Heizgerät

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere für gasförmige Brennstoffe. Dieses besteht aus einem Gehäuse (1) mit einer von einer Brennstoffzufuhr (2) aus beschickbaren Brennkammer (K), die mit einem Abgasanschluß in Verbindung steht und die durch Wände (6) von das Wärmeträgermedium führenden, mit Vor- und Rücklaufanschlüssen (7, 8) versehenen Räumen (9) getrennt ist. Dabei sind in der von den Wänden (6) begrenzten Brennkammer (K) Wärmeableitelemente (10) angeordnet. Nach der Erfindung ist die von den Wänden (6) begrenzte Brennkammer (K) von im wesentlichen quer zur Heizgasdurchströmrichtung angeordneten, stiftförmig ausgebildeten und über den ganzen Durchströmbereich verteilten Wärmeableitelementen (10) durchgriffen. Diese sind in einer zueinander zwar dichten aber Wärmestrahlungsübertragung zu den Wänden (6) hin zulassenden Verteilung angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Heizgerät gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Heizgeräte dieser Art - abgesehen davon, daß die im Oberbegriff des Anspruches 1 gegebene Definition im weitesten Sinne für nahezu alle Heizkessel gilt - sind bspw. nach der DE -A- 26 52 522 C2 bekannt. Bei diesem Heizgerät bzw. Heizkessel ist der der Verbrennung dienende Raum mit Granulat eines bei hohen Temperaturen strahlenden Materials gefüllt, d.h., die Verbrennung des zugeführten Brennstoffes erfolgt in einem porösen Festkörper, der die Wärme durch Strahlung und auch durch Leitung an vom Wärmeträger gekühlte Wände abgibt. Bedingt durch die Granulatschicht, die weder hinsichtlich Strahlung noch hinsichtlich Wärmeleitung ein kombiniert ideales Medium darstellt, ist eine gezielte und bzgl. der die Strahlung und Wärmeleitung bewirkenden Elemente geometrisch definierte Einflußnahme zur Einstellung der optimalen Verbrennungstemperatur der Heizgase nicht ohne weiteres möglich. Egal ob es sich bei den Wärmeableitelementen um eine Granulatschüttung handelt oder um einen porösen Festkörper, kann außerdem Wärmestrahlung von derartigen Wärmeableitelementen praktisch nur von den Bereichen ausgehen, die sich unmittelbar benachbart zu den begrenzenden Wänden befinden, d.h., direkte Wärmeabfuhr durch Strahlung aus den inneren Bereichen solcher Schüttungen oder poröser Festkörper ist nicht möglich.

[0003] Der Erfindung liegt, ausgehend von einem Heizgerät der eingangs genannten Art, die Aufgabe zugrunde, dieses dahingehend bei per se zu fordernder kompakter Bauweise und schadstoffarmer Verbrennung so auszugestalten und zu verbessern, daß eine gezielte und günstige Temperaturbeeinflussung der Heizgase gegeben ist und zwar verbunden mit der Maßgabe, daß die die Wärmeleitung bewirkenden Elemente hinsichtlich der Strahlung sich nicht gewissermaßen selbst im Wege stehen, wie dies insbesondere bei porösen Festkörpern bzw. Granulatschüttungen im Brennraum der Fall ist.

[0004] Diese Aufgabe ist mit einem Heizgerät der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des unabhängigen Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich nach den abhängigen Aansprüchen 2 bis 15.

[0005] Die stiftförmigen, also praktisch Stabrippen bildenden Wärmeableitelemente durchsetzen, zueinander jeweils freistehend, die Brennkammer und stellen zueinander zu den die Brennkammer begrenzenden Wänden hin keine Strahlungsbarrieren dar, d.h., die Strahlung wirkt also auch aus dem mittleren Bereich der Brennkammer heraus unbehindert auf die diese begrenzenden Wände. Da ferner die Wär-meableitelemente bzw. Stabrippen im Gegensatz zu porösen Feststoffschüttungen geometrisch definierte Elemente darstellen, hat man es durch Materialauswahl, Querschnittsbemessung, Dichteanordnung und auch Einbindungstiefe in die die Verbrennungszone begrenzenden Wände in der Hand, in der Verbrennungszone für optimale Verbrennungstemperaturen zu sorgen, wobei es vorteilhaft ohne weiteres möglich ist, die Wärmeableitelemente katalytisch zu beschichten und diese bzgl. ihrer Verteilung so zueinander anzuordnen, daß sich entweder eine katalytisch unterstützte oder eine voll katalytische Verbrennung mit einer max. Verbrennungstemperatur von 900°C ergibt.

