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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gasheizkessel. Spezieller betrifft
die vorliegende Erfindung einen wandbefestigten Kombinations-Gasheizkessel,
d.h. ein wandbefestigter Heizkessel zum Versorgen sowohl mit heißem Wasser
für einen
Heizkreis – im
Folgenden als Heizwasser bezeichnet – als auch mit heißem Haushaltswasser.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Ein
wandbefestigter Kombinations-Gasheizkessel umfasst normalerweise
einen Heizkreis, in dem heißes
Heizwasser geführt
wird; und einen Haushaltswasserkreis, in dem Haushaltswasser geführt wird.
Der Heizkreis ist mit einem externen Heizkreis verbunden, der mit
Heizkörpern
ausgerüstet
ist; und der Haushaltswasserkreis ist an einem Ende an die Wasserversorgungsleitung
oder eine andere Wasserquelle für
den Hausgebrauch und an dem anderen Ende an einen Kreis zum Verteilen
von heißem Haushaltswasser
für ein
oder mehrere Verbrauchergeräte
angeschlossen. Ein wandbefestigter Kombinations-Gasheizkessel umfasst
außerdem
einen Gasbrenner und mindestens einen Wärmetauscher zur Übertragung
der von dem Brenner erzeugten Wärme
in das Heizwasser und Haushaltswasser.
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Wenn
warmes Haushaltswasser durch ein Verbrauchergerät abgenommen wird, arbeitet
ein Heizkessel des oben erwähnten
Typs wie folgt: Bei Erfassung eines Haushaltswasserstroms zündet ein im
Haushaltswasserkreis angeordneter Durchflussmesser den Brenner,
und das Haushaltswasser wird erhitzt, wenn es durch den Wärmetauscher
fließt,
und wird dem Verbrauchergerät
zugeführt.
Der oben beschriebene wandbefestigte Gasheizkessel weist mehrere
Nachteile dadurch auf, dass er nicht das Haushaltswasser-Verbrauchergerät unmittelbar
mit Wasser bei einer vorgegebenen Temperatur versorgt. Das heißt, zwischen
dem Wasser, das zugeführt
wird, und dem Erreichen einer bestimmten Temperatur gibt es eine Übergangsperiode,
während
der das Haushaltswasser mit stufenweise steigender Temperatur zugeführt wird,
bis die vorgegebene Temperatur erreicht ist.
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Um
den oben erwähnten
Nachteil auszuschließen
wird in dem Patent
EP 719 989 ein
wandbefestigter Kombinations-Gasheizkessel vorgeschlagen, der mit
einem in dem Haushaltswasserkreis stromab von dem Wärmetauscher
angeordneten Vorratsbehälter
und mit einer zusätzlichen
Heizvorrichtung ausgerüstet
ist, um das Haushaltswasser im Inneren des Tanks innerhalb eines
vorgegebenen Temperaturbereichs zu halten. Nach dem oben erwähnten Patent
und der Patentanmeldung wird die zusätzliche Heizvorrichtung durch
einen elektrischen Widerstand im Inneren des Tanks, einen Temperatursensor
und eine Steuereinheit zur Aktivierung des Widerstands als Funktion
der erfassten Temperatur gebildet. Diese Lösung ist vom Standpunkt der
Herstellung praktisch anwendbar, jedoch hinsichtlich des Stromverbrauchs
teuer. In einer anderen Ausführung,
die sowohl in dem oben erwähnten
Patent als auch in der Patentanmeldung beschrieben ist, umfasst
die zusätzliche
Heizvorrichtung einen zusätzlichen
Wärmetauscher
im Inneren des Tanks; einen Temperatursensor und eine Steuereinheit,
um heißes Wasser
selektiv an den zusätzlichen
Wärmetauscher,
der durch eine vom Heizkreis gespeiste Rohrspirale gebildet wird,
abzuleiten. Diese Lösung
ist billiger zu betreiben, weist jedoch Nachteile auf, was die eigentliche
Herstellung betrifft. Das heißt,
das Verzweigen einer Leitung vom Heizkreis in den Tank macht den
Tank kompliziert und erhöht
die Anzahl von Bauteilen zur Montage. In diesem Zusammenhang sollte
bedacht werden, dass die verschiedenen montierten Bauteile eine
genaue hydraulische Abdichtung gewährleisten und strengen Sicherheitsvorschriften
entsprechen müssen.
