EP2955440B1 - Heizvorrichtung zum heizen von innenräumen, insbesondere eine einzelraumfeuerstätte - Google Patents

Heizvorrichtung zum heizen von innenräumen, insbesondere eine einzelraumfeuerstätte Download PDF

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EP2955440B1
EP2955440B1 EP15171115.7A EP15171115A EP2955440B1 EP 2955440 B1 EP2955440 B1 EP 2955440B1 EP 15171115 A EP15171115 A EP 15171115A EP 2955440 B1 EP2955440 B1 EP 2955440B1
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EP
European Patent Office
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heat
heating device
chamber
change material
heat accumulator
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EP15171115.7A
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EP2955440A1 (de
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Paulo Jorge Ferreira Goncalves
Marcus Preissner
Timo Bosch
Minh Nguyen
Martin Koehne
Oliver Bachmann
Paul Mielcarek
Tino Schmid
Vincent Gort
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/08—Electric heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/10—Fire place
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/10—Heat storage materials, e.g. phase change materials or static water enclosed in a space

Definitions

  • Heaters with a combustion chamber are usually made of metal or refractory ceramic building materials. Within the combustion chamber, heat is generated by combustion of solid, liquid or gaseous fuels or by electric current, which can be used, for example, for heating interiors.
  • a fundamental disadvantage of using a single room firebox is that heat dissipation occurs only when fuel is supplied to the kiln.
  • individual room fireplaces are equipped with heat storage tanks.
  • storage materials such as stone, concrete, sand, fireclay or soapstone used.
  • a disadvantage of these heat storage materials is that no uniform and long-term constant heat dissipation occurs. Rather, the surface temperature of such heat storage and thus the heat flow or the heat radiation in the room to be heated at the beginning of the firing phase increases relatively quickly. For safety reasons, a maximum surface temperature of the heat accumulator of approx.
  • a particular disadvantage is that an elevated temperature is maintained only over a period of a few hours, during which an uneven heat dissipation occurs.
  • the disadvantage is also that after extinction of the fireplace the surface temperature of the heat accumulator and consequently the heat dissipation decreases relatively rapidly.
  • Another disadvantage of the known Einzelraum85 Wun is that the heat storage of fireclay, soapstone, sand, stone or concrete generally have masses in the range between 90 kg and 180 kg and more, so are relatively heavy.
  • the DE 202012005500 U1 discloses chimneys serving as a heat source with a latent heat-storing chimney cowling, which is completely or partially filled with latent storage materials. Based on this, it is an object of the present invention to overcome the existing drawbacks of the prior art and to provide a heating device which is easy to install and to operate and which ensures a uniform, long-term constant and efficient heat output for heating indoors becomes. This is achieved with the features of claim 1 according to the invention. Advantageous developments are given in the dependent claims 2 to 10.
  • the invention relates to a heating device for heating of interior spaces, in particular a Einzelraum85 Wu, with a combustion chamber and at least one heat storage, wherein the heat storage is thermally conductively connected to the combustion chamber, and wherein the heat accumulator comprises a phase change material.
  • a heating device for heating of interior spaces, in particular a Einzelraum85 Wu, with a combustion chamber and at least one heat storage, wherein the heat storage is thermally conductively connected to the combustion chamber, and wherein the heat accumulator comprises a phase change material.
  • at least partially an air duct system for a flow of air is arranged in the at least one interspace formed between the combustion chamber and the heat accumulator.
  • the heating device is arranged with the combustion chamber within the space to be heated.
  • the thermally conductive connection between the heat accumulator and the combustion chamber can be realized by a heat-conducting surface of the heat accumulator, which faces the combustion chamber.
  • the heat accumulator comprises one or more containers, the or of a thermally conductive metal, for.
  • a thermally conductive metal for.
  • the container may have a pressure relief valve to prevent its bursting in the event of overpressure.
  • Alternatively or in addition to a direct contact may be in an optional space or Gap between combustion chamber and heat storage to be arranged a heat conductive layer.
  • the solution according to the invention is particularly advantageous because with the phase change material contained in the heat storage initially a latent heat storage and only then a sensitive heat storage takes place during the usual used sensitive storage materials such.
  • a latent heat storage As chamotte or soapstone, heat exclusively as sensible heat, ie by increasing the temperature store. This is a targeted and over a long period constant temperature output possible with the heater according to the invention. Due to the corresponding radiation in the installation room, it can be kept at a relatively constant room temperature.
  • phase change material in the present case includes both the singular and the plural, i. H. Phase change materials in pure form as well as mixtures of several phase change materials.
  • phase change material as a storage medium changes by the heat absorption is not or at least not significantly the temperature level of the storage material, but its state of matter, and in general from solid to liquid.
  • the phase change material can advantageously absorb very large amounts of heat until it is completely melted. It is particularly favorable that the temperature of the phase change material during the heat absorption by melting remains constant at the level of the melting temperature (latent heat storage). As a result, by choosing the phase change material in advance, the temperature level during the melting process can be determined.
  • the heat absorption in the heat accumulator according to the invention advantageously at least as long as particularly evenly until the phase change material has melted. Only after complete melting does the supply of additional heat lead to an increase in temperature of the phase change material (sensible heat storage).
  • phase change materials over sensitive storage media, such. As chamotte or soapstone, is that their heat storage density is considerably higher. This results in the use of phase change materials as storage media usually a significantly lower volume of the heat storage material and, consequently, a smaller footprint.
  • phase change materials over chamotte or soapstone are their lower masses. This is particularly advantageous in view of the transport and installation of a heating device according to the invention.
  • phase change materials compared to chamotte or soapstone as well as their smaller volume allow greater freedom of design with regard to the structure or design of the heating device.
  • phase change materials are due to their uniform heat dissipation to prevent temperature fluctuations and compensate for temperature peaks.
  • paraffins are, for example, tetracosane, pentacosan, hexacosan and heptacosan.
  • suitable fatty acids are myristic acid, pentadecanoic acid, palmitic acid and stearic acid.
  • Examples of usable fatty acid derivatives, fatty acid alcohols and fatty acid esters include cetyl alcohol, cetyl myristate, cetyl palmitate, methyl docoanoate, ethyl tetracosanoate, methyl oxalate, cetyl stearate, tristearin, stearyl palmitate, stearyl stearate, cetyl arachidate and ethyl hexacosanoate.
  • Carboxylic acid based phase change materials are, for example, chloroacetic acid, heptadecanoic acid and alpha-chloroacetic acid.
  • Other usable organic compounds include, for example, camphene and 9-heptadecanone.
  • Examples of salt hydrates useful as phase change materials are: sodium acetate trihydrate, lithium acetate dihydrate, ferric chloride dihydrate, ferric nitrate hexahydrate and aluminum sodium sulfate monohydrate.
  • phase change materials are usually relatively difficult to escape, so that outgassing of these compounds from the heat storage is relatively unlikely. This is particularly advantageous from an ecological point of view.
  • phase change materials are usually relatively inexpensive to procure.
  • the selection of cost-effective phase change materials is large, so that an individual selection can be made for each application.
  • the melting point of a relatively high-melting phase change material can be lowered by mixing with one or more others and thus adapted to individual needs.
  • phase change materials are usually thermally stable up to temperatures of about 300 ° C, which is important for the reversibility of the melting process.
  • the high thermal stability of phase change materials also requires a high reliability of storage media.
  • phase change material directly adjacent to an outer wall of the heat storage, with which the user can come into contact
  • a phase change material is preferably used, which has a melting point between 50 ° C and 60 ° C.
  • the safety requirement is met, according to which the temperature of the surface of the heat accumulator, which is accessible to the user, must not exceed 60 ° C during operation.
  • a supercooled melt is a state of a substance which can be reached by cooling. Characteristic of a supercooled melt is that it has a lower temperature at a given pressure than it corresponds to their state of aggregation. However, a supercooled melt can be excited to crystallize, then as long as heat is released until the melt is completely solidified again.
  • the heat accumulator surrounds the combustion chamber at least partially. Then at least partially a direct heat transfer from the combustion chamber to the heat storage done.
  • This is additionally possible to at least partially arrange an air guide system for a flow of air in the at least one space formed between the combustion chamber and the heat accumulator.
  • the air duct system which can be designed as a controllable air control system for a controllable flow of air, the transmitted heat can be influenced, so that overheating of the heat storage and the phase change material is avoidable.
  • the heat transfer can take place at least partially directly from the combustion chamber to the heat storage.
  • thermostatically operating control elements such as thermostatically controlled flaps, which enable flow through the air control system with air and thus the safety cooling of the combustion chamber above a predetermined temperature limit of heat storage or combustion chamber, including block.
  • the regulation of the flap can be designed differently. An interpretation provides that the complete opening of the flap takes place immediately when the limit temperature is reached. Another design provides that the opening of the flap takes place over a temperature interval. Here the flap starts to open when a lower limit temperature is reached. Only when the upper limit temperature is reached, the flap is fully open.
  • the heat accumulator may comprise one or more containers made of a thermally conductive metal, e.g. As copper, or consists of a thermally conductive metal, wherein the container or are thermally conductively connected to the combustion chamber.
  • the side of the heat accumulator facing the combustion chamber can be formed with the same shape or similar to the outer shape of the combustion chamber and surround the combustion chamber as a kind of envelope.
  • the heat transfer from the combustion chamber to the heat storage takes place by heat conduction.
  • a heat-conducting layer may be arranged to keep heat losses as low as possible.
  • the heat accumulator surrounds a pipe connected to the combustion chamber, via which combustion exhaust gases are removed.
  • the heat of the exhaust gas stream is radiated in the direction of the heat accumulator and then stored. It is particularly advantageous if the heat accumulator is designed as a sheathing of the exhaust pipe, wherein the exhaust pipe either sections or can be sheathed over its entire length. Another possibility is that the heat storage is placed on an adapter such as a dome frame, which surrounds the exhaust pipe at least partially. In all the aforementioned embodiments, the heat radiated from the combustion chamber is transferred to the heat accumulator without major losses.
  • a thermally conductive component or a thermally conductive material for introducing heat into the phase change material is provided within the heat accumulator. It is particularly advantageous if the component or the material has a higher thermal conductivity than the phase change material.
  • the component has a good heat-conducting metal or is made of such a metal.
  • the material has a good heat-conducting component, such as a graphite component.
  • the shape or arrangement of the component or of the material is advantageously chosen so that the coming of the combustion chamber heat flow into the phase change material and the heat flow from the phase change material out - in the direction of the interior to be heated or optionally provided heat conduction system - is improved.
  • the component or the material have a large surface, with a high surface / volume ratio is particularly efficient.
  • the component may be designed as a metal wire mesh, metal wool or as bulk material of simple metal moldings.
  • the introduction of heat into the phase change material can take place via a heat-conducting liquid provided in the heat accumulator.
