Apparat zur Verwertung der heissen Abgace von Heizhesseln, Öfen, Iferden, Verbrennungsmotoren, Kaminen ete. für die Bereitung von Warmwasser. Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Verwertung der heissen Abgase von Heiz kesseln, Ofen, Herden, Verbrennungsmotoren, Kaminen etc. für die Bereitung von Warm wasser.
Es ist bekannt, dass bei Öfen und Herden, besonders aber bei Kleinkesseln der Zentral- und Etagenheizungen, die keine Nebenzüge haben, die Feuergase mangelhaft ausgenutzt werden und mit hohen Temperaturen in den Schornstein treten. Da es sich bei letzteren meistens um Kessel im Dauerbrand handelt, ist dieser Wärmeverlust ein ständiger.
Es sind zwar schon viele Apparate zur Ausnut zung der abziehenden Wärme vorgeschlagen worden, aber alle haben unter anderem den Nachteil, dass sie den vom Kamin her zur Verfügung stehenden "Zug" stark schwä chen. wodurch die Verwendbarkeit der Ap parate in Frage gestellt wird, und zwar am empfindlichsten bei starker Ausnutzung die ser Gase und beim Anheizen der Kessel, wo das Kamin kalt und der Zug deshalb noch gering ist. Dabei ist das Mass der Ausnütz- barkeit der Rauchgase durch solche Verwer ter vollständig abhängig von dem Mass, in dem es gelingt, den Zugverlust zu vermeiden.
Die Neuerung dieser Erfindung besteht nun darin, dass die mit den Gasen in Berüh rung kommenden Körper, zwecks Verringe rung des Zugverlustes, die Form von Kör pern kleinsten Strömungswiderstandes haben, und dass der Apparat für die Abgase min destens einen regulierbaren direkten Abzugs..
kanal und ferner mindestens einen offenen Abzugskanal für die Ableitung der Abgase aufweist, welch letzterer allein mit wasser gekühlten Flächen versehen ist, das Ganze derart, dass bei Betriebsbeginn die Abgase zum grössten Teil ungedrosselt und unge- kühlt durch den ersten widerstandsschwäche ren Abzugskanal abgeleitet und erst beim Übergang zum Normalbetrieb des Kessels durch Schliessen oder mehr oder weniger star kes Drosseln dieses Abzugskanals eine wir bellose Umleitung der heissen Gase über den zweiten Abzugskanal zur Verwertung ihrer Wärme im Wassermantel in regelbarem Masse herbeigeführt werden kann.
Diese Umleitung geht um so besser, je mehr die wassergekühlten Kanäle um den Kanal b herum angebracht sind (Fig. 1).
Es ist aus werkstattechnischen Gründen vorteilhaft, diese Kanäle kreisförmig herzu stellen.
Die Zeichnung veranschaulicht durch Fig. 1, 2, 4 und 5 mehrere Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes; Abb. 3 zeigt schematisch die Verbindung des Ver werters mit dem Boiler.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 erhebt sich über dem Kessel A mit Abzugs kanal 13' der Raum y, welcher im obern Teil, wo er als Verwerter zur Bereitung von Warmwasser (Warmwasserbereiter) dient, einen zentralen rohrförmigen Abzugskanal b und einen dazu konzentrischen, ringförmigen Abzugskanal c aufweist. Beide Kanäle ver einigen sich oben im Sammelschacht d. Der zentrale Abzugskanal b, sowie der ringför mige Abzugskanal c erweitern sich am un tern Ende. Ersterer ist mit einem Drossel ventil f versehen, das als Hohlkörper ausge bildet und äusserlich der Form eines fallen den Wassertropfens möglichst nahe kommt.
Wie ersichtlich, haben die Abgase beim Nor malbetrieb des Warmwasserbereiters keine Drosselklappe, keine Umschaltklappe und keinen Schieber, die alle Wirbel und deshalb Zugverluste ergeben, zu passieren. Die Gase ziehen vom Raum J aus gerade und frei durch den Ringkanal c ab und erfahren fast keine und dann nur allmähliche seitliche Abweichungen von ihrer natürlichen geraden Bahn, was ein Minimum von Zugverlusten ergibt. Nach den bekannten Versuchen be treffend des Luftwiderstandes eines Körpers gibt die Tropfenform, die sogenannte Strom linienform des Körpers den strömenden Ga sen den geringsten Widerstand, deshalb ist es vorteilhaft, des Zugverlustes wegen, diese Form hier ebenfalls anzuwenden.
