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Heissgas-Flüssigkeits-Heizsystem
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Heissgas-Flüssigkeits-Heizsystem,
welches eine Heissgasquelle, insbesondere eine Verbrennungseinrichtung, und eine
Einrichtung zur Wärmeübertragung auf eine Wärmeträgerflüssigkeit umfasst. Derartige
Systeme sind bekannt, z.B. in Form der üblichen Warmwasserheizungen mit Feuerung
und Kessel bzw. Wärmetauscher für die Uebertragung der Verbrennungswärme auf den
Wasserkreislauf.
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Ueblich Feuerunqen für Heizungssysteme, insbesondere die üblichen
Oelfeuerungen, mit nachgeordnetem Wärmetauscher für die Uebertragung der Verbrernungswärme
auf den Wärmeträger, z.B. also auf das Heizwasser, sind mit gewissen grundsätzlichen
Problemen hinsichtlich der Wärmeausnutzung behaftet. Im Anschluss an die eigentliche
Verbrennungszone haben die durch die Verbrennung erzeugten Heissgase beispielsweise
eine Temperatur im Bereich von 10000C oder darüber und sol3en beim Durchlaufen des
Wärmetauschers im Interesse eines hohen Wirkungsgrades auf möglichst niedrige Austrittstemperaturen
gekühlt werden. Die Abkühlung der eissgase, im Falle einer Heizung durch Verbrennung
also der Rauchgase, kann bekanntermassen bis unter den Taupunkt geführt werden.
Damit lassen sich - bezogen auf die Brennerlaufzeit, d.h. die Zeitdauer des eigentlichen
Verbrennungsvorganges - sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. Abgesehen von dem damit
üblicherweise verbundenen apparativen Aufwand für den in diesem Fall vergleichsweise
gross zu dimensionierenden
Wärmetauscher ist für die Güte dor Heizungsanlage
und die erzielte Brennstoffausnutzung letztlich nicht der vorgenannte Wirkungsgrad
des eigentlichen Verbrennungs- und Wärmetauschvorganges massgebend, sondern der
Kesselwirkungsgrad, d.h. der zeitliche Mittelwert des Wirkungsgrades über längere
Zeiträume mit wechselnden Betriebszuständen, also einschliesslich der Brennerstillstandszeiten.
Infolge der Wärmeverluste während dieser Stillstandszeiten liegt der Langzeitwirkungsgrad
eines solchen Heizsystems beträchtlich niedriger, beispielsweise in der Grössenordnung
von 20 t.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Heizsystems, welches
die Uebertragung der von einer Heissgasquelle, insbesondere einem Oel- oder Gasbrenner,
gelieferten Wärme auf eine Wärmeträgerflüssigkeit, beispielsweise ein Warmwasser-Umlaufsystem,
mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand und mit hohem Langzeitwirkungsgrad
ermöglicht. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem
Heizsystem der eingangserwähnten Art dadurch, dass die Wärmeübertragungseinrichtung
mindestens einen Wärmeübergangs- bzw. Verdampfungsbereich mit unmittelbarer Berührung
zwischen dem Heissgas und einer Wärmeträgerflüssigkeit sowie mindestens einen Kondensationsbereich
mit wenigstens einer Wärmeträgerzuführung für die Abführung der Kondensationswärme
aufweist.
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Bei einem Heizsystem mit diesen Merkmalen erfolgt die Wärmeübertragung
vom Heissgas auf die Wärmeträgerflüssigkeit ganz oder teilweise durch unmittelbaren
Kontakt, d.h. ohne Trennung von Gas und
Flüssigkeit durch wärmeleitende
Wände, sowie in feiner Verteilung mit entsprechend grosser Kontaktoberfläche. Es
wird also nicht nur der Aufwand für ausgedehnte Rohr- oder sonstige Kammersysteme,
gegebenenfalls mit zusätzlichen Bauelementen für die Oberflächenvergrösserung, sondern
darüberhinaus die Entstehung eines Temperaturgefälles über die Wärmetauscherwandung
und die vergleichsweise grossen Flüssigkeitsquerschnitte vermieden. Dies ermöglicht
eine äusserst rasche Aufheizung und Verdampfung der Wärmeträgerflüssigkeit mit ebenso
rascher und intensiver Abkühlung der Heiss- bzw.
