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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fluidheizer gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.
Bekannte Fluidheizer älterer Ausführung weisen eine sogenannte thermoelektnsche Zündsicherung auf, bel der einem Zündbrenner des Hauptbrenners ein Thermoelement zugeordnet ist, dessen elektrische Ableitungen mit einer Magnetspuie eines Zündsicherungsventils verbunden sind. das demgemäss nur offengehalten werden kann, wenn der Zündbrenner brennt. Erlischt der Zündbrenner, so wird das Thermoelement nicht mehr beheizt, und das Zündsicherungsventil schliesst, so dass der Hauptbrenner nicht mehr In Betrieb genommen werden kann. Das Thermoelement dient also nur zum Betrieb des Zündsicherungsventils.
Da die Inbetriebnahme eines solchen Gerätes mit thermoelektrischer Zündsicherung relativ lange dauert - es muss nämlich erst das Thermoelement erwärmt werden, bis es einen zur Offenhaltung des Zündsicherungsventils erforderlichen Strom zu liefern Imstande ist-hat die Entwicklung bel neuzeitlichen Geräten andere Formen der Flammenüberwachung bevorzugt, hier sei insbesondere die lonisationsüberwachung durch die Flamme des Hauptbrenners genannt. Eine solche Überwachung machte auch einen permanent brennenden Zündbrenner unnötig, der zu dauerndem Gasverbrauch führt.
Es Ist weiterhin bekannt, über eine Turbine Im Wasserweg beim Durchtaufwasserheizer elektrische Energie zu erzeugen, um die Mess-, Regel- und Steuerinstrumente des Wasserheizers unabhängig von einem etwa bestehenden Netzanschluss mit Strom zu versorgen.
Bel Fluidheizern der eingangs näher bezeichneten Art kann es sich um Heizkessel oder Durchlauferhitzer handeln, die mit Gas, Öl oder festen Brennstoffen betrieben werden. Der In der Brennkammer oberhalb der Brennzone, in der sich die Flammen entwickeln, angeordnete Wärmetauscher kann ein Register, eine Heizschlange oder ein Kessel sein. Bel Heizkesseln, die an ein Heizungssystem angeschlossen sind, ist ein
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wobei die Rücklauftemperatur zwischen 30 und 70 C beträgt, während die Vorlauftemperatur üblicherwei- se zwischen 60 und 100 e C beträgt. Die metallische Oberfläche des Wärmetauschers erreicht während der Feuerung je nach Betriebsweise und Bauart Temperaturen zwischen 200 und 700. C.
Pnmärzweck dieses Fluidheizers ist die Aufheizung eines Wärmeübertragungsmediums (meist Luft oder Wasser).
Ein Thermoelement besteht Im Prinzip aus thermoelektrisch unterschiedlichen Materialien, zum Beispiel
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Metallenlen miteinander so fest verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von einem Stoff durch die Lötstelle zum anderen Stoff fliessen kann. Wird die eine Lötstelle erwärmt und die andere Lötstelle gekühlt, so entsteht eine elektrische Spannung zwischen den beiden Stoffen, und es fliesst ein elektrischer Gleichstrom.
Thermoelemente werden in Heizkesseln und Durchlauferhitzern bereits zahlreich zur Überwachung des Vorhandenseins der Flamme eingesetzt. Hier nutzt man die im Thermoelement erzeugte elektnsche Energie, um die Brennstoffzufuhr an- oder abzuschalten.
Auch sind aus der US 4 843 273 A, der GB 2 194 330 A und der DE 3 148 162 A 1 Vorschläge bekannt, Thermoelementen unter Einsatz von Brennern, von Warmluft oder von Wasserkühlung einen Temperaturunterschied aufzuprägen, um auf diese Weise eine elektrische Spannung/einen elektrischen Strom zu erzeugen. Bel diesen sogenannten thermoelektrischen Generatoren wird jedoch die an der kalten Lötstelle freiwerdende Wärmeenergie nicht weiter genutzt, beziehungsweise sie wird nicht als Integraler Bestandteil In der Aufwärmkette für das durch den Kessel/den Durchlauferhitzer In seinem Primärzweck zu erwärmende Wärmeübertragungsmedium genutzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen FlUid heizer so auszustatten, dass er zur elektrischen Leistungsversorgung anderweitiger Verbraucher geeignet ist und die bei der Elektrizitätserzeugung an den kalten Lötstellen entstehende Abwärme unmittelbar in die Fluiderhitzung eingesetzt wird, wodurch die bei der Elektrizitätserzeugung sonst auftretenden Energieverluste vermieden werden.
Die Lösung der Aufgabe besteht bel einem Fluidheizer der eingangs näher bezeichneten Gattung In den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches Hierbei wird durch die Anfügung der Thermoelemente oder Peltierelemente an Bereiche des Fluidheizers, die ohnehin vom Brenner erhitzt werden, nicht nur elektrische Leistung erzeugt, die für anderweitige Verbraucher zur Verfügung steht, sondern es wird auch die Abwärme der kalten Lötstelle zur Fluiderwärmung genutzt Unter Abwärme wird die Wärme verstanden, die die kalte Lötstelle beim Betrieb des Thermo-Elementes an das noch aufzuhel- zende Fluid abgibt. Dadurch wird ein sehr hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht.