Diesem Zweck dient die allmähliche Zuspitzung der Wassermäntel, am untern und besonders obern Ende der Kanäle und ferner die er wähnte Tropfenform des Ventils f. Auch beim Übergang der Gase aus dem Kessel in den Abzugsschacht b finden diese durch die Gasführung des tropfenförmigen Ventils f den geringstmöglichen Widerstand, wie dies aus Fig. 2 zu ersehen ist. Der Wassermantel i wird zweckmässig mit einem Isoliermantel J versehen. Die Kanäle b und c erweitern sich an ihrem untern Ende, wodurch sie den Eintritt der Gase erleichtern.
Das Ventil f wird durch Hebel g oder durch eine Sperrflüssigkeit vom Thermosta ten la betätigt. Der ringförmige Abzugs kanal c ist mit zwei Wassermänteln i und e ausgestattet, letzterer steht vom Abzugs kanal<I>b</I> ab. Der Thermostat lt liegt in einem dieser Wassermäntel. Bei der Temperatur grenze (zirka 55 ), wo das Wasser im Man tel in erhöhtem Masse beginnt Kesselstein abzusetzen, bewirkt er das Öffnen des Dros selventils f, dadurch eine weitere Erhöhung der Wassertemperatur und eine Kesselstein abscheidung verhindernd. Nach Sinken der Wassertemperatur unter diese Grenze, schliesst das Drosselventil den direkten Ab zug wieder ab.
Beim Anheizen des Kessels, wo der Zug noch gering und wo das Wasser in den Män teln<I>i</I> und c noch kalt ist, ist das Ventil<I>f</I> geöffnet. Der grösste Teil der Rauchgase entweicht direkt durch den Kanal b, der den geringsten Zugverlust verursacht. Wenn dann der Kessel gut brennt und das Kamin erwärmt ist, also wenn genügend Zug vor handen ist, wird das Ventil f von Hand ge schlossen und dadurch der Warmwasserappa- rat eingeschaltet. Die Rauchgase nehmen dann ihren Abzug durch den Kanal c, wo sie nun ausgiebig zur Erhitzung des Was sers ausgenützt werden. Solange der Kessel im Betrieb und -der Apparat eingeschaltet ist, wird sodann heisses Wasser erzeugt.
Natür lich sind an den Wassermänteln i und e die üblichen Entlüftungs- und Speisevorrichtun gen angebracht. Der Thermostat h ist zweckmässig mit dem Drosselventil f derart in Wirkungsver bindung gebracht, dass dieses zum Einschal ten des Apparates auch von Hand betätig- bar ist.
Die beiden Abzugskanäle b und c mün den in einen gemeinsamen Raum y und der Querschnitt desselben ist mindestens so gross wie der für die Gase freie Querschnitt der beiden Abzugskanäle zusammen. Der durch die Wände des Raumes y und durch das Ventil f für die Gase gebildete freie Quer schnitt ist geometrisch ähnlich oder gleich (zum Beispiel kreisringförmig) dem Quer- schnitt des Wassermantels e und Kanalwand b, dadurch wird es eben möglich, sowohl in den Kanal innerhalb, als auch ausserhalb des Wassermantels e, also in Kanal b oder c wir bellos und mit den geringsten seitlichen Ab lenkungen durch Betätigung des Ventils f umzuschalten.
Die Anordnung der Kanäle c auf beiden Seiten des Kanals b oder um den Kanal b herum spielt dabei eine sehr wich tige Rolle, denn die seitliche Ablenkung der Gase wäre bei Anordnung von zum Beispiel nur einem Kanal c neben dem Kanal b viel grösser als wenn der Kanal c ganz um den Kanal b herum angeordnet ist.