Außerdem
würde ein Loch
in der Rohrspirale den Heizkreis mit dem Haushaftswasserkreis verbinden,
womit der Heizkessel als Ganzes ernsthaft beeinträchtigt wird.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Kombinations-Gasheizkessels,
der mit einem Vorratsbehälter
ausgerüstet
ist, und der dafür
sorgt, dass Haushaltswasser im Innern des Vorratsbehälters innerhalb
eines vorgegebenen Temperaturbereichs gehalten wird, in einfacher
kostengünstiger
Weise, sowohl funktionell als auch konstruktionsmäßig.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist ein Kombinations-Gasheizkessel zur
Erzeugung von Heizwasser und Haushaltswasser vorgesehen, wobei der
Heizkessel einen Heiz kreis und einen Haushaftswasserkreis, einen
Gasbrenner, einen in dem Haushaltswasserkreis angeordneten Wärmetauscher
und mindestens einen Haushaltswasservorratsbehälter, der stromab von dem Wärmetauscher angeordnet
ist, umfasst; wobei der Heizkessel dadurch gekennzeichnet ist, dass
er eine Pumpe umfasst, die in diesem Behälter enthalten ist; und einen Haushaltswasser-Rückführzweig,
um Haushaltswasser selektiv von dem Behälter zu dem Wärmetauscher
zu leiten.
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Nach
der vorligenden Erfindung sind keine zusätzlichen Heizvorrichtungen
vorgesehen, diese bilden bereits einen Teil des Heizkessels, der
verwendet wird. Außerdem
vereinfacht die Einbeziehung der Pumpe in den Behälter den
Rückführzweig und
führt die
Anzahl von Bauteilen und die zum Ausführen der Rückführung benötigte Montagearbeit auf ein
Minimum zurück.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben
eines Gasheizkessels.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines
Gasheizkessels nach einem der Ansprüche 1 bis 19 vorgesehen, bei
dem eine Temperatursonde in dem Haushaltswasserkreis zwischen dem
Wärmetauscher
und dem Behälter
angeordnet ist; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist,
dass es die Schritte umfasst:
- – Rückführen von
Haushaltswasser durch den Behälter
und den Wärmetauscher
in vorgegebenen Zeitintervallen;
- – Erfassen
einer ersten Temperatur, die sich auf die Temperatur des Haushaltswassers
bezieht, mittels der Temperatursonde während des Rückführschrittes;
- – Vergleichen
der ersten Temperatur mit einer Soll-Temperatur,
- – Zünden des
Brenners, wenn die erste Temperatur unter der Soll-Temperatur liegt,
und Fortsetzen der Rückführung des
Haushaltswassers.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
wird beispielhaft eine Anzahl von nicht einschränkenden Ausführungen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 zeigt
die schematische Darstellung eines Gasheizkessels nach der vorliegenden
Erfindung, wobei der Deutlichkeit halber Teile entfernt wurden,
der mit externen Kreisen verbunden ist;
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Vorratsbehälters in größerem Maßstab des Heizkessels von 1;
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3 zeigt
den Schnitt einer Einzelheit des Behälters von 2 im
größeren Maßstab, wobei
der Deutlichkeit halber Teile entfernt wurden;
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4 und 5 zeigen
perspektivische Darstellungen in auseinander gezogener Anordnung einer
Einzelheit des Behälters
von 2 im größeren Maßstab;
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6 zeigt
die schematische Darstellung einer Änderung des Heizkessels von 1,
wobei der Deutlichkeit halber Teile entfernt wurden.
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BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Zahl 1 in 1 gibt einen wandbefestigten
Kombinations-Gasheizkessel als Ganzes zum Zuführen von heißem Heizwasser
und heißem
Haushaltswasser an. Der Heizkessel 1 umfasst ein Gehäuse, das
in 1 durch eine strichpunktierte Linie angegeben
ist, und an einen externen Heizkreis 2, der mit Heizkörpern ausgerüstet ist,
die schematisch mit 3 angegeben sind, an eine Wasserversorgungsleitung 4,
ein Haushaltswasser-Verbrauchergerät 5 und
an die Hauptgasleitung 6 angeschlossen ist. Im Inneren
des Gehäuses
umfasst der Heizkessel 1 einen Heizkreis 7, einen
Haushaltswasserkreis 8, einen Brenner 9 und einen
zweiteiligen Wärmetauscher 10,
um die durch Verbrennung erzeugte Wärme sowohl mit dem im Kreis 7 zirkuliernden
Heizwasser als auch dem im Haushaltswasserkreis 8 zirkulierenden
Haushaltswasser auszutauschen.