Bildet man beispielsweise die das zu erwärmende Wasser umschliessenden Teile des Wärmetauschers nicht als einfachen Stahlmantel aus, sondern als breitflächige Bistoff-Verbindung auf Metallbasis und/oder Halbleiterbasis, so kann der so gebildete Mantel des Wärmetauschers während des Betriebes als grosse heisse Lötstelle eines Thermoelementes arbeiten, wenn gleichzeitig eine korrespondierende, einen zweiten Mantel bildende, kalte Lötstelle im Bereich des Kaltwasserzulaufs oder einer daran anschliessenden Wasserleitung angeordnet ist.
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Gehört zu dem Flou'heizer ein Heizsystem mit einem Kessel und einer Rücklaufleitung, dann soll gemäss Anspruch 2 die Rücklaufleitung den zweiten Mantel aus der Bistoff-Verbindung aufweisen, der die kalte Lötstelle bildet. Die Wärmeentwicklung In der kalten Lötstelle führt dazu, dass das Rücklaufwasser aus dem Heizsystem bereits in dem als Bistoff-Element ausgewähltem Teil der Rücklaufleitung aufgewärmt wird. Diese Wärmeleistung geht daher in der Gesamtenergiebilanz nicht verloren. Sie führt vielmehr dazu, dass das In den Kessel gelangende Wasser bereits eine höhere Temperatur hat.
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand figürlicher Pnnzipdarstellungen näher hervor.
Es zeigen :
Fig. 1 einen Durchlaufwasserheizer,
Fig. 2 eine Abgas-Frischluft-Führung eines Wasserheizers,
Fig. 3 einen atmosphärischen Gasbrenner eines Kessels,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Wärmetauscher eines Umlaufwasserheizers,
Fig. 5 eine Brennerplatte eines Umlaufwasserheizers,
Fig. 6 einen Heizschacht eines Umlaufwasserheizers,
Fig. 7 eine Luft-/Abgasführung eines Gebläsebrenners und
Fig. 8 eine weitere Alternative der Erfindung.
In allen acht Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
Ein Durchlaufwasserheizer 1 gemäss Fig. 1 weist einen atmosphärischen Gasbrenner 2 auf, der in einer Brennkammer 3 innerhalb eines Heizschachtes 4 angeordnet ist. Dieser Heizschacht 4 ist doppelwandig ausgebildet. Zwischen seiner Aussenwand 5 und seiner innenwand 6 befindet sich ein Zwischenraum 7, der vom aufzuheizenden Wasser gemäss dem Pfeil 8 durchströmt ist. Der Zwischenraum 7 ist an einen Kaltwasserzulauf 9 und einen Warmwasserablauf 10 angeschlossen, die einerseits mit einem speisenden Kaltwassernetz und zum anderen mit einer oder mehreren mit Warmwasser zu versorgenden Zapfstelle verbunden sind. In die Wasserführung des Heizschachtes 4 ist ein Lamellenwärmetauscher 11 eingeschaltet, der vom Wasser durchströmt ist.
Oberhalb des Wärmetauschers 11 ist eine Abgashaube 12 einer Strömungssicherung vorgesehen, die mit einem Abgasrohr 13 verbunden ist.
Die Abgashaube 12 ist, wie der linke Bereich der Zeichnung zeigt, durch ein einzelnes Blech gebildet, auf dessen dem Aufstellungsraum 14 zugewandter Seite eine Vielzahl von Thermoelementen 15 befestigt sind. Diese Thermoelemente 15 liegen jeweils mit ihrer heissen Lötstelle 37 aussen am Blech der Abgashau-
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dargestellten elektrischen Ableitungen sind gleichpolig zusammengefasst und als Kabel nach draussen gezogen, um zur Speisung eines ebenfalls nicht dargestellten elektrischen Verbrauchers zu dienen. Zur besseren Wärmeübertragung sind an den heissen Lötstellen 37 der Thermoelemente 15 Lamellen 16 vorgesehen, die In den Innenraum 17 innerhalb der Abgashaube 12 hineinragen. Zur Unterstützung der Kühlwirkung der kalten Lötstellen 38 können ebensolche Lamellen 18 in den Raum 14 hineinragen.
Im rechten Bereich der Fig. 1 ist die Strömungssicherung doppelwandig gestaltet, die einzelnen eine Batterie bildenden Thermoelemente 15 sind zwischen der Innenwand 19 und der Aussenwand 20 angeordnet, und zwar berühren sie mit den heissen Lötstellen 37 die Innenwand 19 und mit den kalten Lötstellen 38 die Aussenwand 20. Zur Unterstützung der Kühlung der kalten Lötstellen 38 sind in den Raumbereich 14 hineinragende Lamellen 18 vorgesehen.
