DE3876648T2 - Mit gas beheizte heizanlage mit fluessigkeitsmantel. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Heizsystem und insbesondere auf ein Heizsystem, bei dem ein Infrarotbrennermodul benutzt wird, der eine Wärmetauscherschlange hat, die um einen Strahlungsbrenner herumgelegt ist.
• In Heizsystemen für Privathäuser und kommerzielle Gebäude arbeiten zentrale Öfen zum Erwärmen eines Raums alle nach demselben allgemeinen Prinzip. Luft für einen zu erwärmenden Raum zirkuliert um ein geschlossenes System und wird erwärmt, und zwar entweder wenn sie durch einen Wärmetauscher hindurchgeht, der mit einem brennenden Brennstoff in Kontakt ist, oder wenn sie mit einem Sekundärfluid in Kontakt gebracht wird, das durch einen brennenden Brennstoff erwärmt worden ist. Da das Verbrennen des Brennstoffes zur Erzeugung von schädlichen Verbrennungsgasen mit Austrittstemperaturen, die 260 ºC (500 ºF) überschreiten können, führt, ist es notwendig, die Abgase über einen Schornstein oder Kamin in die Atmosphäre austreten zu lassen. Diese systeme haben wegen der hohen Austrittstemperaturen der Verbrennungsgase einen relativ schlechten Wirkungsgrad und sind wegen der Konstruktion des notwendigen Schornsteins oder Kamins relativ teuer.
• Ein indirekt gefeuerter Ofen, d.h. einer, bei dem die Luft, die erwärmt wird, nicht in direkten Kontakt mit den erzeugten Verbrennungsgasen kommt, wird im allgemeinen sowohl in Umluftsystemen als auch in Systemen mit Wärmeübertragung durch strömende Medien benutzt.
• Ein Umluftsystem besteht hauptsächlich aus einem Wärmetauscher, der Verbrennungskammern hat, die in Relation zu der Strömung der zu erwärmenden Luft so angeordnet sind, daß Brennstoff an dem unteren Ende der Kammer eingeleitet wird, wo eine Verbrennungsflamme bewirkt, daß Wärme erzeugt wird.
• Die Wärme steigt durch eine Reihe von inneren Durchlässen nach oben, bevor sie über ein oberes Ende der Verbrennungskammer in den Schornstein oder Kamin austritt. Gleichzeitig geht umgewälzte Raumluft, die erwärmt werden soll, an der Außenseite der Wärmetauscher vorbei, um durch Leitung und Konvektion Wärme zu absorbieren.
• Ein System, in welchem die Wärmeübertragung durch strömende Medien erfolgt, besteht hauptsächlich aus einem Feuerraum, in welchem ein Wärmetauscher angeordnet ist. Der Wärmetauscher ist in einer geschlossenen Schleife zum ständigen Umwälzen von Fluid, z.B. Wasser, von dem Wärmetauscher aus zu einem entfernten Radiator, der in dem zu erwärmenden Raum angeordnet ist. Dieses System hat jedoch ebenfalls einen relativ schlechten Wirkungsgrad und ist teuer, und zwar wegen der Verbrennungsgastemperaturen am Auslaß des Feuerraums, der Kosten des Kamins und der Verzögerung beim Erwärmen der Flüssigkeitsmasse in der geschlossenen Schleife.
• Bei einem Versuch, den Wirkungsgrad eines Heizsystems zu erhöhen, sind Kondensationsöfen geschaffen worden. In Kondensationsöfen werden die Verbrennungsabgase benutzt, um die Raumluft vorzuwärmen, bevor diese Luft mit dem Primärwärmetauscher in Kontakt kommt. Daher werden bei diesem Typ von Ofen die Austrittstemperaturen reduziert, es werden aber korrosive Kondensate gebildet, da die Verbrennungsabgase unter ihren Taupunkt gebracht werden.
• Ein weiterer Nachteil von bekannten Heizsystemen ist die beträchtliche Größe des Ofens. Die große Ofenkonstruktion ist das Ergebnis der Notwendigkeit von großen Wärmeaustauschflächen zum übertragen der Wärme von den Verbrennungsprodukten des Bandbrenners auf die Raumluft oder auf zur Wärmeübertragung eingesetzte strömende Medien.
