DE8908459U1 - Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasserheizer - Google Patents

Description

Dis vorliegende Erfindung bezieht si::, auf einen Wasserheizer, insbesondere also einfr> D-rohlaufwasserheizer, Umlaufuasserheizer, Gas-Heizkessel oder Wasserspeicher mit einem Brenner und einem Wärmetauscher, der aus wenigstens zwei in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase hintereinoi.fiOar folgenden Einheiten besteht, wovon die erste dem Brenner nächstgelegene, stromab der Brenngemisch-Austrittsöffnungen gelegene, unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit dem Flammenbereich einen Wärmestrom entzieht.

Ein solcher Wasserheizer ist bekanntgeworden aus der EP-OS 315 579. Hierbei geht es darum, ein Kühlrohr einem atmosphärisch betriebenen Gasbrenner zuzuordnen, um den Brenner eines solchen Wasserheizers zu kühlen. Es werden hier insbesondere die Brennstoff-Austrittsöffnungen und

der Flammenbereich gekühlt, wobei die Kühlrohre zwischen den mit Abstand voneinander angeordneten Gruppen der Brennstoff-Austrittsöffnungen verlaufen, damit die Brenner flammen nicht behindert werden, andererseits sollen die Kühlrohre dem heißen Kernbertich dieser Flammen mög-Iziehst nahe sein.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß dies mit der dort vorgeschlagenen Kühleinrichtung nicht möglich ist.

Weiterhin ist im Stand der Technik: eine Sicherheitseinrichtung beschrieben, die im Bedarfsfall, zum Beispiel bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes oder Unterschreiten eines Ströaungsc,renzwertes im Kühlrohr den Brenner und die Brennstoffzufuhr abschaltet, um Überhitzungsschäden vorzubeugen.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Flammenbereich eines Wasserheizers über das erste Wärmetauscherelement aktiv und gezielt einen zur Optimierung des Verbrennungsprozesses erforderlichen Wärmestrom energiesparend zu entziehen und gleichzeitig die Flamme zu stabilisieren und den Verbrennungsvorgang zu intensivieren, so daß es zu einer drastischen Reduktion der Stickoxydbildung und der Xohlenmonoxydbildung kommt.

Die Lösung der Aufgabe liegt erfindungsgemäß darin, daß die erste WMrmetauschereinheit einen WÄrmestrom zwischen 5 und 50 % des Gesamtwärmeetroms aus dem Flammenbereich entzieht, während der restliche Energiestrom der verbrennungsgase im zweiten Wärmetauscher umgewandelt wird.

Durch diese Maßnahme kommt es zu einer sehr starken Absenkung der Flammentemperatur, so daß aufgrund der entstehenden Flammentemperatur thermische Stickoxyde praktisch nicht mehr gebildet werden. Durch eine Positionierung des Wärmetauschers unmittelbar in der Flamme kann dieser mit seinen wesentlichen Teilen von den Flammen umschlossen werden, so daß er als Staukörper stabilisierend auf die Flamme einwirkt. Es wird aber eine Fortsetzung des Ausbrandes der Flammenzone erreicht, da die Flammenzone oberhalb der Wärmetauscherelemente des ersten Wärmetauschers weiter reagieren kann. Aufgrund dieser Maßnahmen kann das sonst bei Kühlelementen entstehende Kohlenmonoxyd in seiner Entwicklung stark unterdrückt werden. Damit einhergehend gelingt auch ein vollständiger Ausbrand der Verbrennungsgase.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor, die anhand der Figuren der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der

- 4 -Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Umlaufwasserheizers,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Durchlaufwasserheizers,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Kessels,

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Brenners oder Kessels,

Figur 5 eine schematische Darstellung eines Brenners oder Kessels,

Figur f eine schematische Darstellung eines Speichers und Figuren 7 bis 19 hydraulische Schaltungen.

Ein Umlaufwasserheizer 1 weist ein Blech- oder anderes Gehäuse 2 auf, in dessen Inneren eine Brennkammer 3 angeordnet ist. Diese enthält einen atmosphärischen Gasbrenner 4, der über eine mit einem Proportionalsteuerventil 5 versehene Gaszuleitung 6 mit Erdgas gespeist ist. Eine Speisung mit Flüssiggas oder Stadtgas wäre genauso möglich. Dem Ventil 5 ist ein Stellmotor 7 zugeordnet, der

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über eine Stelleitung 8 mit einem Regler 9 verbunden ist. Oberh&lb des Brenners ist ein Wärmetauscher 10 vorgesehen, der aus zwei Elementen 11 und 12 besteht. Die beiden Wärmetauscherelemente können Lamellenblockwännetauscher mit Kupferrohren und KupferlameIlen oder Stahlrohren und Stahllamellen oder Gemischen aus beiden sein. Aluminium oder seine Legierungen Kämen &agr; UOh als «feifkötöfi in Frage. Im Falle der Anwendung auf einen Kessel würde das Wärmetauschelement 11 aus Gußgliedern oder Stahlblechen bestehen, das erste Wärmetauscherelement 12 könnte aus kühlwasserdurchflossenen gegebenenfalls berippten Rohren bestehen. Auch bei einem Kessel wäre es möglich, das oder die Wärmetauscherelemente aus Aluminium in gegossener oder gezogener oder gepreßter Form auszugestalten. Die Brennkammer 3 hat einen unteren Lufteinlaß 13 und einen Abgasauslaß 14.