Auch eine Abgas-Frischluft-Führung 13 eines Wasserheizers, insbesondere eines solchen gemäss Fig. 1, kann zur elektrischen Leistungserzeugung über die Thermoelementbatterie ausgenutzt werden, wie Fig. 2 verdeutlicht. Hier ist die Abgas-Frischluft-Führung 13 als konzentrisches Doppelrohr ausgebildet. Der Innenraum 21 des inneren Rohres dient der Führung der Abgase gemäss dem Pfeil 22. Das innere Rohr ist von einem Zwischenrohr 23 im Abstand 24 umgeben. Der Abstand 24 ist mit der Batterie von Thermoelementen 15 wenigstens teilweise gefüllt. Auf der Aussenwand 25 des Zwischenrohres 23 sind Lamellen 26 angeordnet, die mit den Lamellen 18 in Flg. 1 vergleichbar sind.
Diese Lamellen 26 ragen in einen Zwischenraum 27 hinein, der nach aussen von einem Aussenrohr 28 begrenzt 1St. Der Zwischenraum 27 dient der Zufuhr von Frischluft gemäss dem Pfeil 29, die in den Raum unterhalb des Brenners 2 geführt wird und dort als Verbrennungsluft dient. Es versteht sich, dass diese konzentrische Abgas-Frischluft-Führung 13 nicht nur für einen Wasserheizer, sondern auch für einen gasbeheizten Raumheizofen, einen Umlaufwasserheizer oder Kessel verwendet werden kann.
Die Abgas-Fnschluft-Führung 13 kann weiterhin zu einem beliebigen Brenner führen ; dies braucht kein atmosphärischer Gasbrenner zu sein, sondern kann ebensogut ein
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oder Ölzerstäubungsgebläsebrenner seinIn den Innenraum 21 des Abgasrohres können übrigens auch Lamellen 30 zur besseren Wärmeaufnahme aus dem Abgas hineinragen. Diese Lamellen 30 sind mit den Lamellen 16 in der Ausführung nach Fig.
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1 vergleichbar.
Der in der Fig. 3 teilweise dargestellte, von einem atmosphärischen Gasbrenner 2 beheizte Heizkessel für eine Warmwasserzentralheizung beheizt die Brennkammer 3, in der, dem Brenner zugeordnet, Flam-
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Brenners 2 Wärme zu entziehen, um die Bildung thermischer Stickoxyde zu verringern. Die Flammenkühl- stäbe 31 sind an mindestens einem ihrer beiden Enden 34 und 35 In der Brennkammerwandung 33 befestigt. Zwischen den Enden 34 und 35 der Flammenkühlstäbe 31 und einem Heizwasserrücklauf 36 des Heizungssystems ist die Batterie der Thermoelemente 15 angeordnet ; und zwar so, dass die heissen Lötstellen 37 der Thermoelemente 15 der Brennkammerwandung 33 beziehungsweise den Enden 34 der
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dem Heizwasserrücklauf 36 zugeordnet.
Die Fig. 4 zeigt das Innere eines Wärmetauschers 11 für einen Durchlauf- oder Umlaufwasserheizer.
Hierbei ist ein Wasserdurchlaufrohr 40 des Wärmetauschers 11 von Wasser gemäss dem Pfeil 41 durchströmt. Eine Aussenwandung 42 des Wasserdurchlaufrohres 40 ist von einem Aussenrohr 43 umgeben. In den Zwischenraum 44 zwischen beiden Rohren 40 und 43 ist die Batterie von Thermoelementen 15 angeordnet. Eine Aussenseite 45 des Aussenrohres 43 ist von Lamellen 46 umgeben, die den Abgasen eines Brenners ausgesetzt sind. Somit ist es möglich, über die Abgase des Brenners die heissen Lötstellen 37 der Thermoelemente 15 hoch zu erhitzen und die kalten Lötstellen 38 der Thermoelemente 15 vom Wasser zu kühlen. Diese Temperaturspreizung wird um so besser sein. je weiter dieser mit Thermoelementen 15 besetzte Teil des Wärmetauschers 11 im Bereich des kalten Wassers, also insbesondere des zuströmenden Wassers, angeordnet ist.
Die Fig. 5 zeigt eine Brennerplatte 47 eines Gasgebläsebrenners für einen Kessel. Diese Brennerplatte 47 weist eine Reihe von Brenngemisch-Austrittsöffnungen 48 auf, an denen sich die Flammen 32 ausbilden.
Die Brennerplatte 47 kann aus Metall oder auch aus Keramik bestehen. Der nicht weiter dargestellte Gussgliederblock des Kessels ist mit dem Heizwasserrücklauf 36, beispielsweise eines vom Kessel erwärmten Fussbodenheizungssystems, verbunden. Zwischen der Brennerplatte 47 und dem Heizwasserrücklauf 36 ist die Batterie der Thermoelemente 15 angeordnet ; und zwar so, dass die heissen Lötstellen 37 an der Brennerplatte 47 und die kalten Lötstellen 38 an dem Heizwasserrücklauf 36 anliegen.