• Noch ein weiterer Nachteil von bekannten Heizsystemen ist die Verwendung von ausschließlich Luft oder Wasser als Heizmedium.
• Ein weiteres Problem bei Raumbeheizungsanlagen ist das lästige niederfrequente Geräusch, das als Verbrennungsbrummen bezeichnet und durch Verbrennungsprodukte innerhalb des Ofens verursacht wird. Das gilt insbesondere dann, wenn der Ofen mit einem Kanal des Heizsystems verbunden ist, welcher das Geräusch verstärkt.
• Noch ein weiteres Problem bei bekannten Heizsystemen ist, daß infolge des in diesen Systemen benutzten Verbrennungsprozesses ein Ofen normalerweise gasförmige Verbrennungsprodukte erzeugt, die Stickstoffoxide (NOx) enthalten, welche als Rauchgase in die Atmosphäre entlassen werden. Es ist erwünscht, diese Stickstoffoxidemissionen zu begrenzen, da NOx als ein Schadstoff betrachtet wird und da Verbrennungssysteme für gasgefeuerte Öfen, die in gewissen geographischen Gebieten verkauft werden, strikte NOx-Emissionswerte einhalten müssen.
• Ein Heizsystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 ist in der GB-A-2 160 967 beschrieben. Das bekannte Heizsystem hat eine einreihige Schlange. Ein oberer Teil der Schlange ist neben einem Strahlungsbrenner angeordnet, wogegen ein unterer Teil der Schlange neben einem Stopfen angeordnet ist, welcher im unteren Teil der Schlange zentrisch angeordnet ist. Der Stopfen trägt zur turbulenten Strömung bei und zwingt die Verbrennungsgase, um die unteren Windungen der Schlange zu strömen. In der DE-B-2 215 188 ist ein Heizmodul beschrieben, der eine Mehrfachschlangenwärmeaustauschrohrleitung hat.
• Ziel der Erfindung ist es, ein verbessertes Heizsystem zu schaffen, das ruhig und kompakt ist, einen guten Wirkungsgrad hat und in großem Maße die im Stand der Technik vorhandenen Probleme beseitigt.
• Gemäß der Erfindung wird, um das zu erreichen, ein Heizsystem zum Beheizen eines Raums geschaffen, mit einer geschlossenen Fluidströmungsschleifeneinrichtung, durch die ein Wärmeübertragungsfluid hindurchströmt; einer Einrichtung zum Umwälzen des Wärmeübertragungsfluids in der geschlossenen Fluidströmungsschleifeneinrichtung; einer Heizmoduleinrichtung zum übertragen von Wärme auf das Wärmeübertragungsfluid, das durch die geschlossene Fluidströmungsschleifeneinrichtung strömt, wobei die Heizmoduleinrichtung eine Tankhülle aufweist, einen innerhalb der Tankhülle angeordneten Infrarotbrenner, wobei der Brenner mit einer Zufuhr einer Mischung aus dampfförmigem Brennstoff und Luft verbunden ist, eine wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung, die innerhalb der Tankhülle und in Wärmeaustauschbeziehung zu dem Infrarotbrenner angeordnet ist, wobei die Wärmeaustauschrohrleitung einen Einlaß und einen Auslaß hat und neben dem Infrarotbrenner angeordnet ist, um Wärme zum Erwärmen des durch die Rohrleitung strömenden Fluids aus dem Infrarotbrenner zu absorbieren; und einer Gebläse-Schlange, die in die geschlossene Fluidströmungsschleifeneinrichtung stromabwärts der Heizmoduleinrichtung geschaltet ist, um Wärme von dem Fluid auf den zu erwärmenden Raum zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung mehrere Schlangen aufweist, zu denen eine äußere Schlange und eine innere Schlange gehören, wobei der Einlaß mit der äußeren Schlange verbunden ist, wobei der Auslaß mit der inneren Schlange verbunden ist und wobei die äußere Schlange mit der Tankhülle in Kontakt ist, daß die Tankhülle eine Kondensatspiegelsteuereinrichtung enthält, um einen vorbestimmten Kondensatspiegel in der Tankhülle aufrechtzuerhalten, und daß die wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung neben dem Infrarotbrenner insgesamt auf der gesamten Länge desselben angeordnet ist.
