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Heizkessel für Heizungsanlagen Die Erfindung betrifft einen Heizkessel
für Heizungsanlagen, mit einem an dem Heizkessel angeschlossenen Kesselkreis, an
den sich ein Heizungskreis für das erwärmte Medium anschließt, und mit einem dem
Heizungskreis zugeordneten Temperaturregler, insbesondere Heizkessel mit Ölbrenner.
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Bei bekannten Heizungsanlagen erfüllt der Heizkessel die Funktion,
ein üblicherweise flüssiges Medium, meistens Wasser, zu erwärmen. In aller Regel
enthält der Heizkessel einen Ölbrenner, wobei dann die Wärme auf das den Kessel
durchfließende Wasser übertragen wird. Anschließend kann das erwärmte Wasser dann
einem oder mehreren Heizkörpern zugeführt werden.
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Zum besseren Verständnis sind in den Fig. 1 und 2 bekannte Heizungsanlagen
dargestellt. In Fig. 1 erwärmt der mit einem Brenner 4 ausgerüstete Heizkessel 1
das Wasser, welches durch Rohre in einen Kesselkreis 6 geführt wird. An den Kesselkreis
6 schließt sich über einen Mischer 8 in bekannter Weise der eigentliche Heizungskreis
10 mit einer Umwälzpumpe 12 und der Heizung 16 an. Zur Einstellung der in dem zu
beheizenden Raum gewünschten Temperatur ist ein Raumtemperaturregler 14 vorgesehen,
der mit der Umwälzpumpe 12 in Verbindung steht. Schließlich weist der Heizkessel
1 noch einen Kessel regler 2 auf, um die Kesseltemperatur in etwa konstant zu halten,
und zwar unabhängig davon, welche Raumtemperatur gerade gewünscht ist. Der erwähnte
Kesselregler 2 beeinflußt den Brenner 4 in der Weise, daß dieser bei Erreichen der
gewünschten Kesseltemperatur abschaltet und bei Unterschreiten der vorgegebenen
Temperatur wieder einschaltet.
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Auch der Kessel 1 in Fig. 2 ist mit einem solchen Kesselregler 2
ausgerüstet, um die Kesseltemperatur konstant zu halten. Abweichend von Fig. 1 liegt
hier eine sogenannte witterungsgeführte Regelung vor, bei der außerhalb des zu beheizenden
Raumes ein Witterungsfühler 20 angeordnet ist. Dadurch wird die jeweilige Heizungstemperatur
entsprechend der Außentemperatur eingestellt.
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Die eigentliche Regulierung erfolgt durch ein motorgesteuertes Mischventil
22 mit einem Antrieb 18, welcher mit dem Wit-terungsfühler 20 verbunden ist.
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Den beschriebenen Heizkesseln ist gemeinsam, daß es sich in beiden
Fällen um einen Wärmeerzeuger handelt, der mit sogenannter Ein/-Aus-Regelung -arbeitet
und der über die gesamte Heizzeit oder über das gesamte Jahr mit einer konstanten
Kesseltemperatur von beispielsweise 80" betrieben wird.
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Die bekannten Heizkessel arbeiten in der Praxis zwar recht zufriedenstellend
und zuverlässig, allerdings muß der Wirkungsgrad als immer noch nicht zufriedenstellend
angesehen werden, was unter Berücksichtigung des allgemeinen Wunsches nach Energieeinsparung
natürlich von Nachteil ist. Gemäß der VDI-Richtlinie Nr. 2067 errechnet sich der
Jahresbetriebswirkungsgrad nach der Formel:
Dabei bedeuten: = = Jahresbetriebswirkungsgrad 72k = Kesselwirkungsgrad bVHa Vor
= Vollbenutzungsstundenzahl in h/a = = Betriebsbereitschaftsverlust ba = Betriebsbereitschaftszeit,
Einschaltdauer in h/a
Der Kesselwirkungsgrad und der Betriebsbereitschaftsverlust
sind von konstruktiven Einflußgrößen bestimmt, während das Verhältnis von Betreibsbereitschaftszeit
zu Vollbenutzungsstundenzahl die Betriebsweise des Kessels kennzeichnet.