Die Fig. 6 zeigt einen Umlaufwasserheizer, dessen Brennkammer 3 von einem Ölbrenner 2'beheizt ist, an dessen Oberseite sich die Flammen 32 ausbilden. Die Brennkammer 3 ist durch die Brennkammerwandung 33 begrenzt, an der die Batterie der Thermoelemente 15 mit den heissen Lötstellen 37 anliegen, während die kalten Lötstellen 38 von dem Heizwasserrücklauf 36 gekühlt werden.
Bei Verwendung eines Gebläsebrenners 2" gemäss Fig. 7 ist es im übrigen noch möglich, zur Kühlung der kalten Lötstellen 38 der Thermoelemente 15 die von einem Ventilator 52 des Gebläsebrenners 2" angesaugte Frischluft zu verwenden. An der Fnschluftzufuhrleitung 50 wäre somit die Batterie der Thermoelemente 15 mit ihren kalten Lötstellen 38 angeordnet, während die heissen Lötstellen 37 sich an der Abgasleitung 51 befinden.
Das wesentliche aller Ausführungsbeispiele der Erfindung liegt dann. dass eine Batterie von Thermoelementen 15 zur Stromversorgung externer Verbraucher derart an dem Ftutdheizer angeordnet ist, dass die heissen Lötstellen 37 sämtlicher Thermoelemente 15 vom Brenner (2, 2', 2") oder den Abgasen des Brenners (2, 2', 2") erhitzt werden und die kalten Lötstellen 38 dieser Thermoelemente 15 vom zu erhitzenden Fluid stromauf des Wärmetauschers 11 gekühlt werden. Um welches Bauteil des Wasser- oder Luftheizers es sich bei dem den heissen Lötstellen 37 zugeordneten Bauteil handelt, ist gleichgültig ; es kann sowohl der Brenner (2, 2', 2") selbst oder ein vom Brenner (2, 2', 2") gewollt oder ungewollt erhitztes Teil sein.
Ein gewollt erhitztes Teil ist hierbei insbesondere der Wärmetauscher 11 ; ungewollt erhitzte Teile sind Bereiche der Brennkammer 3, des Heizschachtes 4, der Abgashaube 12 und der weiterführenden Abgasrohre.
Von den Thermoelementen 15 kann auch ein in-oder extern angeordneter Akkumulator aufgeladen werden, der an die jeweiligen internen oder auch externen Verbraucher angeschlossen ist.
Der in der Fig. 8 dargestellte Heizkessel weist die Brennkammer 3 mit einer dann mündenden Gasleitung und einem wegführenden Abgasrohr auf. Oberhalb der Flammen 32 ist der Wärmetauscher 11 in Form eines Kessels mit Heizwasserrücklauf 36 und Heizwasservorlauf 67 angeordnet.
Die wasserführenden Teile des Kessels weisen einen Mantel 65 aus einer Bistoff- oder Metaliverbin- dung auf, deren Bistoff-Elemente 60 und 61 aus unterschiedlichen metallischen Stoffen und/oder Halbleitern bestehen, die so miteinander verbunden sind, dass sie die heisse Lötstelle 37 des Thermoelementes 15 bilden.
In ähnlicher Weise weist auch ein mit Abstand stromauf vom Heizwasserrücklauf 36 angeordneter und hinreichend langer Abschnitt der Rücklaufleitung einen Mantel 68, ebenfalls aus Bistoff-Elementen 60 und
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61 bestehend, zur Bildung der kalten Lötstelle 38 auf.
Die Bistoff-Elemente 60 und 61 der Mäntel 65 und 68 des Kessels einerseits und der Rücklaufleitung andererseits sind über elektrische Leitungen 62 und 63 so miteinander verbunden, dass jeweils gleichartige Blstoff-Elemente 60 beziehungsweise 61 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. In einer der elektrischen Leitungen 62 oder 63 befindet sich ein Verbraucher 64 zur Abnahme elektrischer Energie. Die elektrische Energie fällt als Gleichstrom an, jedoch mit dem Takt der Ein- und Ausschaltvorgänge des Heizkessels. Daher kann die elektrische Energie entweder zur Speicherung in einem Batteriesystem benutzt werden, von wo aus sie für den Verbrauch abgerufen werden kann oder mittels eines Wechselrichters In eine 50-Hz-Wechselspannung umgewandelt werden.
Sobald der Heizkessel in Betrieb genommen wird, erwärmt sich der Mantel des Kessels auf eine Temperatur zwischen 200 und 700 C. Das Wasser in der an den Heizwasserrücklauf 36 angeschlossenen Rücklaufleitung hat eine Temperatur zwischen 30 und 70 C. Geht man zum Beispiel von einer Temperaturdifferenz von 300"C zwischen den belden Mänteln 65 und 68 des Kessels und der Rücklaufleitung aus, so ergibt sich ein theoretischer Anteil von ca. 50 % für die Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie. Geht man von einem Wirkungsgrad von nur 10 % aus, so lässt sich die folgende Energiebilanz erwarten :
Ein handelsüblicher Heizkessel lässt zum Beispiel eine thermische Leistung von 28 kW in das zu erwärmende Wasser einströmen. Diese Wärme durchströmt den Mantel 65 des Kessels.