  • the heat accumulator has at least a first chamber and a second chamber, which are thermally conductively connected to each other, wherein a first surface of the first chamber adjacent to an outer side of the combustion chamber, and wherein the second chamber Heat Exposing surface, which faces away from the first chamber.
  • the first chamber and the second chamber are designed as a container, wherein the first chamber is disposed within the second chamber and partially surrounded by the phase change material of the second chamber.
  • the heat-conducting connection between the first and the second chamber can in this case represent the outer walls of the first chamber, which do not adjoin the combustion chamber.
  • the first chamber has at least two chambers.
  • the two or more chambers of the first chamber may be formed separately from each other or connected to each other.
  • the two or more chambers of the first chamber and the second chamber are thermally conductively connected to each other.
  • each of the two or more chambers of the first chamber adjoins the outside of the combustion chamber with one of its surfaces.
  • the second chamber has a heat discharge surface that faces away from the two or more chambers of the first chamber.
  • the first chamber is disposed between the combustion chamber and the second chamber.
  • the heat accumulator comprise a container within which a partition wall is retracted.
  • the partition wall can connect the first and the second chamber with heat conduction.
  • the partition may comprise a thermally conductive material or be coated with such a material.
  • the first and second chambers may be configured as separate containers. The thermally conductive connection of the two chambers can then be realized by the mutually facing, thermally conductive (side) walls of the two chambers. In a space or gap which may be present between the two chambers, a heat-conducting layer may be arranged in order to avoid heat losses.
  • the first chamber and the second chamber have at least one different phase change material, wherein the phase change material in the second chamber has a lower melting point than the phase change material in the first chamber.
  • the first chamber may advantageously include a phase change material having a melting point above 60 ° C, wherein the second chamber contains a phase change material having a melting point up to 60 ° C, preferably between 50 ° C and 60 ° C.
  • the first chamber contains a phase change material having a melting point far above 60 ° C, because such phase change materials have particularly high heat storage capacity.
  • the first chamber is shielded to the outside through the second chamber.
  • the heat storage or at least one of the chambers of the heat accumulator from the heater can be removed and used separately for heat dissipation.
  • the heat storage or the chamber can then be moved to heat in other premises, such as a car or an unheated room. It can also be a connection to a heat conduction system, for example, to provide an external floor heating or the like with heat.
  • a heat conduction system for example, to provide an external floor heating or the like with heat.
  • the shape of the heat storage must be suitable for a modular removal. As a result, retrofitting existing heating devices with relatively little effort is possible.
  • the heat accumulator consists of a material which is corrosion-resistant to a melt of the phase change material.
  • the heat accumulator has a coating which is corrosion resistant to the melt of the phase change material.
  • the use of a corrosion-resistant material or such a coating is particularly advantageous when salts or salt hydrates dissolved in water are used as phase change materials. Because aqueous salt solutions can corrosive effect on the heat storage or its parts, if the heat storage or parts thereof, the materials commonly used, such. As iron, contain or consist of these. Suitable materials for the heat storage are stainless or stainless steels, such as V4A steel and V2A steel.
  • the heat accumulator has a means for influencing an aggregate state of the phase change material.
  • a phase change material which forms a supercooled melt on cooling, such as. As a salt hydrate.
  • a nucleating agent as a means.
  • a nucleating agent can be created by exposing a surface, which is chemically similar to the growth surfaces of the phase change material.
  • the surface of LiF or Na 5 P 2 O 7 .10 H 2 O can act as a nucleating agent, while for CaCl 2 - 6 H 2 O, for example, the surface of Bal 2 is suitable as a nucleating agent.
  • the agent for influencing an aggregate state is formed as an electrothermal, as a mechanical means or as a surface having seed crystals.
  • the supercooled melt can be further cooled, thereby causing the crystallization, the stored heat energy being released in the form of the enthalpy of crystallization or heat of crystallization.
  • the cooling is particularly preferably realized by using a Peltier element as an agent.
  • a mechanical means for influencing the state of aggregation can be used.
  • a means z As a leaf spring, a ceramic stick, a spring or a metal plate actuated and caused by the resulting vibration vibration crystallization and thus the heat output.
  • Another alternative is to provide as a means a surface within the heat accumulator having seed crystals.
  • the seed crystals act as crystallization nuclei and trigger the crystallization and the associated heat release in the form of the enthalpy of crystallization or heat. It must be ensured that the surface only comes into contact with the supercooled melt when the crystallization is to be started. Therefore, during the melting of the phase change material and also during the presence of the supercooled melt of the phase change material, the surface must either be removed or covered until the crystallization process is to be initiated.
  • salt hydrates are particularly suitable as phase change materials because they can form highly supercooled melts.
  • Very particularly advantageous is the use of a mixture of 60% Mg (NO 3) 2 ⁇ 6 H 2 O with 40% MgCl 2 ⁇ 6 H 2 O.
  • individual chambers and / or containers of the heat accumulator each have a means for activation.
  • the heat output can then be controlled individually and, for example, over a longer period by individual chambers are activated gradually.
  • the heating device has a particular wireless communication interface, via which the agent can be activated.
  • the controller for activating the phase change material for the release of heat can be integrated into a networked environment.
  • a controller is then possible via Internet-enabled devices.
  • a learning algorithm can be provided by which a user behavior is learned. The heat output is thereby initialized, for example, when the user is expected to come home.
  • the heating device has a monitoring device for monitoring the state of aggregation of the phase change material, which in particular monitors a partial region of the heat accumulator.
  • the monitoring should take place at least in the portion of the heat accumulator, which is located furthest away from the combustion chamber.
  • a monitoring device can be detected whether a complete conversion of the phase change material is carried out in particular from the solid to the liquid phase, so that energy storage can take place without heat emission.
  • With only partial conversion begins with completion of the heat supply from the combustion chamber namely directly the reverse transformation of the phase change material with heat release, so that no long-term storage is possible.
  • the monitoring device so to speak, the state of charge of the phase change material is detected.
  • the monitoring device comprises a sensor which is designed in particular as a temperature sensor, resonance sensor, electrical conductivity sensor or optical density sensor. Full charge can then be assumed in the case of a temperature sensor if all or at least the temperature sensor arranged at the coldest point of the heat accumulator indicates a temperature which is above the melting point of the phase change material. In this case, by an appropriate design of the phase change material or by subdividing the heat storage in several chambers an incomplete Conversion of each contiguous phase change material can be avoided.
  • a temperature sensor can additionally serve to prevent an overload of the heat accumulator by excessive temperatures by a warning signal is issued or, for example, by throttling a supply of combustion air into the combustion chamber, the heating power is reduced.
  • the monitoring device has a plurality of sensors, which are arranged in a net shape.
  • a progress indicator of the state of charge is possible.
  • the security of the information obtained increases.
  • the heating device has at least one in particular electrical additional heating element which is assigned to the heat accumulator.
  • additional heating element for example, then additional heat can be introduced into the heat storage, if the operation of the heater is stopped before complete conversion of the phase change material.
  • a complete conversion and thus a long-term storage of heat can always be achieved.
  • the additional heating element is supplied with electrical energy, which is obtained by means of solar cells.
  • the heating device preferably has an air supply control device with which the supply of combustion air into the combustion chamber can be controlled, in particular as a function of the temperature and / or the state of matter of the phase change material.
  • the amount of combustion air has a great influence on the combustion taking place within the combustion chamber and thus on the heat released and the heat accumulator supplied.
  • a corresponding air supply control for example, a relatively fast conversion of the phase change material can be achieved while preventing overheating of the phase change material.
  • the heating device has a display means with which a complete and incomplete conversion of the phase change material from one state of aggregation to another state of aggregation can be displayed.
  • a user can then be informed at any time about the progress of the phase change and control the operation of the heater accordingly.
  • a user of the heater thus has the opportunity to recognize how far the heat storage is loaded and whether he can rely on the content of the heat storage for heat alone, or whether a re-commissioning of the combustion chamber (the firing) of the heater is required.
  • the heater has a heat accumulator with pressure relief valve to prevent bursting of the heat accumulator in the event of overpressure.
  • a discharge device connects the pressure relief valve with an exhaust pipe flow-conducting.
  • the heating device ensures a uniform, long-term constant and efficient heat output for heating interiors.
  • the heater consists of a few, compact components and is therefore easy to install and easy to use.
  • Fig. 1 recognizes the essential components of a heating device 1 according to the invention with a combustion chamber 2 and a heat storage 3, wherein the heater 1 is arranged with the combustion chamber 2 in a room to be heated (installation room).
  • the combustion chamber 2 comprises a combustion chamber 4 in which heat is generated by combustion of solid fuels, which can be used for heating of interior spaces.
  • the combustion chamber 4 is connected to an exhaust pipe 7, are discharged via the combustion gases.
  • the combustion chamber 2 is from the heat storage 3 at least partially surrounded, wherein the heat storage 3 comprises a plurality of containers. It is particularly advantageous if the container made of a thermally conductive metal, for. As copper, or have a thermally conductive metal.
  • the heat accumulator 3 may be integrally formed, for example so that the combustion chamber 2 facing side of the heat accumulator 3 is designed same shape or similar to the outer shape of the combustion chamber 2 and surrounds the combustion chamber 2 as a kind of shell or part of the combustion chamber walls, wherein optionally an underside of the combustion chamber 2 is not surrounded by the heat storage 3.
  • the heat accumulator 3 surrounds at least a portion 7a of the exhaust pipe 7 connected to the combustion chamber 4, so that the heat of the exhaust gas flow is also emitted in the direction of the heat accumulator 3 and thus stored.
  • the heat accumulator 3 is formed as a sheath of the tube 7, wherein the tube 7 is at least partially sheathed, in particular the portion 7a of the tube 7 (in FIG. 1 , left half of the picture: with space between exhaust pipe 7 and heat storage 3, right half of the picture: without gap).
  • the tube 7 may be sheathed over its entire length.
  • the heat accumulator 3 regardless of its design - a pressure relief valve 8 to prevent bursting of the heat accumulator 3 in the event of overpressure.
  • a discharge device 9 connects the pressure relief valve 8 with an exhaust pipe 7 in a flow-conducting manner.
  • the heat accumulator 3 and the combustion chamber 2 are connected to one another in a heat-conducting manner.
  • a heat-conducting layer (not shown) may be arranged in the intermediate space or gap 6 between the combustion chamber 2 and the heat accumulator 3. It is particularly advantageous and efficient if the heat accumulator 3 additionally has a heat-conducting surface which faces the combustion chamber 2. Then, if necessary, a heat-conducting layer can be dispensed with, provided that the combustion chamber 2 and the heat accumulator 3 are spatially very close to each other ( FIG. 1 , right half of the picture).
  • an air guidance system for a flow of air L is arranged in the intermediate space 6 in order to receive the heat Q emitted by the combustion chamber 2 and to dissipate it with the air flow L ( FIG. 1 , left half of the picture).
