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Verfahren und Vorrichtung zum Beheizen von Räumen sowie zum Erhitzen
eines flüssigen tlediums Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Beheizen von Räumen sowie zum Erhitzen eines flüssigen Mediums durch Anwendung
elektrischer Energie.
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Es ist bekannt, Wasser durch erhitzte elektrische Widerstandsdrähte
zu erhitzen, die entsprechend isoliert sind. Solche rhitzungseinrichtungen finden
bei der Heißwassererzeugung Anwendung, z.B. bei-der Erzeugung von Wasch- und Badewasser.
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Hier liegen die Erhitzer in Gestalt von Heißwasserbeulern vor, bei
denen auch der kostengünstige Nachtstrom genutzt wird in der Weise, daß die Erhitzung
nur in den Abendstunden
und nachts stattfindet. Dazu sind die Erhitzungsbehälter
entsprechend isoliert.
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Für ein Zentralbeheizungssystem bei Anwendung des Lfirachtstroms ist
bereits vorgeschlagen worden, einen metallischen ärmespeicher durch eingelassene
elektrische Widerstandsdrähte zu erhitzen. Dieses System hat wegen der Schadensanfälligkeit
der elektrischen Widerstands drähte in der Praxis keine oder nur unbedeutende Anwendung
gefunden.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein preisgünstiges Heizsystem
zum Beheizen von Räumen, aber auch zum Erhitzen von Wasser zu schaffen, das weitgehend
wartungsfrei und nicht störanfällig ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem
Verfahren zum Beheizen von Räumen sowie zum Erhitzen eines flüssigen Mediums durch
Anwendung elektrischer Energie erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Heizmittel,
insbesondere als Wasser, durch einen durch elektrische Induktion erhitzten Körper
oder mehrere solcher Körper, insbesondere in Gestalt von Tauchstäben, erhitzt wird.
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Durch elektrische Induktion erhitzte, in Gestalt von Tauchstäben verwendete
Körper wurden bereits zur Erhitzung von ölen in Ölraffinerien vorqeschlagen. Sie
haben den Vorteil, daß sie bei weitgehender Wartungsfreiheit nur eine Temperatur
erhalten,
die 20 bis 300 C oherhalb der Temperatur des erhitzten Mediums liegen. Trotz dieses
geringen Temperaturgefälles erfolgt eine sehr intensive Erhitzung. Im Vergleich
zu Yrhitzungsquellen unter Anwendung elektrischer Widerstandsdrähte, welche die
Frhitzung nach dem Tauchsiederprinzip ergeben, haben die durch Induktion erhitzten
Körper den Vorteil, daß sie nur auf eine vergleichsweise geringe Temperatur erhitzt
werden. Daher unterliegen sie praktisch keinem Verschleiß.
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Tach der Erfindung werden die durch elektrische Induktion erhitzten
Körper in Gestalt von Tauchstähen für ein Heizunassystem zur Feheizuno von t.fohnräumen
und/oder Werkräumen oder dergleichen Räumen sowie zum Erhitzen von Wasser angewendet.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
das Heizmittel, insbesondere Wasser, in einem unter Druck stehenden und wärmeisolierten
Behälter erhitzt wird. Dadurch kann, wie an sich bekannt, abhängig vom Druck eine
weit über 1000 C hinausgehende Frhitzung von Wasser erfolgen, so daß insbesondere
zum Beheizen von Räumen eine hohe Wärmespeicherung im erhitzten flüssigen T5edium,
insbesondere Wasser erfolgen kann.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen,
daß
insbesondere in Verbindung mit einem unter Druck stehenden Behälter der Rücklauf
des Heizungssystems ganz oder teilweise durch den Erhitzungsbehälter geführt wird.