Zweckmässig hat der Gasaustrittsstutzen (B2 in Fig. 5) aus dem Kessel- oder Ofen deckel A mindestens den gleichen Quer schnitt -wie der Raum y, wodurch Stösse der Gase und Zugverluste durch eine unnötige Geschwindigkeitserhöhung durch einen zum Beispiel kleineren Austrittsstutzen B2 ver mieden werden. Die falsche Anordnung er sieht man am deutlichsten in Fig. 1, wo die Gase aus dem Kesseldeckel A zuerst durch den Stutzen Bi gezwängt werden müssen, bevor sie wieder in den grossen Raum y ge langen; währenddem sie nach Fig. 5 ohne Zugverlust in den Raum y gelangen.
In die sem vergrösserten Austrittsstutzen B2, der sich direkt an den Kessel A anschliesst, haben die Rauchgase eine kleinere Geschwin digkeit als bei den jetzigen Ausführungen dieser Stutzen und als nachher in den Ab zugskanälen b, c. Deshalb ist ein weiterer Vorteil dieser Ausführung der, dass die mit gerissenen Russ- und Staubteilchen im Stut zen B2 von den Gasen fallen gelassen werden und so nicht in die Abzugskanäle gelangen, wo sie die Heizflächen verschmutzen und dadurch deren Wärmeleitung beeinträch tigen würden.
Der Verwerter, immer der Einwirkun;; des Kamins ausgesetzt, steht dementspre chend immer unter Unterdruck. Durch jede Undichtheit würde also kalte Luft von aussen eingesaugt. Diese kalte Luft würde, falls sie <I>vor</I> dem Verwerter eintreten würde, die Rauchgase kühlen und die Wärmeleistung des Verwerters vermindern. Eine solche Un- dichtheit ist dort vorhanden, wo der Appa rat auf dem Kesseldeckel, respektive Kessel austrittsstutzen befestigt wird und wo der Thermostathebel g gelagert ist.
Letzterer fällt aber hier für eine Verminderung der Wärmeleistung deshalb ausser Betracht. weil hier die Hebellagerung an eine solche Stelle verlegt ist, wo die Rauchgase bereits ausge nützt den Verwerter verlassen. Die Befesti gung des Apparates mit dem Kesseldeckel muss aus dem gleichen Grunde gegen Luft eintritt abgedichtet sein und der Kesseldeckel muss dementsprechend mit einer Dichtungs rille oder ähnlichem versehen werden.
In Fig. 5 stellt B diese Dichtungsrille am Austrittsstutzen dar.
Ein weiterer Nachteil bestehender Abgas verwerter besteht darin, dass die Apparate rasch von den Rauchgasen zerfressen werden. Diese Erscheinung rührt daher, dass die vom Brennstoff herrührenden Rauchgase und die in diesen befindlichen Wasserdämpfe und Schwefelgase direkt an den kalten Wandun gen weit unter ihre mittlere Temperatur ab gekühlt werden, und zwar so tief, dass sie fast die Temperatur der kalten Wandungen annehmen.
Wenn diese Dämpfe der Gase sich dann kondensieren, so entsteht eine Säureflüssigkeit, die das Metall anfrisst. Es ist bekannt, diese Flüssigkeit in Abgasver wertern abzuleiten, was wohl zum Teil den Nachteil steuern mag, aber am besten ist ,offenbar bei Abgasverwertern die Verhinde- rung der Bildung solcher Flüssigkeit, wie dies bei den Verbrenn2@ngskammern von Leuchtgasapparaten bekannt ist.
Diese Ver hinderung der Schwitzwasserbildung ver stärkt auch die Zugwirkung des Kamins, da die nicht ausgeschiedenen Wasserdämpfe den Kaminzug erhöhen, was bei den geringen Zugstärken bei Abgasverwertern von grosser Bedeutung ist.