[0006] Abgesehen von den im einzelnen noch näher zu erläuternden Weiterbildungen und vorteilhaften Ausführungsformen wird insbesondere eine solche bevorzugt, bei der die Brennkammer in eine Brennzone und eine Abkühlzone gegliedert ist, wobei die der Abkühlzone benachbarten, den Wärmeträger führenden Räume ebenfalls mit stiftförmigen Wärmeableitelementen durchsetzt sind, was so zu verstehen ist, daß die Stabrippen, die die Abkühlzone durchsetzen, diese begrenzenden Wände durchgreifen und auch die benachbarten, den Wärmeträger führenden Räume durchsetzen, d.h., im Bereich der Abkühlzone erfolgt Wärmeleittransport aus dieser direkt via Wärmeableitelemente in die benachbarten, den Wärmeträger führenden Räume.

[0007] Im übrigen sind unter "Stabrippen" auch solche zu verstehen, die, in ihrer Erstreckungsrichtung gesehen, flach-rechteckige Querschnitte haben und mit ihrer Querschnittshauptachse in Strömungsrichtung orientiert sind.

[0008] Das erfindungsgemäße Heizgerät und dessen vorteilhafte Weiterbildungs- und Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0009] Es zeigt

Fig. 1

einen Schnitt durch das Gasheizgerät in bevorzugter Ausführungsform längs Linie I-I in Fig. 3;

Fig. 2

einen entsprechenden Schnitt längs Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3

das Gasheizgerät gemäß Fig. 1, 2 in Seitenansicht;

Fig. 4

vergrößert einen hälftigen Schnitt gemäß Fig. 1;

Fig. 5

noch stärker vergrößert einen Teilschnitt des Heizgerätes im Bereich der Verbrennungszone;

Fig. 5A

das sich ergebende Temperaturprofil in der Verbrennungszone gemäß Fig. 5;

Fig. 6

zum Vergleich einen Fig. 5 entsprechenden Schnitt durch eine einen porösen Festkörper enthaltende Verbrennungszone;

Fig. 6A

ein Vergleichstemperaturprofil, wie es sich für die einen porösen Festkörper enthaltende Verbrennungszone ergibt;

Fig. 7, 8

im Teilschnitt besondere Ausführungs- und Anordnungsformen der Wärmeableitelemente im Bereich der Verbrennungszone;

Fig. 8A

schematisch und in Draufsicht die Verteilung der Wärmeableitelemente über einen Flächenbereich der Brennkammer;

Fig. 9

einen Schnitt entsprechend Fig. 4 durch eine besondere Ausführungsform und

Fig. 10

im Schnitt eine Ausführungsform des Heizgerätes mit zwei Brennkammern.

[0010] Das Heizgerät besteht nach wie vor aus einem Gehäuse 1 mit einer von einer Brennstoffzufuhr 2 aus beschickbaren Brennkammer K, die mit einem Abgasanschluß 5 in Verbindung steht und die durch Wände 6 von das Wärmeträgermedium führenden, mit Vor- und Rücklaufanschlüssen 7, 8 versehenen Räumen 9 getrennt ist, wobei in der von den Wänden 6 begrenzten Brennkammer K Wärmeableitelemente 10 angeordnet sind.

[0011] Für ein solches Heizgerät ist nun wesentlich, und zwar unabhängig von der dargestellten und bevorzugten kreisscheibenförmigen Ausführungsform des Heizgerätes, daß die von den Wänden 6 begrenzte Brennkammer K von im wesentlichen quer zur Heizgasdurchströmrichtung angeordneten, stiftförmig ausgebildeten Wärmeableitelementen 10 durchgriffen ist, die in einer zueinander zwar dichten aber eine Wärmestrahlungsübertragung zu den Wänden 6 zulassenden Verteilung angeordnet sind.