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Der
Heizkreis 7 umfasst einen Zuleitungszweig 11,
einen Rückführzweig 12 und
einen Umgehungszweig 13, der die Zweige 11 und 12 verbindet. Der
Rückführzweig 12 ist
mit einer Heizwasser-Umwälzpumpe 14 und
einem Ausdehnungsbehälter 15 versehen,
und der Zweig 13 ist mit einem Umleitungsventil 16 ausgerüstet.
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Der
Haushaltswasserkreis 8 umfasst eine Abzweigleitung 17 zum
Zuführen
von kaltem Haushaltswasser in den Wärmetauscher 10; eine
Abzweigleitung 18 zum Zuführen von heißem Haushaltswasser
vom Wärmetauscher 10 zum
Verbrauchergerät 5;
einen Durchflussmesser 19 in der Abzweigleitung 17;
einen Vorratsbehälter 20 in
der Abzweigleitung 18; und eine Haushaltswasser-Rückführabzweigleitung 21,
die zwischen dem Behälter 20 und
der Abzweigleitung 17 angeordnet ist. Das heißt, die
Abzweigleitung 21 verbindet den Behälter 20 direkt mit der
Abzweigleitung 17 und umfasst ein Rückschlagventil 22,
so dass Haushaltswasser nur vom Behälter 20 zur Abzweigleitung 17 fließt. Der
Kreis 8 umfasst außerdem
eine in der Abzweigleitung 18 angeordnete Temperatursonde 23 zwischen
dem Wärmetauscher 10 und
dem Behälter 20;
und der Heizkessel 1 umfasst ein den Behälter 20 umgebendes
isolierendes Gehäuse 24.
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Mit
Bezug auf 2 erstreckt sich der Behälter 20 entlang
einer Achse A und umfasst einen schalenförmigen Körper 25, der an einem
Ende offen ist und eine daran angebaute Pumpe 26, so dass
eine Kappe des schalenförmigen
Gehäuses 25 gebildet wird.
Der schalenförmige
Körper 25 ist
aus Kunststoff hergestellt, erstreckt sich entlang der Achse A und umfasst
eine Stirnwand 27, eine kegelstumpfförmige Seitenwand 28 (verjüngt sich
in einem Winkel von nahezu Null), Versteifungsrippen 29 in
Längsrichtung und
Versteifungsrippen 30 in Querrichtung. In dem schalenförmigen Körper 25 sind
drei Anschlussteile 31, 32, 33 angeordnet,
um den Behälter 20 mit
den Abzweigleitungen 18 und 21 zu verbinden. Spezieller ist
das Anschlussteil 31 längs
der Wand 28 nahe der Wand 27 angeordnet, um den
Behälter 20 mit
der Abzweigleitung 18 von dem Wärmetauscher 10 zu
verbinden und bildet deshalb einen Haushaltswassereinlass des Behälters 20;
das Anschlussteil 32 ist an der Pumpe 26 angeordnet,
um die Abzweigleitung 18 zu verbinden, die das Verbrauchergerät 5 versorgt, und
bildet einen Haushaltswasserauslass des Behälters 20; und das
Anschlussteil 33 ist auf der gegenüber liegenden Seite zum Anschlussteil 32 und
an der Pumpe 26 angeordnet, um den Behälter 20 mit der Rückführleitung 21 zu
verbinden, und bildet einen weiteren Haushaltswasserauslass des
Behälters 20. Mit
Bezug auf 3 und 4 umfasst
der Körper 25 an
dem offenen Ende einen Flansch 34, der innen einen zur
Achse A senkrechten Ansatz 35 aufweist, eine zylindrische
Wand 36 und eine Ausnehmung 36A (4),
die sich in der Wand 36 und parallel zur Achse A erstreckt,
um eine Aufnahme 37 für
die Pumpe 26 zu bilden.
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Mit
Bezug auf die 4 und 5 umfasst die
Pumpe 26 eine Motorbaugruppe 38 und einen Diffusor 39,
die mit einem schalenförmigen
Körper 25 ausgerüstet sind,
um den Behälter 20 zu
bilden. Die Motorbaugruppe 38 umfasst einen Synchronmotor 40;
eine Welle 41 (3); ein radiales Laufrad 42 und
ein den Motor 40 aufnehmendes einstückiges Trageelement 43,
von dem die Welle 41 teilweise und ein Laufrad 42 vollständig hervorsteht.