  • the air control system can be made adjustable, so regulate the size of the air volume flow L. This can be done as a function of a temperature in the heat storage 3 or in the combustion chamber 2 or in the air control system
  • Thermostatically controlled flaps 10 take place, which release a flow through the air guide system with air L and thus the safety cooling of the combustion chamber 2 above a predeterminable limit temperature of heat storage 3 or combustion chamber 2 or air control system, including block.
  • the heat accumulator 3 has a first chamber 3a and a second chamber 3b, which are connected to one another in a heat-conducting manner.
  • a first surface of the first chamber 3a adjoins an outer side of the combustion chamber 2 and the second chamber 3b has a heat discharge surface, which faces away from the first chamber 3a.
  • the first chamber 3a and the second chamber 3b are configured as containers, wherein the first chamber 3a is disposed within the second chamber 3b and is partially surrounded by the phase change material 5b of the second chamber 3b.
  • the two chambers 3a, 3b can then be connected to each other, for example via the outer walls of the first chamber 3a, which are not adjacent to the combustion chamber 2, heat-conducting.
  • FIG. 2a and Fig. 3a Exemplary embodiments of a heat accumulator 3 having a first chamber 3a and a second chamber 3b are shown in FIG Fig. 2a and Fig. 3a shown.
  • Fig. 2b and Fig. 3b each show a bottom view of in Fig. 2a and Fig. 3a illustrated heat storage 3.
  • the in Fig. 2a shown heat accumulator 3 is designed as a half-cylinder, wherein the first chamber 3a is disposed within the second chamber 3b and wherein both chambers 3a, 3b represent half cylinder.
  • the lower sides of the two chambers 3a, 3b and the two of the combustion chamber 2 facing rectangular surfaces (see. Fig. 2b and 3b ) of the chambers 3a, 3b each in a plane.
  • the in Fig. 2a shown heat accumulator 3 is designed as a half-cylinder, wherein the first chamber 3a is disposed within the second chamber 3b and wherein both chambers 3a, 3b represent half cylinder
  • heat accumulator 3 is analogous to that in Fig. 2a constructed, but with the difference that the two chambers 3a, 3b are configured as a cuboid and thus the heat accumulator 3 is also a total cuboid shaped.
  • the first chamber 3a and the second chamber 3b have at least one different phase change material 5a, 5b, wherein the phase change material 5b in the second chamber 3b has a lower melting point than the phase change material 5a in the first chamber 3a. It is particularly advantageous if the first chamber 3a has a phase change material 5a with a melting point far above 60 ° C., because such phase change materials 5a have particularly high heat storage capacities. Overall, this significantly increases the heat storage capacity of the heating device 1 according to the invention, without violate the safety requirement, according to which the temperature of the surface of the heat accumulator 3, which is accessible to the user, may be a maximum of 60 ° C during operation.
  • the temperature of the surface of the heat accumulator 3 which is accessible to the user, may be a maximum of 60 ° C during operation.
  • the first chamber 3a may be arranged within the second chamber 3b so that the first chamber is also covered on the bottom side of the second chamber.
  • the first chamber 3a is then completely surrounded by the phase change material 5b of the second chamber 3b except for the side facing the combustion chamber 2. This may be necessary, for example for safety reasons, namely when the user all external surfaces of the heat accumulator 3 - except those facing the combustion chamber 2 - are accessible.
  • the first chamber 3a may be disposed between the combustion chamber 2 and the second chamber 3b, wherein the heat accumulator 3 may comprise a container within which a partition wall is retracted.
  • the partition may comprise a thermally conductive material or be coated with such a material and thus connect the first and the second chamber 3b heat-conducting together.
  • the first chamber 3a and the second chamber 3b are designed as separate containers. The thermally conductive connection of the two chambers 3a, 3b can then be realized by the mutually facing, heat-conductive surfaces of the two chambers 3a, 3b.
  • a heat-conducting layer can be arranged in an intermediate space or gap 6 which may be present between the two chambers 3a, 3b.
  • phase change materials 5 in particular salts or salt hydrates dissolved in water
  • the heat accumulator 3 or parts thereof the commonly used materials such. As iron, contain or consist of these.
  • the heat accumulator 3 is formed from a material which is corrosion-resistant to a melt of the phase change material 5.
  • the heat accumulator 3 has a coating opposite the melt of the phase change material 5 is corrosion resistant.
  • the heat accumulator 3 is made of V4A steel and / or V2A steel.
  • a thermally conductive component or a thermally conductive material for introducing the heat Q into the phase change material 5 is provided inside the heat accumulator 3.
  • the component or the material advantageously has a higher thermal conductivity than the phase change material 5.
  • the component may have a good heat conducting metal or be made of such.
  • the component has a large surface, wherein a high surface / volume ratio leads to a particularly efficient conduction of the heat flow.
  • the component may be designed as a metal wire mesh, metal wool or as bulk material of simple metal moldings.
  • phase change materials 5 in pure form as well as mixtures of several phase change materials 5 can be used.
  • the solution according to the invention is particularly advantageous because the phase change material 5 contained in the heat storage 3, in contrast to the memory materials commonly used, for. B. chamotte or soapstone, the heat Q not only as sensible heat, ie by increasing the temperature stores, but initially a latent heat storage takes place. That is, it changes in the phase change material 5 by the heat absorption not the temperature level of the storage material, but its state of matter, from solid to liquid.
  • the phase change material 5 can advantageously absorb very large amounts of heat until it is completely melted. It is particularly favorable that the temperature of the phase change material 5 during the heat absorption by melting remains constant at the level of the melting temperature (latent heat storage). Consequently, by choosing the phase change material 5, the temperature level during the melting process can be determined.
  • phase change materials 5 are usually thermally stable up to temperatures of about 300 ° C, which is the reversibility of Melting process is important. In addition, a high reliability is ensured when using the thermally stable phase change material 5.
  • the heat absorption in the heat storage 3 according to the invention advantageously at least as long as particularly evenly until the phase change material 5 is melted. Only after complete melting does the supply of further heat Q lead to an increase in the temperature of the phase change material 5 (sensible heat storage).
  • phase change materials 5 Compared to sensitive storage media have phase change materials 5 significantly higher heat storage densities. This is particularly favorable because this results in a significantly lower volume of the storage medium and consequently a considerably smaller space requirement.
  • phase change materials 5 compared to chamotte or soapstone lower masses. This is particularly advantageous in view of the transport and installation of a heating device according to the invention.
  • phase change materials 5 are usually relatively difficult to escape, so that outgassing of these compounds from the heat storage 3 is relatively unlikely. This is particularly advantageous from an ecological point of view.
  • phase change materials 5 are usually relatively inexpensive to procure. The choice of inexpensive phase change materials 5 is large, so that for each application an individual selection can be made. It is also possible to customize application-specific, d. H. tailor made blends of multiple phase change materials 5.
  • phase change materials 5 are suitable due to their uniform heat dissipation to prevent temperature fluctuations and compensate for temperature peaks.
  • heater 1 directly adjoins the phase change material 5 to an outer wall of the heat accumulator 3, with which the user can come into contact.
  • a phase change material 5 having a melting point between 50 ° C. and 60 ° C. is used .
  • a salt hydrate as phase change material 5, because salt hydrates can form strongly supercooled melts.
  • Substantial amounts of heat are stored in the supercooled melt of a salt hydrate which is present after the end of the chimney fire and the subsequent cooling of the phase change material 5.
  • This heat can be released by means provided in the heat accumulator 3 for influencing the state of aggregation of the phase change material 5, ie by triggering the crystallization process.
  • the crystallization process and the associated heat release for example, by further cooling, z. B. by using a Peltier element as a means triggered.
  • Another possibility is to use a mechanical means to induce crystallization. So z. B.
  • crystallization may be initiated by a nucleating agent.
  • the nucleating agent may be a surface within the heat accumulator 3 having seed crystals. The seed crystals act as crystallization nuclei and trigger the crystallization and the associated heat release in the form of the enthalpy of crystallization or heat.
  • the nucleating agent can be provided by exposing a surface that is chemically similar to the growth surfaces of the phase change material 5.
  • the surface of LiF or Na 5 P 2 O 7 .10 H 2 O can act as a nucleating agent; for example, in the case of CaCl 2 .6 H 2 O, the surface of Bal 2 .
  • the heat can be transferred from a present as a supercooled melt phase change material 5 at a user-selected time.
  • advantageously no operation of the combustion chamber 2 of the heating device 1 is required, so that this is particularly efficient by the user selectively triggerable crystallization and consequently heat generation.
  • especially salt hydrates are suitable as phase change materials 5, because they often form highly supercooled melts and thus the efficiency is particularly high.

Description

  • Heizvorrichtungen mit einer Brennkammer sind üblicherweise aus Metall oder feuerfesten keramischen Baustoffen gefertigt. Innerhalb der Brennkammer wird durch Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen oder durch elektrischen Strom Wärme erzeugt, die beispielsweise zum Heizen von Innenräumen genutzt werden kann.
  • Aufgrund der stetig steigenden Kosten für Erdöl, Gas und Strom sind bei Privatverbrauchern Einzelraumfeuerstätten wie Kaminöfen oder Kachelöfen zunehmend nachgefragt, zumal diese auch mit regenerativen Energieträgern, wie z. B. Holzschnitzel oder Pellets und anderen Festbrennstoffen befeuert werden können. Vorteilhaft ist auch, dass ein nachträglicher Einbau solcher Einzelraumfeuerstätten häufig ohne großen Aufwand möglich ist.
  • Ein grundlegender Nachteil besteht bei der Nutzung einer Einzelraumfeuerstätte darin, dass eine Wärmeabgabe nur dann erfolgt, wenn dem Ofen ein Brennstoff zugeführt wird. Um diesem Problem zu begegnen und auch nach Erlöschen des Kaminfeuers eine Wärmeabgabe über mehrere Stunden hinweg zu gewährleisten, sind Einzelraumfeuerstätten mit Wärmespeichern ausgestattet. Zur Aufnahme und verzögerten Abgabe der Wärme an den Aufstellraum kommen heute als Speichermaterialien z.B. Stein, Beton, Sand, Schamott oder Speckstein zum Einsatz. Nachteilig an diesen Wärmespeichermaterialien ist jedoch, dass keine gleichmäßige und langzeitig konstante Wärmeabgabe erfolgt. Vielmehr nimmt die Oberflächentemperatur solcher Wärmespeicher und damit der Wärmestrom bzw. die Wärmestrahlung in den zu beheizenden Raum zu Beginn der Brennphase relativ schnell zu. Dabei ist im laufenden Betrieb aus Sicherheitsgründen eine maximale Oberflächentemperatur des Wärmespeichers von ca. 60°C zulässig. Besonders nachteilig ist, dass eine erhöhte Temperatur nur über einen Zeitraum von wenigen Stunden gehalten wird, wobei währenddessen eine ungleichmäßige Wärmeabgabe erfolgt. Von Nachteil ist außerdem, dass nach Erlöschen des Kaminfeuers die Oberflächentemperatur des Wärmespeichers und infolgedessen die Wärmeabgabe relativ rasch abnimmt.
