DE4324606C2 - Heizungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizungsanlage mit einem Medium sowie einer Heizeinrichtung zur Erwärmung des Mediums, wobei die Heizeinrichtung Mikrowellenenergie abgibt.

Bekannte, zur Erwärmung der Innenräume von Gebäuden eingesetzte Heizungsanlagen bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Heizkessel und aus mindestens einem, meist mehreren Heizkörpern, in denen ein Medium, gewöhnlich Wasser, zirkuliert. Das im Heizkessel durch die Verbrennung eines fos­ silen Energieträgers, wie Kohle, Heizöl oder Erdgas erwärmte Medium wird durch eine Umwälzpumpe in die Heizkörper transportiert, wo die Wärmeenergie durch Strahlung und/oder Konvektion auf die Raumluft übertragen wird.

Aus den Druckschriften DE 41 28 103 A1, DE 31 43 808 C2, DE 31 39 268 A1 und DE 40 40 211 A1 ist es jeweils bekannt, die Erwärmung des Heiz- oder Brauchwassers durch Bestrahlung mit Mikrowellenenergie vorzunehmen. Die Dipole des Wassers werden dabei unmittelbar durch die Mikrowelle in der bekannten Weise in Schwingungen versetzt und hierdurch erhitzt. Vielfach sind Heizanlagen weiterhin mit einer Zusatzheizung versehen, wie sie beispielsweise die Druckschrift GB 21 02 559 A, zeigt, um den energiesparenden Betrieb bei warmer Witterung mit verringerter Leistung zu ermöglichen.

Für spezielle Anwendungszwecke wird gelegentlich die Ausbreitung der Mikrowellen durch spezielle Materialien beeinflußt. So zeigt die Druckschrift DE 31 09 513 C2 eine Anlage zur Mikrowellen- Wärmebehandlung, bei der in einem mit Flüssigkeit gefüllten Kessel eine Vielzahl kugelförmiger Körper angeordnet sind, die für Mikrowellen durchlässig sind. Um auch die Erwärmung unpolarer Medien bei gleichzeitiger Bestrahlung mit Mikrowellen zu gestatten, etwa zum Zweck des Crackens von Öl, ist in der Druckschrift DE 41 36 416 A1 eine Vorrichtung beschrieben, bei der das Mikrowellenabsorptionsvermögen der strahlungsbeaufschlagten Wandungen des Gefäßes in der Weise durch Zusatzmaterialien eingestellt wird, daß der Temperaturanstieg entsprechend dem gewünschten Verhältnis von Strahlungsintensität und Erwärmung erfolgt.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfin­ dung das Problem zugrunde, die Wärmezufuhr zum Heizkreislauf einer konventionellen Heizungsanlage dahingehend zu verbessern, daß ein höherer Anteil der zugeführten Energie auf den Heizkreislauf über­ tragen wird.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die Heizeinrichtung ein vom Medium umspültes Mineral mit einem Anteil an Kristallwasser ist, und daß das Mineral vor oder während der Umspülung mit Mikrowellen beaufschlagt ist. Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, ein Mineral mit einem möglichst hohen Anteil an Kri­ stallwasser in das Medium einzubringen und durch eine Beaufschlagung mit Mikrowellen zu erwärmen. Die Frequenz des Mikrowellensenders ist - wie in konventionellen Mikrowellenherden - derart gewählt, daß primär die Dipole des Kristallwassers zu Schwingungen angeregt werden, wobei sich das Kri­ stallwasser erwärmt und durch die wärmeleitenden Eigenschaften des Minerals eine Wärmeübertragung auf das Heizmedium, das das Mineral umspült, statt­ findet. Die Temperatur des Mediums wird durch die vom Sender emittierte Strahlungsleistung bestimmt und kann durch eine Regelschaltung leicht den je­ weiligen Erfordernissen angepaßt werden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die Masse der in den Heizkreislauf eingefügten Mineralien zu variieren, wobei die auf das Medium übertragene Wärmemenge proportional zur Masse der Mineralien ist. Aufgrund der leichter durchführbaren Änderung der Sendelei­ stung ist jedoch bevorzugt, eine den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten angepaßte Menge an Minera­ lien in den Heizkreislauf zu integrieren und ledig­ lich die Sendeleistung zu regeln.