Der Umlaufwasserheizer 1 dient zur Speisung einer Raumheizanlage 15 und/oder eines Brauchwasserspeichers, der nicht dargestellt ist. Von der Heizungsanlage 15 geht eine mit einer Umwälzpumpe 16 versehene Rücklaufleitung 17 ab, die zum Wärmetauscherelement 11 führt. Vom Wärmetauscher element 11 geht eine mit einem Vorlauftemperaturfühler 18 versehene Vorlaufleitung 19 ab. Der Vorlauftemperatur fühler 18 ist über eine Meßleitung 20 mit dem Regler

9 verbunden, der Pumpe 16 ist ein Antriebsmotor 21 zugeordnet, der über eine Stelleitung 22 aus deiü Regler 9 gespeist ist. Es ist ein AuBentemperaturfUhler 23 vorgesehen, der über eine Meßleitung 24 seine Meßwerte auf den Regler 9 gibt. Zwischen dem Druckstutzen der Umwälzpumpe 16 und dem Einlaß der Rücklaufleitung 17 in das Wärme-

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der Rücklaufleitung vorgesehen, von der eine Zweigleitung 26 zum rücklaufseitigen Anschluß des Wärmetauscherelementes 12 geht, in der ein Rücklauftemperaturfühler 27 angeordnet ist, der über eine Meßleitung 28 mit dem Regler 9 verbunden ist. Die Vorlaufseite des Wärmetauschelementes 12 ist über die weiterführende Leitung 26 mit einer zweiten Verzweigungsstelle 29 verbunden, die in der Vorlaufleitung 19 zwischen dem Vorlauftemperaturfühler 18 und dem Ausgang des Wärmetauscherelementes 11 liegt. In diesem Teil der Zweigleitung sind ein Vorlauftemperaturfühler 30 und ein Durchsatzmesser 31 angeordnet, die beide über je eine Meßleitung 32 und 33 mit dem Regler 9 verbunden sind.

Im Betrieb bilden sich am Brenner 4, der übrigens auch als Gebläsebrenner ausgestaltet sein kann, eine Vielzahl von Flammen 34 aus, die als mehr oder weniger hohe Einzeixlammen oder als durchgehender Flammeinsaum ausgestal-

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tet sein können. Ist der Brenner 4 als eine Vielzahl nebeneinanderliegender einzelner Brennerrohre ausgestaltet, so ergeben sich mehr oder weniger große Einzelflammen, handelt es sich hier beispielsweise um eine Keramikplatte, so ergibt sich ein in Einzelflammen nicht mehr zu trennender Flammenbereich.

In jedem Falle ist das Wärmetauschelement 12 mit seinem Rohr oder seinen Rohren oder seinem Rohrnetz so angeordnet, daB es im Flammenbereich der Flammen 34 liegt. Bevorzugt ist es so angeordnet, daß mit den Rohren die Kernzonen der Flammen durchsetzt werden, so daß die einzelnen Flammen die Rohrelemente vollständig umschließen.

Die Querschnitte der Leitungen 26 beziehungsweise der Leitungen 17/19 durch das Wärmetauschere lenient Il sind so bemessen, daß in dem Wärmetauschelement 12 ein Wärmestrom von 5 bis 50 % des gesamten von beiden Wärmetauschelementen umgesetzten Wärmestroms dem Flammenbereich entzogen wird. Es können Mittel vorgesehen sein, die eine Justage dieses Wärmestroms ermöglichen, beispielsweise könnte im Zuge der Zweigleitung 26 eine gesonderte Umwälzpumpe vorhanden sein und/oder eine einstellbare Drosselstelle. Gegebenenfalls kann der Querschnitt dieser Drosselstelle auch geregelt werden. Durch die Anordnung der beiden Temperaturfühler 27 und 30 in Verbindung mit dem Durchsatz-

messer 31 gelingt eine Erfassung des vom Wärmetauschelements 12 gezogenen Wärmestroms.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist ein gasbeheizter Durchlaufwasserheizer 40 dargestellt, er weist das bereits in dar Figur 1 geschilderte Blechgehäuse 2 auf, das in sainoEi !niisr&i? als Brennkammer 3 aufweist. In äer Brennkanessr 3 ist de* atmosphärische Gasbrenner 4 angeordnet, der Über das Gasventil 5 aus der Gasleitung 6 mit Gas gespeist wird. Dem Gasventil 5 ist ein in einer Zapfwasser leitung 41 liegender Wasserschalter zugeordnet, der als Stellmotor 7 für das Gasventil dient. Der Wasserschalter arbeitet so, daß in Abhängigkeit vom Kaltwasserdurchsatz proportional das Gasventil 5 geöffnet wird. Es wäre hier auch möglich, in Abhängigkeit zusätzlich von der Zapfauslauftemperatur den Öffnungsgrad des Gasventilö zu regeln.