[0012] Bezüglich einer optimalen Strahlungsübertragung wurde für die Verteilung der Wärmeableitelemente 10 gefunden, daß diese (siehe Fig.8 und Fig.8A) in der spaltartigen Brennkammer K durch das Produkt aus Durchmesser d und Abstand s der Wärmeableitelemente 10 ≤ 10 mm² gegeben ist und das Verhältnis von Durchmesser d der Wärmrableitelemente 10 bzw. Stabrippen zu deren Höhe h ≤ 0,5 beträgt.

[0013] Nachfolgend wird auf die bevorzugte Ausführungsform Bezug genommen, bei der, wie dargestellt, die Brennkammer K in eine Verbrennungszone 3 und eine Abkühlzone 4 gegliedert ist.

[0014] Die Wärmeableitelemente 10 sind (siehe Fig. 5) also als Stabrippen ausgebildet, bestehen aus gut reflektierendem Material oder weisen eine gut reflektierende Beschichtung auf und enden bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 im die Wände 6 bildenden Material, für das bevorzugt Keramik in Frage kommt und diesbezüglich wiederum bevorzugt Transparentkeramik, wie sie bspw. zur Ausbildung der Kochfelder von modernen Elektroherden verwendet wird. Durch derartiges Keramikmaterial kann die von den Wärmeableitelementen 10 ausgehende Strahlung direkt auf den in den Räumen 9 geführten Wärmeträger wirken. Fig. 5 macht im übrigen auch deutlich, daß aus dem mittigen Bereich der Verbrennungszone 3 von den Stabrippen ausgehende Strahlung unbehindert an die Wände 6 gelangen kann. Die in Fig. 5 dargestellte "Eintauchtiefe" der Enden der Stabrippen in die Wände 6 ist nur beispielhaft zu verstehen, d.h., die Enden können ggf. auch, wie gestrichelt in Fig. 5 angedeutet, bis zur kühlwasserbeaufschlagten Fläche 9' der Räume 9 reichen oder mit noch geringerer Tiefe, wie dargestellt, in den Wänden 6 eingebunden sein. Durch diese Eintauch-bzw. Einbindungstiefe kann gezielt auf den Wärmeleitungsübergang in die Wände 6 Einfluß genommen werden.

[0015] Unabhängig davon, ob die Wärmeableitelemente 10 in der Verbrennungszone 3 aus Metall oder, wie die Wände 6, aus geeigneter Keramik bestehen, ist es ohne weiteres möglich, die Stabrippen mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung 13 zu belegen, um die Verbrennung katalytisch zu unterstützen, oder diese voll katalytisch durchzuführen, wofür dann allerdings geringere Stabrippenabstände erforderlich sind.

[0016] Unter Verweis auf Fig. 3 wird die dort dargestellte kreisscheibenförmige Ausführungsform mit zentrischer Anordnung der Gaszufuhr 2 bevorzugt, wobei außerdem das Gehäuse 1 aus zwei gas- und flüssigkeitsdicht zusammengefügten Schalen 1' gebildet ist, zwischen denen die von den Wänden 6 begrenzten Verbrennungs- und Abkühlzonen 3, 4 angeordnet sind, wodurch sich ein gleichermaßen kompaktes und zusammenfügbares Heizgerät ergibt.

[0017] In diesem Fall stellen sich die Wände 6 mit ihren Wärmeableitelementen 10 als Ringscheiben dar, die, wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich, abgedichtet und lagefixiert im Gehäuse 1 angeordnet sind. Zweckmäßig und vorteilhaft bilden dabei die beiden Ringscheiben mit ihren Stabrippen bzw. Wärmeableitelementen 10 einen in sich zusammenhängenden Block, dessen Verbrennungszone 3 der von der Gaszufuhr 2 kommende Brennstoff durch einen porösen oder gelochten zylindrischen Verteiler 12 zugeführt wird, der auch zur Flammstabilisierung als Flammrückschlagbarriere dient. Die ringförmige Abkühlzone 4 ist dabei mit einer entsprechend ringförmigen, zum oben angeordneten Abgasanschluß 5 führenden Abgassammelleitung 5' umgeben.

