DE19744478C1

DE19744478C1 - Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit

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Publication number: DE19744478C1
Application number: DE1997144478
Authority: DE
Original assignee: GIWATEC GES ZUR ENTWICKLUNG IN
Current assignee: GIWATEC GES ZUR ENTWICKLUNG IN
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2017-10-10
Also published as: EP0908685A3; EP0908685A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum direkten Erwärmen einer Flüssigkeit mittels Verbrennungsgasen in einem drucklosen Behälter mit Flüssigkeits- Temperaturschichtung.

Eine Vorrichtung zur direkten Erwärmung mittels Verbrennungsgasen ist bereits aus der US 2 233 675 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung dient der Erwärmung von Flüssigkeiten unterschiedlichster Art, auch mit dem Ziel für deren Verdampfung. Das Besondere der Vorrichtung liegt darin, daß die Verbrennungsgase eines Gasbrenners in eine in die Flüssigkeit untergetauchte Tauchglocke geführt werden, die an ihrem Außenumfang mit einem Lochblech versehen ist, durch das die Verbrennungsgase hindurchgeführt und unmittelbar in der Flüssigkeit verteilt werden. Es wird bereits in dieser alten amerikanischen Patentschrift darauf hingewiesen, daß auf dem Wege dieser direkten Beheizung praktisch der gesamte Brennwert des Brennstoffes auf die Flüssigkeit übertragen werden kann. Der Gasbrenner ist bei dem Gegenstand der amerikanischen Patentschrift innerhalb der Tauchglocke angeordnet. Die Tauchglocke mit ihrem für die Verteilung der Verbrennungsgase vorgesehenen Lochblech ist beim Gegenstand der US-Patentschrift freistehend in dem zu erwärmenden Flüssigkeitsvolumen, und zwar am Boden des Flüssigkeitsbehälters angeordnet. Das Lochblech ist an seinem Außenumfang mit einer ringförmigen Schürze versehen, die die Verbrennungsgase dazu zwingt, nach oben durch das Lochblech auszutreten und nicht an dessen Außenkante vorbeizuströmen. Da die Tauchglocke mit dem Lochblech und dessen Umfangsschürze auf dem Behälterboden steht, ist die Schürze an ihrer Unterkante mit wellenförmigen Ausnehmungen für eine Flüssigkeitskommunikation und einen Flüssigkeitsdruckausgleich zwischen den Räumen innerhalb und außerhalb der Tauchglocke versehen. Eine Flüssigkeits-Temperaturschichtung ist nicht vorgesehen und mit dieser bekannten Vorrichtung auch nicht erreichbar.

Aus der JP 55-89 644 A ist eine andere Vorrichtung zur direkten Erwärmung einer Flüssigkeit mittels Verbrennungsgasen bekannt. Dabei werden die mit Luft vermischten Verbrennungsgase mittels Gebläse über ein in die Flüssigkeit eintauchendes Venturirohr eingebracht. Von den einströmenden Verbrennungsgasen wird das gesamte Flüssigkeitsvolumen erfüllt, so daß auch bei dieser Vorrichtung eine Flüssigkeits-Temperaturschichtung weder beabsichtigt noch erreichbar ist.

Bei der Vorrichtung gemäß DE 195 09 461 C1 ist eine Übertragung der Wärmeenergie außer über eine direkte Erwärmung einer Flüssigkeit mittels darin dispergierter Verbrennungsgase noch über Wärmetauscher vorgesehen, bei denen das zu erwärmende Medium durch eine Wand von den Verbrennungsgasen getrennt bleibt. Die direkt erwärmte Flüssigkeitsmenge dient einmal zur Reinigung der Verbrennungsgase und zum anderen zur Wärmeübertragung an die Wärmetauscher. Eine Abfuhr dieser Flüssigkeit zum Transport von Wärmeenergie zu Verbrauchsstellen ist ebensowenig vorgesehen, wie eine Flüssigkeits- Temperaturschichtung.