    Ein weiterer Nachteil der bekannten Einzelraumfeuerstätten besteht darin, dass die Wärmespeicher aus Schamott, Speckstein, Sand, Stein oder Beton in der Regel Massen im Bereich zwischen 90 kg und 180 kg und mehr aufweisen, also relativ schwer sind.
  • Die DE 202012005500 U1 offenbart als Heizquelle dienende Kamine mit einer latentwärmespeichernden Kaminverkleidung, die ganz oder teilweise mit Latentspeichermaterialien gefüllt ist.
    Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bestehenden Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Heizvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach zu installieren und zu bedienen ist und mit der eine gleichmäßige, langzeitig konstante und effiziente Wärmeabgabe zum Heizen von Innenräumen sichergestellt wird.
    Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 10 zu entnehmen.
    Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Heizen von Innenräumen, insbesondere eine Einzelraumfeuerstätte, mit einer Brennkammer und mit mindestens einem Wärmespeicher, wobei der Wärmespeicher wärmeleitend mit der Brennkammer verbunden ist, und wobei der Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial aufweist. Dabei ist in dem mindestens einen zwischen Brennkammer und Wärmespeicher ausgebildeten Zwischenraum zumindest teilweise ein Luftleitsystem für eine Durchströmung mit Luft angeordnet.
    Dabei ist die Heizvorrichtung mit der Brennkammer innerhalb des zu heizenden Raumes angeordnet. Die wärmeleitende Verbindung zwischen Wärmespeicher und Brennkammer kann durch eine wärmeleitende Oberfläche des Wärmespeichers realisiert sein, welche der Brennkammer zugewandt ist. Dazu kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass der Wärmespeicher einen oder mehrere Behälter umfasst, der bzw. die aus einem wärmeleitenden Metall, z. B. Kupfer, bestehen oder wenigstens ein wärmeleitendes Metall aufweisen. Dabei kann der Behälter ein Überdruckventil aufweisen, um im Falle eines Überdrucks dessen Bersten zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich zu einem direkten Kontakt kann in einem gegebenenfalls vorhandenen Zwischenraum oder Spalt zwischen Brennkammer und Wärmespeicher eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft, weil mit dem im Wärmespeicher enthaltenen Phasenwechselmaterial zunächst eine latente Wärmespeicherung und erst danach eine sensible Wärmespeicherung erfolgt, während die üblicherweise verwendeten sensiblen Speichermaterialien, wie z. B. Schamotte oder Speckstein, Wärme ausschließlich als sensible Wärme, d. h. durch Temperaturerhöhung, speichern. Damit ist mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung eine gezielte und über einen langen Zeitraum konstante Temperaturabgabe möglich. Durch die entsprechende Abstrahlung im Aufstellraum kann dieser bei relativ konstanter Raumtemperatur gehalten bleiben.
  • Die Verwendung des Begriffs Phasenwechselmaterial umfasst im vorliegenden Fall sowohl den Singular als auch den Plural, d. h. Phasenwechselmaterialien in Reinform sowie Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien.
  • Im Falle eines Phasenwechselmaterials als Speichermedium ändert sich durch die Wärmeaufnahme nicht oder zumindest nicht wesentlich das Temperaturniveau des Speichermaterials, sondern dessen Aggregatzustand, und zwar in der Regel von fest zu flüssig. Dabei kann das Phasenwechselmaterial vorteilhafterweise sehr große Wärmemengen aufnehmen, bis es vollständig geschmolzen ist. Besonders günstig ist, dass die Temperatur des Phasenwechselmaterials während der Wärmeaufnahme durch Schmelzen konstant auf dem Niveau der Schmelztemperatur bleibt (latente Wärmespeicherung). Dadurch kann durch die Wahl des Phasenwechselmaterials im Vorhinein das Temperaturniveau während des Schmelzvorgangs bestimmt werden. Zudem verläuft die Wärmeaufnahme bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher vorteilhafterweise zumindest solange besonders gleichmäßig, bis das Phasenwechselmaterial geschmolzen ist. Erst nach vollständigem Schmelzen führt die Zufuhr weiterer Wärme zu einem Temperaturanstieg des Phasenwechselmaterials (sensible Wärmespeicherung).
  • Ein Vorteil von Phasenwechselmaterialien gegenüber sensiblen Speichermedien, wie z. B. Schamotte oder Speckstein, besteht darin, dass ihre Wärmespeicherdichte erheblich höher ist. Dadurch ergibt sich bei Verwendung von Phasenwechselmaterialien als Speichermedien in der Regel ein deutlich geringeres Volumen des Wärmespeichermaterials und damit einhergehend ein geringerer Platzbedarf.
  • Ein weiterer Vorteil von Phasenwechselmaterialien gegenüber Schamotte oder Speckstein sind deren geringere Massen. Dies ist mit Blick auf den Transport und die Installation einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besonders vorteilhaft.
  • Die im Vergleich zu Schamotte oder Speckstein geringere Masse von Phasenwechselmaterialien sowie deren geringeres Volumen ermöglichen eine größere Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Aufbaus bzw. der Gestaltung der Heizvorrichtung.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist, dass sich Phasenwechselmaterialien aufgrund ihrer gleichmäßigen Wärmeabgabe dazu eignen, Temperaturschwankungen zu verhindern und Temperaturspitzen auszugleichen.
  • Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Phasenwechselmaterialien sind:
    • Paraffine und Paraffinmischungen
    • Fettsäuren und Fettsäuremischungen
    • Fettsäurederivate, Fettsäurealkohole, Fettsäureester und deren Mischungen
    • Carbonsäure basierte Phasenwechselmaterialien
    • andere organische Verbindungen und deren Mischungen
    • in Wasser gelöste Salze oder Salzhydrate und deren Mischungen
  • Verwendbare Paraffine sind beispielsweise Tetracosan, Pentacosan, Hexacosan und Heptacosan. Als Fettsäuren kommen zum Beispiel Myristinsäure, Pentadecansäure, Palmitinsäure und Stearinsäure in Frage. Zu den einsetzbaren Fettsäurederivaten, Fettsäurealkoholen und Fettsäureestern zählen beispielsweise Cetylalkohol, Cetylmyristat, Cetylpalmitat, Methyldocosanoat, Ethyltetracosanoat, Methyloxalat, Cetylstearat, Tristearin, Stearylpalmitat, Stearylstearat, Cetylarachidat und Ethylhexacosanoat. Carbonsäure basierte Phasenwechselmaterialien sind zum Beispiel Chloressigsäure, Heptadecansäure und alpha-Chloressigsäure. Zu den einsetzbaren anderen organischen Verbindungen zählen beispielsweise Camphen und 9-Heptadecanon. Als Phasenwechselmaterialien verwendbare Salzhydrate sind zum Beispiel: Natriumacetat-Trihydrat, Lithiumacetat-Dihydrat, Eisenchlorid-Dihydrat, Eisennitrat-Hexahydrat und Aluminiumnatriumsulfat-Monohydrat.
  • Derartige Phasenwechselmaterialien sind in der Regel relativ schwer flüchtig, sodass ein Ausgasen dieser Verbindungen aus dem Wärmespeicher relativ unwahrscheinlich ist. Dies ist insbesondere aus ökologischer Sicht vorteilhaft.
  • Zudem sind Phasenwechselmaterialien normalerweise relativ kostengünstig zu beschaffen. Die Auswahl an kostengünstigen Phasenwechselmaterialien ist groß, sodass für jede Anwendung eine individuelle Auswahl getroffen werden kann. Außerdem ist es möglich, anwendungsspezifische, d. h. maßgeschneiderte, Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien herzustellen. Dabei kann beispielsweise der Schmelzpunkt eines relativ hochschmelzenden Phasenwechselmaterials durch Mischen mit einem oder mehreren anderen erniedrigt und so den individuellen Bedürfnissen angepasst werden. Vorteilhaft ist zudem, dass Phasenwechselmaterialien üblicherweise bis zu Temperaturen von ca. 300°C thermisch stabil sind, was für die Reversibilität des Schmelzvorgangs wichtig ist. Die hohe thermische Stabilität von Phasenwechselmaterialien bedingt zudem eine hohe Ausfallsicherheit dieser Speichermedien. Ist in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial unmittelbar an eine Außenwand des Wärmespeichers angrenzt, mit welcher der Verwender in Kontakt kommen kann, wird vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial eingesetzt, das einen Schmelzpunkt zwischen 50°C und 60°C besitzt. Damit wird die Sicherheitsanforderung eingehalten, nach der im laufenden Betrieb die Temperatur der Oberfläche des Wärmespeichers, welche dem Verwender zugänglich ist, 60°C nicht überschreiten darf.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, ein Salzhydrat als Phasenwechselmaterial einzusetzen, weil Salzhydrate stark unterkühlte Schmelzen bilden können. Bei einer unterkühlten Schmelze handelt es sich um einen durch Abkühlung erreichbaren Zustand eines Stoffes. Charakteristisch für eine unterkühlte Schmelze ist, dass sie bei gegebenem Druck eine niedrigere Temperatur besitzt als es ihrem Aggregatzustand entspricht. Eine unterkühlte Schmelze kann aber zur Kristallisation angeregt werden, wobei dann solange Wärme frei wird, bis die Schmelze wieder vollständig erstarrt ist.
