EP2045528B1 - Wärmespeichersystem - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Wärmenutzung in Einzelfeuerstätten wie Kaminanlagen, Kachelöfen oder dergleichen, die chargenweise mit Brennstoffen wie Holz (in stückiger Form oder als Presslinge), Stroh oder anderen nachwachsenden Brennstoffen oder auch mit Kohlebrennstoffen befeuert werden. Mit Biomasse, d.h. vorwiegend mit Holz betriebene Feuerungen leisten den größten Beitrag zur Nutzung regenerativer Energien. Aus diesem Grunde und auch wegen der damit erreichbaren Verbesserung der Wärmeversorgungssicherheit in Privathaushalten erfreuen sich diese Feuerungsanlagen zunehmender Beliebtheit.
• Chargenweise beschickte Feuerstätten geben die Wärme üblicherweise nicht gleichmäßig über eine längere Zeit ab, sondern erzeugen nach einer Anbrennphase mit eher schwacher Wärmeabgabe während einer begrenzten Zeitspanne eine hohe Wärmemenge. Dieser Phase folgt dann eine Ausbrandphase, während der die Wärmeabgabe allmählich ausklingt. Um eine gleichmäßige, dem Wärmebedarf des zu beheizenden Wohnraumes angemessene Wärmeabgabe zu erzeugen, sind Maßnahmen wünschenswert, die das Maximum der Wärmeabgabe während der Hauptphase der Verbrennung etwas absenken und dafür für erhöhte Wärmeabgabe während der Ausbrandphase sorgen.
• Eine weitere Besonderheit chargenweise beschickter Feuerungen sind die mitunter erheblichen Abgastemperaturen während der Hauptphase der Verbrennung. Diese hohen Abgastemperaturen führen zu unnötig hohen Abgasverlusten während der Hauptphase der Verbrennung. Zur Steigerung des Wirkungsgrades und somit zur Einsparung von Brennstoff ist es wünschenswert, das Niveau der Abgastemperaturen auch während dieser Phase niedrig zu halten.
• Zum Erreichen einer besseren Energieausnutzung werden den Feuerstätten häufig Vorrichtungen nachgeschaltet, in denen die heißen Abgase durch Kanäle geleitet werden, über deren Wände die Abgase Wärme abgeben, die somit nicht über den Schornstein ins Freie entweicht, sondern noch zur Raumerwärmung nutzbar gemacht wird. Desweiteren können diese Kanäle mit mineralischen Stoffen umgeben werden, in denen Wärme gespeichert wird, insbesondere während der heißen Hauptphase der Verbrennung. In gemauerten Kachelofenanlagen mit handwerklich gesetzten Brennräumen werden diese Kanäle üblicherweise individuell in Form von gemauerten Heizgaszügen unter Beachtung der Fachregeln des Ofen- und Luftheizungsbauerhandwerks realisiert.
• Bei Verwendung von industriell vorgefertigten Brennräumen wie Kachelofen- oder Kamineinsätzen besteht die Möglichkeit, ebenso industriell vorgefertigte Nachheizkästen oder Nachheizflächen am Abgasausgang des Brennraumes anzuschließen.
• Aus dem Dokument DE 86 00 843 U1 ist ein Ofen für eine geschlossene Heißluftheizung bekannt, bei dem eine Speicherplatte zur Zwischenspeicherung von Wärme eingesetzt wird. Diese Platte wird jedoch dem Brennraum außen beigestellt, so daß keine Veränderungen der Abgaswege vorgesehen sind.
• Aus dem Dokument DE 10 2005 007 043 A1 ist ein Kamineinsatz bekannt, an dessen Korpus eine schüttfähige Wärmespeichermasse zur besseren zeitlichen Verteilung der Wärmeabgabe angebracht wird oder der zusätzlich mit einem Nachheizkasten ausgestattet wird, durch den erhöhte Abgaszuglängen realisiert werden und der mit schüttfähiger Wärmespeichermasse zur besseren zeitlichen Verteilung der Wärmeabgabe versehen ist. Ohne Nachheizkasten bietet diese Lösung lediglich eine zusätzliche Speicherfunktion zur zeitlichen Streckung der Wärmeabgabe, nicht jedoch eine verbesserte Abgaswärmeausnutzung durch zusätzliche Wärmeübertragungsflächen. Diese werden erst durch das Beistellen des Nachheizkastens zur Verfügung gestellt, was jedoch mit zusätzlichem Bedarf an Aufstellfläche verbunden ist. In beiden Fällen handelt es sich um starre Systeme, denen Anpassungsmöglichkeiten an die Schornsteingegebenheiten vor Ort und dergleichen fehlen.
• Aus dem Dokument AT 547 U1 ist ein Ofen mit einer Rauchgasführung und einer Schraubenwendel bekannt, bei dem das Abgas innerhalb des Ofens einen Rauchgaszug schraubenlinienförmig durchströmt. Durch diese Anordnung wird zwar auf vorteilhafte Weise eine erhöhte Zuglänge für eine gute Wärmeabgabe des Abgases realisiert. Jedoch ist diese Lösung als Bestandteil eines Ofens nur für dessen Feuerraumeigenschaften bestimmt. Darüber hinaus weist die Anordnung keine frei kombinierbaren Module auf, so dass die Flexibilität zur Anpassung an die Schornsteingegebenheiten vor Ort fehlt. Zudem fehlt jedwede Einrichtung zur Verbesserung der Anfeuerphase.