[0018] Im übrigen müssen die Wände 6 - dies sei am Rande bemerkt - nicht zwingend aus Keramik bestehen, sondern es können auch geeignete Metalle in Betracht gezogen werden, wobei es jedoch erforderlich ist, einer zu massiven Wärmeabfuhr aus der Verbrennungszone 3 entgegenzuwirken, dem in der Weise genügt werden kann, daß man die Wände 6 im Bereich der Verbrennungszone 3 wärmeträgerseitig mit einer wärmedurchgangsbehindernden Lage ausstattet, was nicht besonders dargestellt ist, da ohne weiteres vorstellbar.

[0019] Würde man in der Verbrennungszone 3 statt der Stabrippen (Fig. 5) einen porösen Festkörper (Fig. 6) anordnen, so würde das Temperaturprofil oben aus der in Fig. 5A schraffierten Zone der optimalen Verbrennungstemperatur herauslaufen (siehe Fig. 6A), und zwar bedingt dadurch, daß Wärme durch Strahlung nicht aus dem mittleren Bereich der Festkörperschüttung FS abgeführt werden kann, eben weil sich, wie vorerwähnt, die Festkörperschüttungen zu den Wänden 6 hin für eine Abstrahlung selbst im Wege steht.

[0020] Zu erläutern sind nun noch die besonderen Ausführungsformen nach den Fig. 7 bis 10.

[0021] Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind die stiftförmig ausgebildeten Wärmeableitelemente 10 Teile eines zu den Wänden 6 parallelen und die Brennkammer K mittig teilenden Trägers 10', bei dem es sich bspw. um eine Lochplatte handeln kann, in die die Stabrippen eingesetzt sind. Träger 10' und Stabrippen bzw. Wärmeableitelemente 10 können aber insgesamt auch einen integralen Keramikformkörper bilden. Im einen wie im anderen Fall stehen dabei die Enden der Stabrippen in Wärmeleitkontakt mit den Wänden 6.

[0022] Die Ausführungsform nach Fig. 8 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 7 dadurch, daß hierbei die Stabrippen beidendig im Träger 6' eingebunden sind, die wärmeleitend an den Wänden 6 anliegen.

[0023] In beiden Fällen können dadurch die Wärmeableitelemente 10 in der Verbrennungszone 3 en bloc eingesetzt und erforderlichenfalls auch einfach ausgetauscht werden.

[0024] Da sich Keramik auch zu Fäden verarbeiten und weben läßt, hat sich für die Träger 10' (Fig. 7) und 6' (Fig. 8) als besonders herstellungsgünstig eine Ausführungsform dahingehend erwiesen, bei der die Träger 6', 10' aus einem zu einer Fläche geformten Band gebildet und dabei die Stabrippen im Band oder zwischen vom Band gebildeten Lagen eingebunden sind. Im Falle dieser Ausführungsform bildet dabei das gewickelte oder gefaltete Band die Träger 6', 10'. Ein Wickel muß dabei keineswegs seine Kreisscheibenform behalten, d.h., dieser kann nach der Wicklung bspw. auch rechteckig bzw. quadratisch verpreßt werden und zwar in Abhängigkeit davon, welche Gehäuseform das Heizgerät tatsächlich hat. Gasdichtheit solcher Flächen gewickelter oder gefalteter Träger 6', 10' ist dabei nicht erforderlich, da diese Träger nicht mit den Räumen 9 in Verbindung stehen.

[0025] Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform für eine modulare Leistungsanpassung, bei der zwischen den das Gehäuse 1 bildenden Schalen 1' zwei von Wänden 6 begrenzten Brennkammern K parallel zueinander angeordnet sind, wobei die benachbarten Wände 6 der Brennkammern K einen den Wärmeträger führenden Raum 9' begrenzen, der, wie ersichtlich und wie die äußeren Räume 9, ebenfalls mit den Vor- und Rücklaufanschlüssen 7, 8 verbunden ist. Um diese Ausführungsform einfach herstellen und montieren zu können, ist hierbei zwischen den Schalen 1' ein zusätzlicher Ring 1'' eingesetzt.

