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Warmwasserbereiter
Die Erfindung bezieht sich auf einen Warmwasserbereiter mit einem Wasserbehälter und einem diesem nachgeschalteten, von Heissluft beheizten Wärmetauscher.
Es ist bereits eine Einrichtung dieser Art bekannt, bei der eine stationäre Heissluftheizungsanlage zur
Warmwasserbereitung herangezogen wird. Im Heissluftstrom dieses Heizungsystems ist ein wasserdurch- strömter Wärmetauscher angeordnet, der über eine Speiseleitung und eine Rücklaufleitung an einen Was- serbehälter angeschlossen ist. Der Wärmetauscher weist zwei durch parallele Heizrohre verbundene Was- serkammem auf, in welche die Speise- bzw. die Rückführungsleitung des Wasserbehälters unmittelbar einmünden. Im Betrieb stellt sich im Wassersystem dieser Einrichtung ein natürlicher Umlauf ein, der eine allmähliche Erwärmung des Behälterinhaltes zur Folge hat. Ein Nachteil dieser Anlage besteht in der Notwendigkeit eines verhältnismässig grossen Wasserbehälters, wenn ausreichende Mengen Warmwasser zur Verfügung stehen sollen.
Dadurch ergeben sich naturgemäss auch hohe Wärmeabstrahlungsverluste. Von Nachteil ist ferner der lange Anheizvorgang, bis die Wassertemperatur im Behälter den erwünschten Wert erreicht hat. Wegen ihres grossen Raumbedarfes eignet sich diese bekannte Einrichtung nur für ortsfeste Verwendung, z. B. zur Speisung sanitäre Anlagen in Wohngebäuden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Warmwasserbereiter zu schaffen, der bei hoher Warmewirtschaftlichkeit an stationären Luftheizungsanlagen, insbesondere aber zur Warmwasserversorgung von Eisenbahnfahrzeugen Verwendung finden kann, und der sich durch kurze Anheizzeiten und rasche Betriebsbereitschaft auch bei wechselnder Entnahme auszeichnet.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Wärmetauscher eine mit der z. B. der Luftheizung eines Eisenbahnfahrzeuges entnommenen Heissluft in Wärmeaustausch stehende Wärmespeichersubstanz enthält, in welche die wasserdurchströmten Teile des Wärmetauschers, z. B. Wasserrohre, eingebettet sind. Durch diese Ausbildung, bei der dem Wärmetauscher die zusätzliche Funktion eines Wärmespeichers zukommt, liefert die Anlage zu jedem Zeitpunkt und nahezu verzögerungsfrei Warmwasser der erwünschten Temperatur in ausreichender Menge, da während der Zeitabschnitte, in denen keine Wasserentnahme erfolgt, im Wärmetauscher grössere Wärmemengen gespeichert werden. Bei Entnahme fliesst zunächst das im wasserführenden Teil des Wärmetauschers enthaltene, annähernd auf die Temperatur der Wärmespeichersubstanz vorgewärmte Wasser ab.
Das nachströmende kühlere Wasser wird beim Durchlaufen des Wärmetauschers durch die Speicherwärme aber auch intensiv aufgeheizt, so dass auch bei Entnahme grösserer Wassermengen nur ein sehr langsamer Temperaturabfall des entnommenen Warmwassers eintritt.
Der erfindungsgemäss ausgebildete Warmwasserbereiter wird auch den besonderen Anforderungen, die an Warmwasserbereiter von Eisenbahnfahrzeugen zu stellen sind, voll gerecht. Der geringe bauliche Aufwand gestattet eine raumsparende Unterbringung der Anlage, was bei den beengten Platzverhältnissen in Eisenbahnfahrzeugen unter Umständen von entscheidender Bedeutung sein kann. Durch Ausnutzung der zu Heizzwecken in ausreichendem Mass vorhandenen Heissluft kann auf zusätzliche Wärmequellen, wie elektrische Heizkörper od. dgl., verzichtet und damit sowohl an Anlage- als auch Betriebskosten gespart werden.
Die im Bahnbetrieb bisher verwendeten, teils elektrisch, teils dampfbetriebenen Einrichtungen
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zur Warmwassererzeugung waren in ihrer Gesamtheit mit dem Nachteil eines relativ hohen baulichen, aber auch regeltechnischen Aufwandes behaftet. Den bekannten elektrisch beheizten Warmwasserbereitern standen häufig nicht geringe Schwierigkeiten entgegen, die hauptsächlich durch jene internationalen Vereinbarungen entstanden, welche für solche Einrichtungen eine Umschaltbarkeit auf drei Spannungen vorschreiben, welcher Forderung nur durch kostspielige Schaltorgane entsprochen werden konnte.