• Aus dem Dokument EP 0 081 028 A1 ist ein weiterer Ofen bekannt, bei dem das Abgas innerhalb des Ofens einen Rauchgaszug schraubenlinienförmig durchströmt. Die in diesem Dokument beschriebene Anordnung der Abgasführung ist starr auf einen Brennraum ausgelegt, so dass keine flexible Anpassung an örtliche Gegebenheiten möglich ist. Es wird ein zentraler Kanal beschrieben, der jedoch durch die Formgebung der Speichersteine entsteht und somit untrennbarer Bestandteil der Speichersteine ist. Zweck des Kanals ist eine gleichmäßigere Erwärmung der Speichersteine, wodurch übermäßige thermische Spannungen und daraus resultierende Beschädigungen der Steine vermieden werden können. Der Kanal wird oben mit einem Deckel verschlossen und nicht von Abgas durchströmt, so dass auch bei dieser Anordnung keine Einrichtung zur Verbesserung der Anfeuerphase vorgesehen ist.
• Aus der DE 637 397 C ist ein Heizaufsatz für Ofenherde oder dergleichen bekannt, der als Wärmespeicheraufsatz ausgebildet ist und im Inneren eine Schraubenwendel vorgegebener Länge aufweist, die von Abgasen durchströmt werden kann. Damit ist dieser Heizaufsatz nicht flexibel an unterschiedliche Öfen anzupassen.
• Aus der FR-A-641642 ist eine Kaminvorrichtung mit einem Abgasstrom offenbart, deren einzelne Ströme, jeweils aufgeteilt in sektionale Kanäle, unterteilt wird. Eine Krempe sorgt dafür, dass der Abgasstrom nach außen gelenkt wird. Hierbei sind keine Speicherelemente vorgesehen. Dort ist ein besonderes Teil als Bestandteil einer Abgasummantelung vorgesehen, das als Strahlungselement dient. Insgesamt ist diese Vorrichtung nicht geeignet, als Aufsatz für eine Feuerstätte zu dienen. Vielmehr ist das dort offenbarte Rohr Bestandteil des Kaminofens.
• Aus der GB 557404 A ist eine Feuerstätte bekannt mit einem Ofenrohr, das von einem Keramikmantel umgeben ist. Dieser Keramikmantel dient als äußere Verkleidung des Ofenrohrs, ist jedoch kein Wärmespeicherelement. Zudem ist das Abgasrohr nicht in einzelne Sektionen zu unterteilen, sondern durchgängig ausgebildet.
• Aus der CH 88712A ist eine Vorrichtung zur Ausnützung der in den Rauchgasen von Ofenheizungen enthaltenen Wärme bekannt, bei der ein in ein Ofenrohr zwischen zu schaltendes, verschließbares Rohr für den direkten Durchgang der Rauchgase vorgesehen ist. Dieses verschließbare Rohr ist von einem äußeren Rohr umschlossen und weist eine Schnecke auf, durch die ein schraubengangförmig verlaufender Kanal gebildet wird, durch welchen die Rauchgase nach Schließen des inneren Rohres durchgeführt werden. Damit ist auch kein Wärmespeicherelement gebildet, insbesondere nicht ein solches, das zusammen mit einem unterteilten Abgasrohr individuell den Erfordernissen der Feuerungsstätte angepasst werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmespeichervorrichtung zu schaffen, mit der die Wärmeabgabe einer Feuerstätte an den zu beheizenden Wohnraum zu vergleichmäßigen ist bei gleichzeitiger Steigerung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades, welche platzsparend und auf einfachste Weise an der Feuerstätte montiert werden kann und die flexibel an die Schornsteinverhältnisse und die Eigenschaften der Feuerstätte angepaßt werden kann und darüber hinaus das Anfeuern der Feuerstätte erleichtert.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmespeichervorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Hinsichtlich wesentlicher vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 15 verwiesen.
• Damit wird eine Speichervorrichtung zur Verfügung gestellt, mit den in variationsreicherweise durch die individuell auszuwählenden Speicherelemente hinsichtlich Anzahl, Größe, Querschnitt und Material die vor Ort anzutreffenden Gegebenheiten exakt zu berücksichtigen sind, die darüber hinaus unmittelbar an die Feuerstätte, wie beispielsweise einen Kamineinsatz, anzubinden und damit platzsparend und in einfachster Weise vorzusehen sind. Dadurch, daß das Speicherelement aus Einzelelementen besteht, kann die Wärmespeichervorrichtung einfach an die Eigenschaften der Feuerungsstätte angepaßt werden. Durch eine einfache Anbindung einer Anfeuerhilfe ist darüber hinaus in einfacher Weise das Anfeuern der Feuerstätte erleichtert. Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