[0026] In Fig. 9 ist schließlich eine besondere Ausführungsform des Heizgerätes verdeutlicht, die bei Verwendung transparenter Keramik für die Wände 6 dank der möglich gemachten intensiven Strahlung insofern eine vorteilhafte Weiterbildung darstellt, als in den Wänden 6 Photovoltaikzellen 11 eingebunden sind, wodurch das Heizgerät zusätzlich zum Stromlieferanten wird.

Ansprüche

1. Heizgerät, insbesondere für gasförmige Brennstoffe, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit einer von einer Brennstoffzufuhr (2) aus beschickbaren Brennkammer (K), die mit einem Abgasanschluß (5) in Verbindung steht und die durch Wände (6) von das Wärmeträgermedium führenden, mit Vor- und Rücklaufanschlüssen (7, 8) versehenen Räumen (9) getrennt ist, wobei in der von den Wänden (6) begrenzten Brennkammer (K) Wärmeableitelemente (10) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von den Wänden (6) begrenzte, spaltartige Brennkammer (K) von im wesentlichen quer zur Heizgasdurchströmrichtung angeordneten, stiftförmig ausgebildeten und über den ganzen Durchströmbereich verteilten Wärmeableitelementen (10) durchgriffen ist, die in einer zueinander zwar dichten aber eine Wärmestrahlungsübertragung zu den Wänden (6) zulassenden Verteilung angeordnet sind.

2. Heizgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verteilung der Wärmeableitelemente (10) in der spaltartigen Brennkammer (K) durch das Produkt aus Durchmesser (d) und Abstand (s) der Wärmeableitelemente (10) ≤ 10 mm² und das Verhältnis von Durchmesser (d) zu deren Höhe (h) ≤ 0,5 definiert ist.

3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wände (6) aus Keramik gebildet sind.

4. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeableitelemente (10) aus Metall oder Keramik gebildet sind.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden der stiftförmig ausgebildeten Wärmeableitelemente (10) in das Material der Wände (6) eingebunden sind.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die stiftförmigen Wärmeableitelemente (10) aus Keramik gebildet sind und integrale Teile der Wände (6) bilden.

7. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die stiftförmig ausgebildeten Wärmeableitelemente (10) Teile eines zu den Wänden (6) parallelen und die Brennkammer (K) mittig teilenden Trägers (10') sind.

8. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeableitelemente (10) beidendig in flächig an den Wänden (6) wärmeleitend anliegenden Trägern (6') eingebunden sind.

9. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in der Verbrennungszone (3) angeordneten Wärmeableitelemente (10) mit einer katalytischen Beschichtung (13) versehen sind.

10. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkammer (K) in eine Brennzone (3) und eine Abkühlzone (4) gegliedert ist, wobei die der Abkühlzone (4) benachbarten, den Wärmeträger führenden Räume (9) ebenfalls mit stiftförmigen Wärmeableitelementen (10) durchsetzt sind.

11. Heizgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Wände (6) bildende Keramik eine transparente Keramik ist.

12. Heizgerät nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den Wänden (6) Photovoltaikzellen (11) angeordnet sind.

13. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (1) kreisscheibenförmig mit zentrischer Anordnung der Gaszufuhr (2) ausgebildet ist.

14. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (1) aus zwei gas- und flüssigkeitsdicht zusammengefügten Schalen (1') gebildet ist, zwischen denen die von den Wänden (6) begrenzten Verbrennungs- und Abkühlzonen (3, 4) angeordnet sind.

15. Heizgerät nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Schalen (1') mindestens zwei von Wänden (6) begrenzten Brennkammern (K) parallel zueinander angeordnet sind, wobei die benachbarten Wände (6) der Brennkammern (K) einen den Wärmeträger führenden Raum (9') begrenzen.

Zeichnung