Die Motorbaugruppe 38 umfasst einen in dem Trageelement 43 aufgenommenen
Rotor 44. Mit anderen Worten, das Trageelement 43 weist
ein den Rotor 44 umfassendes Gehäuse 43A und einen
Flansch 45 auf, von dem das Laufrad 42 hervorsteht
und an dem sich ein zylindrischer Vorsprung 46 befindet,
der sich um die Achse A erstreckt. Das heißt, das Gehäuse 43A und der Flansch 45 sind
in einem Stück
ohne Öffnungen ausgebildet
und aus Kunststoff hergestellt, der durchlässig für elektromagnetische Wellen
ist, so dass zusätzlich
zum Haften der Bauteile der Motorbaugruppe 38 das Trageelement 43 auch
wie eine Kappe für den
schalenförmigen
Körper 25 wirkt.
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Der
Diffusor 39 ist in einem Stück aus Kunststoff gebildet,
ist schalenförmig
und umfasst eine zur Achse A senkrechte flache Wand 47,
von der eine zylindrische Außenwand 48 mit
einer zur Achse A parallelen Rippe 49 hervorsteht. Der
Diffusor 39 umfasst außerdem
ein Spiralgehäuse 50,
das auf der gegenüber
liegenden Seite zur Wand 48 hervorsteht und ein zur Achse
A koaxiales mittleres Ansaugloch 51 und ein seitliches
Abgabeloch 52 zum Verbinden des Spiralgehäuses 50 mit
dem Anschlussteil 33. Der Diffusor 39 wird in
der Aufnahme 37 aufgenommen, wobei die Wand 47 am
Ansatz 35 anliegt, die Wand 48 die Wand 36 berührt und
eine Rippe 49 mit der Ausnehmung 36A in Eingriff
kommt, um eine prismatische Kupplung und eine einzige Position des
Diffusors 39 in Bezug auf den schalenförmigen Körper 25 zu bilden,
um das Abgabeloch 52 so zu halten, dass es dem Anschlussteil 33 gegenüber liegt
und mit diesem verbunden wird. Der Flansch 45 der Motorbaugruppe 38 ist
mit dem Flansch 34 des schalenförmigen Körpers 25 ausgerüstet, so
dass das Laufrad 42 im Inneren des Spiralgehäuses 50 aufgenommen wird,
und der zylindrische Vorsprung 46 mit der Innenfläche der
Wand 48 in Berührung
kommt, so dass das obere Ende der Wand 48, die Wand 36,
der Flansch 45 und der Vorsprung 46 einen geschlossenen
Hohlraum bilden, der eine Dichtung 53 aufnimmt.
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Mit
Bezug auf 1 umfasst der Heizkessel 1 auch
eine Steuereinheit 54, die Signale von dem Durchflussmesser 19 und
der Sonde 23 aufnimmt und eine Einschalt- Ausschalt-Steuerung
des Brenners 9 und des Motors 40 der Pumpe 26 zur
Verfügung
stellt und die Einstellung externer Daten wie die gewünschte Temperatur
von heißem
Haushaltswasser bereitstellt.
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Bei
der eigentlichen Verwendung arbeitet der Heizkessel 1 wie
folgt. Wenn durch das Verbrauchergerät 5 kein Wasser abgenommen
wird, enthält
der Behälter 20 eine
Menge von relativ heißem
Haushaltswasser, das im Verlauf der vorherigen Abnahme erhitzt wurde.
Wegen der unvermeidlichen Wärmeverluste
fällt jedoch
die Temperatur des Haushaltswassers im Behälter 20 stufenweise.
Darum wird in regelmäßigen Abständen die
Pumpe 26 in Betrieb gesetzt und das Haushaltswasser durch
den Wärmetauscher 10 und
den Behälter 20 umgewälzt, während die
Sonde 23 eine Temperatur TR detektiert,
die sich auf die Haushaltswassertemperatur bezieht. Bei diesem Schritt
werden die Temperaturwerte TR mit einem
Sollwert TSET verglichen und der Brenner 9 gezündet, wenn
die detektierte Temperatur TR unter der Soll-Temperatur
TSET liegt, wobei die Pumpe am laufen gehalten,
bis die Temperatur TR die Soll-Temperatur
TSET erreicht. Wenn dies auftritt, wird
der Brenner 9 ausgelöscht,
und die Pumpe 26 fährt
fort, das Wasser eine vorgegebene Zeit lang umzuwälzen, um die
restliche Wärme
aus dem Wärmetauscher 10 zu gewinnen.