  • In der unterkühlten Schmelze eines Salzhydrats, welche nach Erlöschen des Kaminfeuers und dem sich daran anschließenden Abkühlen des Phasenwechselmaterials vorliegt, sind erhebliche Wärmemengen gespeichert. Diese Wärme kann durch aktives Auslösen des Kristallisationsvorgangs freigesetzt werden, und zwar in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. der Kristallisationswärme. Dabei kann der Nutzer selbst bestimmen, wann er den Kristallisationsprozess startet. Das Starten kann dann z.B. manuell oder mittels Zeitschaltuhr erfolgen. Beispielsweise kann der Kristallisationsprozess und die damit einhergehende Wärmeabgabe durch gezieltes Abkühlen ausgelöst werden, das beispielsweise mittels Peltier-Element erfolgt. Folglich ist kein Betrieb der Brennkammer der Heizvorrichtung erforderlich, sodass diese durch den Verwender gezielt auslösbare Wärmeerzeugung besonders effizient ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung umgibt der Wärmespeicher die Brennkammer zumindest teilweise. Dann kann zumindest teilweise ein direkter Wärmeübergang von der Brennkammer zum Wärmespeicher erfolgen. Dies ist zusätzlich dazu möglich, in dem mindestens einen zwischen Brennkammer und Wärmespeicher ausgebildeten Zwischenraum zumindest teilweise ein Luftleitsystem für eine Durchströmung mit Luft anzuordnen. Über das Luftleitsystem, das als regelbares Luftleitsystem für eine regelbare Durchströmung mit Luft ausgebildet sein kann, ist die übertragene Wärme beeinflussbar, so dass eine Überhitzung des Wärmespeichers bzw. des Phasenwechselmaterials vermeidbar ist. Der Wärmeübergang kann zumindest teilweise direkt von der Brennkammer zum Wärmespeicher erfolgen. Er kann aber ebenso zumindest teilweise von der Brennkammer zu der das Luftleitsystem durchströmenden Luft erfolgen, damit die Brennkammer kühlen und somit für eine Art Sicherheitsabschaltung der weiteren Erwärmung des Wärmespeichers bei drohender Überhitzung sorgen. Die Luft kann in einen Aufstellraum der Heizvorrichtung abgegeben werden. Zur Regelung des Luftleitsystems können thermostatisch arbeitende Regelelemente, beispielsweise thermostatisch regelnde Klappen, zum Einsatz kommen, die eine Durchströmung des Luftleitsystems mit Luft und somit die Sicherheitskühlung der Brennkammer oberhalb einer vorgebbaren Grenztemperatur von Wärmespeicher oder Brennkammer freigeben, darunter blockieren. Die Regelung der Klappe kann verschieden ausgelegt werden. Eine Auslegung sieht vor, dass die vollständige Öffnung der Klappe sofort bei Erreichen der Grenztemperatur erfolgt. Eine weitere Auslegung sieht vor, dass die Öffnung der Klappe über ein Temperaturintervall hinweg erfolgt. Hier beginnt sich die Klappe bei Erreichen einer unteren Grenztemperatur zu öffnen. Erst wenn die obere Grenztemperatur erreicht ist, ist die Klappe vollständig geöffnet.
  • Der Wärmespeicher kann einen oder mehrere Behälter umfassen, der bzw. die aus einem wärmeleitenden Metall, z. B. Kupfer, besteht oder ein wärmeleitendes Metall aufweist, wobei der bzw. die Behälter wärmeleitend mit der Brennkammer verbunden sind. Alternativ kann die der Brennkammer zugewandte Seite des Wärmespeichers formgleich oder -ähnlich zu der Außenform der Brennkammer ausgebildet sein und als eine Art Hülle die Brennkammer umgeben. Dabei erfolgt der Wärmeübergang von der Brennkammer zum Wärmespeicher durch Wärmeleitung. In einem gegebenenfalls vorhandenen Zwischenraum oder Spalt zwischen Brennkammer und Wärmespeicher kann eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein, um Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Alternativ oder zusätzlich umgibt der Wärmespeicher ein mit dem Brennraum verbundenes Rohr, über welches Verbrennungsabgase abgeführt werden. Dadurch wird auch die Wärme des Abgasstroms in Richtung des Wärmespeichers abgestrahlt und dann gespeichert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmspeicher als Ummantelung des Abgasrohres ausgebildet ist, wobei das Abgasrohr entweder abschnittsweise oder über dessen gesamte Länge ummantelt sein kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Wärmespeicher auf einen Adapter wie beispielsweise einen Kuppelrahmen aufgesetzt ist, welcher das Abgasrohr zumindest teilweise umgibt. In allen vorgenannten Ausführungsformen wird die von der Brennkammer abgestrahlte Wärme ohne größere Verluste auf den Wärmespeicher übertragen.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist innerhalb des Wärmespeichers ein wärmeleitfähiges Bauteil oder ein wärmeleitfähiges Material zur Einleitung von Wärme in das Phasenwechselmaterial vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Bauteil oder das Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Phasenwechselmaterial besitzt. Vorzugsweise weist das Bauteil ein gut wärmeleitendes Metall auf oder ist aus einem solchen gefertigt. Vorzugsweise weist das Material eine gut wärmeleitende Komponente auf, wie beispielsweise eine Graphitkomponente. Dabei wird die Form oder die Anordnung des Bauteils oder des Materials vorteilhafterweise so gewählt, dass der von der Brennkammer kommende Wärmestrom in das Phasenwechselmaterial hinein und der Wärmestrom aus dem Phasenwechselmaterial heraus - in Richtung des zu heizenden Innenraumes oder eines gegebenenfalls vorgesehenen Wärmeleitsystems - verbessert wird. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn das Bauteil oder das Material eine große Oberfläche aufweisen, wobei ein hohes Oberfläche/Volumen-Verhältnis besonders effizient ist. Beispielsweise kann das Bauteil als Metalldrahtgeflecht, Metallwolle oder als Schüttgut aus einfachen Metallformteilen ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Einleitung von Wärme in das Phasenwechselmaterial über eine im Wärmespeicher vorgesehene wärmeleitende Flüssigkeit erfolgen.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmespeicher zumindest eine erste Kammer und eine zweite Kammer aufweist, die wärmeleitend miteinander verbunden sind, wobei eine erste Oberfläche der ersten Kammer an eine Außenseite der Brennkammer angrenzt, und wobei die zweite Kammer eine Wärmeabgabefläche aufweist, die von der ersten Kammer abgewandt ist. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die erste Kammer und die zweite Kammer als Behälter ausgestaltet sind, wobei die erste Kammer innerhalb der zweiten Kammer angeordnet und teilweise von dem Phasenwechselmaterial der zweiten Kammer umgeben ist. Die wärmeleitende Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer können in diesem Fall die Außenwände der ersten Kammer darstellen, welche nicht an die Brennkammer angrenzen.
  • In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung weist die erste Kammer wenigstens zwei Kammern auf. Dabei können die zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer separat voneinander ausgebildet sein oder miteinander verbunden sein. In jedem Fall sind die zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer und die zweite Kammer wärmeleitend miteinander verbunden. Außerdem grenzt jede der zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer mit einer ihrer Oberflächen an die Außenseite der Brennkammer an. Die zweite Kammer weist eine Wärmeabgabefläche auf, die von den zwei oder mehr Kammern der ersten Kammer abgewandt ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kammer zwischen der Brennkammer und der zweiten Kammer angeordnet. Dabei kann der Wärmespeicher einen Behälter umfassen, innerhalb dessen eine Trennwand eingezogen ist. Bei dieser Ausgestaltung kann die Trennwand die erste und die zweite Kammer wärmeleitend miteinander verbinden. Dazu kann die Trennwand ein wärmeleitfähiges Material aufweisen oder mit einem solchen Material beschichtet sein. Alternativ können die erste und die zweite Kammer als separate Behälter ausgestaltet sein. Die wärmeleitende Verbindung der beiden Kammern kann dann durch die einander zugewandten, wärmeleitfähigen (Seiten-)Wände der beiden Kammern realisiert werden. In einem gegebenenfalls zwischen den beiden Kammern vorhandenen Zwischenraum oder Spalt kann eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein, um Wärmeverluste zu vermeiden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weisen die erste Kammer und die zweite Kammer wenigstens ein unterschiedliches Phasenwechselmaterial auf, wobei das Phasenwechselmaterial in der zweiten Kammer einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Phasenwechselmaterial in der ersten Kammer. Dabei kann die erste Kammer vorteilhafterweise ein Phasenwechselmaterial beinhalten, das einen Schmelzpunkt oberhalb von 60°C hat, wobei die zweite Kammer ein Phasenwechselmaterial mit einem Schmelzpunkt bis zu 60°C, vorzugsweise zwischen 50°C und 60°C, enthält. Besonders bevorzugt enthält die erste Kammer ein Phasenwechselmaterial mit einem Schmelzpunkt weit oberhalb von 60°C, weil solche Phasenwechselmaterialien besonders hohe Wärmspeicherkapazitäten besitzen. Dabei wird die erste Kammer nach außen durch die zweite Kammer abgeschirmt. Damit ist die Gefahr auszuschließen, dass der Verwender im laufenden Betrieb die Oberfläche der ersten Kammer berührt, welche möglicherweise die aus Sicherheitsgründen maximal zulässige Temperatur von 60°C überschreitet. Vielmehr kann er nur in Kontakt mit der Oberfläche der zweiten Kammer gelangen, deren Temperatur unterhalb von 60°C liegt. Dadurch ist das Risiko von Verletzungen minimiert, wobei durch den hohen Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials in der ersten Kammer die Wärmespeicherkapazität der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung insgesamt deutlich gesteigert wird.
  • Bevorzugterweise ist der Wärmespeicher oder zumindest eine der Kammern des Wärmespeichers aus der Heizvorrichtung entnehmbar und separat zur Wärmeabgabe verwendbar. Der Wärmespeicher bzw. die Kammer können dann zur Erwärmung in andere Räumlichkeiten, wie beispielsweise ein Auto oder ein unbeheizter Raum, bewegt werden. Es kann auch ein Anschluss an ein Wärmeleitsystem erfolgen, um beispielsweise eine externe Fußbodenheizung oder Ähnliches mit Wärme zu versorgen. Durch Initiation des Kristallisationsvorgangs, also dem Phasenwechsel von flüssig zu fest, kann die gespeicherte Wärmemenge dann gezielt frei gegeben werden. Die Form des Wärmespeichers muss dazu für eine modulare Entnahme geeignet sein. Dadurch ist auch eine Nachrüstung bestehender Heizvorrichtungen mit relativ wenig Aufwand möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besteht der Wärmespeicher aus einem Material, das gegenüber einer Schmelze des Phasenwechselmaterials korrosionsbeständig ist. Alternativ weist der Wärmespeicher eine Beschichtung auf, die gegenüber der Schmelze des Phasenwechselmaterials korrosionsbeständig ist. Die Verwendung eines korrosionsbeständigen Materials bzw. einer solchen Beschichtung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Wasser gelöste Salze oder Salzhydrate als Phasenwechselmaterialien eingesetzt werden. Denn wässrige Salzlösungen können korrodierend auf den Wärmespeicher oder dessen Teile wirken, sofern der Wärmespeicher oder Teile davon die üblicherweise verwendeten Werkstoffe, wie z. B. Eisen, enthalten oder aus diesen bestehen. Als Materialien für den Wärmespeicher eignen sich nichtrostende beziehungsweise Edelstähle, wie zum Beispiel V4A-Stahl und V2A-Stahl.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung weist der Wärmespeicher ein Mittel zur Beeinflussung eines Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials auf. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Phasenwechselmaterial verwendet wird, welches beim Abkühlen eine unterkühlte Schmelze bildet, wie z. B. ein Salzhydrat. Bei Vorliegen einer unterkühlten Schmelze kann die Kristallisation und damit die Abgabe der Wärme, welche in der unterkühlten Schmelze gespeichert ist, zunächst unterdrückt und dann auf Wunsch eines Nutzers gezielt mit dem Mittel ausgelöst werden. Dies kann durch einen Keimbildner als Mittel erfolgen. Ein Keimbildner kann beispielsweise durch Freilegen einer Oberfläche geschaffen werden, die den Wachstumsflächen des Phasenwechselmaterials chemisch ähnlich ist. Im Falle von Natriumacetat Trihydrat kann beispielsweise die Oberfläche von LiF oder Na5P2O7 · 10 H2O als Keimbildner wirken, während sich bei CaCl2 - 6 H2O zum Beispiel die Oberfläche von Bal2 als Keimbildner eignet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel zur Beeinflussung eines Aggregatzustandes als elektrothermisches, als mechanisches Mittel oder als eine Oberfläche, die Impfkristalle aufweist, ausgebildet. So kann die unterkühlte Schmelze beispielsweise weiter abgekühlt und dadurch die Kristallisation ausgelöst werden, wobei die gespeicherte Wärmeenergie in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. Kristallisationswärme freigesetzt wird. Dabei wird das Abkühlen besonders bevorzugt durch Verwendung eines Peltier-Elements als Mittel realisiert. Alternativ kann ein mechanisches Mittel zur Beeinflussung des Aggregatzustandes eingesetzt werden. So kann als Mittel z. B. eine Blattfeder, ein Keramikstäbchen, eine Feder oder ein Metallplättchen betätigt und durch die dadurch hervorgerufene Erschütterung die Kristallisation und damit die Wärmeabgabe gestartet werden. Eine weitere Alternative besteht darin, als Mittel eine Oberfläche innerhalb des Wärmespeichers vorzusehen, die Impfkristalle aufweist. Dabei wirken die Impfkristalle als Kristallisationskeime und lösen die Kristallisation und die damit einhergehende Wärmeabgabe in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. -wärme aus. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Oberfläche nur dann mit der unterkühlten Schmelze in Kontakt tritt, wenn die Kristallisation gestartet werden soll. Daher muss die Oberfläche während des Schmelzens des Phasenwechselmaterials und auch während des Vorliegens der unterkühlten Schmelze des Phasenwechselmaterials entweder entfernt oder abgedeckt werden, bis der Kristallisationsprozess ausgelöst werden soll.