Die Kaltwasserzapfleitung 41 führt zunächst zu einer Höhenverstell vorrichtung 42, dann zum Wärmetauschelement 12 und schließlich zu einer zweiten Höhenverstellvorrichtnng 43 und zu einem Temperaturfühler 4*, der als Kapillarrohr-Würmefühler ausgebildet ist und über seine Kapillare 45 auf eine Betätigungsvorrichtung 46 geschaltet ist, dem die Höhenverstellbarkeit der Verstellvorrichtungen 42 und 43 variiert werden kann, über eine Verbindungeleitung 47

ist das andere Wärmetauschelement 11 angeschlossen.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1, bei dem die beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 hydraulisch parallel liegen, liegen sie hier in Serie. Der asm Flammenbereich zugeordnete Wärmetauscherteil 12 liegt im kälteren Suchlauf ©der Zapf wasser. Vom liänüetausdhslöBient 11 geht öl« mit einem Zapfventil 4S versehene Zapfleitung 49 ab. Für die Positionierung v.*d Wirkung des Wärmetausche-Ie vsntes 12 bezücfXich der Flarsxaen des Gasbrenners 4 gilt ia Prinzip das gleiche wie das im Ramen des AusfUhrungsbeispiels nach Figur 1 Gesagte. £n i.ommt aber folgender Effekt hinzu:

In Abhängigkeit von der Erwärmung des Zapfwassers im Bereich der Verbindungsleitung 49 kann die Positionierung des Wärmetauschelementes 12 variiert werden. Die Positionierung folgt da bei der Bemessungsregel, daß mit höher werdenden Flammen, das heißt mit größerer Brennerleistung der Abstand des Wärmetauschereleinentes 12 vom Brenner 4 gesteigert wird.

Es wäre aber auch möglich, die Positionierung des Wärmetauschelementes in Abhängigkeit des Gasdurchsatzes zu steuern. Hierzu müßte die Meßleitung 45 auf den Wasserschalter 7 geschaltet sein, oder es müßte der öffnungs-

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grad des Gasventils 5 abgetastet werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel würde gelten, daß das Wärmetauschelement 12 größer werdenden Gasflammen durch Entfernung vom Brenner 4 folgen müßte, um den heißesten Kernbereich der Flamme zu kühlen.

Falls die Gerätebelastung des in der Figur 2 dargestellten Durchlaufwasserheizers fest ist, reicht es aus. einmal die Höhe des Abstandes des Wärmetauschelementes 12 zum Brenner 4 nach optimalen Gesichtspunkten einzustellen und auf dieser Höhe zu belassen.

Für die Befestigung des Wärmetauschelementes 12 gilt folgendes:

Zunächst einmal kann das Wärmetauschelement 12 sowohl an der Brennkammer wie auch am Brenner 4 und schließlich auch am Wärmetauscherelement 11 befestigt werden, wobei die Brennkammer gleichbedeutend mit dem Gehäuse 2 ist. Es ist natürlich dann auch möglich, das Wärmetauscherelement 12 besonders stabil auszugestalten, daß es als Montageteil für rten Brenner 4 oder als Träger dieses Brenners dient. Auch hierbei ist bevorzugt der Abstand zwischen dem Brenner und dem Wärmetauscherelement 12 einstellbar, unter Umständen regelbar.

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Als Antrieb bei einem geregelten Abstand zwischen dem Wärmetauschelement 12 und dem Brenner 4 kämen Bimetallfühler beziehungsweise Abstandsgeber, Kapillarrohr-Temperaturfühler beziehungsweise-Geber oder Dehnstoffelemente in Frage. Allgemein gilt, daß der Gasdruck, der Wasoerdurchsatz oder die Auslauftemperatur als Führungsgröße für die Abstandsregelung herangezogen wird. Eine pneumatische Verstellung mit Hilfe des für den Brenner geregelten Gasdrucks wäre auch möglich. Ferner könnte der Zapfwasserdruck oder der Pumpendruck für eine hydraulische Verstellung des Abstandes herangezogen werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3 und 4 handelt es sich um einen Gußkessel, der zur Speisung einer Heizungsanlage dient und der mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ausgestattet ist. Der in Figur 3 dargestellte yüBuiSeETie KeSSeI 50 besteht äüö einem Gehäuse 51, beiden Wärmetauschelementen 11 und 12, dem darunter liegenden Brenner 4, dem Lufteinlaß 13 und dem Abgasauslaß 14. Der Wärmetauscher 10, bestehend aus den Elementen und 12, ist an eine Rücklaufleitung 17 und die Vorlaufleitung 19 angeschlossen. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, daß das Wärmetauschelement 12 kammartig ausgebildet ist, so daß sich einzelne Wärmeleitrohre 52 nach Art von Kammzinken von dem Gehäuse 53

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einer Wassertasche 54 in den Flammenraum 55 oberhalb dee Brenners 4 erstrecken. Diese Wärmeleitrohre 52 können, müssen aber nicht kühlmittelgefüllt sein. Sie können zum Beispiel als Kupferstäbe ausgebildet sein, sie können auch als sogenannte "heat-pipes" gestaltet sein. Wesentlich ist, daß ein Wärmestrom von 5 bis 50 % der vom Brenner 4 erzeugten Gesamtwärme aus dem Flanmenbereich abgeleitet wird, hier im AusfUhrungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 in den Wasserinhalt der Wassertasche 54. Von dort gelangt die Wärme Richtung Wärmetauscher 11 oder in den Bereich des durch die Leitungen 17 und 19 strömenden Wassers, die Wassertasche kann von diesem Wasserdurchsatz durchsetzt sein. Wesentlich ist, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Wärmeleitrohre 52 auch als Sieb oder Netz ausgebildet sein können, und zwar sowohl als Hohlprofile wie auch als Vollprofile, auch eine Netzbildung wäre möglich.

Auch wäre eine Kombination sowohl von Wärmeleitkörpern wie Fluidwärmeabführkörpern wie auch Wärmerohre möglich, und zwar unabhängig von den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 6= Hier gilt übrigens generell, daft die im Rahmen einer Figur offenbarten Elemente für die Positionierung, Durchsatzsicherung, Überwachung, Ausgestaltung und Höheneinstellung und -regelung bei den Ausfüh-

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- 13 rungsbeispielen der anderen Figuren ebenso lauglich wären.