eine schematische Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der Wärmespeichervorrichtung nach der Erfindung, angebunden an eine Feuerstätte;

Fig. 2

eine Ansicht eines Abgasleitelementes mit einer vorgesehenen Justier- und Montagehilfe;

Fig. 3

eine Zusammenstellung von drei Abgasleitelementen, wobei das untere eine geringere Abgasumlenkung bewirkt als die beiden oberen;

Fig. 4

ein Speicherelement in einer Vorderansicht;

Fig. 5

eine Draufsicht auf den Adapter mit einer zentralen Klappe;

Fig. 6

eine Seitenansicht auf den Adapter mit einer Halterung für Abgasleitelemente und einer Aufnahme für Speicherelemente;

Fig. 7

einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des Wärmespeichersystems.

• In der Zeichnung sind nur die zum unmittelbaren Verständnis der Erfindung notwendigen Teile vorgesehen.
• Die Wärmespeichervorrichtung kann Speicherelemente 5,6a,6b,9 aufweisen, deren Querschnitt rund sein, aber auch andere Formen, etwa eine quadratische oder rechteckige Grundfläche haben kann. Die Speicherelemente 5,6a,6b,9 können insofern Ringe bilden, in dem sie einen inneren Hohlraum umschließen, durch den die Abgase zum Verbindungsstück 8 hingeführt werden.
• Diese Wärmespeichervorrichtung kann auf den Abgasstutzen 3 der Feuerstätte 1 aufgesetzt werden, wobei die Verbindung über einen Adapter 4 erfolgt, der einerseits an die Bauform des Abgasstutzens 4 der Feuerstätte 1 angepaßt werden kann und der andererseits eine Vorrichtung für die Einstellung der Funktion des Kanals für die Anfeuerhilfe trägt.
• Diese Anfeuerhilfe ist vorzugsweise in Form eines Bypass-Kanals realisiert, der während der Anfeuerphase der Feuerstätte 1 geöffnet werden kann, um den Strömungswiderstand für das Abgas zwischen Feuerstätte 1 und Schornstein möglichst gering zu halten und um eine rasche Erwärmung des Schornsteins und damit einen schnellen Aufbau des Schornsteinzuges zu gewährleisten.
• Die Funktion der Anfeuerhilfe kann über eine Klappe im Adapter 4 gesteuert werden, die den Bypass-Kanal öffnen oder schließen kann.
• Auf den Adapter 4, der an der Feuerstätte 1 fixiert wird, werden die Speicherringe 5 als Stapel aufgesetzt. Die Anzahl der Ringe kann an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden, die sich etwa aus dem Aufbau der Schornsteinanlage oder der Art der Feuerstätte 1 ergeben. Die jeweils oberen zwei Speicherringe 6a,6b weisen Ausschnitte auf, die den Einsatz eines Stutzens 7 für den Anschluß eines Verbindungstückes 8 erlauben, über welches die Feuerungsanlage mit dem Schornstein verbunden wird. Oberhalb dieser beiden letzten Speicherringe ist ein Deckel 9 angeordnet, der das Speichersystem verschließt, so daß kein Abgas in den Aufstellraum entweichen kann.