  • Wird als Phasenwechselmaterial ein Salzhydrat eingesetzt, das beim Abkühlen der Heizvorrichtung bzw. Wärmespeichers eine unterkühlte Schmelze bilden kann, so ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung, die in der unterkühlten Schmelze des Phasenwechselmaterials gespeicherte Wärme zu einem beliebigen Zeitpunkt freizusetzen, ohne dass in der Brennkammer eine Verbrennung erfolgen werden muss. Für diesen Zweck eignen sich als Phasenwechselmaterialien besonders Salzhydrate, weil diese stark unterkühlte Schmelzen bilden können. Bevorzugt sind Natriumacetat-Trihydrat, Lithiumacetat-Dihydrat, Eisenchlorid-Dihydrat, Eisennitrat-Hexahydrat, Aluminiumnatriumsulfat-Monohydrat und deren Mischungen. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Mischung von 60% Mg(NO3)2 · 6 H2O mit 40% MgCl2 · 6 H2O.
  • Vorteilhafterweise weisen einzelne Kammern und/oder Behälter des Wärmespeichers jeweils ein Mittel zur Aktivierung auf. Die Wärmeabgabe kann dann individuell gesteuert werden und beispielsweise über einen längeren Zeitraum erfolgen, indem einzelne Kammern nach und nach aktiviert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung eine insbesondere drahtlose Kommunikationsschnittstelle auf, über die das Mittel aktivierbar ist. Damit kann die Steuerung zur Aktivierung des Phasenwechselmaterials zur Abgabe von Wärme in eine vernetzte Umgebung eingebunden werden. Beispielsweise ist eine Steuerung dann über internetfähige Endgeräte möglich. Neben einer Steuerung mittels Thermostat oder Zeitschaltuhr ist so auch eine individuelle Fernsteuerung möglich. Dabei kann zusätzlich ein Lernalgorithmus vorgesehen werden, durch das ein Nutzerverhalten erlernt wird. Die Wärmeabgabe wird dadurch beispielsweise dann initialisiert, wenn der Nutzer voraussichtlich nach Hause kommt.
  • Vorzugsweise weist die Heizvorrichtung eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials auf, die insbesondere einen Teilbereich des Wärmespeichers überwacht. Die Überwachung sollte dabei zumindest in dem Teilbereich des Wärmespeichers erfolgen, der am weitesten entfernt zur Brennkammer angeordnet ist. Mit Hilfe einer derartigen Überwachungseinrichtung kann erfasst werden, ob eine vollständige Umwandlung des Phasenwechselmaterials insbesondere aus der festen in die flüssige Phase erfolgt ist, so dass eine Energiespeicherung ohne Wärmeabgabe erfolgen kann. Bei nur teilweiser Umwandlung beginnt mit Beendigung der Wärmezufuhr aus der Brennkammer nämlich direkt die Rückumwandlung des Phasenwechselmaterials unter Wärmeabgabe, so dass keine langfristige Speicherung möglich ist. Mit Hilfe der Überwachungseinrichtung wird also sozusagen der Ladezustand des Phasenwechselmaterials erfasst.
  • Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Überwachungseinrichtung einen Sensor aufweist, der insbesondere als Temperatursensor, Resonanzsensor, elektrischer Leitfähigkeitssensor oder optischer Dichtesensor ausgebildet ist. Eine vollständige Aufladung kann dann im Falle eines Temperatursensors angenommen werden, wenn alle bzw. zumindest der an der kältesten Stelle des Wärmespeichers angeordnete Temperatursensor eine Temperatur angibt, die oberhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials liegt. Dabei kann durch eine geeignete Auslegung des Phasenwechselmaterials bzw. durch Unterteilung des Wärmespeichers in mehrere Kammern eine unvollständige Umwandlung des jeweils zusammenhängenden Phasenwechselmaterials vermieden werden.
  • Ein Temperatursensor kann dabei zusätzlich dazu dienen, eine Überlastung des Wärmespeichers durch zu hohe Temperaturen zu verhindern, indem ein Warnsignal ausgegeben wird oder beispielsweise durch Drosselung einer Zufuhr von Brennluft in die Brennkammer die Heizleistung reduziert wird.
  • Vorzugsweise weist die Überwachungseinrichtung mehrere Sensoren auf, die netzförmig angeordnet sind. Damit ist beispielsweise eine Fortschrittsanzeige des Ladezustandes möglich. Darüber hinaus erhöht sich die Sicherheit der erhaltenen Information.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung mindestens ein insbesondere elektrisches Zusatzheizelement auf, das dem Wärmespeicher zugeordnet ist. Mit einem derartigen Zusatzheizelement kann beispielsweise dann zusätzliche Wärme in den Wärmespeicher eingebracht werden, wenn bereits vor vollständiger Umwandlung des Phasenwechselmaterials der Betrieb der Heizvorrichtung beendet wird. Somit kann immer eine vollständige Umwandlung und damit eine langfristige Speicherung der Wärme erreicht werden.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Energieversorgung des Zusatzheizelements mittels regenerativer Energien erfolgt. Beispielsweise wird das Zusatzheizelement mit elektrischer Energie versorgt, die mittels Solarzellen erhalten wird.
  • Bevorzugterweise weist die Heizvorrichtung eine Luftzufuhrsteuereinrichtung auf, mit der die Zufuhr von Brennluft in die Brennkammer insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder dem Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials steuerbar ist. Die Menge an Brennluft hat großen Einfluss auf die innerhalb der Brennkammer stattfindende Verbrennung und damit auf die frei werdende und dem Wärmespeicher zugeführte Wärmemenge. Durch eine entsprechende Luftzufuhrsteuerung kann dann beispielsweise eine relativ schnelle Umwandlung des Phasenwechselmaterials erreicht werden und gleichzeitig eine Überhitzung des Phasenwechselmaterials verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung ein Anzeigemittel auf, mit dem eine vollständige und unvollständige Umwandlung des Phasenwechselmaterials aus einem Aggregatszustand in einen anderen Aggregatzustand anzeigbar ist. Ein Benutzer kann sich dann jederzeit über den Fortschritt des Phasenwechsels informieren und den Betrieb der Heizvorrichtung entsprechend steuern. Ein Nutzer der Heizvorrichtung hat somit die Möglichkeit zu erkennen, wie weit der Wärmespeicher geladen ist und ob er für eine Wärmenutzung allein auf den Inhalt des Wärmespeichers zurückgreifen kann, oder ob eine neuerliche Inbetriebnahme der Brennkammer (der Feuerung) der Heizvorrichtung erforderlich ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Heizvorrichtung einen Wärmespeicher mit Überdruckventil auf, um im Falle eines Überdrucks ein Bersten des Wärmespeichers zu verhindern. Eine Ableitungsvorrichtung verbindet dabei das Überdruckventil mit einem Abgasrohr strömungsleitend. So kann bei Überdruck das Überdruckventil öffnen und das durch das Überdruckventil entweichende Phasenwechselmaterial durch die Ableitungsvorrichtung in das Abgasrohr abgeleitet werden, ohne in den Aufstellraum der Heizvorrichtung auszutreten.
  • Durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung wird eine gleichmäßige, langzeitig konstante und effiziente Wärmeabgabe zum Heizen von Innenräumen sichergestellt. Zudem besteht die Heizvorrichtung aus wenigen, kompakten Bauteilen und ist daher einfach zu installieren und einfach in der Bedienung.
  • Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Heizvorrichtung,
    Fig. 2a
    eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Wärmespeichers mit einer ersten und einer zweiten Kammer
    Fig. 2b
    eine Untersicht des in Fig. 2a gezeigten Wärmespeichers,
    Fig. 3a
    eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Wärmespeichers mit einer ersten und einer zweiten Kammer,
    Fig. 3b
    eine Untersicht des in Fig. 3a gezeigten Wärmespeichers und
  • In Fig. 1 erkennt man die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 mit einer Brennkammer 2 und einem Wärmespeicher 3, wobei die Heizvorrichtung 1 mit der Brennkammer 2 in einem zu beheizenden Raum (Aufstellraum) angeordnet ist. Dabei umfasst die Brennkammer 2 einen Brennraum 4, in dem durch Verbrennung von festen Brennstoffen Wärme erzeugt wird, welche zum Heizen von Innenräumen genutzt werden kann. Der Brennraum 4 ist mit einem Abgasrohr 7 verbunden, über das Verbrennungsgase abgeführt werden. Die Brennkammer 2 ist vom Wärmespeicher 3 zumindest teilweise umgeben, wobei der Wärmespeicher 3 mehrere Behälter umfasst. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Behälter aus einem wärmeleitenden Metall bestehen, z. B. Kupfer, oder ein wärmeleitendes Metall aufweisen. Alternativ kann der Wärmespeicher 3 einteilig ausgebildet sein, beispielsweise so, dass die der Brennkammer 2 zugewandte Seite des Wärmespeichers 3 formgleich oder -ähnlich zu der Außenform der Brennkammer 2 ausgestaltet ist und als eine Art Hülle bzw. Teil der Brennkammerwände die Brennkammer 2 umgibt, wobei gegebenenfalls eine Unterseite der Brennkammer 2 nicht vom Wärmespeicher 3 umgeben ist. Vorteilhafterweise umgibt der Wärmespeicher 3 zumindest einen Abschnitt 7a des mit dem Brennraum 4 verbundenen Abgasrohrs 7, sodass die Wärme des Abgasstroms ebenfalls in Richtung des Wärmespeichers 3 abgegeben und somit gespeichert wird. Dabei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der Wärmespeicher 3 als Ummantelung des Rohres 7 ausgebildet ist, wobei das Rohr 7 zumindest abschnittsweise ummantelt ist, insbesondere der Abschnitt 7a des Rohrs 7 (in Figur 1, linke Bildhälfte: mit Zwischenraum zwischen Abgasrohr 7 und Wärmespeicher 3, rechte Bildhälfte: ohne Zwischenraum). Alternativ kann das Rohr 7 über dessen gesamte Länge ummantelt sein. Vorteilhafterweise weist der Wärmespeicher 3 - unabhängig von seiner Ausgestaltung - ein Überdruckventil 8 auf, um im Falle eines Überdrucks ein Bersten des Wärmespeichers 3 zu verhindern. Eine Ableitungsvorrichtung 9 verbindet dabei das Überdruckventil 8 mit einem Abgasrohr 7 strömungsleitend. So kann bei Überdruck im Wärmespeicher 3 das Überdruckventil 8 öffnen und das durch das Überdruckventil 8 entweichende Phasenwechselmaterial durch die Ableitungsvorrichtung 9 in das Abgasrohr 7 abgeleitet werden, ohne in den Aufstellraum der Heizvorrichtung 1 auszutreten.