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Rauchgase. Es entsteht also zunächst ein Gemisch von mehr oder weniger
stark abgekühlten Heissgasen und Dampf der Wärmeträgerflüssigkeit. Der Wärmeinhalt
der Heiss- bzw. Rauchgase ist also in diesem Stadium bereits zum grossen Teil auf
die verdampfte Wärmeträgerflüssigkeit auf einem niedrigeren Temperaturniveau übergegangen.
Durch Kondensation der Dampfkomponente wird der Wärmeinhalt nun auf abermals niedrigerem
Temperaturniveau auf eine Wärmeträgerflüssigkeit übertragen. Hierfür kommt grundsätzlich
die Einführung von Wärmeträgerflüssigkeit im Ueberschuss bezüglich der Verdampfung
oder die Anordnung eines nachgeschalteten Wärmetauschers an sich üblicher Art in
Betracht. Die erstgenannte Methode hat wiederum den Vorteil des direkten Kontaktes
zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit und dem abzukühlenden bzw. zu kondensierenden
Heissgas- bzw. Dampfstrom. Dabei ist wiederum die grosse, unmittelbare Kontaktfläche
infolge der feinen Verteilung der Wärmeträgerflüssigkeit von Vorteil. Das sich bildende
Kondensat der zuvor verdampften Wärmeträgerflüssigkeit und die im Ueberschuss zugeführte,
aufgeheizte Wärmeträgerflüssigkeit beinhalten dann die Nutzwärme. Das Gemisch von
nach Verdampfung kondensierter und
nichtverdampfter, aufgeheizter
Wärmeträgerflüssigkeit - im folgenden zusammenfassend kurz "Kondensat" genannt -
wandert unter der Schwerkraft der Flüssigkeitskomponente durch den Verdampfungsbereich
und gelangt in einen Auffangbehälter, von dem beispielsweise der Vorlauf eines angeschlossenen
Umlauf-Heizsystem ausgeht. Durch Gegenstromführung der frisch zugeführten Wärmeträgerflüssigkeit
und des Kondensats bezüglich des Heiss- und Dampfstromes kann eine vergleichsweise
niedrige Endtemperatur und damit ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
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Im anderen Fall erfolgt die Kondensation der Dampfkomponente und die
weitere Abkühlung der Heissgaskomponente in einem Wärmetauscher mit Aufheizung eines
diesen Wärmetauscher beaufschlagenden Wärmeträgers. Für letzteren kommt die bereits
vorhandene Wärmeträgerflüssigkeit oder auch eine geeignete andere Flüssigkeit, gegebenenfalls
auch Luft oder ein anderes Gas in Betracht.
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Gegebenenfalls können die beiden vorgenannten Methoden der Kondensation
und weiteren Abkühlung des Heissgas- und Dampfstromes in Kombination angewendet
werden. Es wird dann also mit Einspritzung einer Wärmeträgerflüssigkeit im Ueberschuss
in den Verdampfungsbereich und/oder in einen dem Verdampfungsbereich nachgeordneten
Kondensationsbereich sowie zusätzlich mit einem nachgeordneten Wärmetauscher gearbeitet.
Beide Methoden und ihre Kombination lassen sich ausserdem bei grösseren Anlagen
mit Vorteil kaskadenartig mit mehreren, nacheinander angeordneten Kondensations-
bzw.
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Wärmetauscherbereichen ausführen. Es empfiehlt sich dabei insbesondere
eine
Ausführung der Kondensations- bzw. Wärmetauschbereiche in der Weise, dass die Wärmeträger-Zuführtemperaturen
in Gegenstromrichtung zum Heissgas- und Dampf strom zunehmen.