Die Vorteile der Erfindung bestehen vornehmlich darin, daß eine vollständige Übertragung der Mikro­ wellenenergie auf das Medium stattfindet, wobei durch den verbesserten Wirkungsgrad sowohl die Heizkosten als auch die - in einem den Mikrowellen­ sender mit elektrischer Energie versorgenden Kraft­ werk anfallenden - Abgasmengen reduziert sind. Die Gestehungskosten der Mineralien, wie beispielsweise Kieselsteine, sind vernachlässigbar, während ge­ eignete Mikrowellensender bereits kommerziell er­ hältlich sind und eine hohe Lebensdauer aufweisen. Auch die leichte und verzögerungsfreie Regelbarkeit des Mikrowellensenders sind als vorteilhaft anzuse­ hen. Aufgrund des gebundenen Zustandes des Wassers erfolgt eine wesentlich raschere Erwärmung und ein vollständigerer Energieübergang im Vergleich zu den ungebundenen Dipolen im Wasser. Zudem weisen die Mineralien eine hohe Wärmekapazität auf, die es er­ laubt, den Mikrowellensender intermittierend zu be­ treiben und die Erwärmung des umgebenden Mediums während der abgeschalteten Phase durch Wärmeüber­ tragung bei gleichzeitiger Abkühlung des Minerales vorzunehmen.

Um den mit Mikrowellen beaufschlagten Bereich auf den mit Mineralien gefüllten Innenraum der Heizein­ richtung zu begrenzen und Energieverluste oder ge­ sundheitliche Beeinträchtigungen sich in der Nähe aufhaltender Personen zu unterbinden, ist die Heiz­ einrichtung zweckmäßigerweise derart nach außen elektromagnetisch abgeschirmt, daß keine Mikrowel­ len austreten können. Geeignete metallische Ab­ schirmmaterialien werden auch in den gebräuchlichen Mikrowellenherden eingesetzt.

Die Art des von den Mineralien erwärmten Mediums ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Gedankens be­ liebig. In einer besonders einfachen Realisation wird Luft erwärmt, wobei die Heizeinrichtung unter Einsparung von Radiatoren und Verbindungsleitungen direkt in dem zu erwärmenden Raum angeordnet werden kann. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist ein Sau­ naofen, in dem die erhitzten Mineralien Strahlungs­ und/oder Konvektionswärme abgeben. Als vorteilhaft ist neben dem ansprechenden, an einen Kohleofen er­ innernden Äußeren anzusehen, daß die Mineralien auch zur Verdampfung von Aufgüssen dienen können.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die Heizein­ richtung in einen konventionellen Heizkreislauf einzufügen, als Medium also in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierendes, durch eine Umwälzpumpe transportiertes Wasser zu verwenden. Bei der Beauf­ schlagung mit Mikrowellen ist die Erwärmung des - entsprechend ausgewählten - Minerals bedeutend aus­ geprägter als des zirkulierenden Wassers, wobei, nachdem (nach einer Anlaufzeit) ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist, die gesamte Strahlungs­ energie des Mikrowellensenders - unabhängig vom An­ teil der vom Mineral aufgenommenen Energie - auf das Medium übertragen wird. Der Vorteil besteht darin, daß die Heizeinrichtung auch nachträglich in bereits bestehende Heizungsanlagen eingefügt werden kann, da nur minimale Modifikationen erforderlich sind.