• Ebenfalls auf den Adapter 4, aber innerhalb der Speicherringe 5,6a,6b,9 liegend, werden Abgasleitelemente10 eingesetzt. Diese Abgasleitelemente 10 können die gleiche Bauhöhe wie die Speicherringe 6a, 6b aufweisen und lassen sich während des Aufsetzens der Speicherringe 6a, 6b in diese einsetzen. Die Abgasleitelemente 10 weisen einen zentralen Innenkanal 13, etwa in Form eines Rohres auf, welcher nach dem Übereinanderfügen der Abgasleitelemente 10 den Bypass-Kanal der Anfeuerhilfe bildet. Bei geöffnetem Bypass-Kanal können die Abgase auf direktem Wege, d.h. mit minimalem Strömungswiderstand und weitgehend ohne Wärmeverluste, in das Verbindungsstück 8 strömen und auf diese Weise den Anfeuervorgang durch schnelles Aufheizen des Schornsteins erleichtern.
• Die Abgasleitelemente 10 können um den Innenkanal 10 herum als Helix- oder Wendelsegmente ausgebildet sein, so daß die Abgase etwa in der Form einer Schraubenlinie um den Innenkanal herum nach oben geführt werden und dort schließlich in das Verbindungsstück 8 münden. Eine Funktion der Abgasleitelemente 10 besteht in der Erzeugung von Turbulenzen, die einen besseren Wärmeübergang vom Abgas zu den Speicherringen ermöglichen. Zudem bewirken sie durch eine längere Verweilzeit der Abgabe innerhalb der Speicherelemente eine vermehrte Wärmeabgabe der Abgase und damit eine verbesserte Ausnutzung der Brennstoffenergie.
• Die Abgasleitelemente 10 können verschiedenartig gestaltet sein, um unterschiedliche starke Abgasumlenkungen zu verursachen. Über diese unterschiedlich starken Abgasumlenkungen kann die Länge des Abgasweges bis zum Erreichen des Verbindungsstückes beeinflußt werden, so daß auch bei gegebener Aufbauhöhe der Speicherringe verschieden lange Abgaszüge realisiert werden können. Insbesondere können die Abgasleitelemente so gestaltet sein, daß sich verschiedenartige Elemente miteinander kombinieren lassen, wodurch die Flexibilität in der Anpassung an die örtlichen Gegebenheiten noch einmal deutlich erhöht wird.
• Insbesondere bietet die Kombinierbarkeit verschiedener Abgasleitelemente 10 innerhalb eines Speicherringsystems die Möglichkeit, die Volumenänderung des Abgases infolge des Abkühlens während des Durchgangs durch die Speicherringe 6a, 6b zu berücksichtigen, indem der Querschnitt des Abgasweges sich nach oben hin verjüngt.
• Die Abgasleitelemente sind wegen der einfachen Gestaltungsmöglichkeiten vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, können aber auch aus mineralischen Stoffen, Beton oder ähnlichem gefertigt sein.
• Die Speichersteine 5,6a,6b,9 bestehen aus einer Substanz, die eine gute Wärmespeicherfähigkeit aufweisen soll und hitzebeständig sowie feuerfest ist. Das kann durch Schamotte, Beton, Keramik, Magnesit oder ähnliche Stoffe erreicht werden.