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Wesentlich für die Erfindung ist also in jedem Fall die unmittelbare
Einführung, insbesondere fein verteilter Einspritzung, einer Wärmeträgerflüssigkeit
in das Heissgas mit Abführung der hierdurch aufgeheizten Wärmeträgerflüssigkeit
für Heizzwecke. Die hierbei im allgemeinen auftretende, weitgehende Verdampfung
der Wärmeträgerflüssigkeit bedingt eine nachfolgende Kondensation durch Aufheizung
eines weiteren Wärmeträgers, wobei sich ein Kondensat als aufgeheizte Wärmträgerflüssigkeit
bildet. Letztere enthält gegebenenfalls auch den aufgeheizten Anteil der im Ueberschuss
zugeführten, für die Kondensation benötigten Wärmeträgerflüssigkeit. Das erhaltene
Kondensat kann gegebenenfalls unmittelbar zur Weiterverwendung gebracht und in das
Wärmetauschersystem einer Heizungsanlage eingeführt werden. Nach einer besonderen
Weiterbildung der Erfindung wird jedoch ein Wärmetauscher zwischen das Kondensat
und den Wärmeträger der Heizungsanlage eingeschaltet, so dass unerwünschte Komponenten
des Kondensats nicht in die Wärmetauscher der Heizungsanlage gelangen können.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Heizsystems besteht
darin, dass in der Wärmeübertragungsvorrichtung, die mit unmittelbarer Einführung
und Verdampfung einer Wärmeträgerflüssigkeit im Heissgasstrom arbeitet, jeweils
nur sehr geringe, auf hoher Tempeartur befindlichz Flüssigkeits- bzw. Dampfmengen
vorhanden sind,
während der Kondensatsammeiraum zwar eine grössere
Flüssigkeitsmenge enthält, jedoch auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau.
Ausserdem ist die letztgenannte Flüssigkeitsmenge nicht mit dem Kessel- bzw. Wärmetauscherinhalt
üblicher Flüssigkeits-Heizanlagen zu vergleichen, sondern mit deren Vorlauf-Flüssigkeitsreservoir,
welches im allgemeinen ohnehin erforderlich ist. Insgesamt ergibt sich infolge dieser
Gesichtspunkte ein wesentlich verminderter Hochtemperatur-Wärmeinhalt, der beim
Abschalten des Brenners seinen Wärmeinhalt an die Umgebung der Feuerung als Verlust
abgibt. Der Langzeitwirkungsgrad wird also nur in geringem Mass durch Verluste während
der Abschaltintervalle bestimmt bzw.
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beeinträchtigt und damit insgesamt verbessert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den
Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Hierin zeigen Fig. 1 und Fig. 2 je ein Aufbau- und Funktionsschema
einer Variante eines erfindungsgemässen Heizsystems.
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Beide Ausführungsformen umfassen einen Oel- oder Gasbrenner 1 als
Heissgasquelle, einen hiervon ausgehenden Kanal mit einem Heissgas-bzw. Rauchgasstrom
2 und einer nachgeordneten Wärmeübertragungseinrichtung 3 (siehe Fig. 4) bzw. 23
(siehe Fig. 2) sowie einen Kondensat- bzw. Wärmeträgersammler 8 mit nachgeordneter
Heizungsanlage 100 für die Uebertragung der Nutzwärme zum Endverbraucher.
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Den Wärmeübertragungseinrichtungen gemeinsam ist die Zuführung einer
Wärmeträgerflüssigkeit 5, die in einem Wärmeübergangs- bzw, Versampfungsbereich
4 ( siehe Fig. 1) bzw. 24 (siehe Fig. 2) in fein
verteilter Form
unmittelbar in Berührung mit dem Heissgasstrom 2 tritt. Die feine Verteilung der
Wärmeträgerflüssigkeit erfolgt zweckmässig durch Einsprühen mittels an sich üblicher
Pumpen und Einspritzdüsen 4a bzw. 24a. Beiden Ausführungen gemeinsam ist ferner
die Anordnung zweier hintereinandergeschalteter Kondensationsbereiche 6 und 6a bzw.