Sie geht aus von den Flammen 32, welche angesichts der thermischen Verluste im Gerät eine noch höhere Leistung abgeben. In einem konventionellen Kessel wird der Mantel 65 des Kessels durch die Flamme 32 einerseits erhitzt und durch das im Kessel befindliche Wasser andererseits gekühlt. Die Wärmezufuhr erfolgt also durch die Flammen 32, die Wärmeabnahme durch das Wasser. Bel der dargestellten Ausführung spaltet sich die Wärmeabnahme in zwei Ströme auf, nämlich einerseits strömt die Wärme In das Im Kessel befindliche Wasser und andererseits strömt sie In den als Wärmesenke wirkenden Mantel 65 des Kessels.
Wie gross das Verhältnis dieser belden Wärmeströme ist, bestimmt sich aus der stoffartspezifischen Thermospannung der Bistoff-Verbindung 60/61, der Temperaturdifferenz zwischen dem heissen und dem kalten Mantel 65 und 68 sowie dem elektrischen Widerstand der Leitungen 62 und 63 zwischen den bel den Mänteln 65 und 68. Daneben gehen Verluste durch die thermische Leitung der elektrischen Verbindung 62/63 zwischen den beiden Mänteln 65 und 68 ein. Geht man davon aus, dass 50 % der von der Flamme erzeugten Wärmeleistung direkt als Erwärmung an das Wasser Im Kessel abgegeben werden, so steht eine thermische Leistung von ca. 14 kW für die Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung.
Der Mantel 65 entnimmt diese Wärmeleistung dem Kessel und erzeugt Im Beispiel davon 90 %, also 12, 6 kW als Wärmeleistung in dem kalten Mantel 68 um die Rücklaufleitung und die verbleibenden 1, 4 kW als elektrische Leistung. Die Wärmeentwicklung im kalten Mantel 68 der Rücklaufleitung führt dazu, dass das Rücklaufwasser aus dem Heizsystem bereits in der Rücklaufleitung aufgewärmt wird und eine höhere Temperatur besitzt, wenn es in den Kessel gelangt. Damit werden ca. 90 % des thermischen Leistungsverlustes bei der Wärmeübertragung wieder ausgeglichen. Insgesamt führt dies zu einer um 10 % reduzierten thermischen Leistung des Heizkessels, bezogen auf einen konventionellen Heizkessel.
Anstatt der ursprünglich 28 kW thermischen Ausgangsleistung stehen jetzt nur noch 26, 4 kW thermische Ausgangsleistung zur Verfügung, jedoch zuzüglich einer elektrischen Leistung von 1, 4 kW Will der Benutzer also dem Gerät die gleiche thermische Energie entnehmen, so wird er Im Beispiel 5 % mehr Brennstoff hinzuführen müssen.
Er kann gleichzeitig aber auch 5 % der thermischen Energie als elektrische Energie entnehmen Patentansprüche 1. Fluidheizer für ein fluides Medium, insbesondere Wasser oder Luft, mit einem von einem Brenner (2,
2', 2") beheizten Wärmetauscher (11), mit einer der Hitze des Brenners (2,2', 2") ausgesetzten
Mehrzahl von heissen Lötstellen (37) von Thermoelementen (15), deren kalte Lötstellen (38) zur elektrischen Leistungserzeugung dienen, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidheizer als Durchlauf- , Umlauf- oder Speicherwasserheizer beziehungsweise Kessel ausgebildet ist und die kalten Lötstellen (38) einem Kaltwasserzulauf (9) beziehungsweise Heizwasserrücklauf (36) oder In an sich bekannter
Welse einer Frischluftzufuhrleitung (50)
beziehungsweise der Raumluft des Aufsteilraumes (14) zuge- ordnet sind, wobei die kalten Lötstellen (38) durch ihre Abwärme das fluide Medium erwärmen.
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The invention relates to a fluid heater according to the preamble of the independent claim.
Known fluid heaters of older design have a so-called thermoelectric ignition fuse, which is assigned a thermocouple to a pilot burner of the main burner, the electrical leads of which are connected to a magnet coil of an ignition fuse valve. which can therefore only be kept open when the pilot burner burns. If the pilot burner goes out, the thermocouple is no longer heated and the ignition safety valve closes, so that the main burner can no longer be put into operation. The thermocouple is only used to operate the ignition safety valve.
Since the commissioning of such a device with a thermoelectric ignition fuse takes a relatively long time - namely, the thermocouple first has to be heated before it is able to supply the current required to keep the ignition fuse valve open - the development of modern devices preferred other forms of flame monitoring, here especially called ionization monitoring by the flame of the main burner. Such monitoring also made a permanently burning pilot burner unnecessary, which leads to permanent gas consumption.