Auf der anderen Seite ist es bereits bekannt, in einem mittels Sonnenkollektoren beheizten Warmwasserspeicher eine Flüssigkeits-Temperaturschichtung aufrechtzuerhalten und eine Vermischung der Flüssigkeitsschichten weitgehend zu unterdrücken (vgl. DE 27 22 888 A1). Damit soll erreicht werden, daß schon möglichst bald nach der Einspeisung von Sonnenkollektorwärme ausreichend erhitztes Brauchwasser zur Verfügung steht, ohne daß auf eine zusätzliche Energiequelle zurückgegriffen werden muß. Die bei unterschiedlichen Temperaturen anfallende Sonnenenergie soll optimal genutzt werden und im Warmwasserspeicher jeweils in der Höhe an die Flüssigkeit übertragen werden, deren Temperatur nur wenig niedriger liegt als die Temperatur der verfügbaren Solarenergie. Eine Anzapfung des Warmwasserspeichers in unterschiedlichen Temperaturschichten für unterschiedliche Nutzungszwecke ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der die Vorteile einer direkten Erwärmung einer Flüssigkeit mit den Vorteilen der Flüssigkeits-Temperaturschichtung genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit mit

- einem die Flüssigkeit enthaltenden drucklosen Behälter, der mehrere Flüssigkeitsanschlüsse in verschiedenen Höhen der Behälterwand aufweist,
- einer im obersten Bereich des Behälters angeordneten Tauchglocke,
- einer Brennkammer, die durch einen unten verschlossenen Hohlkörper gebildet wird,
- einem Brenner, der an der Tauchglocke befestigt ist,
- einem Lochblech, das neben dem unteren Ende der Tauchglocke angeordnet ist und
- einem Ringkanal, der durch den Raum zwischen der Tauchglocke und der Seitenwand des Hohlkörpers gebildet wird und durch den das Verbrennungsgas in die Flüssigkeit und dann unter das Lochblech geführt wird.

Während beim Gegenstand der US 2 233 675 die gesamte Flüssigkeit offenbar möglichst gleichmäßig erhitzt werden soll, läßt sich eine Temperaturschichtung einer Wärmeträgerflüssigkeit, wie sie für verschiedene Heiz- und Wassererwärmungsvorgänge bei hoher Ausnutzung unterschiedlicher Energien erwünscht ist, erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß man das in der US 2 233 675 gezeigte Erwärmungssystem nicht an den Boden eines Behälters setzt, sondern relativ hoch im Flüssigkeitsvolumen anordnet. Hierdurch erhält man eine moderne, preisgünstige, hochwirtschaftliche Warmwasser- und Heizungsanlage, die neben einem üblichen Wärmeträgerspeicher, auf den unterschiedliche Energiequellen arbeiten, keinen getrennten Ölkessel oder Gaskessel erfordert, weil auf die erfindungsgemäße Art und Weise der Brenner, ob dies nun ein Gasbrenner oder ein Ölbrenner ist, in die Wärmespeichereinheit integriert werden kann. Es ist dabei ohne weiteres möglich, auf die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Solarwärmeanlage oder auch eine weitere Wärmequelle arbeiten zu lassen, die Wärmeenergie nur in zeitlichen Abständen und unterschiedlicher Intensität zur Verfügung stellt.

Um die Restwärme aus den Abgasen, welche nach der Wäsche in der Wärmeträgerflüssigkeit noch von den Verbrennungsgasen übrig bleiben, möglichst weitgehend auszunutzen, ist es zweckmäßig, die Vorrichtung mit einem zusätzlichen Abgaswärmetauscher zu versehen, der mit Flüssigkeit verhältnismäßig niedriger Temperatur aus den untersten Schichten des Speichervolumens versorgt wird. Die so aufgewärmte Flüssigkeit wird dann an geeigneter Stelle in die Temperaturschichtung des Speichers zurückgeführt. Auf diese Weise wird die restliche Abgaswärme in der Vorrichtung selbst optimal ausgenutzt.