Den Wärmeleitrohren 52 ist zur Sicherung des entzogenen Wärmestroms ein Temperaturfühler, zum Beispiel als Thermoelement, temperaturabhängiger Widerstand oder Ausdehnungsfdhler zugeordnet. Insbesondere könnte man die Wärmedehnung der Wärmeleitrohre selbst messen und in Abhängigkeit des Unterschreitens eines vorgegebenen Grenzwertes oder dessen Überschreiten eine Änderung der Positionierung oder eine Veränderung des Gas- oder Brennstoffdurchsatzes vornehmen. Gleichzeitig könnte dieses Kriterium auch als Abschaltkriterium im Gefahrenfalle dienen.

Es wäre übrigens auch möglich, statt des bisher geschilderten Brennstoffgases auch Öl zu verwenden.

Generell gilt weiterhin, daß als Werkstoff für die kühl- HiirnhafrXnfan &Igr;&Tgr;|&Igr;&Kgr;&Iacgr;>-&lgr;&Igr;&igr;>-&ogr; Kao -S oknnncuoi &agr; a /1 i a UürmalaUr-nh·

re die verschiedensten metallischen Werkstoffe zuzüglich Keramik oder Glas zur Anwendung kommen können.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist das Wärmetauschelement 12 für einen Durchlaufwasserheizer oder einen Kessel variiert dargestellt. Das Wärmetauschelement 12 besteht aus einem Einlaßrohr 60 und einem Auslaßrohr 61, die beide an einen Rücklaufsammler 62 und einen Vorlauf sammler 63 angeschlossen sind. Zwischen beide er-

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strecken sich hydraulisch parallelliegend eine Vielzahl von ersten Rohrstrecken 64 mit relativ großen Querschnitten und, den heißesten Bereich der beiden dargestellten Brenner 4 zugeordnet, eine zweite Art von Rohrstrecken mit gegenüber den erstgenannten relativ kleinen Querschnitten. Bei einer Vielzahl von Brennern könnte es auch ausreichen, einem Brenner eine enge Rohrstrecke 65 zuzuordnen. Der Effekt ist folgender:

Eine oder die Rohrstrecken mit dem engsten Querschnitt werden auf Durchsatz überwacht, beispielsweise durch Abfühlen des Dir'ferenzdrucks oder durch einen gesonderten Durchsatzmesser oder durch Messen der Temperaturerhöhung. Findet durch diese engste Rohrstrecke kein ausreichender Kühlmitteldurchsatz statt, so ist entweder die Brennerleistung zu reduzieren oder der Brenner abzuschalten, da die Kühlung dee Flasuaenbereichs dee Brenners nicht mehr· ausreichend wirksam ist. Durch diese Maßnahme kann man auch einen Beginn des Zusetzens durch Verkalkung erkennen, und man kann durch Service entsprechend darauf reagieren. Bei Parallelschalten ist eine Durchsatzüberv^cüiüng einer oder mehrerer Rohrstrecken durch Überwachen des Durchsatzes in einer oder mehreren Rohrstrecken möglich. Bei einer hydraulischen Serienschaltung der Kühlrohre des Wärmetauschelements 12 ist eine Überwachung des Gesamtdurch-

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satzes ar einer Stelle möglich beziehungsweise zweckmäßig. Auch diese Durchsatzüberwachung kann durch Überwachen einer Druckdifferenz, Überwachen einer Temperaturerhöhung oder Überwachen des Durchsatzes erfolgen. Die bereits bei einem Ausführungsbeispiel erwähnte Messung der Längenausdehnung kann zur Betätigung eines Mikroschalters führen. Findet eine hydraulische Drucküberwachung statt, so kann es bei relativ kleinen zu überwachenden Druckdifferenzen sinnvoll sein, einen Membranschalter zur Abfühlung des Differenzdrucks anzuwenden. Wird der Durchsatz durch Überwachen einer Temperaturdifferenz erfaßt, empfiehlt es sich, für die Temperaturfühler temperaturabhängige Widerstände mit NTC- oder PTC-Verhalten zu verwenden und diese in eine elektronische Schaltung einzubinden.

Unabhängig davon, ob es sich um einen Durchlauf- oder Umlaufwasserheizer, Kessel oder Speicher handelt, stellt sich die Frage, wohin der vom Wärmetauschelement 12 entzogene Wärmestrom abgegeben wird.

Der vom Wärmetauschelement 12 aus dem Flammenbereich entzogene Wärmestrom kann, wie bereits geschildert, auf das ohnehin zu erhitzende Wasser gegeben werden. Es ist aber auch möglich, die Rohre oder Stäbe des Wärmetauschelements 12 wärmemäßig an das Gehäuse 2 anzubinden, so daß die Wärme auf die Ummantelung der Brennkammer gegeben

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wird. Von dort ist ein weiterer Abtransport der Wärme über das andere Wärmetauschelement 11 auf das aufzuheizende Wasser möglich. Weiterhin wäre es möglich, statt dem Wärmetauschelement 12 den Brenner 4 aufzuheizen.