Bei den fernerhin bekannten Warmwasserbereitem mit von waggoneigenen Generatoren gespeisten Niederspannungsheizkörpern trat zusätzlich die Gefahr eines Einfrierens der Anlage bei Unterbrechung der Beheizung während des Aufenthaltes in Stationen auf, ein Nachteil, der durch das erfindungsgemässe System gleichfalls beseitigt worden ist, da hier - unabhängig vom jeweiligen Traktionssystem - als Heizmedium ständig Heissluft sowohl während der Fahrt als auch beim Halten des Zuges zur Verfügung steht. Die Möglichkeit, beachtliche Wärmemengen im Wärmetauscher zu speichern, gewährleistet auch eine weitgehende Unempfindlichkeit der Anlage gegen allfällige Temperaturschwankungen des Heizmediums.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher in an sich bekannter Weise ein von Heissluft quer angeströmtes, von vorzugsweise verrippten Heizrohren gebildetes Rohrbündel auf, und es durchsetzen die Wasserrohre die Heizrohre in Längsrichtung, wobei der freibleibende Querschnitt
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übergangsverhältnisse einerseits von der Warmluft an die Heizflächen der Heizrohre und somit eine rasche Erwärmung der Wärmespeichersubstanz in den Heizrohren, anderseits von der Wärmespeichersubstanz auf die darin eingebetteten Wasserrohre. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich dadurch, dass infolge der geschützten Anordnung der Wasserrohre die Verwendung dünnwandiger Kupferrohre möglich ist.
Die Abkühlung der Wasserrohre zufolge ihrer Durchströmung mit kaltem oder mässig vorgewärmtem Wasser während der Entnahme wird somit rasch wieder kompensiert.
Ein besonders grosses Wärmespeichervermögen kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf einfache Weise dadurch erzielt werden, dass die offenen Enden der Heizrohre in an sich bekannter Weise beiderseits in gemeinsame, einander gegenüberliegende. Kammern münden, und die Verbindungskrümmerder Wasserrohre in den beiden Kammern angeordnet und die Kammern von Wärmespeichersubstanz erfüllt sind. Die Kammern dienen hiebei als zusätzliche Wärmespeicher, wobei auch die Verbindungskrümmer eine intensive Erwärmung erfahren. Bei Verwendung einer Flüssigkeit als Wärmespeichersubstanz stellt sich zufolge der Verbindung der beiden Kammern eine Zirkulationsströmung über die Heizrohre ein.
Diese
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Heizflächen des Wärmetauschers aus, sondern sorgt zugleich auch für eine gleichmässige Erwärmung der Speicherflüssigkeit in sämtlichen Speicherräumen des Wärmetauschers.
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Zusatz eines Frostschutzmittels zu verwenden. Diese z. B. auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen für Kühler bereits allgemein bekannte Mischung hat sich im vorliegenden Fall besonders bewährt, da sie einerseits ein gutes Wärmespeichervermögen besitzt, und anderseits auch bei längeren Betriebsunterbrechungen während der kalten Jahreszeit nicht einfriert.
Zur Regelung der Gesamtanlage kann gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal eine zu den luftführenden Leitungen zum und vom Wärmetauscher parallelgeschaltete Umgehungsleitung vorgesehen, und an der Abzweigung der Umgehungsleitung in der Heissluftzuleitung eine Regelklappe angeordnet sein, die von einem mit der Wärmespeichersubstanz in thermischem Kontakt stehenden Thermostaten in dem Sinn betätigt ist, dass sie den Heissluftstrom beim Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur der Wärmespeichersubstanz über die Umgehungsleitungunmittelbar zum Wasserbehälter leitet. Durch diese Ausbildung wird eine Überhitzung der Wärmespeichersubstanz und des den Wärmetauscher durchströmenden Wassers vermieden, wenn über einen längeren Zeitraum keine Wasserentnahme erfolgt.
Der über die Umgehungsleitung unmittelbar an den Wasserbehälter herangeleitete-Heissluftstrom wird hiebei zur Gänze zur Vorwärmung des Inhaltes des Wasserbehälters ausgenutzt, wogegen während des Aufheizens des Wärmetauschers die Heissluft den grössten Teil ihrer Wärme bereits im Wärmetauscher abgibt und nur mässig warme Luft an den Wasserbehälter gelangt, welche lediglich die Abkühlverluste des Wasserbehälters kompensiert.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die genannte Regelklappe auch mit dem Betätigungsorgan für die Warmwasserentnahme, z. B. einem Pedal, so gekuppelt sein, dass bei Warmwasserentnahme eine grössere Heissluftmenge über den Wärmetauscher strömt, als wenn kein Warmwasser entnommen wird.