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Dadurch wird der Rücklauf aus dem Heizungssystem ganz oder teilweise
wieder auf eine erhöhte Temperatur gebracht. In Verbindung mit dieser Maßnahme wird
in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung vorgeschlagen, daß das Wasser aus dem
Erhitzungsbehälter und das Wasser aus der Rücklaufleitung in einen Mischbehälter
geführt werden und um durch entsprechende Mischung die gewünschte Gebrauchsmustertemperatur
zu erhalten.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird insbesondere bei
einem unter Druck stehenden Erhitzungsbehälter vorgeschlagen, daß die Flüssigkeit
im Erhitzungsbehälter ständig belassen und der Rücklauf des Beheizungssystem durch
einen im Erhitzungsbehälter angeordneten Wärmeaustauscher geleitet und in diesem
erhitzt wird. In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung und Ahwandlung wird vorgeschlagen,
daß derRücklauf dem unter Druck stehenden Erhitzungsbehälter durch eine Schleuse
zugeführt wird.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen durch
Wärmeisolation isolierten Behälter, in welchem
ein oder mehrere,
durch elektrische Induktion erhitzte Körper, insbesondere in Gestalt von Stäben
in die zu erhitzende Flüssigkeit eintauchen. Dabei werden ion weiterer erfindungsgemäßer
Ausgestaltung die durch elektrische Induktion erhitten Körper, insbesondere in GeStalt
von Stäben, an der Behälterwandungi insbesondere an Behälterdeckel befestigt. Besonders
vorteilhaft sind drei induktiv erhitzte Erhitzungsstäbe angeordnet, die im Dreieck
geschaltet sind. Diese Anordnung findet besonders vorteilhaft innerhalb eines einzigen
Behälters Anwendung.
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Weitere erfindungsgemäße Lösungen sind gekennzeichnet durch einen
unter Druck stehenden wärmeisolierten Behälter, der mit Flüssigkeit, insbesondere
Wasser gefüllt ist und einen Zulauf, einen daran angeschlossenen Wärmeaustauscher
und einen Ablauf aufweist.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
von der Rücklaufleitung eine ganz oder teilweise absperrbare Abzweigung in den Druckbehälter
mündet, die Abzweigung an einen Wärmeaustauscher angeschlossen ist und von dem Wärmeaustauscher
eine Leitung in einen Mischbehälter führt, in die auch die Rücklauf leitung mündet.
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Schließlich wird vorgeschlagen, daß an dem Mischbehälter ein
Thermostat
angeordnet ist, der ein Ventil an der Knotenstelle zwischen Rücklaufleitung und
Abzweigung in den Erhitzungsbehälter mit dem Wärmeaustauscher regelt.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist bei einem einzigen Erhitzungsbehälter,
aber auch bei mehrerenEehältern anwendbar, so beispielsweise bei drei in Reihe hintereinandergeschalteten
Erhitzungsbehältern, die von eine gemeinsamen Schrank umgben sind, der die Wärmeisolation
darstellt.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
dem unter Druck stehenden Frhitzungsbehälter ein oder mehrere Schleusen zugeordnet
sind, die ein Entweichen des Druckes aus dem Druckbehälter verhindern. Eine solche
Anordnung von Schleusen ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, daß an einer
von der Rücklaufleitung abgehenden Leitung eine Schleuse mit einem vorgeschalteten
und einem nachgeschalteten Absperrventil angeschlossen ist, an diese in Strömungsrichtung
gesehen erste Schleuse der Erhitzungsbehälter angeschlossen ist und hinter dem Erhitzungsbehälter
eine weitere, durch ein vorgeschaltetes und ein nachgeschaltetes Ventil gesteuerte
Schleuse angeordnet ist, wobei jeweils die vor und nach den Schleusen angeordneten
Ventile miteinander gekoppelt sind.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß
dem Erhitzungsbehälter ein Mischbehälter nachgeschaltet ist, der aus zwei Kammern
besteht, die durch ein durch Thermostat gesteuertes Ventil miteinander verbunden
sind, weiterhin von der einen zur anderen Kammer ein überlauf vorhanden ist und
in der Kammer, in die der Rücklauf des Heizungssystems und der Zulauf vom Erhitzungsbehälter
einmündet, ein Füllstandsanzeiger vorhandeln ist, der den von der Rücklaufleitung
des Beheizungssystems abgezweigten Zulauf zum Erhitzungsbehälter steuert.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Sie beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausbildungsformen,
vielmehr sind weitere, im Rahmen der erfindung liegende Abwandlungen möglich. Es
zeigen: Fig. 1 im vertikalen Schnitt und im wesentlichen schematisch einen Erhitzungsbehälter
mit Mischbehälter und mit den zugeordneten Rohrleitungen, Fig. la die Ausbildung
nach Fig. 1 in der Ansicht von oben, Fig. 2 im gleichen vertikalen Schnitt eine
abgewandelte Lösung, Fig. 3 im vertikalen Schnitt und Seitenansicht die Anordnung
von drei hintereinander geschalteten Erhitzungsbehältern, Fig. 4 eine weitere Abwandlung
im vertikalen Schnitt und in Seitenansicht,
Fig. 5 im vertikalen
Schnitt und in Seitenansicht die Anordnung eines Druckbehälters mit vor- und nachgeschalteten
Schleusen, Fig. 6 die Anordnung im Prinzip nach Fig. 5 mit drei hintereinandergeschalteten
Erhitzungsbehältern und Fig. 7 die Anordnung von drei hintereinandergeschalteten
Frhitzungsbehältern, umgeben von einem wärmeisolierenden Schrank in perspektivischer
Darstellung und im wesentlichem scherratisch.