26 und 26a im Anschluss an den Wärmeübergangs- und Verdampfungsbereich 4 bzw. 24.
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Den beiden Ausführungen nach Fig. 1 und gemeinsam sind ferner folgende
Funktionsmerkmale: Die in den Verdampfungsbereich 4 bzw. 24 eingesprühte Wärmeträgerflüssigkeit
5, beispielsweise Wasser, gelangt in Form eines aufsteigenden Dampfstromes 5a, der
mit dem durch die Verdampfung bereits abgekühlten Heissgasstrom 2 vermischt ist,
in nachgeordnete Kondensationsbereiche 6, 6a bzw. 26, 26a. Das hier gebildete Kondensat,
welches selbstverständlich auch die kondensierten Bestandteile aus dem Heissgas
bzw. Rauchgas enthält, gelangt in Form eines Kondensatrücklaufes 5b in den Kondensat-
bzw. Wärmeträgersammler 8.
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Die hierin befindliche, die verschiedenen Rücklaufkomponenten -einschliesslich
diejenige einer zusätzlich eingesprühten Abkühlungs-und Kondensations-Wärmeträgerflüssigkeit
7, bzw. 27 - enthaltende Flüssigkeit 9, die also ein Gemisch aus kondensierten Komponenten
und unmittelbar zurücklaufender Wärmeträgerflüssigkeit darstellt und zusammenfassend
als "Kondensat" bezeichnet wird, gelangt über geeignete Entnahmevorrichtungen, nämlich
eine Reinigungsstation 11 und Pumpe 9, zur nachgeordneten Heizungsanlage 100. Die
Reinigungsstation 11 bewirkt zusammen mit der Absetzwirkung innerhalb des
Sammlers
8 die Fernhaltung korrosiver und aggressiver Komponenten von der Heizungsanlage.
Die sich im Sammler 8 absetzenden Verunreinigungen in Form von Schlamm können über
einen Bodenablass 8a abgezogen werden. Die Reinigungsstation 11 kann insbesondere
mit Filtereinrichtungen und Dichte-Abscheidevorrichtungen, die Schadstoffe von im
Vergleich zur neutralen Grundflüssigkeit höherer Dichte durch Schwerkraftwirkung
abtrennen, und gegebenenfalls auch mit Reaktionssystemen für den chemischen Abbau
von Schadstoffen versehen werden.
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Im einzelnen gilt für die Ausführung nach Fig. 1 folgendes: Auf dem
Verdampfungsbereich 4 mit Düsenanordnung 15 für das Einsprühen der siarmeträgerflüssigkeit
5 folgt die Wärmeübertragungseinrichtung 3 mit nacheinander angeordneten Kondensationsbereichen
6 und 6a. Ersterer wird durch oberflächenvergrössernde Einbauten 13, beispielsweise
in Gitter- oder Netzform oder in Form einer Schüttfüllung aus Körpern mit vergleichsweise
grosser Oberfläche wie Raschigringe oder dergleichen, in Verbindung mit einer Düsenanordnung
17 für die Einführung zusätzlicher Abkühlungs- und Kondensatons-Wärmeträgerflüssigkeit
7 gebildet. Diese Flüssigkeit wird im Heissgas- und Dampfstrom 2, 5a fein verteilt
und führt zur weitgehen den Kondensation der Dampfkomponente. Dadurch ergibt sich
der bereits erwähnte Rücklauf mit den Flüssigkeitskomponenten 5b und 7.
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Die Kondensation wird insbesondere durch die intensive gegenseitige
Durchmischung der Flüssigkeit 7 und des aufsteigenden Dampfes 5a im Bereich der
Einbauten 13 begünstiyt. Die restliche Dampfkomponente
5a gelangt
anschliessend in einen weiteren Kondensationsbereich 6a, der durch einen an sich
üblichen Wärmetauscher 14 mit Zuführung eines weiteren Wärmeträgers 7a, beispielsweise
der gleichen Wärmeträgerflüssigkeit wie im Verdampfungsbereich und im ersten Kondensationsbereich
gebildet ist. Restliche Dampfkomponenten werden hier kondensiert, und das verbleibende
Heissgas wird auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt.