Es ist im übrigen auch möglich, das Wärmetausehelement 12 nicht nur vom aufzuheizenden Wasser durchströmen zu lassen, sondern beispielsweise auch durch einen anderen Wärmeträger, insbesondere käme hier Raumluft in Frage. Bei einem Wasserspeicher wärs es so möglich, mit dem Wärmetauschelement 11 das Speicherwasser zu erwärmen, mit dem Wärmetauscherelement 12 hingegen Raumluft eines beliebigen Raumes. Weiterhin könnte man das dem Brenner zuzuführende Gas oder die zuzuführende Luft über das Wärmetauschelement 12 vorheizen. Schließlich könnte daran gedacht werden, das am Abgasstutzen 14 anstehende Abgas oder einen Teil davon durch das Wärmetauschelement 12 zu leiten, um das Abgas auf einen höheren Temperaturwert zu bringen, um einer Versottung des Schornsteins vorzubeugen. Weiterhin wäre es auch möglich, dem am Abgasstutzen 14 anstehenden Abgasstrom Luft beizumischen, die vorher über das Wärmetauschelement 12 vorgeheizt wurde.

Eine weitere Ausführung zeigt die Figur 6. Hier ist ein Speicherwasserheizer 70 dargestellt, der ein zylinderförmiges Gehäuse 71 aufweist, das einen Mantel 72, einen

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Deckel 73 und einen Boden 74 aufweist. Dem Inneren des Speicherwasserheizers durchsetzt ein Flammrohr 75, das von einer nahezu allseits vom Speicherwasser umschlossenen Brennkammer 76 nach oben ausgeht und über eine Strömungssicherung 77 zum Abgasstutzen 14 führt. Im Lufteinlaß 13 ist das Rohr 6 vorhanden, das zum atmosphärischen Gasbrenner 4 führt,. Der Flammenzone das Brenner» 4 ist wieder das Wärmetauschelement 12 zugeordnet, das Flammenrohr 75 ist gleichbedeutend mit dem Wärmetauschelement 11, Das Wärmet£U£chelement 12 ist über Rohrleitungen 78 und 79 in einem Naturumlauf mit eint^ Lufterhitzer 80 verbunden, indem Raumluft unten ei:.treten und als erwärmte Raumluft bei 81 in einen Aufstellungsraum gegeben werden kann. Reicht r>er Naturumlauf nicht aus, kann in eine der Leitungen 78 oder 79 eine Pumpe eingefügt werden. Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet bezüglich des WSnnetauscherelementes 12 ohne Durchflußüberwachung. Das Luftheizelement 80 kann im übrigen auch Bestandteil des Wasserspeichers 70 sein oder eines Durchlaufwasserheizers, ähnlich dem nach Figur 2. Zum Beispiel wären hierzu der Gerätemantel, die GeräterUckwand oder andere Komponenten als Wärmetauschereinheit zu verwenden. Man könnte das Luftheizelement auch in einen Umlaufwasserheizer oder Kessel integrieren.

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Sieht man beispielsweise bei einem Kessel einen ölbeheizten Brenner vor, so ist es möglich„ das Öl vor dem Zuführen zum Gebläsebrenner durch das Wärmetauschelement 12 vorzuwärmen.

Es wäre auch möglich, eine andere Flüssigkeit als das zum Brennen verwendete Öl oder das aufzuheizende Wasser durch das Wärmetauschelement 12 hindurchzuleiten, beispielsweise Kältemittel, das in einem Wärmepumpenkreislauf verwendet wird. Insoweit wäre es also auch denkbar, das Wärmetauschelement 12 als Verdampfer einer Wärmepumpe zu gestalten.

Bei Anwendung der Ei findung bei einem Umlaufwasserheizer oder Kessel wäre es möglich, die Wärmekreisläufe der beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 zu trennen und mit gesonderten Verbrauchern zusammenzuschalten. Hierbei könnten auch unterschiedliche Wärmeträger zur Anwendung kommen. Möglich wäre es generell auch, das Wärmetauschelement 12 unabhängig vom Ausführungsbeispiel der Anwendung in einen gesonderten Wärmetauscherkreislauf einzubinden uii-a das aufzuheizende Wasser über einen Zwischenwärmetauscher aufzuheizen, bei denn auch mit einem anderen Wärmeträgermedium als Wasser gearbeitet werden kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wäre hierzu nötig, die Leitungen 26 von den Verbindungsstellen 75 und 29 zu

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trennen und auf einen gesonderten Wärmetauscher zu schalten, der im Wärmetausch mit dem Nutzwasserstrom steht. Es besteht auch die Möglichkeit, das im Wärmetauschelement 12 zirkulierende Kühlmedium zum Sieden zu bringen oder als Kühlmedium einen Dampf zu benutzen.

Es ist möglich, zur Unterstützung des Naturumlaufs des Kühlmediums die Rohre des Wärmetauschelements 12 geneigt verlaufen zu lassen.

Anhand der Figuren 7 bis 19 werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie die hydraulischen Anschlüsse der beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 vorgenommen werden können. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 7 bis 11 handelt es sich entweder um einen Durchlaufwasserheizer, also ein Gerät etwa nach der Figur 2, oder um einen Kessel in Naturumlauf etwa nach den Figuren 3 bis 5. Wesentlich für diese Ausführungsbeispielgruppe ist, daß kein besonderes Antriebsglied im Wasserweg vorliegt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 ist rücklaufseitig in der Leitung 17 oder kaltwassereinlaßseitig eine Drossel 90 vorgesehen, wobei stromauf und stromab dieser Drossel bei 91 und 92 Verzweigungsstellen vorgesehen sind, an die über Leitungen das Wärmetauschelement 12 angeschlossen ist. Somit gelingt durch Variation der Dros-

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seistelle 90 die Abzweigung eines mehr oder weniger großen Teilwasserströme durch das Wärmetauschelement 12. Dieser Teildurcheatz kann strömungsmäßig oder temperaturmäßig, wie bereits beschrieben, überwacht sein. Die Figur zeigt eine Variante zur Figur 7. Hier sind die Drosselstelle 90 und die Verzweigungsstellen 91 und 92 in der VnrlaiifloH-nnn 1Q hox i ehiinneuo {ee in Hör- 7.»nfuASBflr1ai-

tung vorgesehen. Diese Schaltung kann sich anbieten, um Tauschwitzwasser beziehungsweise Kondensatbildung am Wärmet auscherelement 12 3U vermeiden.