• Es wird somit ein flüssigkeitsgestützter, gasgefeuerter Heizmodul geschaffen, der NOx-Emissionen auf einen gewünschten Wert begrenzen wird, ohne den Verbrennungswirkungsgrad des Systems zu reduzieren. Das modulare Heizgerät hat einen Strahlungsbrenner, der wirksam Wärme von den heißen Verbrennungsprodukten auf ein umgewälztes Fluid in einer Wärmetauscherschlange überträgt, die um den Brenner herumgelegt ist. Dadurch, daß die äußere Einlaßschlange nun mit dem äußeren Gehäuse oder der Tankhülle in Kontakt ist, wird das Gehäuse kühl gehalten, da die Flüssigkeit in der äußeren Schlangenreihe auf etwa 21 ºC - 38 ºC (70 ºF -100 ºF) oder darunter ist. Weiter, durch Aufrechterhalten eines gewissen Kondensatspiegels in dem Modul wird auch der untere Teil des Moduls kühl gehalten. Außerdem, die wendelförmigen Schlangenreihen können im Parallelstrom für Zweiphasenflüssigkeiten, z.B. Kältemittel, angeordnet sein, um hoch überhitzten Dampf zu verhindern, wogegen die Schlangen im Gegenstrom für Einphasenflüssigkeiten, z.B. Wasser, angeordnet sind, um maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Daher kann es sich bei dem Fluid um eine Vielfalt von Flüssigkeiten handeln, z.B. Wasser, Wasser-Glycol, Kältemittel 22, 12, 500, 113 oder 11. Vorzugsweise hat die wendelförmige Wärmetauscherschlange eine blanke oder glatte Oberfläche in der Strahlungszone wegen der besseren Absorption von Strahlungswärme und wegen des guten Oberflächenemissionsvermögens zum Absorbieren von Strahlungswärme und ein beschichtetes Hauptrohr in der Konvektionszone zum Schützen der Rohrleitung vor saurem Kondensat.
• Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihrer Arbeitsweise und der besonderen Vorteile, die durch ihren Gebrauch erzielt werden, wird auf die beigefügten Zeichnungen und die folgende Beschreibung Bezug genommen, in der eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben ist.
• In den beigefügten Zeichnungen, die Teil der Beschreibung sind und in denen gleiche oder entsprechende Teile in allen Zeichnungen mit gleichen Bezugszahlen versehen sind, ist
• Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit Wärmeübertragung durch strömende Medien; und
• Fig. 2 eine teilweise weggebrochene Seitenansicht des flüssigkeitsgestützten, gasgefeuerten Heizmoduls nach der Erfindung, der eine zweireihige Schlange in Parallelstromanordnung hat.
• Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des flüssigkeitsgestützten, gasgefeuerten Heizmoduls nach der vorliegenden Erfindung, der eine dreireihige Schlange in Gegenstromanordnung hat.
• Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt eine schematische Ansicht eines Wohnungsheizsystems 10, bei dem ein flüssigkeitsgestützter Heizmodul 12 benutzt wird, um dem System Energie zuzuführen. Das Heizsystem 10 hat einen Heizmodul 12, eine entfernte Gebläse-Schlange 14 und eine Flüssigkeitspumpe 16. Die entfernte Gebläse-Schlange 14 kann üblicherweise ein Rippenblechwärmetauscher oder ein Radiator sein, durch den Luft in Richtung des Pfeils hindurchströmt. Radiatoren werden im allgemeinen in Systemen mit Wärmeübertragung durch strömende Medien benutzt, bei denen die Luft in dem zu erwärmenden Raum durch Schwerkraft umgewälzt wird. In einem herkömmlichen Umluftsystem wird Luft aus dem Raum über Kaltluftkanäle abgesaugt und, nachdem sie um den Wärmetauscher in dem Ofen herumgegangen ist, über Heißluftkanäle abgegeben. Normalerweise ist ein Gebläse in dem Ofen vorgesehen, um die Luft zwischen dem Ofen und den Räumen oder einem anderen zu beheizenden Bereich zwangsweise umzuwälzen. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Gebläse-Schlange 14 mit dem Auslaß des Heizmoduls 12 durch einen Rohrabschnitt 22 verbunden. Das Fluid in dem Heizsystem zirkuliert von der Gebläse-Schlange l4 aus durch einen Rohrabschnitt 24 unter dem Druck der Flüssigkeitspumpe 16 und wird über einen Rohrabschnitt 26 zu dem Heizmodul 12 zurückgeleitet. Ein Expansionstank 28 ist mit dem Rohrabschnitt 26 verbunden, um das Volumen der expandierenden Flüssigkeit aufzunehmen und Druckstöße in dem Heizsystem zu dämpfen. Der Heizmodul 12 hat, wie dargestellt, eine Gasleitung 30 mit einem Regler 32 zur Brennstoffversorgung des Moduls. Weiter, Luft wird dem Modul über eine Leitung 34 zugeführt. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird auf dem im folgenden beschriebenen Infrarotbrenner verbrannt, und die Verbrennungsgase werden aus dem Modul über das Rauchgasrohr 36 mittels eines Sauggebläses 38 abgegeben. Wenn jedoch der Druckabfall an dem Modul für ein Sauggebläse zu hoch ist, kann stromaufwärts des Moduls ein Druckluftstromgebläse benutzt werden. Eine Zündvorrichtung 40 ist eine herkömmliche Ofensteuereinrichtung und wird hier nicht im einzelnen beschrieben. Bei einer herkömmlichen Steuereinrichtung wird ein Funkenzündsystem benutzt, um das Luft/Brennstoff-Gemisch zu zünden, und ein Flammensensor wird benutzt, um festzustellen, ob die Verbrennung tatsächlich stattfindet. Das Steuersystem kann beispielsweise ein Direktfunkenzündsystem, Modell S87D von Honeywell, sein.
• Der Heizmodul 12 hat, wie am besten in Fig. 2 gezeigt, ein Gehäuse 20, in welchem ein Infrarotbrenner zentrisch angeordnet ist. In dieser Ausführungsform wird Luft über die Luftleitung 34 zugeführt, und Brennstoff wird über den Regler 32 und die Gasleitung 30 zugeführt, so daß die Luft und der gasförmige Brennstoff 100% vorvermischt werden und somit keine Sekundärverbrennung erfolgt. Eine Wärmeaustauscheinrichtung 19 ist mi Abstand von dem Infrarotbrenner 18 angeordnet, um Wärme aus dem Infrarotbrenner zu empfangen. Durch die Wärmaustauscheinrichtung, die die Form einer zweireihigen, wendelförmigen Schlange hat, strömt ein Fluid, z.B. Kältemittel, welches Wärme aus dem Infrarotbrenner 18 aufnimmt und diese Wärme an den zu erwärmenden Raum über die entfernte Gebläse-Schlange 14 abgibt. Das Kältemittel tritt in die innere Schlange über den Einlaß 21 ein und strömt abwärts durch die innere Schlange und aufwärts durch die äußere Schlange 15 und zu dem Auslaß 23 hinaus. Diese Parallelströmung einer Zweiphasenflüssigkeit verhindert eine starke Überhitzung des Dampfes. Darüber hinaus wird die Wärmeaustauscheinrichtung 19 sowohl durch Strahlungs- als auch durch Konvektionswärmeübertragung von dem Infrarotbrenner 18 aus erwärmt.