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Bei der Berechnung des Jahresbetriebswirkungsgrades wird eine Betriebsbereitschaftszeit
von 365 r 24 h = 8760 h / a ausgegangen. Die eigentliche Brennerlaufzeit (Vollbenutzungsstundenzahl)
ist natürlich geringer, da der Heizkessel ja nur dann eingeschaltet wird, wenn die
weiter oben schon erwähnte Temperatur von 800 C unterschritten wird. Man rechnet
in der Formel mit einer Vollbenutzungsstundenzahl von 1700 h/a (VDI-Richtlinie 2067,
Blatt 2). Das bedeutet, daß der Heizkessel während 7060 h/a (8760 - 1700) in Bereitschaft
steht, wobei der Brenner abgeschaltet ist.
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Zu erwähnen ist noch, daß die oben genannte große Betriebsbereitschaftszeit
b a = 8760 h/a dadurch zustandekommt, daß der Heizkessel den Warmwasserbedarf auch
dann deckt bzw. bereithält, wenn die angeschlossene Heizungsanlage - etwa im Sommer
- abgeschaltet ist, da ja noch andere Warmwasserverbraucher, z.B. Dusche oder Spülwasser,
an den Heizkessel angeschlossen sind.
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Es ist außerdem auch noch zu berücksichtigen, daß in dem Heizkessel
die Kondensationstemperatur der Rauchgase nach Möglichkeit nicht unterschritten
werden sollen, weil sich bei der Kondensation der Rauchgase bekanntlich schädliche
schweflige Säuren bilden. Die Möglichkeit einer Abschaltung der Heizungsanlage während
der Stillstandszeiten im Sommer scheidet daher aus, da beim Wiederaufheizen durch
die große Masse des abgekühlten Heizungswasserinhalts die Kondensationstemperatur
der Rauchgase für längere Zeit unterschritten werden würde. Die dabei entstehende
schweflige Säure führt dann sehr leicht zu Korrosionsschäden im Heizkessel. Aus
diesen Gründen wird also der Kessel im Zusammenwirken mit dem Kesselregler immer
auf eine gleichbleibende Temperatur gehalten, und zwar unabhängig davon, ob etwa
die Heizung ein- oder ausgeschaltet ist.
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Es hat sich nun gezeigt, daß die beschriebenen notwendigen Maßnahmen
zu beträchtlichen Verlusten führen, die den Jahresbetriebswirkungsgrad verschlechtern.
Während der Zeit, in welcher der Kessel nur in Bereitschaft steht - also während
der oben erwähnten 7060 h/a - treten nämlich Verluste durch ungenutzte Abstrahlung
Konvektion und innere Auskühlung auf, die den unvermeidlichen Abgasverlust der durch
den Schornstein entweichenden warmen Gase etwa um das 1,7-fache übersteigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel zu schaffen,
bei dem diese Verluste verringert sind, und des Jahresbetriebswirkungsgrad dadurch
erhöht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem im Oberbegriff des Anspruchs
1 vorausgesetzten Heizkessel vorgesehen, daß der Heizkessel bzw. dessen Brenner
an den Temperaturregler angeschlossen und durch diesen gesteuert ist, und daß der
Heizungskreis über ein thermostatisches Drei-Wege-Ventil an den Kesselkreis angeschlossen
ist, welches die Verbindung zum Heizungskreis und damit zum Heizkessel bei niedrigen
Temperaturen des Mediums sperrt und mit zunehmender Temperatur freigibt.
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Bei der Erfindung wird also der überraschende Weg beschritten, auf
den bekannten Kesselregler zu verzichten und den Heizkessel an den Temperaturregler
anzuschließen, durch den der Brenner ein- bzw. abgeschaltet wird. Bisher hatte man
es stets vermieden, den Kessel durch den Temperaturregler zu steuern, weil dann
ja wegen des fehlenden Kesselreglers die Kesseltemperatur nicht mehr auf einem konstanten
Wert gehalten wird. Dies wurde aber immer als eine wichtige Voraussetzung angesehen,
da anderenfalls beim Wiederaufheizen nach einem Iängeren Stillstand der Heizung
die oben schon erwähnte schädliche Rauchgaskondensation im Kessel auftritt.