It is also known to generate electrical energy via a turbine in the water path in the continuous water heater in order to supply the measuring, regulating and control instruments of the water heater with electricity independently of any existing mains connection.
Bel fluid heaters of the type specified in the introduction can be boilers or instantaneous heaters which are operated with gas, oil or solid fuels. The heat exchanger arranged in the combustion chamber above the combustion zone in which the flames develop can be a register, a heating coil or a boiler. Bel boilers connected to a heating system is a
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the return temperature is between 30 and 70 C, while the flow temperature is usually between 60 and 100 e C. The metallic surface of the heat exchanger reaches temperatures between 200 and 700 during the firing, depending on the operating mode and design.
The primary purpose of this fluid heater is to heat up a heat transfer medium (usually air or water).
In principle, a thermocouple consists of thermoelectrically different materials, for example
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Metal balls are so firmly connected to each other that an electrical current can flow from one substance through the solder joint to the other substance. If one soldering point is heated and the other soldering point is cooled, an electrical voltage arises between the two substances and an electrical direct current flows.
Thermocouples are already widely used in boilers and instantaneous water heaters to monitor the presence of the flame. Here the electrical energy generated in the thermocouple is used to switch the fuel supply on or off.
Proposals are also known from US Pat. No. 4,843,273 A, GB 2 194 330 A and DE 3 148 162 A 1 for applying a temperature difference to thermocouples using burners, warm air or water cooling, in order in this way to produce an electrical voltage / to generate an electric current. With these so-called thermoelectric generators, however, the heat energy released at the cold soldering point is no longer used, or it is not used as an integral part in the warm-up chain for the heat transfer medium to be heated by the boiler / instantaneous water heater in its primary purpose.
The present invention is based on the object of equipping a fluid heater in such a way that it is suitable for supplying electrical power to other consumers and the waste heat generated during the generation of electricity at the cold soldering points is used directly in the fluid heating, thereby avoiding the energy losses which otherwise occur during the generation of electricity will.
The solution to the problem consists of a fluid heater of the type specified in the introduction. In the characterizing features of the independent patent claim, the addition of the thermocouples or Peltier elements to areas of the fluid heater that are heated by the burner does not only generate electrical power that is used for other purposes Consumer is available, but also the waste heat from the cold soldering point is used for fluid heating. Waste heat is understood as the heat that the cold soldering point emits to the fluid to be heated up when the thermocouple is in operation. This results in a very high overall efficiency.
If, for example, the parts of the heat exchanger enclosing the water to be heated are not designed as a simple steel jacket, but rather as a broad-area bistable compound based on metal and / or semiconductor, the jacket of the heat exchanger formed in this way can work as a large hot soldering point of a thermocouple during operation, if at the same time a corresponding cold soldering point forming a second jacket is arranged in the area of the cold water inlet or a water pipe connected to it.
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If a heating system with a boiler and a return line belongs to the Flou'heizer, then according to claim 2 the return line should have the second jacket made of the bistable compound, which forms the cold soldering point. The heat development in the cold soldering point means that the return water from the heating system is already warmed up in the part of the return line selected as the bistable element. This heat output is therefore not lost in the overall energy balance. Rather, it means that the water entering the boiler is already at a higher temperature.
Further refinements and particularly advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims or are more apparent from the following description of several exemplary embodiments with the aid of figurative pnzzip representations.
Show it :
1 is a once-through water heater,
2 an exhaust gas fresh air guide of a water heater,
3 shows an atmospheric gas burner of a boiler,
4 shows a section through a heat exchanger of a circulating water heater,
5 a burner plate of a circulating water heater,
6 a heating shaft of a circulating water heater,
Fig. 7 is an air / exhaust gas routing of a forced draft burner and
Fig. 8 shows another alternative of the invention.
In all eight figures, the same reference numerals denote the same details.
A continuous water heater 1 according to FIG. 1 has an atmospheric gas burner 2, which is arranged in a combustion chamber 3 inside a heating shaft 4. This heating shaft 4 is double-walled. Between its outer wall 5 and its inner wall 6 there is an intermediate space 7, through which the water to be heated flows, as indicated by arrow 8. The intermediate space 7 is connected to a cold water inlet 9 and a hot water outlet 10, which are connected on the one hand to a feeding cold water network and on the other hand to one or more tapping points to be supplied with hot water. A finned heat exchanger 11, through which water flows, is switched on in the water duct of the heating shaft 4.
Above the heat exchanger 11, an exhaust hood 12 of a flow safety device is provided, which is connected to an exhaust pipe 13.