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Zur Erhitzung des Wassers 10 im Erhitzungsbehälter 11, der von einer
Wärmeisolation 12 umgeben ist, findet ein Tauchstab 13 Anwendung, der durch elektrische
Induktion erhitzt wird. Solche Erhitzungsstäbe haben den Vorteil, daß sie um nur
20 oder 300 C heißer sind als das zu erhitzende Medium. Erfolgt somit eine erhitzung
des Wassers 10 auf beispielsweise 1800, wird der durch Induktion erhitzte Erhitzungsstab
13 lediglich auf ca.
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200 bis 2100 erhitzt. Dadurch ist ein Verschleiß des Erhitzungsstabes
praktisch ausgeschlossen.
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An den induktiv erhitzten Stab 13 sind die elektrischen Zuleitungen
angeschlossen. Die Rücklaufleitung aus dem eizungssystem ist mit 14 bezeichnet.
Diese führt in einen Mischbehälter 15. Von der Rücklaufleitung 14 zweigt eine Leitung
16 ab, die in den Behälter 11 mündet. Weiterhin ist der Behälter an seinem
unteren
Ende mit einer Ablaufleitung 17 versehen. Die von dem Mischbehälter 15 ausgehende
Leitung für den Vorlauf des Heizkreislaufsystems ist mit ia bezeichnet. An der Abzweigung
zwischen Rücklaufleitung 14 und ahgezweigter Leitung 16 in den Behälter 11 ist ein
Zweiwegeventil 19 angeordnet, das so ausgebildet ist, daß der gesamte Rücklauf,
aber auch nur ein Teil des Rücklaufs oder gar kein Rücklauf durch die Leitung 86
in den Behälter gelangt. An der Ablaßleitung 17 zwischen Behälter 11 und Mischbehälter
15 ist ein Sperrventil 20 vorhanden, daß mit der Pumpe 21 in der abgezweigten Leitung
16 zusammenwirkt. In den Mischbehälter 15 ragt noch ein Temperaturfühler 22 hinein.
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Nachfolgend soll der Wärmehaushalt anhand des zudes Ausführungsbeispiels
in Fig. 1 dargestellt werden: Wenn der Behälter 11 einen Innendurchmesser von 70
cm bei einer Uöhe von 180 cm hat, weist er einen Inhalt von 675 1 auf. Wenn der
Behälter unter einem Druck von 9 atü (Atmosphärenüberdruck) steht, kann sein Wasserinhalt
auf eine Temperatur von 1790 erhitzt werden. Bei einer angenommenen Temperatur des
Vorlaufwassers von 700 C ergibt sich je kg Wasser ein; Wärmespeicherung von 109
kcal als Differenzbetrag zwischen maximaler Erhitzungstemperatur von 1790 C minus
700 C für den Vorlauf.
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Der ausnutzbare Wärmeinhalt des gespeicherten Heißwassers ist somit
675 . 109 kcal = 73500 kcal.
