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Feststoff-Kompaktspeicher mit Luftwärmetauscher
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Die Erfindung betrifft einen Feststoff-Kompaktspeicher nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Ein derartiger Kompaktspeicher ist beispielsweise in seiner Ausführungsform
als Kachelofen (oder im folgenden auch als Grundofen bezeichnet) bekannt geworden.
Nachteil des bisher bekannten Kachelofens ist allerdings, daß er eine relativ hohe
Masse aufweist und die durchschnittliche Oberflächentemperatur relativ niedrig liegt.
Man kann den Feuerraum nicht von einem wärmeübertragenden Raum (zum Beispiel einem
Kacheldom) trennen und ein derartiger Kachelofen ist nicht zeitsteuerbar. Es wird
also eine bestimmte Anheizzeit gebraucht, in dieser Zeit werden die Kacheln und
die Speicherzüge aufgeheizt. Nach Ablauf der Anheizzeit bleibt der Kachelofen für
eine bestimmte Zeit warm, wenn kein neues Brennmaterial nachgefüllt wird. Eine Verlängerung
der Warmhaltezeit kann nicht erreicht werden, außer man baut Speicherzüge mit größerer
Masse ein oder man nimmt ein neuerliches Anheizen vor.
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Die Temperatur des herkömmlichen Kachelofens ist nicht steuerbar,
d.h. die Temperatur ist nur über die einzuführende Frischluft regelbar und es gibt
keine Bedarfssteuerung für die abzugebende Wärme Wegen der im Kachelofen großen
enthaltenen Massen braucht der Kachelofen eine relativ lange Anheizzeit, während
der der Kachelofen sich langsam erwärmt.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Feststoff-Kompaktspeicher
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Anheizzeit wesentlich verkürzt
wird und daß die Warmluftabgabe auch an entfernt gelegenenen Stellen gesteuert möglich
ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß der durch den Feuerraum, die Zugdecken und Liege-Speicherzüge gebildete Grundofen
in einem inneren Metallgehäuse angeordnet ist, welches zum Erhalt eines Luft-Wärmetauschers
unter Bildung eines seitlichen, rückwärtigen und oberen Abstandes in ein wärmeisoliertes
äußeres Metallgehäuse eingesetzt ist.
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Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, daß der
herkömmliche Grundofen, welcher der Kern des herkömmlichen Kachelofens bildet, in
ein inneres Metallgehäuse eingebaut wird, welches seinerseits unter Bildung eines
Abstandes von einem äußeren Metallgehäuse umgeben wird. Im Zwischenraum zwischen
der Außenseite des inneren Metallgehäuses und der Innenseite des äußeren Metallgehäuses
werden Luftschächte gebildet, wo entsprechend der später angegebenen technischen
Lehre die Warmluft zirkuliert und auch an entfernt liegenden Stellen abgegeben werden
kann.
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Es wird also ein Luftwärmetauscher durch die Außenseite des inneren
Metallgehäuses und durch die im Abstand davon angeordnete Innenseite des äußeren
Metallgehäuses gebildet, wobei ausgehend von bodennah unter dem Feuerraumboden angeordneten
horizontalen Sammelschächten die Luft an der als Tauscherfläche wirkenden Rückwand
des inneren Metallgehäuses durch vertikale Steigschächte in den Schachtraum über
der Nachbrennkuppe strömt und über seitliche vertikale Fall schächte in die Sammelschächte
zurückströmt.
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Mit der vorgegebenen technischen Lehre werden also die Merkmale eines
herkömmlichen Kachelofens mit denen eines Warmluftofens kombiniert, wobei die Nachteile
des Kachelofens vermieden werden.
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Wenn man die Deckplatte des inneren Metallgehäuses als von wärmespeichernden
Elementen freigehaltene Nachbrennkuppe ausbildet, dann vermeidet man die Nachteile
des herkömmlichen Kachelofens, nämlich eine lange Anheizzeit.
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Sofort nach dem Anfeuern des Grundofens streichen die Rauchgase über
die zick-zack-förmig übereinander angeordneten Liege-Speicherzüge und gelangen dann
an dB Deckplatte des inneren Metallgehäuses, welche sofort von den Rauchgasen erwärmt
wird. Bereits schon einige Minuten nach dem Anheizen ist diese Deckplatte (Nachbrennkuppe)
aufgeheizt und gibt Wärme an den Luftwärmetauscher ab, d.h. an den Zwischenraum
zwischen dem inneren und dem äußeren Metallgehäuse. Es beginnt damit schon eine
Luftzirkulation und eine Warmlufterzeugung, welche zur Beheizung verwendet werden
kann, ohne daß die relativ lange Anheizzeit eines herkömmlichen Kachelofens abgewartet
werden muß, bei dem zunächst die eine relativ große Masse aufweisenden Zugdecken
und die dazwischen angeordneten Vorschubsteine aufgeheizt werden müssen.