Beim AusfUhrungsbeispiel gemäß Figur 9 ist eine Schaltung etwa gemäß Figur 1 angewandt, aber nicht für einen Umlaufwasserheizer, sondern für einen Durchlaufwasserheizer oder auf eine kesselbetriebene Kessel Schwerkraftheizung. Das Wesentliche liegt darin, daß die beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 hydraulisch in parallel durchströmten Leitungszügen liegen. Bezüglich der Leitung 6 sei angemerkt, daß dies eine reine Gasleitung sein kann, die Leitung 6 kann auch schon mit Primärluft versehenes Gas führen, was im übrigen für alle Ausführungsbeispiele gilt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10 liegen die Wärmetauschelemente 11 und 12 hydraulisch in Serie, wodurch der gesamte Nutzwasserstrom durch beide WärmetauschereIe-

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- 21 mente geleitet wird.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 12 bis 19 beziehen sich auf Umlaufwasserheizer oder Kessel mit Umwälzpumpe. Die Schaltung nach Figur 12 entspricht der Schaltung nach Figur 1, jedoch ohne Durchsatz- oder Temperaturüberwachung. Die Schaltung nach Figur 13 arbeitet wiederum mit der Drosselstelle 90, wobei mit ihr in Serie die Engstellen 91 und 92 liegen. Es wird hier ein Teilwasserstrom durch das Wärmetauschelement 12 abgezweigt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 14 sind die Drosselstelle und die Engstellen auf die Vorlaufleitung 19 verlegt, während sie beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur in der Rücklaufleitung 17 liegen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 15 sind zwei hydraulische Kreise gebildet: Der Druckstutzen der Umwälzpumpe 16 ist auf sins Vsrzwsigungsstslls S3 gelegt, der Rücklaufstutzen der Pumpe geht von einer zweiten Verzweigungsstelle 94 aus. Über die beiden Verzweigungsstellen 93 und 94 ist über Leitungen das Wärmetauschelement 12 angeschlossen, parallel hierzu ist das Wärmetauschelement 11 über die Heizungsanlage 15 angeschlossen. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß die gesamte von der Pumpe aufgebaute Druckdifferenz am Wärmetauschelement 12 liegt, so daß es dadurch gelingt, einen relativ großen

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Wärmestrom dem Flammer.bereich zu entziehen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 16 ist die Umwälzpumpe 16 in einen ersten hydraulischen Kreis 95 geschaltet, der aus den Wärmetauschelementen 11 und 12 und Verbincjtungsleitungen 96 und 97 besteht. Hn Abzweigstellen 98 und 99 gehen die Vorlaufleitung 19 und die Rücklaufleitung 17 ab, die zur Heizungsanlage 15 führen. Durch diese Maßnahme wird das dem Wärmetauschelement 12 zugeführte Wasser auf einem erhöhten Temperaturniveau eingangsseitig zugeführt, so daß hier Kondensationserscheinungen gemindert werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 17 ähnelt dem der Figur 13, nur liegt hier die Engstelle 90 in Verbindung mit den beiden Abzweigungen 91 und 92 rücklaufseitig der Pumpe, statt wie im Ausführungsbeispiel der Figur 13 vorlauf seit ig der Pumpe.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 18 liegt wiederum eine hydraulische Serienschaltung der beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 vor. Diese liegen zusammen mit der Heizungsanlage 15 in einer Serienschaltung.

Das von den Heizkörpern kommende abgekühlte Wasser durchsetzt zunächst im Bereich der Flammen das Wärmetauschelement 12, es wird dann vom Wärmetauschelement 11 in einer

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- 23 zweiten Stufe aufgeheizt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 19 ist die hydraulische Reihenfolge der Wärmetauschelemente 11 und 12 vertauscht, so daß das kühle Rücklaufwasser aus der Heizung zunächst im Wärmetauschelement 11 auf ein erstes Temperaturniveau hochgeheizt wird, bevor es in das Wärmetauschelement 12 zur Kühlung dos Flammenbereichs eintritt.

Allen Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 7 bis 19 ist gemeinsam, daß der Durchsatz durch das Wärmetauschelement 12 nicht überwacht ist. Eine Überwachung ist aber generell möglich, wie die Ausführungsbeispiele nach Figuren 1 und 5 zeigen.