Claims (14)

1. Wärmespeichervorrichtung zum Aufsetzen auf eine eine Abgasführung aufweisende Feuerstätte (1) für einen Kachelofen oder einen Kamineinsatz mit zumindest einem innerhalb der Wärmespeichereinrichtung angeordneten Abgasleitelement (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung mehrere einzeln aneinander zu reihende, die Abgasführung sowie das Abgasleitelement (10) umschließende Speicherelemente (5, 6a, 6b) aufweist, so dass die Länge des Abgasweges durch die Wärmespeichervorrichtung, der freie Querschnitt des Abgasweges und die Masse des Wärmespeichermaterials durch Auswahl und Anzahl der einzeln aneinander gereihten Speicherelemente (5, 6a, 6b) separat einstellbar sind, wobei innerhalb der aneinander gereihten Speicherelemente (5, 6a, 6b) einzeln aufeinander zu reihende Abgasleitelemente (10) vorgesehen sind, die jeweils die gleiche Höhe haben wie die diese ummantelnden Speicherelemente (5, 6a, 6b) und wobei die Abgasleitelemente (10) in Form von Wendelsegmenten gestaltet sind, so dass die Abgase etwa in Form einer Schraubenlinie nach oben geführt werden.
2. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherelemente (5, 6a, 6b) einen inneren Durchströmraum mit außen runder oder eckiger Gestalt aufweisen.
3. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Typen von einzelnen Abgasleitelementen (10) innerhalb der Wärmespeichervorrichtung kombinierbar sind und sich unterschiedliche Typen von Abgasleitelementen (10) im Grad der Abgasumlenkung unterscheiden.
4. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitelemente (10) einen zentralen Kanal (13) aufweisen, durch den das Abgas auf kurzem Weg zum Auslass (7) der Wärmespeichervorrichtung strömt und der durch ein Verschlusselement zu öffnen und zu schließen ist.
5. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement des zentralen Abgaskanals thermostatisch steuerbar ist.
6. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitelemente (10) aus einem mineralischen Baustoff, Beton oder Keramik bestehen.
7. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitelemente (10) aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
8. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in oberen, aneinander gereihten Speicherelementen (6a, 6b) Öffnungen zur Durchführung der Abgase und zum Anschluss an ein Verbindungsstück (8) eingelassen sind.
9. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung an einem oberen Ende durch einen Deckel (9) aus dem gleichen Werkstoff wie Speicherelemente (5, 6a, 6b) abgeschlossen ist.
10. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Adapter (4) vorgesehen ist, über den die Wärmespeichervorrichtung mit dem Abgasauslass (3) der Feuerstätte (1) verbindbar ist.
11. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (4) auf einer Seite passend zur Verbindungsart der jeweiligen Feuerstätte (1) gestaltet ist und auf der anderen Seite eine Aufnahme (15) für die Speicherelemente (5) hat.
12. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (4) eine Vorrichtung (16) für das Aufsetzen der Abgasleitelemente (10) aufweist.
13. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (4) für den Anschluss einer Feuerstätte (1) eine Vorrichtung zum Öffnen oder Verschließen des zentralen Abgaskanals wie eine Klappe, Blende oder dgl. umfasst.
14. Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitelemente (10) Zentrierelemente (11, 17) aufweisen, die beim Aufeinanderstapeln der Speicherelemente (5, 6a, 6b) sowohl den zentrierten Einbau als auch die Anbringung in korrekter Winkelposition zueinander sicherstellen.

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