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Nachdem kurz nach Beginn des Anheizens des Grundofens bereits schon
eine wesentliche Warmlufterzeugung beginnt, braucht man bei einem Grundofen nach
der vorliegenden Erfindung die Masse der Vorschubsteine und der Zugdecken auch nicht
so groß zu wählen, wie bei einem herkömmlichen Kachelofen. Damit werden die Herstellungskosten
und die Baumasse des erfindungsgemäßen Feststoff-Kompaktspeichers wesentlich erniedrigt.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt
darin, daß durch den Einbau eines herkömmlichen Grundofens unter Zwischenschaltung
eines Luftwärmetauschers in ein größeres äußeres Metallgehäuse es nun möglich ist,
den Grundofen mit viel höheren Oberflächentemperaturen zu fahren. Wesentlich hierbei
ist, daß das äußere Metallgehäuse nach außen hin wärmeisoliert ist, so daß nicht
mehr - wie bei:einem herkömmlichen Kachelofen - darauf geachtet werden muß, daß
die außen erzeugte Temperatur handverträglich ist.
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Die im Luftwärmetauscher erzeugte Warmluft kann sehr genau temperaturgeregelt
werden,und zwar über einen Kurzschlußkreislauf, der nachfolgend beschrieben wird.
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Im Bereich des vertikalen Steigschachtes ist eine Mischerklappe angeordnet,
vor der ein Abluftstutzen zum Abzug der Warmluft in einen entfernten Wärmetauscher
(Kacheldom) angeordnet ist und hinter der ein Ansaugstutzen zur Einführung der durch
den entfernt angeordneten Wärmetauscher hindurch geleiteten und abgekühlten Luft
in den Steigschacht befestigt ist.
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Ist die Mischerklappe vollständig geschlossen, dann wird der sogenannte
große Kreislauf gefahren, d.h. die gesamte Menge der Warmluft strömt an den Tauscherflächen
des inneren Metallgehäuses entlang und gelangt in den Kacheld6m.
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Mit zunehmender Öffnung der Mischerklappe wird ein Kurzschluß zwischen
dem Ansaug- und dem Abluftstutzen für die Abführung der Warmluft in den Kacheldom
erzeugt, so daß die Luft nicht mehr oder nicht mehr vollständig an den Tauscherflächen
des inneren Metallgehäuses entlang strömt. Die Mischerklappe ist hierbei in Abhängigkeit
von
der Temperatur im Steigschacht motorisch gesteuert, so daß eine
stufenlose Steuerung der erzeugten Warmluft im entfernt davon angeordneten Kacheldom
möglich ist. Eine derartige feinfühlige Steuerung der erzeugten Warmluft war mit
einem herkömmlichen Kachelofen nicht möglich.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt
darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Kompakt-Feststoffspeicher eine zeitversetzte
Abgabe der Warmluft möglich ist. Hierzu muß nur dafür gesorgt werden, daß die Warmluft
genau dann durch den Kacheldom geleitet wird, wenn sie gebraucht wird. Für diesen
Zweck ist im Ansaugstutzen, welcher an das äußere Metallgehäuse ansetzt und welcher
in den Luftwärmetauscher mündet, ein Radialventilator angeordnet, der nur dann in
Betrieb ist, wenn Warmluft durch den Kacheldom geleitet werden soll.
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Zusätzlich kann in diesem Warmluftkanal noch eine Stellklappe vorhanden
sein, welche die Luftmenge entsprechend regelt.
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Soll der Kacheldom nicht erwärmt werden, dann befindet sich der Radialventilator
außer Betrieb und eine möglicherweise eingebaute Stellklappe ist geschlossen.
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Zu jeder beliebigen Zeit kann nun der Radialventilator gestartet werden
und die möglicherweise vorhandene Stellklappe geöffnet werden, wodurch - unabhängig
davon, daß der Kompaktspeicher schon längst aufgeheizt ist - jetzt erst Warmluft
durch den Kacheldom hindurchgeführt wird.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen\ dargestellte räumliche
Ausbildung werden
als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellende Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und
ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung
hervor.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisiert gezeichneter Längsschnitt durch einen
Feststoff-Kompaktspeicher nach der Erfindung als Schnitt gemäß der Linie I-I in
Fig. 3; Fig. 2 Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 Schnitt gemäß der
Linie III-III in Fig. 2; Fig. 4 schematisiert gezeichnetes Anschlußbeispiels eines
Kompaktspeicher nach der Erfindung an einen Kacheldom.