Insbesondere bei Durchlaufwasserheizern, bei denen dem Wärmetauschelement 12 laufend frisches und damit kalkhaltiges Wasser züge flint wird, besteht die große Gefahr des Verkalkens der Rohrelemente des Wärmetauscheleroents 12. Auszuschließen ist ein Zusetzen dieser Rohrelemente bei Umlaufwasserheizern oder Kesseln auch nicht. Aus dem Grund muß vorgesorgt werden, daß die Rohrelemente beziehungsweise Wärmetauscherteile des Wärmetauscherelementes 12 herausgenommen, gereinigt oder ersetzt werden können, ohne daß das gesamte Wasser des Kreislaufs oder der besonderen Wärmeträger abgelassen werden muß. Hierzu

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empfiehlt es sich, zum Beispiel im Rahmen der Figur 1 in die beiden Stücke der Leitungen 26 Absperrventile zu legen. Auch beim Auaführungsbeispiel nach Figur 2 können im Bereich der Höhenverstellungen 42 und 43 im Zuge der Leitung 41 beziehungsweise 47 Ventils vorgesehen werden. Beim Kessel war® das xedglich und anzuraten im Zuge der Leitung 60 besiehuiiaswöisa 61, beim ÄUSführungsCbeispie! der Figur 6 is Berei-^. der Leitungen 78 und 79 möglichst benachbart dem Gehäuse 71. Es wäre hier auch möglich, selbstschließende Steckkupplungen zu verwenden, die sich beim Auseinanderziehen der Anschlußleitungen selbsttätig verschließen.

Wenn eine Durchflußsteuerung des Durchsatzes durch das Wärmetauschelement 12 vorgesehen ist, so kann diese Durchflußsteuerung manuell (durch Einstellen des Querschnitts einer Drossel) hydraulisch, thermisch oder elektrisch geschehen.

Eine hydraulische Steuerung käme gegebenenfalls beim Durchlaufwasserheizer in Frage, hier müßte der Zapfwasserdurchsatz beispielsweise über den Wasserschalter 7 abgetastet werden und nach Maßgabe der Variation des Zapfwasserdurchsatzes der Durchsatz durch das Wärmetauschelement 12 gesteuert werden.

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Bei einer thermischen Durchflußsteuerung könnte die Vorlauftemperatur oder Zapfwassertemperatur von einem Temperaturfühler überwacht werden und der Durchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 mit größer werdender Vorlaufoder Zapfwassertemperatur vergrößert werden. &&i Verwendung eines elektrischen Fühlers gelingt dies auch auf elefefcrise&SB Wöge» Dies könnte dann bsi eineis iSsilaufwagserheizer beispielsweise über ein© elektrisch zu variierende ,Ansteuerung ä-si? Fumpenmotors 21 geschehen, was auch bsia Kessel möglich wäre.

Stromauf des Wärmetauschelements 12 befindet sich im Gasweg die Gasdüse 56, die Gas unter Ansaugung von Priraärluft 57 aus der »ableitung 6 in ein Mischrohr 58 des Brenners 4 einbläec. Somit dient der Druckimpuls des Ga-3es zum Verstärken des Durchsatzes an Kühlmedium (hier Gas-Primär-Luft-Gemisch) durch die Rohre des Wärmetauschelements 12.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 wäre es möglich, die Wärmeleitkörper so zu wählen, daß eine selbstregelnde Variation der Wärmeabfuhr aus dem Flammenbereich durch eine temperaturabhängige Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Elemente des Wärmetauschers 12 realisiert wird.

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Für die Lage der Stäbe, Rohre oder sonstigen Elemente des Wärmetauschelements 12 relativ zu den einzelnen Flammen des Brenners 4 gilt, daß die Elemente bevorzugt zentral in <?<sr Flamme beziehungsweise Hauptflamme oder derart im Flaannensäi'jn liegen, daß sie allseits von der Flamme umschlossen werden. Im übrigen käme auch eine Positionierung der Kühlelemente an den Flanken des Innenkegels vorgemischter Brennerflammen oder neben den Flammen oOär oberhalb von Teilflammen in Frage.

Bei Durchlaufwasserheizern, Umlauiwasserheizern, Speichern und Kesseln kommen die unterschiedlichsten Brennertypen zur Anwendung. Neben den Hauptordnungsmerkmalen, daß die Brenner Gebläsebrenner oder atmosphärische Gasbrenner sein können, kommt bei Gebläsebrennern die Speisung mit Öl und Gas in Frage. Bei Gasbrennern wären im übrigen auch Diffusionsbrenner möglich. Neben rohr- oder rippenrohrförmigen Gasbrennern, meist atmosphärisch mit Injektor gespeist, existieren flächig angeordnete Metall-, Metallfaser- und Keramikplattenbrenner. Bei rohrförmigen Brennern gibt es solche mit runder oder länglicher Gesamtkontur, ferner sogenannte Rostbrenner, die sich aus einer Vielzahl parallelliegender Brennerrohre zusammensetzen. Meistens an der Oberseite der BrennerrcSire befinden sich eine Vielzahl von Brenngemisch-

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Austrittsöffnungen, die aus Löchern oder Schlitzen oder aus beidem bestehen.

