung der Strömungsbahn des vorzuwärmenden Kaltwassers in der Vorheizkammer
Führungselemente 23 vorgesehen. Es handelt sich dabei um den Rohrabschnitt 41' wendel-
oder schraubenlinienförmig umgebende Rippen 23, die den Ringraum 21 radial voll
ausfüllen und das aufzuwärmende Kaltwasser in eine wendelartiye Bahn um die rohrförmige
Heizfläche 41' lenken.
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Die Rippen 23 können aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B.
aus Kupfer, bestehen und mit der Außenwand des Rohrabschnitts 41 in wärmeleitender
Beziehung stehen, um die in der Vorheizkammer wirksamen Heizflächen bei gleichem
Bauvolumen zu vergrößern.
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In alternativen Ausführungen können anstelle der in Figur 2 dargestellten
geraden bzw. zylindrischen Ausführung des Rohrabschnitts 41' und des Mantelrohrs
20 auch gewendelte oder schleifenförmig geführte konzentrische Rohre als Wärmetauscher-
und Mantelrohre eingesetzt werden, um die wirksamen Heizflächen zu vergrößern. Der
Effekt der optimalen Nutzung der über das Heizmedium zugeführten Wärmemenge für
die Warmwasserbereitung bleibt in jedem Falle prinzipiell der gleiche wie bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1.
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Ebenfalls nach demselben Prinzip können Wärmetauscher mit platten-
oder ringförmigen Heizflächen, Mehrfachschlangen, Mehrfachwendeln o.dgl. konzipiert
werden. Wesentlich ist, daß ein Teil, nämlich der durch direkte Wärmeübertragung
zum Speicherinhalt nicht mehr geeignet nutzbare, rücklaufnahe Abschnitt der Heizflächen
durch geeignete Ummantelung durch eine Vorheizkammer und Einleitung des Kaltwassers
in die VorheizZammer zum Vorheizen des Kaltwassers ausgenutzt wird.
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- L e e r s e i t e -