Diese Schwitzwasserverhin- derung kann dadurch geschehen, dass man an der Stelle, wo die Abgase zuerst mit den was sergekühlten Wandungen des Verwerters in Berührung kommen, die Wärmeleitfähigkeit dieser Wandungen verschlechtert, oder dass man das zufliessende kalte Wasser durch be reits erwärmtes Wasser vortemperiert, bevor es Wandungen trifft, die auf der andern Seite mit Gasen bespült werden.
Ersteres geschieht in Fig. 1 dadurch, dass die Wan dungen des Ringabzugskanals c zu dem bei i' bezw. er eingezogenen Unterteil des Wasser mantels i bezw. e derart emporgeführt wird, dass sie hier gleichsam als Isolierschirme be züglich der Wassermäntel dienen, so dass die aufsteigenden heissen Gase nicht sogleich di rekt mit den kalten Wandungen der Warm wassermäntel i und e in Berührung kommen können.
Ein ähnlicher Effekt zeigt sich auch beim zentralen Abzugskanal b. Auch dieser ist bei b' durch mindestens eine Isolierschicht gegen den Wassermantel e isoliert, so dass nur eine geringe Wärmemenge vom Abzugs kanal b zum Wassermantel e strömen kann und die Wandung des Abzugskanals rasch eine hohe Temperatur annimmt, womit auch hier die Schwitzwasserbildung (die beim An feuern durch Brennstoffe mit einem grossen Prozentsatz flüchtiger Bestandteile besonders gross ist), vermieden wird.
Durch das Einziehen des Wassermantels bei i' resp. e' wird vermieden, dass die Iso- lierschirme vom Wassermantel vorstehen und dadurch eine Staubablagerung begünstigen und zugleich den Kanalquerschnitt verrin gern.
Der Verwerter in Fig. 1 ist als Durch- strömapparat gebaut, das Wasser strömt ständig durch den Verwerter und ein nen nenswerter Wasservorrat ist nicht vorhanden. Fig. 2 hingegen zeigt eine Einrichtung mit Wasservorrat. Hier hat der Wassermantel k die Form eines Behälters, dessen äussere Di mensionen denen des Heizkessels entsprechen und bei dem der Thermostat h' im untern Teil des Behälters angebracht ist und durch Übertragungsflüssigkeit das Ventil f steuert.
Diese Einrichtung bedingt einen besonders grossen Schwitzwasserschutz des Behälters k, weil das Wasser im grossen Behälter verhält nismässig länger kalt bleibt.
Das kalte Wasser kann je nach Bedarf durch die Deckelöffnung in den Vorrats behälter eingeschüttet werden, oder es kann mittelst Rohrleitung hineingeleitet werden.
Die Wassermäntel i und e können auch zur Aufbereitung von Warmwasser in Boi lern, wie solches zu Toilette- und Bade zwecken, zum Abwaschen in der Küche etc. benötigt wird, dienen. Damit der Boiler auch jederzeit Wasser von der gewünschten Tem peratur liefern kann, ist es angezeigt, das zirkulierende Wasser so zu regulieren, dass jederzeit das Wasser mit der gewünschten Temperatur im Verwerter erzeugt wird, und so auch in den Boiler gelangt.
Diese Regulierung soll ohne Inanspruch nahme des Ventils f geschehen, welches ja nutzbare Rauchgaswärme unausgenützt ab lässt und deshalb erst bei Sättigung des Boilers mit Wärme in Funktion treten soll. Es muss also unabhängig vom Ventil f die Wassermenge reguliert werden.
Eine solche Regulierung ist in Fig. 3 dar gestellt, wo der höher als der Warmwasser bereiter gelegene Boiler 1'I1 mittelst -der Vor lauf- und Rücklaufleitungen 7n, n mit dem Abgasverwerter V, der hier nur äusserlich angedeutet ist, zu einem geschlossenen Kreis lauf zusammengeschlossen ist.
Da das Was ser in der Vorlaufleitung wärmer ist als in der Rücklaufleitung und das kalte Wasser bekanntlich schwerer ist, so drückt das kalte schwerere Wasser, das nach dem Warmwas serbereiter hinstrebt, das wärmere aus dem selben in den Boiler, so dass also die bekannte Zirkulation entsteht; diese Zirkulation ist um so rascher, je grösser die Temperaturdiffe- renz ist, und je höher ,die beiden Wasser säulen sind.