Es ist prinzipiell möglich, für die Nutzung der in der Wärmeträgerflüssigkeit gespeicherten Wärmeenergie für externe Anwendungszwecke Wärmetauscher innerhalb der Vorrichtung vorzusehen. Es ist in vielen Fällen jedoch vorteilhafter, externe Wärmetauscher zu verwenden, weil sich extern Wärmetauscher mit speziellen Strömungsverhältnissen und sehr hohem Wärmeübergang einsetzen lassen. So ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung sinnvoll, Warmwasser für das Badezimmer beispielsweise in einem hochsensiblen Plattenwärmetauscher zu erzeugen, der extern mit Wärmeträgerflüssigkeit aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung über eine leistungsgeregelte Ladepumpe versorgt wird. Da Warmwasser im allgemeinen die höchste Wärmestufe im Haushaltsverbrauch verlangt, wird die Wärmeträgerflüssigkeit für einen solchen Wärmetauscher zweckmäßigerweise aus dem obersten Schichtungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgezogen und der Rücklauf im untersten Bereich der Vorrichtung wieder zugeführt.

Ist an die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Solarwärmeanlage angeschlossen, sollte diese so ausgelegt sein, daß sie bei Wassertemperaturen unter etwa 60°C abschaltet, unter welcher Voraussetzung die in dem Solarwärmetauscher aufgeheizte Wärmeträgerflüssigkeit dann unmittelbar dem obersten Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt werden kann.

Für die externen Wärmetauscher sind Anschlüsse in der Behälterwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung in entsprechender Höhe vorzusehen. Für die Rückführung gekühlter Wärmeträgerflüssigkeit kann es zweckmäßig sein, innerhalb des Behälters der Vorrichtung einen sog. Schichtenlader vorzusehen. Durch eine solche Einrichtung wird rückgeführte Wärmeträgerflüssigkeit unterschiedlicher Temperatur automatisch der richtigen Temperaturschicht im Behälter zugeführt, so daß durch die Rückleitung Strömungswirbel weitgehend vermieden werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zusätzlich zweckmäßigerweise im Inneren des Behälters auch noch mit geeigneten Leitblechen versehen, die dem Ziel dienen, unnötige, die Temperaturschichtung störende Strömungen innerhalb des Behälters zu vermeiden.

Die Tauchglocke, der die Verbrennungsgase zugeführt werden, taucht im Rahmen der Erfindung vorzugsweise von oben nur bis maximal zu einem Drittel der Flüssigkeitshöhe in die Flüssigkeit ein. Je nach Größe des Flüssigkeitsspeichervolumens kann die Eintauchtiefe der Tauchglocke, bezogen auf die Flüssigkeitshöhe, auch noch viel weniger betragen, beispielsweise unter einem Viertel der Flüssigkeitssäule liegen.

Die Brennkammer befindet sich innerhalb der Tauchglocke, wobei sich der Brenner zweckmäßigerweise durch die Oberwand der Tauchglocke hindurch in die Brennkammer hinein erstreckt. Bei einfachster Ausführung bildet die Tauchglocke selbst die Brennkammer. In diesem Fall treten die Verbrennungsgase über den unteren Rand der Tauchglocke in die Flüssigkeit aus. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß bei abgeschaltetem Brenner und abgeschalteter Verbrennungsluft die Flüssigkeit die Tauchglocke von unten füllt und durch das Verbrennungsluftgebläse erst wieder ein Gasraum erzeugt werden muß, bevor der Brenner erneut eingeschaltet werden kann. Außerdem kann es bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Fall sein, daß die geringe Eintauchtiefe der Tauchglocke in die Flüssigkeit nicht ausreicht, um unter ihr die gesamte Brennkammer anzuordnen. Es kann daher eine abweichende Ausbildung mit spezieller Führung für die Verbrennungsgase erforderlich sein.