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Bei einer elektrischen Aufnahmeleistung des durch Induktion erhitzten
Stabes von 30 kW oder aufgeteilt auf mehrere Stäbe ergibt entsprechend den-elektrischen
Wärmeäguivalent eine llärmeleistung von 30 . 860 = 25800 kcal/h. Diese Leitung ist
ausreichend zur Beheizung eines Wohnhauses. In 8 Stunden können 8 . 25800 = 206400
kcal erzeugt werden.
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Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist die Pumpe 21 so stark bemessen,
daß sie den Druck im Behälter 11 überwinden kann. Mit der Betätigung der Pumpe 21
wird gleichzeitig das Ventil 20 geöffnet. Der Temperaturfühler 22 ist mit dem Ahzweigventil
19 gekoppelt und regelt die aus derPsücklaufleitung 14 abzuzweigende, durch den
Behälter 11 zu führende Flüssigkeitsmenge.
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Fig. la zeigt die Anordnung von drei durch Induktion erhitzten Stäben
13, 13a und 13b, die im Dreieck geschaltet sind.
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Fig. 2 zeigt die Lösung, daß im Behälter 11 dauernd die yleiche Flüssigkeit
bleibt. Dieser Behälter steht, um eine hohe Wärmespeicherung zu erhalten, mit Vorteil
ebenfalls unter Druck. Dabei können auch Drucke von weniger als 9 atü Anwendung
finden. So ist
es auch möglich, den Behälter mit Druck zu verwenden.
Diese Ausführungen gelten insbesondere auch für die Ausbildung nach Fig.l, weil
dann nicht mehr die Uotwendigkeit besteht, daß die Pumpe 21 vorhanden oder stark
ausgelegtzu sein braucht.
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Bei der Ausbildung nach Fia. 2 ist in dem Behälter 11 ein ärmeaustauscher
in Gestalt einer Rohrschlange 23 vorhanden, die, ebenfalls durch ein Ventil 19 gesteurt,
an der abgezweigten Leitung 16 anschließt, und mit einer Leitung 24 aus dem Behälter
austritt.
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Dieser Leitung 24 schließt sich die Leitung 25an, die der Leitung
17 nach Fig. 1 entspricht. Bei der Ausführung nach Fig. 2 können infolge der Anwendung
des Wärmeaustauschers 23 im Behälter 11 auch andere Flüssigkeiten als Wasser Verwendung
finden. Es können solche Flüssigkeiten gewählt werden, die ein sehr hohes Wärmespeichervermögen
haben, wie z.B. bestimmte flüssige, hitzebeständige, als Wärmeträger verwendete
Kohlenwasserstoffe.
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Fig. 3 zeigt die Anordnung grundsätzlich nach Fig. 1 mit der Maßgabe,
daß drei untereinander verbundene Erhitzungsbehälter 11, lla und 11b vorhanden sind.
Jedem Erhitzungsbehälter sind ein oder mehrere durch Induktion erhitzte Stäbe 13,
13a, 13b zugeordnete.
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Die Behälter können unter Druck stehen oder drucklos sein.
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Fig. 4 zeigt die Anordnung, daß bei den Behältern grundsätzlicher
Ausbildung nach Fig. 1 ein Mischbehälter angeschlossen ist, der aus zwei Kammern
I und II besteht. Beide Kammern sind über eine
verbindende Leitung
26 miteinander verbunden, in welcher ein durch Thermoelement gesteuertes Ventil
27 angeordnet ist. Sofern dieses Ventil in Verbindung mit dem Thermoelement auf
eine Temperatur von 700 C eingestellt ist, dann ist es auch bei darüberliegenden
Temperaturen offen. Dann besteht eine Verbindung zwischen den Kammern I und II durch
die Leitung 26. Sofern die Temperatur der Kammer I unter 700 C abgesunken ist, dann
schließt der Thermostat das Ventil 27. Als Ergebnis steigt zufolge des Zuflußesvon
Wasser durch die Rücklaufleitung 14 das Wasser in der Kammer I. Dadurch wird über
einen Schwimmer 28 durch elektrische oder mechanische Verbindung über ein Gestänge
29 das Ventil 19a der Rücklaufleitung 14a geöffnet zur Verbindung mit der abgezweigten
Leitung 16. Sogleich wird die Pumpe 21 betätigt und das Ventil 20 geöffnet. Dadurch
gelangt heißes Wasser aus dem Behälter 11 in de Kammer I. Der Flüssigkeitsspiegel
steigt und oberhalb der Sperrwand 29a erfolgt der Zufluß in die Kammer II und von
dort in Verbindung mit der Pumpe 30 in den Vorlauf. Es ist auch möglich, daß der
Schimmer 28 lediglich die Pumpe 21 betätigt, damit heißes Wasser aus der Pumpe herausgepumpt
werden kann, weil mit dem Pumpen Ventil 20 geöffnet wird. Es ist auch bei einem
unter Druck stehenden Behälter möglich, daß lediglich das Ventil 20 geöffnet wird,
weil der im Behälter vorhandene Druck das tntleeren bewirkt. In diesem Sinne kann
auch verstanden werden, daß die Leitung 14a mit der Abzweigung 16 eine Frischwasserleitung
sein kann. Auch könnte die Leitung 14 wegfallen, weil deren Funktion die Leitung
14a übernimmt.