The exhaust hood 12 is, as the left area of the drawing shows, formed by a single sheet on the side facing the installation space 14, a plurality of thermocouples 15 are attached. These thermocouples 15 each have their hot soldering points 37 on the outside of the sheet metal of the exhaust gas
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The electrical leads shown are combined with the same poles and pulled out as a cable in order to supply an electrical consumer, which is also not shown. For better heat transfer, fins 16 are provided on the hot soldering points 37 of the thermocouples 15, which protrude into the interior 17 inside the exhaust hood 12. To support the cooling effect of the cold soldering points 38, such fins 18 can also protrude into the space 14.
In the right-hand area of FIG. 1, the flow protection is double-walled, the individual thermocouples 15 forming a battery are arranged between the inner wall 19 and the outer wall 20, namely they touch the inner wall 19 with the hot solder joints 37 and the hot solder joints 38 Outer wall 20. In order to support the cooling of the cold soldering points 38, fins 18 projecting into the space 14 are provided.
An exhaust gas fresh air duct 13 of a water heater, in particular one according to FIG. 1, can also be used for generating electrical power via the thermocouple battery, as illustrated in FIG. 2. Here, the exhaust gas fresh air guide 13 is designed as a concentric double tube. The interior 21 of the inner tube serves to guide the exhaust gases according to arrow 22. The inner tube is surrounded by an intermediate tube 23 at a distance 24. The distance 24 is at least partially filled with the battery of thermocouples 15. On the outer wall 25 of the intermediate tube 23 fins 26 are arranged, which with the fins 18 in Fig. 1 are comparable.
These fins 26 protrude into an intermediate space 27, which is delimited on the outside by an outer tube 28. The intermediate space 27 serves for the supply of fresh air according to the arrow 29, which is led into the space below the burner 2 and serves as combustion air there. It goes without saying that this concentric exhaust-gas fresh-air guide 13 can be used not only for a water heater, but also for a gas-heated space heater, a circulating water heater or a boiler.
The exhaust gas air guide 13 can continue to lead to any burner; this need not be an atmospheric gas burner, but can just as well be one
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or oil atomization fan burners. In the interior 21 of the exhaust pipe, fins 30 can also protrude from the exhaust gas for better heat absorption. These slats 30 are with the slats 16 in the embodiment according to FIG.
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1 comparable.
The boiler for a hot water central heating, partially shown in FIG. 3 and heated by an atmospheric gas burner 2, heats the combustion chamber 3, in which, assigned to the burner, flame
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To remove heat from the burner 2 in order to reduce the formation of thermal nitrogen oxides. The flame cooling rods 31 are fastened in the combustion chamber wall 33 at at least one of their two ends 34 and 35. The battery of the thermocouples 15 is arranged between the ends 34 and 35 of the flame cooling rods 31 and a heating water return 36 of the heating system; in such a way that the hot solder joints 37 of the thermocouples 15 of the combustion chamber wall 33 or the ends 34 of the
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assigned to the heating water return 36.
4 shows the interior of a heat exchanger 11 for a once-through or circulating water heater.
A water flow pipe 40 of the heat exchanger 11 has water flowing through it according to the arrow 41. An outer wall 42 of the water flow pipe 40 is surrounded by an outer pipe 43. The battery of thermocouples 15 is arranged in the space 44 between the two tubes 40 and 43. An outer side 45 of the outer tube 43 is surrounded by fins 46 which are exposed to the exhaust gases from a burner. It is thus possible to heat the hot soldering points 37 of the thermocouples 15 high and to cool the cold soldering points 38 of the thermocouples 15 from the water via the exhaust gases of the burner. This temperature spread will be all the better. the further this part of the heat exchanger 11 which is occupied by thermocouples 15 is arranged in the region of the cold water, that is to say in particular the inflowing water.
5 shows a burner plate 47 of a gas fan burner for a boiler. This burner plate 47 has a number of fuel mixture outlet openings 48, on which the flames 32 form.
The burner plate 47 can be made of metal or ceramic. The cast member block, not shown, of the boiler is connected to the heating water return 36, for example a floor heating system heated by the boiler. The battery of the thermocouples 15 is arranged between the burner plate 47 and the heating water return 36; in such a way that the hot soldering points 37 rest on the burner plate 47 and the cold soldering points 38 on the heating water return 36.
6 shows a circulating water heater, the combustion chamber 3 of which is heated by an oil burner 2 ′, on the upper side of which the flames 32 form. The combustion chamber 3 is delimited by the combustion chamber wall 33, against which the battery of the thermocouples 15 with the hot soldering points 37 abut, while the cold soldering points 38 are cooled by the heating water return 36.
When using a forced draft burner 2 "according to FIG. 7, it is also possible to use the fresh air drawn in by a fan 52 of the forced draft burner 2" to cool the cold soldering points 38 of the thermocouples 15 ". The battery of the thermocouples 15 with their cold soldering points 38 would thus be arranged on the air supply line 50, while the hot soldering points 37 are located on the exhaust gas line 51.