Wenn also der Boilerinhalt noch ganz kalt ist, das Wasser also ganz kalt in den Verwerter gelangt, wäre bei glei cher Temperatur in der Vorlaufleitung diese Zirkulation viel grösser, als wenn der Boiler inhalt bereits halb warm ist.
Dem steht aber gegenüber, dass die Zirkulation für jede Tem peratur in der Rücklaufleifung n. nur eine ganz bestimmte sein darf, damit die zur Ver fügung stehende Wärme der Rauchgase beim Eintritt von ganz kaltem, als auch bei stark vortemperiertem Wasser stets voll ausge nützt wird, und dass das Wasser, in der Vor- laufleitung jederzeit mit der gleichen Tem peratur, zum Beispiel 50 , in den Boiler ge langt.
Die Zirkulation des Wassers muss daher der Menge nach so abgestimmt werden, dass das Wasser bei Ausnützung von stets gleich viel Rauchgaswärme, also ohne Betäti gung des Ventils f, die gewünschte Tempera tur annimmt. Dies bewirkt ein Drosselven til o mit Thermostat p, die beide in der Rücklaufleitung n direkt vor dem Eintritt in den Abgasverwerter eingeschaltet sind und je nach der Höhe der Wassertemperatur in der Rücklaufleitung n diese Leitung mehr oder weniger abdrosseln, und zwar so, dass bei stets zunehmender Wassertemperatur in Rücklaufleitung n diese Leitung stets.
mehr und mehr geöffnet wird, was durch die be sonders ausgebildete Form des Drosselventils o erreicht wird. Der Thermostat p muss des halb in der Rücklaufleitung eingebaut sein, weil in der Rücklaufleitung die Wassertem peratur stark schwankt, die Zirkulations- regelung so also auch gross wird, während dem die Vorlaufleitung nur unmerkliche Temperaturschwankungen aufweisen soll.
Eine Drosselschraube s in der Vorlauf leitung nz zum Boiler gestattet eine Regelung von Hand der Durchlaufmenge des Wassers. Diese Schraube wird ein für alle Mal den jeweiligen Betriebsverhältnissen entsprechend eingestellt.
In Fig. 4 ist eine ähnliche Ausführungs- form dargestellt, wobei aber der Boiler weg gelassen ist, dagegen die Vorlauf- und Rück laufleitungen m, n des Kreislaufes angedeu tet sind. Hier wird der Thermostat p gleich zeitig dazu verwendet, um mittelst eines Hebelgestänges )- bei erfolgter maximaler Wärmeaufnahme des Boilers das Drosselven til f im zentralen Abzugskanal b zu steuern und mittelst der Schraube s1 und Handräd chen s2 die Durchlaufmenge den jeweiligen Betriebsverhältnissen entsprechend einzustel len.
Dabei sind die Verhältnisse im Hebel gestänge r so beschaffen, dass das Drossel- ventil f auch von Hand einstellbar ist. Zweck mässig wird diese ganze Steuerung fest mit dem -Verwerter zusammengebaut.
Bei Etagenheizungen ist die Höhe vom Verwerter bis zu dem im gleichen Stockwerk befindlichen Boiler sehr gering. Wie in Fig. <B>3</B> dargestellt, kann diese Höhe dadurch vergrössert werden, dass die Vorlaufleitung im Innern des Boilers gegen den kalten Boilerinhalt durch den Isoliermantel ml iso liert wird.
Zweckmässig werden die wasserführenden Teile aus verzinntem, hochwertigem Kupfer. das übrige aus billigem Schmiedeisenblech hergestellt. Das Drosselventil f kann aus Gusseisen oder aus stärkerem Eisenblech her gestellt sein.
An Stelle der Wassermäntel könnten auch Rohrschlangen verwendet werden. So- w 'hl Wassermäntel, als auch Rohrschlangen müssen zwecks Reinigung herausnehmbar sein.
Je nach den Platzverhältnissen kann der Apparat auch horizontal verlegt oder in ein Kamin eingebaut werden.