Ein zur Aufnahme des mit Mikrowellen beaufschlagten Minerals geeigneter Behälter ist aus temperaturbe­ ständigem und mikrowellenabschirmendem Metall her­ gestellt. Zum Schutz vor Korrosion sind die Innen­ wände des Behälters mit Aluminiumfarbe bestrichen und auf die Aluminiumfarbe ist eine Schicht aus hitzebeständiger Isolierfarbe aufgetragen. Die der Zu- und Abführung des zirkulierenden Wassers die­ nenden Vor- und Rücklauföffnungen sind, um eine Mikrowellenausbreitung im Heizkreislauf zu unter­ binden, mit abschirmenden metallischen Lochblechen versehen.

Die Beaufschlagung des Minerals erfolgt nicht not­ wendigerweise innerhalb des Mediums, es besteht al­ ternativ die Möglichkeit, erkaltetes Material suk­ zessive aus dem Medium zu entnehmen, mit Mikrowel­ len zu beaufschlagen und wieder in das Medium zu verbringen. Es erfolgt somit eine ständige Bewegung der Mineralien simultan vom Heizmedium nach außen und in umgekehrter Richtung, wobei auch ein konti­ nuierlicher Austausch denkbar ist.

Da insbesondere an kalten Wintertagen eine hohe Heizleistung erforderlich ist, um eine angenehme Raumtemperatur aufrecht zu erhalten, während anson­ sten eine wesentlich geringere Leistung benötigt wird, muß die Heizeinrichtung, d. h. der Mikrowel­ lensender und/oder die Umwälzpumpe relativ groß dimensioniert werden. Um die Investitionskosten zu vermindern, ist empfohlen, einen mit Kohle und/oder Öl und/oder Gas und/oder elektrischem Strom und/oder Sonnenenergie betriebenen Heizkessel in den Kreislauf des Mediums zu integrieren. Mit elek­ trischem Strom oder fossilen Energieträgern betrie­ bene Heizkessel werden aus Preis- und Umweltschutz­ gründen nur zur Deckung eines erhöhten Wärmebedarfs eingesetzt, während bei einer Verwendung von Solar­ kollektoren die Sonnenenergie zweckmäßigerweise zur Deckung des Grundwärmebedarfs eingesetzt wird und die Heizeinrichtung nur aktiviert wird, falls ein erhöhter Wärmebedarf anfällt.

Schließlich bietet sich aus Gründen der Raumerspar­ nis eine Montage der Heizeinrichtung in der Nähe oder im Inneren des Heizkessels an. Insbesondere im letzteren Fall ist der Raumbedarf minimal, da nur die vergrößerte Umwälzpumpe bzw. der Mikrowellen­ sender das Volumen einer bereits vorhandenen oder neu aufzustellenden Heizungsanlage vergrößern.

Als Mineral ist vorzugsweise preisgünstig beschaffbarer Kieselstein vorzusehen. Der Behälter zur Aufnahme des Minerals ist bevorzugt aus Stahlblech.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Sie zeigen in schematischer Darstellung in