Im Winter kann einfaches Umwälzen
des Haushaltswassers durch den zweiteiligen Wärmetauscher 10 ausreichend
sein, um wieder die Soll-Temperatur des Wassers herzustellen. Der
Umwälzschritt zum
Bestimmen, ob die Wärme
des Wärmetauschers 10 zum
Wiederherstellen der erforderlichen Temperaturzustände ausreichend
ist, dauert etwa 30 Sekunden. Wenn die Temperatur innerhalb dieser
Zeit nicht wiederhergestellt ist, sorgt die Steuereinheit 54, wie
durch die Sonde 23 bestimmt, dafür, dass der Brenner 9 in
Abhängigkeit
von der Kapazität
des Behälters 20 und
der Pumpe 26 einen Zeitraum lang brennt, und die Pumpe 26 setzt
das Umwälzen
des Haushaltswassers wie zuvor beschrieben fort. Umgekehrt unterbricht
das Signal vom Durchflussmesser 19 die Pumpe 26,
wenn durch das Verbrauchergerät 5 Wasser
abgenommen wird, oder verhindert, dass die Arbeitsgänge zur
Wiederherstellung der Temperatur gestartet werden.
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Mit
Bezug auf die Änderung
in 6 gibt die Zahl 55 einen Heizkessel an,
der im Wesentlichen Bauteile umfasst, die denen des Heizkessels 1 ähnlich sind
und in 6 angegeben sind, indem die gleichen Bezugszahlen
wie in 1 verwendet werden.
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Der
Heizkessel 55 weicht im Wesentlichen von dem Heizkessel 1 dadurch
ab, dass der zweiteilige Wärmetauscher 10 durch
einen primären
Wärmetauscher 56,
der nur dafür
sorgt, dass das Heizwasser erhitzt wird, und durch einen sekundären Wärmetauscher 57,
um Wärme
vom Heizkreis 7 zum Haushaltswasserkreis 8 zu übertragen,
ersetzt wird. In diesem Fall befinden sich Behälter 20 und Sonde 23 in
der Abzweigleitung 18 des Haushaltswasserkreises 8,
stromab vom sekundären
Wärmetauscher 57.
Der Heizkreis 7 umfasst einen Rückführzweig 58, der die
Abzweigleitung 11 mit dem Wärmetauscher 57 verbindet;
eine Abzweigleitung 59, die den Wärmetauscher 57 mit
der Abzweigleitung 12 verbindet und ein elektrisch gesteuertes
Dreiwegeventil 60 an der Verbindung der Abzweigleitungen 59 und 12.
Bei dieser Änderung
ist die Steuereinheit 54 mit dem Dreiwegeventil 60 und
der Pumpe 14 verbunden, um die Umwälzung und Erwärmung des
Heizwassers durch die Wärmetauscher 56 und 57 zu
regeln. Im Wärmetauscher 57 liefert
das Heizwasser Wärme
für das
Haushaltswasser.
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Die
Funktion weicht von der oben beschriebenen dadurch ab, dass die
Temperatur im Behälter 20 aufrecht
erhalten wird, indem das Heizwasser und das Haushaltswasser umgewälzt werden.
In allen anderen Beziehungen wird die Temperatur des Wassers im
Behälter 20,
wie mit Bezug auf die vorherige Ausführung beschrieben, aufrechterhalten.
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Es
wurde herausgefunden, dass die besten Ergebnisse erzielt werden,
indem ein Behälter 20 mit einer
Kapazität
von vorzugsweise 2 bis 5 Liter, eine Pumpe 26 mit einer
Kapazität
von 2 bis 6 Liter/Minute und ein Synchronmotor 40 von etwa
20 W verwendet wird, die extrem kurze Temperaturwiederherstellungszyklen
mit sehr geringem Stromverbrauch bewirken.
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Zusätzlich zu
den bereits erwähnten
Vorteilen soll darauf hingewiesen werden, dass der Behälter 20 durch
Einbeziehung der Pumpe 26 außerdem den Vorteil besitzt,
dass das hydraulische Prüfen
des Behälters 20 eigentlich
auch das hydraulische Prüfen der
Pumpe 26 umfasst. Außerdem
ist der Behälter 20 kompakt
und aus Kunststoff hergestellt.