Zweckmässig wird die Abgasverwertungs- anlage mit Hilfsmitteln gekuppelt, die es ge statten, auch im Sommer, wenn keine Ab gase zur Verfügung stehen, Warmwasser in den Boiler oder Vorratsbehälter zu erhalten. Dies kann zum Beispiel durch Elektrizität oder Gas geschehen. Im ersten Falle erhält der Boiler, respektive Vorratsbehälter einen elektrischen Heizeinsatz. Wird Gas als Aus hilfsmittel gewählt, so wird in einem beson- deren Aasapparat das Warmwasser erzeugt und in den Boiler geleitet oder direkt ver braucht. In den beiden letztgenannten Fäl len wird also zum Verwerter noch ein Gas warmwasserapparat benötigt, der die Gesamt apparatur wesentlich verteuert.
Diesem Übel stand wird vorteilhaft dadurch abgeholfen, dass der Abgasverwerter selbst so ausgebildet wird, dass er im Sommer auch als Gasappa rat verwendet werden kann. Zu diesem Zweck wird der Schwitzwasserschutz des Verwerters mit Vorteil so ausgebildet, dass er auch zur Verhinderung von Schwitzwasser dieser aus Frischgas entstandenen Abgasen genügt. Zudem wird in den Verwerter ein Gasbrenner (als Bunsen- oder Leuchtgasbren ner ausgebildet) eingebaut.
Dieser Einbau kann so geschehen, dass der Übergang vom Abgasbetrieb in den Leuchtgasbetrieb oder umgekehrt rasch und leicht möglich ist; es ist dabei zu beachten, dass durch diesen Ein bau beim Abgasbetrieb keine Falschluft in den Verwerter gelangt. In Abb. 5 ist bei spielsweise ein solcher Einbau eingezeichnet. Dabei bedeutet T der Brenner mit Hals es und Brennerkopf t. G ist die Gaszuleitung mit der Gasdüse<I>y.</I> Die Verschlusskappe <I>L</I> ist mit Öffnungen q versehen, durch die bei Leuchtgasbetrieb die nötige Verbrennungs luft einströmen kann.
Durch einfaches Dre hen dieser Kappe L werden diese Luftöff nungen q geschlossen, wodurch bei Abgas betrieb der gefürchtete Falschlufteintritt ver hindert wird.
Die Zündöffnung z und die Zugunter- bruchsöffnungen "zu" sind aus dem gleichen Grunde mit Verschlusskappen versehen; die Öffnung des Zugunterbrechers dient beim Abgasbetrieb zugleich als Reinigungsöff nung.
Bei Leuchtgasapparaturen besteht die Ge fahr, dass bei Windanfall auf das Kamin die Luft im Kamin rückströmt, wodurch der Brenner ausgelöscht werden kann, was dann bei ausströmenden, unverbrannten Gasen züa Vergiftungen und Explosionen führen könnte. Diese Gefahr kann dadurch beseitigt werden, wenn der Brennerkopf aus dem Bereich der rückströmenden Luft (Lr in Fig. 5) gelegt wird. Beim Leuchtgasbetrieb ist das Ventil f geschlossen.
Eventuell vom Kamin her rück strömende Luft prallt auf Kanal b auf, ver liert seine Kraft durch die Zugunterbruchs- öffnungen "zu". Ein Teil gelangt geschwächt durch den Kanal c in den Raum y und könnte der Flamme gefährlich werden, wenn diese im Bereich dieser Luftströmung läge. Nach Abb. 5 ist deshalb der Brenner T mit einem solch langen Hals ic versehen, dass der Brennerkopf <I>t</I> unter das Ventil<I>f</I> zu liegen kommt. Dadurch wird die Gefahr .des Aus löschens verhindert.
Das Drosselorgan d kann mit dem Ther mostaten p so verbunden werden, dass nach Sättigung des Boilers 32 mit Wärme die Gas leitung automatisch geschlossen wird.
An Stelle von Leuchtgas kann auch ein anderes brennbares Gas oder eine brennbare Flüssigkeit verwendet werden.