Fig. 1 eine Heizungsanlage,

Fig. 2 eine Luft als Medium verwendende Hei­ zungseinrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Heizungsanlage besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Heizkör­ per (4), einer Umwälzpumpe (3) und einem Behälter (6) mit Mineralien (1), vorzugsweise Kieselsteinen, wobei das im Behälter (6) erwärmte Medium (5) durch die Umwälzpumpe (3) in den Heizkörper (4) transpor­ tiert wird und die Temperatur der Raumluft durch die Abgabe von Konvektions- und/oder Strahlungs­ wärme erhöht. Das erkaltete Medium (5) erreicht an­ schließend den Behälter (6) und wird erneut er­ wärmt. Eine verlustarme Wärmeübertragung auf das Medium (5) wird dadurch möglich, daß das Mineral (1) zum einen mit Mikrowellen beaufschlagt wird und zum anderen einen Strömungswiderstand für das Me­ dium (5) darstellt. Ein Mikrowellensender (2) ist an einer Stirnseite des Behälters (6) positioniert und bewirkt durch die abgestrahlte Sendeleistung eine Vibration der Dipole insbesondere des im Mi­ neral (1) eingeschlossenen Kristallwassers, wobei durch Reibungsdämpfung eine zusätzliche Tempera­ turerhöhung des Minerals (1) und des Mediums (5) entsteht. Zur Temperaturregelung ist der Mikrowel­ lensender (2) mit einem im Inneren des Behälters (6) positionierten Temperaturfühler (7) verbunden, wobei die Temperatur des Mediums (5) durch eine Re­ gelschaltung gesteuert wird. Da die Mineralien (1) auch einen Strömungswiderstand für das Medium (5) darstellen, kann neben der Erwärmung durch Mikro­ wellen die Temperatur des Wassers durch eine Varia­ tion der Leistung der Umwälzpumpe (3) beeinflußt werden, wobei die kinetische Energie des Mediums (5) durch den Strömungswiderstand verlustfrei in Wärmeenergie umgewandelt wird.

In Fig. 2 ist eine Heizungsanlage dargestellt, die sich insbesondere zum Einsatz in einer Sauna eignet. In einem metallischen Behälter (12) ange­ ordnete Mineralien (1) werden durch einen Sender (2) mit Mikrowellen beaufschlagt, wobei durch eine Erwärmung des Kristallwassers auch die Oberfläche der Mineralien (1) und die Raumluft eine Erwärmung erfährt. Ein auf der Oberseite des Behälters (12) montiertes metallisches Gitter (13) verhindert ein möglicherweises Austreten von gesundheitsgefährden­ den Mikrowellen, ermöglicht jedoch ein Aufsteigen erwärmter Luft und - in einer Sauna - eine Anwen­ dung von Aufgüssen, wobei überschüssige Flüssigkeit durch den Abfluß (14) abführbar ist.

Claims (11)

1. Heizungsanlage mit einem Medium sowie einer Heizeinrichtung zur Erwärmung des Mediums, wobei die Heizeinrichtung Mikrowellenenergie abgibt, da­ durch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung ein vom Medium (5) umspültes Mineral (1) mit einem An­ teil an Kristallwasser ist, und daß das Mineral (19) vor oder während der Umspülung mit Mikrowellen beaufschlagt ist.

2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizeinrichtung nach außen elek­ tromagnetisch abgeschirmt ist.

3. Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (5) Luft ist.

4. Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (5) Wasser ist, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und durch eine Umwälzpumpe (3) transportiert wird.

5. Heizungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mineral (1) innerhalb eines me­ tallischen Behälters (6) angeordnet ist, daß die Innenwände des Behälters (6) mit Aluminiumfarbe bestrichen sind, daß die Aluminiumfarbe mit einer Schicht aus hitzebeständiger Isolierfarbe versehen ist, und daß die Vor- und Rücklauföffnungen des Behälters (6) mit je einem metallischen Lochblech versehen sind.

6. Heizungsanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung des Minerals (1) mit Mikrowellen außerhalb des Mediums (5) er­ folgt, wobei sukzessive erwärmtes Mineral (1) in das Medium (5) verbracht und erkaltetes entnommen und mit Mikrowellen beaufschlagt wird.

7. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizkör­ per (4) in den Kreislauf des Mediums (5) eingefügt ist, wobei die Heizeinrichtung im oder in Strö­ mungsrichtung des Mediums unmittelbar vor dem Heiz­ körper (4) angeordnet ist.

8. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Heizkessel im Kreislauf des Mediums (5) befindet, und daß der Heizkessel mit Kohle und/oder Öl und/oder Gas und/oder elektrischem Strom und/oder Solarenergie er­ wärmbar ist.

9. Heizungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Heizeinrichtung in der Nähe oder im Inneren des Heizkessels befindet.

10. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mineral (1) Kieselstein ist.

11. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) aus Stahlblech ist.