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In den Fig. 1 bis 3 sind in einem inneren Metallgehäuse 1 Speichersteine
so angeordnet, daß diese nach dem bekannten Prinzip des Grundofens im unteren Teil
des Metallgehäuses 1 einen Feuerraumboden 2 mit einem darin eingelassenen Rost 3,
sowie eine darüber angeordnete Feuerraumdecke 4 bilden. Oberhalb der Feuerraumdecke
4 sind schikanenartig geführte Liege-Speicherzüge 5 übereinander angeordnet, wobei
diese Liege-Speicherzüge durch horizontale Zugdecken und dazwischen angeordneten
abstandshaltenden Vorschubsteinen 7 gebildet sind. Die Zugdecken 6 werden durch
die Vorschubsteine 7 getragen, die mit der
Gesamtlast auf den Feuerraumwänden
8 aufliegen. Der oberste Teil des Metallgehäuses weist keinerlei Vorschubsteine
oder Zugdecken aus und ist als einfache Metallplatte des inneren Metallgehäuses
1 ausgeführt.
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Sobald die im Feuerraum 10 entstehenden Rauchgase durch die Liege-Speicherzüge
5 in Richtung zu dem Rauchrohr-Anschlußstutzen 28 strömen, bestreichen sie die Decke
des inneren Metallgehäuses 1, die als Nachbrennkuppe 9 bezeichnet wird. Sofort nach
dem Anheizen im Feuerraum 10 wird sich daher die Nachbrennkuppe 9 erhitzen und entsprechende
Wärme in den darüber angeordneten Schachtraum 40 abgeben.
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Die Frontseite des inneren Metallgehäuses 1 weist in der Höhe des
Feuerraumes 10 eine Heiztür 11 auf und in der Höhe der vorderen Wände Kammern 12
der Speicherzüge jeweils eine abnehmbare Putzbuchse 31. Die gesamte Front des inneren
Metallgehäuses ist nach außen ausreichend gegen unerwünschten Wärmeverlust durch
einen entsprechenden Isoliermantel 13 versehen.
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Das innere Metallgehäuse 1 mit dem darin gebildeten Grundofen ist
unter Bildung von seitlichen und rückwärtigen Abständen in ein größeres, nach außen
hin durch den Isoliermantel 13 wärmeisoliertes äußeres Metallgehäuse 15 eingesetzt.
Dadurch wird zwischen der Außenseite des inneren Metallgehäuses 1 und der Innenseite
des äußeren Metallgehäuses 15 ein Luftwärmetauscher gebildet, der im wesentlichen
durch einen rückwärtigen, vertikalen Steigschacht 16, durch einen oberen, oberhalb
der Nachbrennkuppe 9 angeordneten Schachtraum 40 und durch seitliche Fallschächte
41 gebildet ist.
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Unterhalb des Feuerraumbodens 2 sind bodennahe neben der Aschentruhe
19 zwei horizontale Sammelschächte 18 angebracht, welche gemäß Fig. 1 in eine weitere,
hintere und horizontale Korrespondenskammer 20 münden, die ihrerseits mit dem Steigschacht
16 in Verbindung steht.
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An der Rückseite des Feststoffspeichers bläst ein Radialventilator
14 abgekühlte Umluft in Pfeilrichtung 34 in den hinteren Steigschacht 16 geleitet,
wo sie in Pfeilrichtung 30 über die Nachbrennkuppe 9 in den oberen Schachtraum 40
(Pfeilrichtung 32) gelangt. Dort fällt die Luft in Pfeilrichtung 35 in die seitlichen
Fallschächte 41, welche in die unteren Sammelschächte 18 münden. Beim Durchströmen
des Steigschachtes 16 strömt die Luft an den Tauscherflächen 17 des inneren Metallgehäuses
entlang, wodurch sie sich erwärmt und eine weitere Erwärmung an der Nachbrennkuppe
9 stattfindet.
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Nachdem die abgekühlte Luft sich in den Sammelschächten 18 gesammelt
hat, gelangt sie in die Korrespondenskammer 20, an der ein Abluftstutzen 21 angeordnet
ist, über den die Warmluft in Pfeilrichtung 33 einem entfernt davon angeordneten
Wärmetauscher zugeführt wird.
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Dieser sogenannte große Kreislauf wird immer dann aufrecht erhalten,
wenn die im Steigschacht 16 zwischen dem oberen Ansaugstutzen 23 und dem unteren
Abluftstutzen 21 angeordnete Mischerklappe 22 vollständig geschlossen ist.
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Sobald die Mischerklappe 22 geöffnet wird, erfolgt ein Kurzschluß
zwischen dem Ansaugstutzen 23 und dem Abluftstutzen 21, wodurch die Luft nicht mehr
vollständig an den Tauscherflächen 17 entlangströmt und keine entsprechende Erwärmung
erfährt.
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Mit der motorischen Steuerung des Öffnungszustandes der Mischerklappe
in Abhängigkeit von der Temperatur im Steigschacht kann eine stufenlose Temperaturregelung
der in dem Kacheldom 25 (Fig. 4) eingeleiteten Warmluft erfolgen.