Geht man beispieleweise von einem rohrförmigen Gasbrenner mit einer Vielzahl von Gas-Gemisch-Austrittsschlitzen aus, so ist die Anordnung der Teile des Wärmetauscherelementes 12, bezogen auf die Flammen, relativ problemlos. Wird nun ein solcher Brenner aufgrund einer Modulation der Brennerleistung mit Teilleistung betrieben, so werden die Flammen kürzer, womit sich die örtliche Lage der heißesten Zonen der Brennerflammen verändern. Jetzt müßten, um den gleichen Kühleffekt zu erzielen, die Elemente des Wärmetauscherelementes 12 nachpositioniert werden, wie dies im AusfUhrungsbeispiel der Figur 2 bereits erwähnt wurde. Um neben der Kühlung auch die Stabilisierung der Flamme zu verbessern, wäre statt einer Variation der Positionierung der Wärmetauschelemente es auch möglich, einzelne der Gas-Gemisch-Austrittsöffnungen zu verschließen, um den verbleibenden Teildurchsatz bei gleichbleibender Flammengestalt durch weniger Gas-Gemisch-Austrittsöffnungen als vorher durchzulassen. Da das Flammenbild gleich bleibt, können die Elemente des Wärr tauscherelements 12 an gleicher Stelle gelassen werden. Das Verschließen und Öffnen einzelner Gas-Gemisch-Austrittsöffnungen kann thermisch, mechanisch, elektromagnetisch oder

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motorisch geschehen, Führungsgröße wird hierbei die Größe ies Gasdurchsatzes sein.

Da es für den Stabilierungs- und KUhlungseffekt wesentlich ist, die Elemente des Wärmetauschelementes 12 in einer bestimmten Position zur Flamme zu halten, wäre es möglich, an den Brenngemisch-Austrittsöffnungen am Brenner 4 verstellbare Strömungsrichter für das austretende Gas oder Gas-Luft-Gemisch anzuordnen.

Statt einzelner verschließbarer Austrittsöffnungen wäre es auch möglich, Teilbereiche der Brenner beziehungsweise Teilbrenner 4 bei Teillast zu sperren, um so die Brennerflächen gestuft freizugeben beziehungsweise abzusperren.

Wie bereits schon einmal erwähnt, kommen die unterschiedlichsten Formen der Kühlelemente des Wärmetauscherelemente 12 in Frage. So können diese Elemente generell aus Stäben, Rohren, Gittern und Sieben mit unterschiedlichsten Querschnitten bestehen. Die Querschnitte können rund, konisch, kegelförmig, prismatisch oder ellyptisch sein.

Ist der Brenner 4 aus einzelnen Teilbrennern zusammengesetzt, so kann es an diesen Teilbrennern unterschiedliche Belastungen und damit auch unterschiedliche Flammenhöhen

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geben. Demgemäß kann man die Elemente des Wärmetauschelements 12 diesen Flammenhöhen derart anpassen, daß durch Wahl der Querschnittsformen und der Dimensionierungen den unterschiedlichen Flammenhöhen und Flanunenabschnitten der Teilbrenner unterschiedliche Stabilisierungs- und KUhI-elamente zugeordnet werden. Die Elemente des Wärmetauscherelemente 12 können verdrehbare, schwenkbare und höhenverstellbare Körper sein, damit die Variation der Wärmeabfuhr möglich ist und damit die Stabilisierung und Reaktionsbeschleunigung der Flamme unter den unterschiedlichen Bedingungen gewährleistet werden kann. Die Verstellung in bezug auf Verdrehbarkeit, Schwenkbarkeit und Höhenverstellbarkeit ist über thermische Ausdehnungsfühler, Dehnstoffelemente möglich, sie gelingt auch auf elektromagnetischem, elektromotorischem und manuellem Weg.

Die vorliegende Erfindung enthält die unterschiedlichsten Elemente der Ausführungen des der Flamme zugeordneten Wärmetauscherelements in bezug auf die unterschiedlichste Anwendung bei den verschiedenen Typen von Wasserheizern und eine Vielzahl von hydraulischen Schaltungen zur Einbindung des der Flamme zugeordneten Wärmetauscherelements in Verbindung mit einer Vielzahl von Positionierungs-, Überwachungs- und Steuerungselementen. Generell gilt, daß jede Ausführungsform des Wasserheizers mit jeder der ge-

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schilderten AusfUhrungaform der hydraulischen Einblndung, der Überwachung und Steuerung möglich und denkbar 1st. Es muß In Einzelfall herausgefunden werden, welche Kombina tion der Einzelheiten zu optimalen Ergebnissen fUhrt.

Claims (5)

Joh. Vaillant GmbH u. Co. GM 825 0 5, Sep, insDrüche

1. Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasserheizer, vorzugsweise Umlaufwasserheizer, Durchlaufwasserheizer, Kessel oder Speicher mit einem Brenner und einem Wärmetauscher, der aus wenigstens zwei in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase nacheinander folgenden Einheiten besteht, wobei die erste, dem Brenner nächstgelegene, stromab der Brennstoff-Austrittsöffnung gelegene, unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit dem Flammenbereich einen Wärmestrom entzieht, wobei dieser Wärmestrom zwischen 5 und 50 % des Gesamtwärmestroms beträgt und der Optimierung des Verbrennungsprozesses dient, wobei der restliche

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Wärmestrom im zweiten Wärmetauscherelement umge setzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei den Wärmetauscheinheiten eine gemeinsame Funktionsüberwachungseinrichtung aufweisen..

2. Wasserhsissr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet d&.6 {'is dsm FlasKs-mberöach zugeordnet Wärsatauscbi»inheit eine separate Funkticnsuäerwachungseinrichtung aufweist.

3. Vorrichtung zur Wassererhitzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsüberwachungseinrichtung als eine Überwachungsvorrichtung für den Durchsatz an Kühlmittel ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Flamme zugeordnete Wärmetauscheinheit aus einem Wärmeleitkörper in Form eines Rohres, Stabes, Gitters oder Siebes besteht .

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die der Flamme zuge ordnete Wärmetauscheinheit aus einem kühlmittel durchströmten Körper besteht, dessen Wärme konvektiv abgeführt ist.