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Trotz der Ansteuerung des Heizkessels durch den Temperaturregler
wird bei der Erfindung aber eine solche schädliche Rauchgaskondensation vermieden.
Zu diesem Zweck ist das thermostatische Drei-Wege-Ventil an den Kesselkreis angeschlossen,
wobei das Drei-Wege-Ventil die Verbindung zum Heizungskreis bei niedrigen Temperaturen
des zu erwärmenden Mediums sperrt und nur bei höheren Temperaturen freigibt. Wenn
daher nach einem längeren Stillstand der Heizung der Kessel in Betrieb gesetzt wird,
ist das thermostatische Drei-Wege-Ventil wegen des abgekühlten flüssigen Mediums
geschlossen, so daß das abgekühlte Medium zunächst ausschließlich in dem Kesselkreis
fließen kann. Da die Menge des Mediums des Kesselkreises i t2rgleich zum Heizungskreis
vernachlässigbar gering ist, wird es sich in dem Kesselkreis sehr rasch erwärmen,
so daß eine Rauchgaskondensation in dem Heizkesselraum kaum auftritt.
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Das thermostatische Drei-Wege-Ventil kann von üblicher Bauart sein,
wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen mit Wasserkühlung vorgesehen ist. Die
Wirkung eines solchen Ventils besteht bekanntlich darin, daß ein vorher gesperrter
Weg bei zunehmender Temperatur des durchströmenden Mediums langsam freigegeben wird.
Wenn sich daher das Medium in dem Kesselkreis ausreichend erwärmt hat, wird die
Verbindung zum Heizungskreis freigegeben, so daß sich das Medium in dem Heizkreis
nun nach und nach erwärmen kann. Trotz der großen Masse des Heizungsmediums tritt
dabei keine Rauchgaskondensation auf, da das thermostatische Drei-Wege-Ventil die
Verbindung vom Kessel zum Heizungskreis nur freigibt, wenn die Temperatur oberhalb
der Kondensationstemperatur liegt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kessel wird also im Zusammenhang mit dem
thermostatischen Drei-Wege-Ventil ein sogenannter "Bypass" geschaffen, welcher das
im Kesselkreis befindliche
Medium sehr schnell aufwärmt, und erst
danach wird der Heizkreis an den Kessel angeschlossen.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist der erwähnte Temperaturregler
der Raumtemperaturregler, der bisher bei den bekannten Heizungsanlagen an den Heizungskreis
angeschlossen war. Bei Heizungsanlagen mit witterungsgeführter Regelung ist es in
vorteilhafter Weise auch möglich, eine Steuerung des Heizkreises durch den Witterungsfühler
- wie in Fig. 2 in bekannter Weise - vorzunehmen, der das motorgesteuerte Mischventil
beeinflußt. In diesem Fall erfolgt die eigentliche Steuerung des Heizkessels durch
den Kesselregler. Das motorgesteuert Mischventil schaltet den Brenner über einen
Endlagenschalter ab. Ist der Bedarf des Heizkreises gedeckt, wird keine Wärme im
Kesselkreis erzeugt.