  • Der Wärmespeicher 3 und die Brennkammer 2 sind wärmeleitend miteinander verbunden. Dazu kann in dem Zwischenraum oder Spalt 6 zwischen Brennkammer 2 und Wärmespeicher 3 eine wärmeleitende Schicht (nicht dargestellt) angeordnet sein. Besonders vorteilhaft und effizient ist es, wenn der Wärmespeicher 3 zusätzlich eine wärmeleitende Oberfläche aufweist, welche der Brennkammer 2 zugewandt ist. Dann kann gegebenenfalls auf eine wärmeleitende Schicht verzichtet werden, sofern die Brennkammer 2 und der Wärmespeicher 3 räumlich sehr nahe zueinander angeordnet sind (Figur 1, rechte Bildhälfte). Gemäß der Erfindung ist ein Luftleitsystem für eine Durchströmung mit Luft L im Zwischenraum 6 angeordnet, um die von der Brennkammer 2 abgegebene Wärme Q aufzunehmen und mit dem Luftstrom L abzuführen (Figur 1, linke Bildhälfte). Dabei kann das Luftleitsystem regelbar ausgeführt sein, also die Größe des Luftvolumenstroms L regeln. Dies kann in Abhängigkeit einer Temperatur im Wärmespeicher 3 oder in der Brennkammer 2 oder im Luftleitsystem mittels thermostatisch geregelter Klappen 10 erfolgen, die eine Durchströmung des Luftleitsystems mit Luft L und somit die Sicherheitskühlung der Brennkammer 2 oberhalb einer vorgebbaren Grenztemperatur von Wärmespeicher 3 oder Brennkammer 2 oder Luftleitsystem freigeben, darunter blockieren.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmespeicher 3 eine erste Kammer 3a und eine zweite Kammer 3b aufweist, die wärmeleitend miteinander verbunden sind. Dabei grenzt eine erste Oberfläche der ersten Kammer 3a an eine Außenseite der Brennkammer 2 an und die zweite Kammer 3b weist eine Wärmeabgabefläche auf, die von der ersten Kammer 3a abgewandt ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erste Kammer 3a und die zweite Kammer 3b als Behälter ausgestaltet sind, wobei die erste Kammer 3a innerhalb der zweiten Kammer 3b angeordnet und teilweise von dem Phasenwechselmaterial 5b der zweiten Kammer 3b umgeben ist. Die beiden Kammern 3a, 3b können dann zum Beispiel über die Außenwände der ersten Kammer 3a, welche nicht an die Brennkammer 2 angrenzen, wärmeleitend miteinander verbunden sein.
  • Beispielhafte Ausführungsformen eines Wärmespeichers 3 mit einer ersten Kammer 3a und einer zweiten Kammer 3b sind in Fig. 2a und Fig. 3a gezeigt. Fig. 2b und Fig. 3b zeigen jeweils eine Untersicht der in Fig. 2a und Fig. 3a dargestellten Wärmespeicher 3. Der in Fig. 2a dargestellte Wärmespeicher 3 ist als Halbzylinder ausgestaltet, wobei die erste Kammer 3a innerhalb der zweiten Kammer 3b angeordnet ist und wobei beide Kammern 3a, 3b Halbzylinder darstellen. Dabei befinden sich die Unterseiten der beiden Kammern 3a, 3b sowie die beiden der Brennkammer 2 zugewandten Rechteckflächen (vgl. Fig. 2b und 3b) der Kammern 3a, 3b jeweils in einer Ebene. Der in Fig. 3a gezeigte Wärmespeicher 3 ist analog zu dem in Fig. 2a dargestellten aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, dass die beiden Kammern 3a, 3b als Quader ausgestaltet sind und damit der Wärmespeicher 3 insgesamt ebenfalls quaderförmig ausgebildet ist.
  • Besonders bevorzugt weisen die erste Kammer 3a und die zweite Kammer 3b wenigstens ein unterschiedliches Phasenwechselmaterial 5a, 5b auf, wobei das Phasenwechselmaterial 5b in der zweiten Kammer 3b einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Phasenwechselmaterial 5a in der ersten Kammer 3a. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Kammer 3a ein Phasenwechselmaterial 5a mit einem Schmelzpunkt weit oberhalb von 60°C aufweist, weil solche Phasenwechselmaterialien 5a besonders hohe Wärmspeicherkapazitäten besitzen. Insgesamt wird dadurch die Wärmespeicherkapazität der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 deutlich gesteigert, ohne gegen die Sicherheitsauflage zu verstoßen, nach der die Temperatur der Oberfläche des Wärmespeichers 3, die dem Verwender zugänglich ist, im laufenden Betrieb maximal 60°C betragen darf. Vorteilhafterweise wird bei den in Fig. 2a und Fig. 3a gezeigten Wärmespeichern 3 der Großteil der Wärme Q in das Phasenwechselmaterial 5a mit der höheren Wärmespeicherkapazität abgestrahlt (vgl. Fig. 2b und Fig. 3b). Dadurch erfolgt eine besonders effiziente Wärmespeicherung unter Einhaltung der vorgenannten Sicherheitsauflage.
  • Alternativ zu den in Fig. 2a und Fig. 3a gezeigten Wärmespeichern 3 kann die erste Kammer 3a innerhalb der zweiten Kammer 3b so angeordnet sein, dass die erste Kammer auch bodenseitig von der zweiten Kammer abgedeckt ist. Die erste Kammer 3a ist dann vollständig - mit Ausnahme der Seite, die der Brennkammer 2 zugewandt ist -von dem Phasenwechselmaterial 5b der zweiten Kammer 3b umgeben. Dies kann beispielsweise aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, nämlich dann, wenn dem Verwender alle Außenflächen des Wärmespeichers 3 - mit Ausnahme derjenigen, die der Brennkammer 2 zugewandt ist - zugänglich sind.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die erste Kammer 3a zwischen der Brennkammer 2 und der zweiten Kammer 3b angeordnet sein, wobei der Wärmespeicher 3 einen Behälter umfassen kann, innerhalb dessen eine Trennwand eingezogen ist. Dabei kann die Trennwand ein wärmeleitfähiges Material aufweisen oder mit einem solchen Material beschichtet sein und somit die erste und die zweite Kammer 3b wärmeleitend miteinander verbinden. Möglich ist ferner, dass die erste Kammer 3a und die zweite Kammer 3b als separate Behälter ausgestaltet sind. Die wärmeleitende Verbindung der beiden Kammern 3a, 3b kann dann durch die einander zugewandten, wärmeleitfähigen Oberflächen der beiden Kammern 3a, 3b realisiert werden. Um Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten, kann in einem gegebenenfalls zwischen den beiden Kammern 3a, 3b vorhandenen Zwischenraum oder Spalt 6 eine wärmeleitende Schicht angeordnet sein.
  • Problematisch ist, dass einige Phasenwechselmaterialien 5, insbesondere in Wasser gelöste Salze oder Salzhydrate, korrodierend auf den Wärmespeicher 3 oder dessen Teile wirken können, sofern der Wärmespeicher 3 oder Teile davon die üblicherweise verwendeten Werkstoffe, wie z. B. Eisen, enthalten oder aus diesen bestehen. Um dem entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft, wenn der Wärmespeicher 3 aus einem Material gebildet ist, das gegenüber einer Schmelze des Phasenwechselmaterials 5 korrosionsbeständig ist. Alternativ weist der Wärmespeicher 3 eine Beschichtung auf, die gegenüber der Schmelze des Phasenwechselmaterials 5 korrosionsbeständig ist. Besonders bevorzugt ist der Wärmespeicher 3 aus V4A-Stahl und/oder V2A-Stahl gefertigt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn innerhalb des Wärmespeichers 3 ein wärmeleitfähiges Bauteil oder ein wärmeleitfähiges Material zur Einleitung der Wärme Q in das Phasenwechselmaterial 5 vorgesehen ist. Dadurch kann der von der Brennkammer 2 kommende Wärmestrom in das Phasenwechselmaterial 5 hinein und der Wärmestrom aus dem Phasenwechselmaterial 5 heraus - in Richtung des zu heizenden Innenraumes oder eines gegebenenfalls vorgesehenen Wärmeleitsystems - deutlich verbessert werden. Dabei besitzt das Bauteil oder das Material vorteilhafterweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Phasenwechselmaterial 5. Beispielsweise kann das Bauteil ein gut wärmeleitendes Metall aufweisen oder aus einem solchen gefertigt sein. Besonders bevorzugt weist das Bauteil eine große Oberfläche auf, wobei ein hohes Oberfläche/Volumen-Verhältnis zu einer besonders effizienten Leitung des Wärmestroms führt. Beispielsweise kann das Bauteil als Metalldrahtgeflecht, Metallwolle oder als Schüttgut aus einfachen Metallformteilen ausgestaltet sein.