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Es ist zu erwähnen, dass der Verdampfungsbereich 4 und der erste Kondensationsbereich
6 räumlich nicht scharf voneinander getrennt sind. Tatsächlich kann eine räumliche
Ueberlagerung beider Bereiche eintreten, und zwar in dem Masse, wie die eingesprühte
Flüssigkeit 5 mit dem aufsteigenden Heissgasstrom 2 bis zur Verdampfung mitgerissen
wird und gegebenenfalls auch in den Kondensationsbereich gelangt. Wesentlich ist
nur, dass eine ausreichende Kondensation der Dampfkomponente erfolgt, damit keine
nutzbare Wärme in Form der Verdamfpungswärme abgeführt wird. Diesem Zweck dient
insbesonder die gezeigte Aufeinanderfolge mehrerer Kondensationsbereiche. Diese
Aufeinanderfolge ermöglicht auch die Anpassung der jeweiligen Wärmeträger-Zuführtemperaturen
an die Abkühlungsverhältnisse des Heissgasstromes im Sinne einer wirksamen Gegenstrom-Wärmeübertragung.
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Im Beispiel nach Fig. 1 bietet der an sich übliche Wärmetauscher 14
mit Trennung des Heissgases und Dampfes vom Wärmeträgerdurchsatz durch wärmeleitende
Wände die Ausnutzung der hier übertragenen Restwärme undmittelbar in der nachgeordneten
Heizungsanlage 100. Hierzu ist der Wärmetauscher 14 mit dem Sekundärsystem eines
weiteren
Wärmetauschers 10 hintereinandergeschaltet, wobei letzterer
primärseitig über die Entnahmevorrichtungen 11, 12 mit dem Kondensat 9 aus dem Sammler
8 beaufschlagt wird. Hiermit ei gibt sich wiederum eine Hintereinanderschaltung
der Wärmetauscher innerhalb des Wärmeträgerkreislaufes 101 der Heizungsanlage 100
im Sinne von in Durchlaufrichtung zunehmenden Zuführtemperaturen de:; Sekundär-Wärmeträgers.
Die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage ist also der relativ hohen Kondensattemperatur
zugeordnet.
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Als erste Verdampfungs- und Abkühlungs-Wärmeträgerflüssigkeit 5 für
den Verdampfungsbereich 4 wird im Beispielsfalls der Rücklauf aus dem Primärsystem
des Wärmetauschers 10 verwendet. Es ergibt sich somit ein Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit
5 über den aufsteigenden Dampfstrom 5a, den kondensierten Rücklauf b und das Kondensat
9 im Sammler 8 und zurück über die Entnahmevorrichtungen 11, 12 zum Primärsystem
des Wärmetauschers 10.
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Entsprechendes gilt für die zweite Wärmeträgerflüssigkeit 7, die im
Beispiel nach Fig. 1 vom Primärsystem-Rücklauf des Wärmetauschers 10 abgezweigt
wird.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird die erste Wärmeträgerflüssigkeit
5 nicht aus einem Kreislauf, sondern als Frischflüssigkeit, beispielsweise Frischwasser,
laufend zugeführ. Dies kommt insbesondere einem vergleichsweise niedrigen Anteil
der durch Verdampfung und Kondensation entzogenen Nutzwärme aus dem Heissgasstrom
in Betracht.
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Der laufende Frischwasserverbrauch tritt dann kaum belastend in
Erscheinung.
Selbstverständlich muss dann aus dem Sammler 8 die entstehende Ueberschussmenge
abgezogen werden, soweit diese nicht zur Deckung von Flüssigkeitsverlusten dient.
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Der erste Kondensationsbereich 26 ist bei der Ausführung nach Fig.