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Die Luft wird hierbei über wärmeisolierte Luftleitungen 24 in den
Kacheldom 25 eingeleitet, der im Ausführungsbeispiel einen inneren Kachelschacht
27 aufweist, der nach außen hin von Kacheln 26 umgeben ist. Die durch den Kachelschacht
27 in Pfeilrichtung 34 strömende Luft erwärmt die äußeren Kacheln 26 auf eine angenehme,
handwarme Temperatur, obwohl der entfernt davon angeordnete Kompaktspeicher auf
einer wesentlich höheren und betriebsgünstigeren Temperatur läuft.
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An die isolierte Luftleitung 24 kann entsprechend der Darstellung
in Fig. 4 noch ein Luft-Wasser-Wärmetauscher 37 angeschlossen werden, dessen abgabeseitiges
Ende mit entsprechenden wasserbetriebenen Heizkörpern 38 verbunden ist.
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Der Feuerraum 10 ist für die Verfeuerung von Feststoffen geeignet,
wie z.B. Holz und Kohle. Die dabei entstehenden Rauchgase erhitzen sofort - wie
obenstehend beschrieben -die Nachbrennkuppe 9. Nach und nach erhitzen sie aber auch
die Vorschubsteine 7 und die horizontal liegenden Zugdecken 6, so daß nach einer
gewissen Anheizzeit auch diese Teile hoch erhitzt sind. Wesentlich hierbei ist,
daß die Dimensionen der unteren Speichersteine 7, welche nächst dem Feuerraum 10
liegen, größer gewählt ist als die Dimensionen der darüber angeordneten Speichersteine,
die nächst dem Rauchrohr-Anschlußstutzen 28 angeordnet sind.
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Im Rauchrohr-Anschlußstutzen befindet sich eine handbetätigte Kamindrossel
29, welche mit der Zu.- oder Abnahme der Rauchgasmenge mehr oder weniger zu öffnen
ist.
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Nach einer gewissen Anheizzeit haben die Vorschubsteine 7 und die
Zugdecken 6 eine große Wärmemenge gespeichert, so daß auch nach Beendigung der Befeuerung
des Feuerraumes 10 noch eine lang anhaltende Wärmeabgabe an den Luftwärmetauscher
möglich ist. Die Rauchgase entströmen gemäß Fig. 4 über den Rauchrohr-Anschlußstutzen
28 in einen Kamin 39.
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Durch die unterschiedliche Dimensionierung der Vorschubsteine 7 im
Rauchgasweg vom Feuerraum 10 in Richtung zum Rauchrohr-Anschlußstutzen 28 wird eine
gleichmäßige Erwärmung des die Speicherelemente umgebenden inneren Metallgehäuses
1 erreicht, obwohl die Rauchgase ein starkes Temperaturgefälle vom Feuerraum in
Richtung auf den Rauchgasauslaß haben.
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Dadurch, daß die Tauscherflächen 17 des inneren Metallgehäuses 1 auf
einem wesentlich höheren Temperaturniveau gehalten werden können als dies vergleichsweise
bei der Außenwand eines herkömmlichen Kachelofens möglich ist, ist der nutzbare
Temperaturunterschied der Speicherelemente ebenfalls höher, und eine stärkere Erwärmung
der Speicherelemente bei weniger Speichermasse ist möglich, weil es bei dem erfindungsgemäßen
Feststoffspeicher nicht darauf ankommt, die Oberflächentemperatur an der Außenseite
handverträglich zu gestalten.
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ZEICHNUNGS-LEGENDE 1 inneres Metallgehäuse 2 Feuerraumboden 3 Rost
4 Feuerraumdecke 5 Liege-Speicherzug 6 Zugdecke 7 Vorschubstein 8 Feuerraumwand
9 Nachbrennkuppe 10 Feuerraum 11 Heiztür 12 Wendekammer 13 Isoliermantel 14 Radialventilator
15 äußeres Metallgehäuse 16 Steigschacht 17 Tauscherfläche 18 Sammelschacht 19 Aschentruhe
20 Korrespondenzkammer 21 Abluftstutzen 22 Mischerklappe 23 Ansaugstutzen 24 Luftleitung
25 Kacheldorn 26 Kachel 27 Kachelschacht 28 Rauchrohr-Anschlußstutzen 29 Kamindrossel
30 Pfeilrichtung 31 Putzbuchse 32 Pfeilrichtung 33 Pfeilrichtung 34 Pfeilrichtung
35 Pfeilrichtung 37 Luft-Wasser-Wärmetauscher 38 Heizkörper 39 Kamin 40 Schachtraum
(über Nachbrennkuppe 9) 41 Fallschacht