  • Als Speichermedien können sowohl Phasenwechselmaterialien 5 in Reinform als auch Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien 5 eingesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft, weil das im Wärmespeicher 3 enthaltene Phasenwechselmaterial 5 im Unterschied zu den üblicherweise verwendeten Speichermaterialien, z. B. Schamotte oder Speckstein, die Wärme Q nicht nur als sensible Wärme, d. h. durch Temperaturerhöhung, speichert, sondern zunächst eine latente Wärmespeicherung erfolgt. Das heißt, es ändert sich bei dem Phasenwechselmaterial 5 durch die Wärmeaufnahme nicht das Temperaturniveau des Speichermaterials, sondern dessen Aggregatzustand, und zwar von fest zu flüssig. Dabei kann das Phasenwechselmaterial 5 vorteilhafterweise sehr große Wärmemengen aufnehmen, bis es vollständig geschmolzen ist. Besonders günstig ist, dass die Temperatur des Phasenwechselmaterials 5 während der Wärmeaufnahme durch Schmelzen konstant auf dem Niveau der Schmelztemperatur bleibt (latente Wärmespeicherung). Folglich kann durch die Wahl des Phasenwechselmaterials 5 das Temperaturniveau während des Schmelzvorgangs bestimmt werden. Dabei kann beispielsweise der Schmelzpunkt eines relativ hochschmelzenden Phasenwechselmaterials 5 durch Mischen mit einem oder mehreren anderen erniedrigt und so den individuellen Bedürfnissen angepasst werden. Vorteilhaft ist zudem, dass Phasenwechselmaterialien 5 üblicherweise bis zu Temperaturen von ca. 300°C thermisch stabil sind, was für die Reversibilität des Schmelzvorgangs wichtig ist. Darüber hinaus ist bei Verwendung des thermisch sehr stabilen Phasenwechselmaterials 5 eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet.
  • Zudem verläuft die Wärmeaufnahme bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher 3 vorteilhafterweise zumindest solange besonders gleichmäßig, bis das Phasenwechselmaterial 5 geschmolzen ist. Erst nach vollständigem Schmelzen führt die Zufuhr weiterer Wärme Q zu einem Temperaturanstieg des Phasenwechselmaterials 5 (sensible Wärmespeicherung).
  • Gegenüber sensiblen Speichermedien weisen Phasenwechselmaterialien 5 erheblich höhere Wärmespeicherdichten auf. Dies ist besonders günstig, weil sich dadurch ein deutlich geringeres Volumen des Speichermediums und infolgedessen ein erheblich geringerer Platzbedarf ergibt. Zudem besitzen Phasenwechselmaterialien 5 im Vergleich zu Schamotte oder Speckstein geringere Massen. Dies ist mit Blick auf den Transport und die Installation einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besonders vorteilhaft. Insgesamt ergibt sich durch die vergleichsweise geringen Volumina sowie die geringen Massen der Phasenwechselmaterialien 5 eine erhöhte Freiheit bezüglich der Gestaltungsmöglichkeiten der Heizvorrichtung 1. Ferner sind Phasenwechselmaterialien 5 in der Regel relativ schwer flüchtig, sodass ein Ausgasen dieser Verbindungen aus dem Wärmespeicher 3 relativ unwahrscheinlich ist. Dies ist insbesondere aus ökologischer Sicht vorteilhaft. Zudem sind Phasenwechselmaterialien 5 normalerweise relativ kostengünstig zu beschaffen. Die Auswahl an kostengünstigen Phasenwechselmaterialien 5 ist groß, sodass für jede Anwendung eine individuelle Auswahl getroffen werden kann. Außerdem ist es möglich, anwendungsspezifische, d. h. maßgeschneiderte, Mischungen mehrerer Phasenwechselmaterialien 5 herzustellen.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist, dass sich Phasenwechselmaterialien 5 aufgrund ihrer gleichmäßigen Wärmeabgabe dazu eignen, Temperaturschwankungen zu verhindern und Temperaturspitzen auszugleichen.
  • In der in Fig. 1 gezeigten Heizvorrichtung 1 grenzt das Phasenwechselmaterial 5 unmittelbar an eine Außenwand des Wärmespeichers 3 an, mit welcher der Verwender in Kontakt kommen kann. Um die Sicherheitsanforderung einzuhalten, nach der im laufenden Betrieb die Temperatur der Oberfläche des Wärmespeichers 3, welche die dem Verwender zugänglich ist, 60°C nicht überschreiten darf, wird ein Phasenwechselmaterial 5 eingesetzt, das einen Schmelzpunkt zwischen 50°C und 60°C besitzt.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, ein Salzhydrat als Phasenwechselmaterial 5 einzusetzen, weil Salzhydrate stark unterkühlte Schmelzen bilden können. In der unterkühlten Schmelze eines Salzhydrats, welche nach Erlöschen des Kaminfeuers und dem sich daran anschließenden Abkühlen des Phasenwechselmaterials 5 vorliegt, sind erhebliche Wärmemengen gespeichert. Diese Wärme kann durch ein im Wärmespeicher 3 vorgesehenes Mittel zur Beeinflussung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials 5, d. h. durch Auslösen des Kristallisationsvorgangs, freigesetzt werden. Dabei kann der Kristallisationsprozess und die damit einhergehende Wärmeabgabe beispielsweise durch weiteres Abkühlen, z. B. durch Verwendung eines Peltier-Elementes als Mittel, ausgelöst werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein mechanisches Mittel zum Auslösen der Kristallisation einzusetzen. So kann z. B. durch Betätigung einer Blattfeder, eines Keramikstäbchens, einer Feder oder eines Metallplättchens eine Erschütterung hervorgerufen und dadurch die Kristallisation gestartet werden. Alternativ kann die Kristallisation durch einen Keimbildner als Mittel ausgelöst werden. Beispielsweise kann der Keimbildner eine Oberfläche innerhalb des Wärmespeichers 3 sein, die Impfkristalle aufweist. Dabei wirken die Impfkristalle als Kristallisationskeime und lösen die Kristallisation und die damit einhergehende Wärmeabgabe in Form der Kristallisationsenthalpie bzw. -wärme aus. Alternativ kann der Keimbildner durch Freilegen einer Oberfläche geschaffen werden, die den Wachstumsflächen des Phasenwechselmaterials 5 chemisch ähnlich ist. Im Falle von Natriumacetat Trihydrat kann beispielsweise die Oberfläche von LiF oder Na5P2O7 · 10 H2O als Keimbildner wirken, bei CaCl2 · 6 H2O zum Beispiel die Oberfläche von Bal2. Besonders vorteilhaft ist, dass die Wärmeabgabe aus einem als unterkühlte Schmelze vorliegenden Phasenwechselmaterial 5 zu einem vom Verwender frei gewählten Zeitpunkt erfolgen kann. Dazu ist vorteilhafterweise kein Betreiben der Brennkammer 2 der Heizvorrichtung 1 erforderlich, sodass diese durch den Verwender gezielt auslösbare Kristallisation und infolgedessen Wärmeerzeugung besonders effizient ist. Für diesen Zweck sind als Phasenwechselmaterialien 5 besonders Salzhydrate geeignet, weil diese häufig stark unterkühlte Schmelzen bilden und damit die Effizienz besonders hoch ist. Bevorzugt eingesetzt werden Natriumacetat-Trihydrat, Lithiumacetat-Dihydrat, Eisenchlorid-Dihydrat, Eisennitrat-Hexahydrat, Aluminiumnatriumsulfat-Monohydrat und deren Mischungen. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Mischung von 60% Mg(NO3)2 · 6 H2O mit 40% MgCl2 · 6 H2O.

Claims (17)

  1. Heizvorrichtung (1) zum Heizen von Innenräumen, insbesondere eine Einzelraumfeuerstätte, mit einer Brennkammer (2) und mit mindestens einem Wärmespeicher (3),
    - wobei der Wärmespeicher (3) wärmeleitend mit der Brennkammer (2) verbunden ist,
    - wobei der Wärmespeicher (3) ein Phasenwechselmaterial (5) aufweist.
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brennkammer (2) und Wärmespeicher (3) mindestens ein Zwischenraum (6) ausgebildet ist, wobei in dem Zwischenraum (6) zumindest teilweise ein Luftleitsystem für eine Durchströmung mit Luft angeordnet ist.
  2. Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) die Brennkammer (2) zumindest teilweise umgibt.
  3. Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Wärmespeichers (3) ein wärmeleitfähiges Bauteil oder ein wärmeleitfähiges Material zur Einleitung von Wärme (Q) in das Phasenwechselmaterial (5) vorgesehen ist.
  4. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) zumindest eine erste Kammer (3a) und eine zweite Kammer (3b) aufweist, die wärmeleitend miteinander verbunden sind,
    - wobei eine erste Oberfläche der ersten Kammer (3a) an eine Außenseite der Brennkammer (2) angrenzt, und
    - wobei die zweite Kammer (3b) eine Wärmeabgabefläche aufweist, die von der ersten Kammer (3a) abgewandt ist.
  5. Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (3a) und die zweite Kammer (3b) wenigstens ein unterschiedliches Phasenwechselmaterial (5) aufweisen, wobei das Phasenwechselmaterial (5b) in der zweiten Kammer (3b) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Phasenwechselmaterial (5a) in der ersten Kammer (3a).
  6. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) oder zumindest eine der Kammern (3a, 3b) des Wärmespeichers (3) aus der Heizvorrichtung (1) entnehmbar ist und separat zur Wärmeabgabe verwendbar ist.
  7. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmspeicher (3) ein Mittel zur Beeinflussung eines Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials (5) zur Aktivierung einer Wärmeabgabe aufweist.
  8. Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als elektrothermisches Mittel, als mechanisches Mittel oder als eine Oberfläche, die Impfkristalle aufweist, ausgebildet ist.
  9. Heizvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass sie eine insbesondere drahtlose Kommunikationsschnittstelle aufweist, über die das Mittel aktivierbar ist.
  10. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Aggregatszustandes des Phasenwechselmaterials insbesondere in einem Teilbereich des Wärmespeichers aufweist.
  11. Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung einen Sensor aufweist, der insbesondere als Temperatursensor, Resonanzsensor, elektrischer Leitfähigkeitssensor oder optischer Dichtesensor ausgebildet ist.
  12. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein insbesondere elektrisches Zusatzheizelement aufweist, das dem Wärmespeicher (3) zugeordnet ist.
  13. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Luftzufuhrsteuereinrichtung aufweist, mit der die Zufuhr von Brennluft in die Brennkammer (2) insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder dem Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials (5) steuerbar ist.
  14. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Anzeigemittel aufweist, mit dem ein Fortschritt einer Umwandlung des Phasenwechselmaterials aus einem Aggregatzustand in einen anderen Aggregatzustand anzeigbar ist.
  15. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum (6) zumindest teilweise eine wärmeleitende Schicht angeordnet ist.
  16. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitsystem als regelbares Luftleitsystem für eine regelbare Durchströmung mit Luft ausgebildet ist.
  17. Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) ein Überdruckventil (8) aufweist, um im Falle eines Überdrucks ein Bersten des Wärmespeichers (3) zu verhindern, wobei eine Ableitungsvorrichtung (9) das Überdruckventil (8) mit einem Abgasrohr (7) der Heizvorrichtung (1) strömungsleitend verbindet.
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