Dadurch wird auf einfache Weise die dem Wärmetauscher zugeführte Wärmemenge an den Bedarf infolge der Wasserentnahme angepasst, so dass die Wassertemperatur in erwünschter Höhe gehalten wird.
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andere Regelmöglichkeit besteht nach der Erfindung schliesslich darin, dass inmen, was Jurch Betätigung des Pedals 21 erfolgt, wird hiebei gleichzeitig die Drosselklappe geöffnet, und durch den freien Querschnitt der Heissluftzuleitung strömt nun eine wesentlich grössere Luftmenge zum Wärmetauscher 3, so dass die infolge der Durchströmung des Wasserrohrbündels mit Kaltwasser bedingten Wärmeverluste der Wärmespeichersubstanz rasch kompensiert werden und dem Kaltwasser bzw.
im Wasserbehälter 1 vorgewärmten Wasser rasch die erforderlichen grösseren Wärmemengen zugeführt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmetauschers 3 nach der Erfindung ist aus Fig. 4 ersichtlich. Der Wärmetauscher 3 weist ein luftbeheiztes Bündel von aus mehreren Reihen paralleler, zum Teil zueinander versetzter Heizrohre 6 auf. Die Heizrohre 6 sind, wie in der Zeichnung an einer Stelle angedeutet, mit Rippen 6'zur Verbesserung des Wärmeüberganges versehen. Die offenen Enden 7 der Heizrohre 6 sind beiderseits in die Bohrungen zweier zueinander paralleler ebener Platten eingesetzt, z. B. in an sich bekannter Weise eingewalzt oder emgeschweisst.
Zur Führung der in. den Wärmetauscher 3 eintretenden, die Heizrohre 6 quer anströmenden Heissluft sind die Stirnseiten des Wärmetauschers 3 durch Stimwände 10 abgeschlossen, von denen in der Zeichnung deutlichkeitshalber nur die hintere Stimwand dargestellt ist.
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9 zu einem einzigen wasserdurchströmten Rohrbündel zusammengeschlossen.
An beiden Seiten des Wärmetauschers 3 sind an die Platten 5 Kammern 4 angeschlossen, von denen die eine an ihrer Oberseite mit einem Einfüllstutzen 13 und die andere stirnseitig mit einem Überlauf 14 versehen ist. Sowohl die beiden Kammern 4 als auch der freibleibende Innenquerschnitt der Heizrohre 6 sind mit einer Wärmespeichersubstanz, z. B. einer Mischung von Wasser und einem
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erfolgt die Beheizung der Wasserrohredurch die in den Wärmetauscher 3 eintretende Heissluft, sondern indirekt unter Zwischenschaltung der Wärmespeichersubstanz.
Während der Zeitabschnitte, in denen keine Entnahme von Warmwasser erfolgt, wird also die in den Heizrohren 6 und den beiden Kammern 4 befindliche Wärmespeichersubstanz im erforderlichen
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eine Wasserentnahme durch Betätigung des Entnahmeventils 23, so erhitzt sich das an der StelleWärmespeichersubstanz umschlossenen Wasserrohre 8 und der Verbindungskrümmer 9 ausserordentlich rasch, so dass das aus dem Wärmetauscher 3 austretende Warmwasser bereits die für Waschzwecke er- forderliche Temperatur aufweist.
Im Rahmen der Erfindung sind ausser den beschriebenen Ausführungsbeispielen noch eine Vielzahl von Ausführungsvarianten, insbesondere in bezug auf die Temperaturregelung der Wärmespeichersubstanz sowie auf deren Zusammensetzung, möglich. So kommen als Wärmespeichersubstanzen nicht nur. Flüssigkeiten verschiedener Zusammensetzung, sondern gegebenenfalls auch körnige, pulverförmige odersin- terfähige Speicherstoffe in Frage, deren Wärmespeichervermögen und sonstige physikalische Eigenschaften dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechen.
Zur Beheizung des Wärmespeicher können an Stelle von Heissluft auch andere gasförmige Heizmedien, z. B. die Abgase von Brennkraftmaschinen, oder auch der Abdampf von Heizanlagen od. dgl., Verwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Warmwasserbereiter mit einem Wasserbehälter und einem diesem nachgeschalteten, von Heissluft beheizten Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) eine mit der z. B. der Luftheizung eines Eisenbahnfahrzeuges- entnommenen Heissluft in Wärmeaustausch stehende W r- mespeichersubstanz enthält, in welche die wasserdurchströmten Teile des Wärmetauschers (3), z. B. Wasserrohre (8), eingebettet sind.
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(6) gebildetes Rohrbündel aufweist, und dass die Wasserrohre (8) die Heizrohre (6) in Längsrichtung durchsetzen, wobei der freibleibende Querschnitt der Heizrohre (6) von der Wärmespeichersubstanz erfüllt ist.