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Fig. 5 zeigt, daß der unter Druck stehende Behälter 10 zwei Schleusen
31 und 32 hat, denen jeweils Ventile A vorgeschaltet und Ventile B nachgeschaltet
sind. Zum Füllen des Behälters 11 werden die oberen Ventile geöffnet und die unteren
Ventile geschlossen. Dadurch ist die Gewähr vorhanden, daß der Druck im Behälter
nicht entweichen kann. Die Schleusen haben vorzugsweise bei einem Erhitzungsbehälter
11 eines Fassungsvermögens von 1000 l nur ein Volumen von 5 bis as 1. Das aus dem
Behälter 11 entweichende, über 1000 C erhitzte Wasser entspannt sich in der Schleuse
32 und tritt als Heißdampf durch die Leitung 33 in den Mischbehälter 15 ein. Fig.
6 zeigt die Anordnung nach Fig. 5 bei Anwendung von drei hintereinander geschalteten,
unter Druck stehenden Behältern Ilc, lid, Ile, mit der ersten Schleuse 31 und der
zweiten Schleuse 32. In der Schleuse 31 kann ein die Ventile A und B steuernder
Schwimmer 34 angeordnet sein.
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Fig. 7 zeigt wiederum die Anordnung von drei Erhitzungsbehältern 11,
lla, lib mit dem Mischbehälter 15 entsprechend dem Schema nach Fig. 3, eingeschlossen
in einem Gehause, der als wärmeisolierender SChrank 35 ausgebildet ist. Bei einem
Innendurchmesser der Behälter von beispielsweise 70 cm und einer Höhe von 180 cm
ergeben sich vergleichsweise geringe Abmessungen des Schrankes 35 und insbesondere
bei Anwendung von unter Druck stehenden Behälter erreicht man ein sehr hohes Speichervermögen.
Es wurde dargelegt, daß bei Anwendung eines einzigen Behälters der vorbeschriebenen
Abmessung, wenn er unter einem Druck von 9 atü steht, ein Einfamilienhaus ausreichend
beheizt werden kann.
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Die Erfindung macht nicht unbedingt unter Druck stehende Erhitzungsbehälter
erforderlich. Bei entsprechender Bemessung der Behälter genügt auch ein Wärmespeichervermögen
als Ergebnis einer Erhitzung des Wassers auf 1000 C bei einer benötigten Vorlauftemperatur
von 60 oder 700 C. Hierbei ist das treibende Temperaturgefälle zwischen dem erhitzten
Wärmespeicher und dem zu erwärmenden Wasser immer noch ausreichend.
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Zu Fig. 2 sei noch bemerkt, daß bei Anwendung der Wärmeaustauscher
23 im Behälter 11 auch andere Flüssigkeiten als Wasser Anwendung finden können und
bei dieser Lösung solche Flüssigkeiten gewählt werden, die ein sehr hohes Wärmespeichervemögen
haben, wie z.E.
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bestimmte flüssige als Wärmeträger verwendete Kohlenwasserstoffe.