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Durch den erfindungsgemäßen Heizkessel wird der Jahresbetriebswirkungsgrad
in entscheidendem Maße erhöht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Kessel wegen
der Ansteuerung durch den Temperaturregler jetzt tatsächlich nur noch dann eingeschaltet
wird, wenn Warmwasser benötigt wird, während bei dem bekannten Kessel dieser unabhängig
von dem Betriebszustand der eigentlichen Heizung immer auf einer konstanten Temperatur
gehalten wurde. In der eingangs schon erwähnten Formel für den Jahresbetriebswirkungsgrad
geht bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel der Quotient ba/bVHa nämlich annähernd
gegen 1, so daß der Jahresbetriebswirkungsgrad angenähert gleich dem Kesselwirkungsgrad
wird. Das führt zu einem in der Praxis bisher nicht erreichten optimalen Wert für
den Jahresbetriebswirkungsgrad. Die dadurch erzielte enorme Energieeinsparung ist
darauf zurückzuführen, daß der Heizkessel jetzt nicht mehr zu solchen Zeiten, bei
denen eigentlich kein Bedarf an Wärme vorhanden ist, sondern nur noch dann eingeschaltet
wird, wenn tatsächlich Heizungsenergie benötigt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindunganhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungswege näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 und 2 jeweils einen bekannten
Heizungskessel für unterschiedliche Heizungsanlagen, Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel und Fig. 6 eine Teildarstellung eines Heizungskessels
mit einem thermostatischen Drei-Wege-Ventil in dem Heizkreis.
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Nachdem der bekannte Heizungskessel gemäß den Fig. 1 und 2 voranstehend
bereits näher erläutert worden ist, werden nachfolgend die in den Fig. 3 - 6 gezeigten
Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei einander entsprechende Teile mit gleichen
Bezugszeichen benannt sind.
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In Fig. 3 ist an den -Heizkessel 1 der Kesselkreis 6 angeschlossen,
der ein thermostatisches Drei-Wege-Ventil 24 und eine Kessel pumpe 26 als Umwälzpumpe
umfaßt. Über das Drei-Wege-Ventil 24 ist der Heizungskreis 10 mit der Heizung 16
verbunden. In unkonventioneller Weise wird der Brenner 4 des Heizkessels 1 direkt
durch den Raumtemperaturregler 14 gesteuert. Der Brenner 4 wird also durch den Raumtemperaturregler
14 ein- bzw.
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ausgeschaltet.
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Der Kesselkreis 6 sowie das in neuartiger Weise eingesetzte thermostatische
Drei-Wege-Ventil 24 sind besonders deutlich in der Teildarstellung gemäß Fig. 6
zu erkennen. Es sei im folgenden angenommen, daß der Brenner 4 ausgeschaltet ist,
weil der Raumtemperaturregler 14 soweit heruntergeregelt ist, daß die Heizung 16
kalt bleibt. Wenn jetzt der Raumtemperaturregler 14 auf eine höhere Temperatur eingestellt
wird, schaltet sich der Brenner 4 ein, und als Folge davon wird das in dem Kesselkreis
6 unter Einwirkung der Kesselpumpe 26 im Kreislauf fließende Wasser erwärmt. Die
entsprechende Wassermenge in dem Kesselkreis 6 ist relativ gering, so daß die Rauchgaskondensation
in dem Heizkessel 1 vernachlässigt werden kann.
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Solange das Wasser in dem Kesselkreis 6 noch nicht erwärmt ist, fließt
es wegen des dann geschlossenen thermostatischen Drei-Wege-Ventils 24 durch die
Rohre 32, 30 und 38 im Kreislauf, wobei in Fig. 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur der eine Teil des Kesselkreises 6 dargestellt ist, dessen anderer Teil sich
in dem durch die Kesselwand 28 begrenzten Kesselraum befindet.
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Mit steigender Temperatur beginnt sich nun das thermostatische Drei-Wege-Ventil
24 zu öffnen, wodurch das aufgeheizte Wasser durch das Rohr 34 zur Heizung 16 gelangt
und über das Rohr 36 in den Kesselkreis 6 zurückfließt. Auf diese Weise wird das
Wasser in dem Heizkreislauf 10 nach und nach erwärmt. Durch das thermostatische
Drei-Wege-Ventil 24 ist dabei dafür Sorge getragen, daß die Kondensationstemperatur
des Rauchgases nicht unterschritten wird, denn wenn sich das Wasser in dem Kesselkreis
6 infolge der großen Wassermenge des Heizungskreises 10 wieder abkühlt, schließt
das thermostatische DreiMege-Ventil 24. Somit ist es in Verbindung mit der Ansteuerung
des Brenners 4 durch den Raumtemperaturregler 14 und durch die Verwendung des thermostatischen
Drei-Wege-Ventils
möglich, den Heizkessel 1 tatsächlich nur dann
einzuschalten, wenn ein Bedarf an warmem Wasser besteht. Dadurch wird der Jahresbetriebswirkungsgrad
in beträchtlichem Maße erhöht. Trotzdem tritt die schädliche Rauchgaskondensation
nicht auf, da das thermostatische Drei-Wege-Ventil 24 die Verbindung zum Kesselkreis
6 zum Heizungskreis 10 nur dann freigibt, wenn das Wasser ausreichend erwärmt ist.