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2 übereinstimmend mit Fig. 1 durch Einführung einer zweiten Wärmeträgerflüssigkeit
27 mit zugehörigen (hier nicht besonder bezifferten), oberflächenvergrössernden
Einbauten gebildet. Wie bereits erwähnt, kann in diesem Kondensationsbereich gegebenenfalls
durch räumliche Ueberlagerung mit dem Verdampfungsbereich auch noch eine merkliche
Nachverdampfung mit Wärmeentzug aus dem Heissgas eintreten.
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Die zweite Wärmeträgerflüssigkeit 27 wird im Kreislauf über das Kondensat
9 im Sammler 8 und die Entnahmevorrichtung 11, 12 geführt.
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In Verbindung damit zeigt Fig. 2 das Beispiel eines unmittelbaren
Anschlusses der Heizungsanlage 100 an die Wärmeträgerentnahme des Sammlers 8. Das
Mengenstromverhältnis zwischen zirkulierender Wärmeträger flüssigkeit 27 und in
die Heizungsanlage eintretender Wärmeträgerflüssigkeit wird durch geeignete Ventilanordnungen
eingestellt bzw. gesteuert.
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Der zweite Kondensationsbereich 26a innerhalb der Wärmeübertragungseinrichtung
3 wird im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 1 ebenfalls durch Einsprühung einer
weiteren Wärmeträgerflüssigkeit 27a mit zugehörigen, oberflächenvergrössernden Einbauten
gebildet. Im Beispielsfall wird die Wärmeträgerflüssigkeit 27a ebenfalls im Kreislauf
über das Kondensat 9 geführt und mit Hilfe geeigneter Ventilanordnungen vom Rücklauf
der Heizungsanlage abgezweigt. Ausserdem ist in Fig. 2 die Möglichkeit eines Ueberbrückungszweiges
20 zwischen
der Entnahmestation des Sammlers 8 und den Einführungsstellen
der Wärmeträgerflüssigkeit 27 und 27cit angedeutet. Damit kann ein unmittelbarer,
verstärkter Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit unabhängig vom Durchsatz der Heizungsanlage
mit Hilfe geeigneter Ventilanordnungen eingestellt werden. Im übrigen sind in Fig.
2 für die verschiedenen Flüssigkeitszuführungen des Verdampfungsbereiches 24 und
der Kondensationsbereiche 26, 26a Pumpen 21, 22, 23 für eine intensive Versprühung
im Heissgasstrom vorgesehen.
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Im allgemeinen wird die Wärmeträgerflüssigkeit bei der unmittelbaren
Einführung in den Heissgasstrom nicht nur rasch aufgeheizt, sonder auch wenigstens
teilweise verdampft. In Sonderfällen mit vergleichsweise geringer Heissgastemperatur
und Zufuhr grosser Flüssigkeitsmengen kann die Verdampfung jedoch zurücktreten oder
praktisch völlig verschwinden, so dass sich lediglich eine Aufheizung der Wärmeträgerflüssigkeit
mit entsprechend intensiver Abkühlunge des Heissgases durch den unmittelbaren Kontakt
mit der fein verteilten Flüssigkeit ergibt. Auch damit lassen sich gegebenenfalls
noch beträchtliche Verbesserungen des Wirkungsgrades, jedenfalls aber wesentliche
Vereinfachungen des apparativen Aufbaues im Vergleich zu üblichen Wärmetauschern
erreichen. Allerdings treten die erfindungsgemässen Wirkungen in vollem Masse erst
bei einer Ausführung mit beträchtlichem Anteil an verdampfter Wärmeträgerflüssigkeit
in Erscheinung.
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Damit lassen sich praktisch konstante Kesselwirkungsgrade titer den
gesamten Auslastungsbereich erzielen. Sie liegen, bezogen auf den unteren Heizwert,
bei ca. 95-100 %.
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Die übers Jahr gemittelten Wirkungsgrade dieses Systems liegen um
3-50 % höher als die mit den heutigen Systemen erreichten Wirkungsgrade.
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L e e r s e i t e