• In Fig. 3 sind die benachbarten Schlangen einer dreireihigen, wendelförmigen Schlange in engem Abstand angeordnet, um mehrere Wände zu bilden. In dieser Ausführungsform tritt das Fluid in die äußere Schlange 15 über den Einlaß 21 ein und über den Auslaß 23 in der inneren Schlange 17 aus. Daher werden die Verbrennungsgase längs der inneren Wand der inneren Schlange 17 strömen und dann abwärts zwischen der inneren und mittleren Schlangenwand und aufwärts zwischen der mittleren und äußeren Schlangenwand strömen, um über das Sauggebläse 38 in die Atmosphäre abgegeben zu werden. Die Schlange ist somit im Gegenstrom für Einphasenfluids, z.B. Wasser, für maximalen Wirkungsgrad angeordnet. Die wendelförmige Schlange ist neben dem Infrarotbrenner 18 und insgesamt auf der gesamten Länge desselben angeordnet.
• Die äußere Schlange 15 nach der vorliegenden Erfindung ist in direktem Kontakt mit dem Gehäuse 20, um das Gehäuse kühl zu halten, da das Fluid in der äußeren Schlange im allgemeinen auf 21-38 ºC (70 ºF - 100 ºF) ist. Weiter, gemäß der Darstellung in Fig. 3 sammelt sich Kondensat 27 am unteren Ende des Moduls, um den Boden des Moduls kühl zu halten. Der Spiegel des Kondensats 27 wird durch einen Syphon 41 aufrechterhalten. Darüber hinaus erfordert das saure Kondensat einen Schutzüberzug 29, z.B. eine Schicht Polypropylen, um die blanke oder glatte Oberfläche der Schlangen zu schützen. Blankes Rohr ergibt eine bessere Absorption von Strahlungswärme als Rippenrohr und ist leichter überziehbar.

Claims (4)

1. Heizsystem zum Erwärmen eines Raums, mit einer geschlossenen Fluidströmungsschleifeneinrichtung, durch die ein Wärmeübertragungsfluid hindurchströmt; einer Einrichtung (16) zum Umwälzen des Wärmeübertragungsfluids in der geschlossenen Fluidströmungsschleifeneinrichtung; einer Heizmoduleinrichtung (12) zum Übertragen von Wärme auf das Wärmeübertragungsfluid, das durch die geschlossene Fluidströmungsschleifeneinrichtung strömt, wobei die Heizmoduleinrichtung (12) eine Tankhülle (20) aufweist, einen innerhalb der Tankhülle (20) angeordneten Infrarotbrenner (18), wobei der Brenner (18) mit einer Zufuhr einer Mischung aus dampf förmigem Brennstoff und Luft verbunden ist, eine wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung (19), die innerhalb der Tankhülle (20) und in Wärmeaustauschbeziehung zu dem Infrarotbrenner (18) angeordnet ist, wobei die Wärmeaustauschrohrleitung (19) einen Einlaß (21) und einen Auslaß (23) hat und neben dem Infrarotbrenner (18) angeordnet ist, um Wärme zum Erwärmen des durch die Rohrleitung (19) strömenden Fluids aus dem Infrarotbrenner (18) zu absorbieren; und einer Gebläse-Schlange (14), die in die geschlossene Fluidströmungsschleifeneinrichtung stromabwärts der Heizmoduleinrichtung (12) geschaltet ist, um Wärme von dem Fluid auf den zu erwärmenden Raum zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung (19) mehrere Schlangen aufweist, zu denen eine äußere Schlange (15) und eine innere Schlange (17) gehören, wobei der Einlaß (21) mit der äußeren Schlange (15) verbunden ist, wobei der Auslaß (23) mit der inneren Schlange (17) verbunden ist und wobei die äußere Schlange (15) mit der Tankhülle (20) in Kontakt ist, daß die Tankhülle (20) eine Kondensatspiegelsteuereinrichtung (41) enthält, um einen vorbestimmten Kondensatspiegel in der Tankhülle (20) aufrechtzuerhalten, und daß die wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung (19) neben dem Infrarotbrenner (18) insgesamt auf der gesamten Länge desselben angeordnet ist.

2. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung (19) eine glatte äußere Oberfläche hat.

3. Heizsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sauggebläseeinrichtung (38) zum Hindurchsaugen von Verbrennungsprodukten durch die Tankhülle (20).

4. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelförmige Wärmeaustauschrohrleitung (19) drei Schlangen aufweist.