Nur dann kann Wasser durch das Rohr 34 zum Heizungskreis 10 und von dort durch das
Rohr 36 zurückfließen.
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In Fig. 4 ist ein Heizungskessel 1 für eine Heizungsanlage gezeigt,
die mit einer witterungsgeführten Regelung arbeitet. Dabei befindet sich der Witterungsfühler
20 außerhalb des zu beheizenden Raumes, so daß die Temperatur in Abhängigkeit von
den außen vorherrschenden Bedingungen gesteuert werden kann. Der Witterungsfühler
20 ist mit einem Mischerantrieb 18 verbunden, welcher einen Motor aufweist und das
motorgesteuerte Mischventil 22 steuert. Der Kreislauf innerhalb des Heizungskreises
10 wird durch die Umwälzpumpe 12 aufrechterhalten. Auch bei dieser Heizungsanlage
wird darauf verzichtet, den Heizkessel 1 mittels des in den Fig. 1 und 2 gezeigten
Heizungsreglers fortwährend auf einer konstante Temperatur zu halten Vielmehr wird
der Brenner 4 durch den Witterungsfühler 20 angesteuert, was konkret dadurch erfolgt,
daß ein Endschalter des Motors in dem Mischerantrieb 18 den Heizkessel bzw. den
Brenner 4 ein- oder ausschaltet, wenn die Heizung 16 in Betrieb genommen werden
soll. Das thermostatische Drei-Wege-Ventil 24 erfüllt hier den gleichen Zweck, wie
schon anhand von Fig. 3 beschrieben. Beim Einschalten des Brenners 4 wird also zunächst
die relativ geringe Wassermenge in dem Heizkreis 6 aufgewärmt, und erst wenn das
thermostatische Drei-Wege-Ventil 24 öffnet, erfolgt auch die Erwärmung des Wassers
in dem Heizkreis 10, der hier noch eine Umwälzpumpe 12 umfaßt. Eine
Unterschreitung
der Kondensationstemperatur wird wiederum dadurch vermieden, daß das an sich bekannte
Drei-Wege-Ventil 24, welches hier in neuartiger Weise bei einem Heizkessel eingesetzt
ist, die Verbindung vom Heizkreis 6 zum Heizungskreis 10 nur dann freigibt, wenn
das Wasser eine bestimmte Mindesttemperatur aufweist.
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Die Darstellung in Fig. 5 zeigt eine Heizungsanlage, die ohne das
motorgesteuerte Mischventil 22 gemäß Fig. 4 arbeitet und in dessen Heizungskreis
10 eine Heizkreispumpe 40 eingeschaltet ist. Der Witterungsfühler 20 ist mit einem
Vorlauffühler 42 im Heizungskreis 10 verbunden, und der Brenner 4 wird direkt durch
den Witterungsfühler 20 gesteuert. Im übrigen entspricht die Heizungsanlage derjenigen
in Fiy. 4.
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Insgesamt führt die bisher stets bewußt vermiedene Maßnahme, den
Heizkessel 1 zur Erhöhung des Jahresbetriebswirkungsgrades nicht an den Raumtemperaturregler
14 bzw. den Witterungsfühler 20 anzuschließen, in Verbindung mit dem thermostatischen
Drei-Wege-Ventil 24 auf überraschend einfache Weise und unter Vermeidung der schädlichen
Rauchgaskondensation zu einer beträchtlichen Energieeinsparung.