The essence of all exemplary embodiments of the invention then lies. that a battery of thermocouples 15 for the power supply of external consumers is arranged on the heater such that the hot soldering points 37 of all thermocouples 15 from the burner (2, 2 ', 2 ") or the exhaust gases from the burner (2, 2', 2") are heated and the cold solder joints 38 of these thermocouples 15 are cooled by the fluid to be heated upstream of the heat exchanger 11. Which component of the water or air heater is the component assigned to the hot soldering points 37 is immaterial; it can be both the burner (2, 2 ', 2 ") itself or a part that is intentionally or unintentionally heated by the burner (2, 2', 2").
A deliberately heated part is in particular the heat exchanger 11; Parts that are inadvertently heated are areas of the combustion chamber 3, the heating shaft 4, the exhaust gas hood 12 and the further exhaust gas pipes.
An internal or external battery can also be charged by the thermocouples 15 and is connected to the respective internal or external consumer.
The boiler shown in FIG. 8 has the combustion chamber 3 with a gas line then opening and an exhaust pipe leading away. Above the flames 32, the heat exchanger 11 is arranged in the form of a boiler with heating water return 36 and heating water supply 67.
The water-carrying parts of the boiler have a jacket 65 made of a bistable or metal compound, the bistable elements 60 and 61 of which consist of different metallic substances and / or semiconductors which are connected to one another in such a way that they form the hot soldering joint 37 of the thermocouple 15 form.
Similarly, a section of the return line which is arranged at a distance upstream from the heating water return 36 and is sufficiently long also has a jacket 68, likewise made of bistro elements 60 and
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61 existing, to form the cold solder joint 38.
The bistable elements 60 and 61 of the jackets 65 and 68 of the boiler on the one hand and of the return line on the other hand are connected to one another via electrical lines 62 and 63 in such a way that similar coloring elements 60 and 61 are electrically conductively connected to one another. A consumer 64 for taking off electrical energy is located in one of the electrical lines 62 or 63. The electrical energy is generated as direct current, but with the cycle of the switching on and off of the boiler. Therefore, the electrical energy can either be used for storage in a battery system, from where it can be called up for consumption, or converted into a 50 Hz AC voltage by means of an inverter.
As soon as the boiler is put into operation, the jacket of the boiler heats up to a temperature between 200 and 700 C. The water in the return line connected to the heating water return 36 has a temperature between 30 and 70 C. If, for example, a temperature difference of 300 "C between the belden jackets 65 and 68 of the boiler and the return line, there is a theoretical share of about 50% for the conversion of thermal energy into electrical energy. If one assumes an efficiency of only 10%, then expect the following energy balance:
A commercial boiler, for example, allows a thermal output of 28 kW to flow into the water to be heated. This heat flows through the jacket 65 of the boiler.
It starts from the flames 32, which emit an even higher power in view of the thermal losses in the device. In a conventional boiler, the jacket 65 of the boiler is heated by the flame 32 on the one hand and cooled by the water in the boiler on the other hand. The heat is supplied by the flames 32 and the heat is removed by the water. In the embodiment shown, the heat dissipation splits into two streams, namely on the one hand the heat flows into the water in the boiler and on the other hand it flows into the jacket 65 of the boiler which acts as a heat sink.
How large the ratio of these small heat flows is determined from the substance-specific thermal voltage of the bistable connection 60/61, the temperature difference between the hot and cold sheaths 65 and 68 and the electrical resistance of the lines 62 and 63 between the bel sheaths 65 and 68. In addition, there are losses due to the thermal conduction of the electrical connection 62/63 between the two jackets 65 and 68. Assuming that 50% of the heat generated by the flame is given directly to the water in the boiler as heating, a thermal output of approx. 14 kW is available for conversion into electrical energy.
The jacket 65 takes this heat output from the boiler and, in the example thereof, generates 90%, ie 12.6 kW, as the heat output in the cold jacket 68 around the return line and the remaining 1.4 kW as the electrical output. The heat development in the cold jacket 68 of the return line means that the return water from the heating system is already warmed up in the return line and has a higher temperature when it gets into the boiler. This compensates for about 90% of the thermal loss in heat transfer. Overall, this leads to a 10% reduction in the thermal output of the boiler, based on a conventional boiler.
Instead of the originally 28 kW thermal output power, there are now only 26.4 kW thermal output power available, however, plus an electrical power of 1.4 kW, if the user wants to take the same thermal energy from the device, in the example it will be 5% more Have to add fuel.
However, at the same time it can also take 5% of the thermal energy as electrical energy. 1. Fluid heater for a fluid medium, in particular water or air, with a burner (2,
2 ', 2 ") heated heat exchanger (11), with one of the heat of the burner (2,2', 2") exposed
A plurality of hot solder joints (37) of thermocouples (15), the cold solder joints (38) of which are used to generate electrical power, characterized in that the fluid heater is designed as a continuous, circulating or storage water heater or boiler and the cold solder joints (38) are one Cold water inlet (9) or heating water return (36) or In known per se
Catfish of a fresh air supply line (50)
or the room air of the compartment (14) are assigned, the cold solder joints (38) heating the fluid medium through their waste heat.