Eine solche zweckmäßige Ausführung besteht beispielsweise darin, daß die Brennkammer durch einen Hohlkörper gebildet wird, der unten durch einen Boden verschlossen und nach oben offen ist, und von unten her in die Tauchglocke hineinragt, wobei er selbst jedoch über die Unterkante der Tauchglocke hinaus in die Flüssigkeit hineintauchen kann, um so mehr Volumen für die Brennkammer und den Brenner zur Verfügung zu stellen.

Für die Führung der Verbrennungsgase ist bei einer solchen Ausführung zweckmäßigerweise noch ein Verbrennungsgasführungsrohr vorgesehen, welches von der Oberwand der Tauchglocke in die Brennkammer hineinragt, jedoch nicht bis auf deren Boden. Die Verbrennungsgase strömen dann aus dem unteren Bereich der Brennkammer unter der Unterkante des Verbrennungsgasführungsrohres hindurch in einen Spaltraum zwischen diesem Führungsrohr und der Außenwand des Hohlkörpers der Verbrennungskammer und strömen in diesem Zwischenraum nach oben, um dann über die Oberkante des Hohlkörpers hinweg in den Zwischenraum zwischen der Außenwand des Hohlkörpers und der Tauchglocke zu gelangen, um in diesem Zwischenraum wieder abwärts zu strömen. Der Austrittsquerschnitt der Tauchglocke ist derjenige dieses ringartigen Zwischenraumes zwischen der Außenwand des Hohlkörpers der Brennkammer und der Tauchglocke. Von der Unterkante der Tauchglocke aus gelangen die Verbrennungsgase dann unter die die Tauchglocke umgebende Lochplatte und strömen durch diese in das oberhalb der Lochplatte befindliche Flüssigkeitsvolumen.

Wie auch bereits beim Gegenstand der US 2 233 675 endet der Außenumfang der Lochplatte frei in der Flüssigkeit. Die Lochplatte ist jedoch an ihrem Außenumfang mit einem nach unten ragenden Kragen versehen, welcher verhindert, daß die Verbrennungsgase an der Umfangskante der Lochplatte vorbei nach oben in die Flüssigkeit austreten.

Das Flüssigkeitsvolumen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise zwischen 600 und 1200 Litern liegen.

In der beigefügten Zeichnung ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erwärmen einer Wärmeträgerflüssigkeit dargestellt. Die vereinfachte Schnittzeichnung zeigt einen Behälter 2 mit drei Flüssigkeitsschichten 4, die unterschiedliche Temperaturen gemäß der unterhalb des Behälters 2 angelegten Schraffurfelder aufweisen. Im oberen Bereich des Behälters 2 ist eine Tauchglocke 6 angeordnet, an der ein Brenner 10 befestigt ist. Der Brenner 10 ist von einem unten verschlossenen Hohlkörper 20 umgeben, der eine Brennkammer 8 bildet. Neben dem unteren Ende der Tauchglocke 6 ist ein Lochblech 14 vorgesehen. Zwischen der Tauchglocke 6 und der Seitenwand des Hohlkörpers 20 ist ein Ringkanal mit einem Austrittsquerschnitt 12 ausgebildet, durch den das Verbrennungsgas in die Flüssigkeit 4 unterhalb des Lochbleches 14 geführt wird. Innerhalb des Hohlkörpers 20 ist ein Führungsrohr 22 für das Verbrennungsgas angeordnet, so daß das Verbrennungsgas vom Brenner 10 zunächst nach unten und dann zwischen Führungsrohr 22 und Hohlkörper 20 nach oben und schließlich zwischen Hohlkörper 20 und Tauchglocke 6 nach unten strömen kann.

Der Behälter 2 ist mit Anschlüssen 16 für die Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit 4 ausgestattet. Um Flüssigkeitsströme unterschiedlicher Rücklauftemperatur in unterschiedliche Temperaturbereiche einführen zu können, ist außerdem ein sogenannter Schichtlader 18 vorgesehen. Außerhalb des Behälters 2 ist noch ein Abgaswärmetauscher 24 angeordnet, der zweckmäßigerweise mit Flüssigkeit 4 aus dem niedrigsten Temperaturbereich beaufschlagt wird, um die Abgaswärme möglichst vollständig ausnutzen zu können.

Bezugszeichenliste

2

Behälter

4

Flüssigkeit

6

Tauchglocke

8

Brennkammer

10

Brenner

12

Austrittsquerschnitt

14

Verteilungsmittel/Lochblech

16

Anschlüsse

18

Schichtenlader

20

Hohlkörper

22

Verbrennungsgasführungsrohr

24

Abgaswärmetauscher

Claims

1. Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit mit

1. einem die Flüssigkeit enthaltenden drucklosen Behälter (2), der mehrere Flüssigkeitsanschlüsse (16) in verschiedenen Höhen der Behälterwand aufweist,
2. einer im obersten Bereich des Behälters (2) angeordneten Tauchglocke (6),
3. einer Brennkammer (8), die durch einen unten verschlossenen Hohlkörper (20) gebildet wird,
4. einem Brenner (10), der an der Tauchglocke (6) befestigt ist,
5. einem Lochblech (14), das neben dem unteren Ende der Tauchglocke (6) angeordnet ist und
6. einem Ringkanal, der durch den Raum zwischen der Tauchglocke (6) und der Seitenwand des Hohlkörpers (20) gebildet wird und durch den das Verbrennungsgas in die Flüssigkeit und dann unter das Lochblech (14) geführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (16) in der Behälterwand für die Entnahme und Rückführung von Flüssigkeit aus dem Behälter (2) zur Beaufschlagung eines oder mehrerer externer Wärmetauscher ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Rückführanschlüsse (16) innerhalb des Behälters (2) mit einem Schichtenlader (18) zur Rückführung von Flüssigkeit in temperaturgleiche Flüssigkeitsschichten versehen ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchglocke (6) zu weniger als einem Drittel der Flüssigkeitssäule von oben in die Flüssigkeit (4) eintaucht.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) und der Brenner (10) innerhalb der Tauchglocke (6) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) durch einen unten durch einen Boden verschlossenen und oben offenen Hohlkörper (20) begrenzt ist, der von unten in die Tauchglocke (6) hineinragt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (20) über den Austrittsquerschnitt der Tauchglocke (6) hinaus nach unten in die Flüssigkeit (4) hineinragt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt (12) der Tauchglocke (6) ringraumartig durch diese selbst und die Wand des Hohlkörpers (20) gebildet ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbrennungsgasführungsrohr (22) vorgesehen ist, welches von der Oberwand der Tauchglocke (6) in den Hohlkörper (20) bis kurz über dessen Boden hineinragt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg für die Verbrennungsgase aus dem unteren Bereich der Brennkammer (8) von unten in den Spaltraum zwischen dem Verbrennungsgasführungsrohr (22) und der Wand des Hohlkörpers (20) und über die Oberkante der Wand des Hohlkörpers in den Ringraum zwischen der Wand des Hohlkörpers und der Tauchglocke (6) zu deren Austrittsquerschnitt führt.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verteilen der Verbrennungsgase (14) aus einer die Tauchglocke (6) umgebenden Platte mit verteilten Gasdurchtrittsöffnungen besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang der Platte frei in der Flüssigkeit (4) endet und daß die Platte an ihrem Außenumfang mit einer nach unten gerichteten Umfangsschürze versehen ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (10) durch die Tauchglocke (6) von oben in die Brennkammer (8) geführt ist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgaswärmetauscher (24) für die aus der Flüssigkeit austretenden Restverbrennungsgase (Abgase) vorgesehen ist zum Ausnutzen von restlicher Abgaswärme für das Erwärmen von Flüssigkeit aus dem untersten Bereich der Flüssigkeitsschichtung im Behälter.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß sie temperaturschichtgerecht mit einem Flüssigkeitsentnahmeanschluß im unteren Behälterbereich und einem Flüssigkeitsrückführanschluß im oberen Behälterbereich für den Anschluß an und zur Übernahme von Wärmeenergie aus dem Wärmetauscher einer Solarwärmeanlage versehen ist.