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Heizungsanlage mit Schwerkraftumlauf des Wärmeträgers Die Erfindung
bezieht sich auf eine Heizungsanlage mit Schwerkraftumlauf des Wärmetmägers, die
aus einem Erhitzer und Aufnahmegefäßen für den erhitzten Wärmeträger besteht, welche
mit dem Erhitzer durch eine Vor- und eine Rücklaufleitung verbunden sind, und bezweckt
die Schaffung einer Anlage, bei welcher die sonst bei abgestelltem Erhitzer auftretenden
Wärmeverluste verringert werden.
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Bei Heizungsanlagen der vorerwähnten Art war bisher angenommen: Das
Wasser steigt, solange es im Kessel erwärmt wird, infolge des Wärmeauftriebes auf
und strömt aus dem Speicher durch den Rücklauf zum Erhitzer. Dieser normale und
beabsichtigte Umlauf (Betriebszustand) kommt zum Stillstand, wenn der Kessel keine
Nutzwärme mehr abgibt. Dann bleibt das heiße Wasser oben und das kühlere unten (Aufheizzustand).
Bei der Annahme einer solchen Wirkungsweise müßte die Wirtschaftlichkeit der Anlage
durch eine Verstärkung der Wärmedämmung des Speichers und der Leitungen erhöht werden
können. Es hat sich aber gezeigt, daß in verschiedenen Fällen trotz der Verstärkung
der Wärmedämmung keime weitere Senkung der Wärmeverluste erreicht werden konnte.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es außer den erwähnten
Betriebszuständen noch einen zusätzlichen Betriebszustand gilat, der in einer Umkehr
der Rücklaufrichtung besteht, wenn durch Abkühlung des Wassers (Wärmeträgers) in
der Vorlaufleitung und im Kessel die Wassertemperatur niedriger als die des Wassers
im Rücklauf und Speicher ist. Der Eintritt dieses zusätzlichen Betriebszustandes
erklärt sich folgendermaßen
Die Wärmeleistung der Anlage ist :durch
die Heizfläche des Kessels bestimmt. Wenn der Kessel eine große Bauhöhe hat und
der Anteil dieser Höhe an der Gesamtgröße der Vorlau.fwassersäule beträchtlich ist,
schätzungsweise über 2o °/o, wobei der Höhenanteil des Standes des heißen Wassers
im Speicher an der Rücklaufwassersäule nicht übersehen werden darf, so ändern sich
die Umlaufdrücke nach der Aufheizung des Speichers, sobald der Kessel unter der
Wirkung des Schorn@ steinzuges, d. h. sein Wasserinhalt nach Maßgabe der Kesselheizfläche
sich abkühlt. Unter der Wirkung des Luftumlaufes durch den Schornsteinzug senkt
sich die Wassertemperatur um so schneller ab, je geringer der Wasserinhalt des Kessels
im Vergleich zur Kesselheizfläche ist. Das ist aber gerade ein Ziel vieler neuer
Kesselbauarten. Sobald die Drücke der Wassersäule sich umkehren, ergibt sich ein
Anstoß zum Umlauf in der umgekehrten: Richtung. Das kühlere Wasser im Kessel und
in der Vorlaufleitung drückt das wärmere Wasser in der Rücklaufleitung zurück in
den Speicher, aus welchem das heiße Wasser in die Vorlaufleitung und in den Kessel
strömt, wo es sich durch den Luftumlauf abkühlt und spezifisch schwerer wird, mit
der Folge, daß es einen stetigen Umlauf in der umgekehrten Richtung erzeugt. Dieser
Umlauf hält so lange an, bis das gesamte heiße Speicherwasser sich abgekühlt hat
und der Druckunterschied zwischen den beiden Flüssigkeitssäulen nicht mehr ausreicht,
um die gegebenen Strömungswiderstände der Anlage zu überwinden.
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In Auswertung dieser erfinderischen Erkenntnis sind nach der Erfindung
der Heizkessel sowie die Vor- und Rücklaufleitung derart ausgebildet, d:aß der nach
dem Abstellen der Kesselheizung auftretende umgekehrte Umlaufdruck des Wärmeträgers
in der Vorlaufleitung und im Heizkessel nicht größer als der Widerstand der Gesamtanlage
gegen diesen Druck ist. Hierdurch ist das Auftreten eines umgekehrten Umlaufes mit
seinen unliebsamen Folgen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der Anlage verhindert.
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je größer die Aufhe:izleistung des Kessels im Verhältnis zu der im
Speicher zur Verfügung zu stellendenWärmemenge ist, um so bedeutungsvoller ist die
Erfindung; denn gerade solche Anlagen leiden besonders durch die Ventilationsverluste
in ihrer Wirtschaftlichkeit.
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Die Erfindung ist nicht auf Speicheranlagen beschränkt, sondern kann
überall dort mit Vorteil angewandt werden, wo Wärmeträger in geschlossenen Räumen
unter der Wirkung des Wärmeauftriebes umlaufen und bei einer selbsttätigen Umkehrung
des Umlaufes ungewollte Wärmeverluste durch Auskühlungen der Räume entstehen.
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Sowohl bei Luft- als auch bei Warmwasserheizungen ist die Anwendung
der Erfindung von Vorteil. Versuche nach der Erfindung bei Warmwasserkleinheizungsanlagen
zeigten, d;aß bei Heizkörpern in etwa :der gleichen Höhenlage und der gleichen Bauhöhe
wie der Kessel nach Abstellung der Kesselheizung eine Umkehr der Rücklaufrichtung
eintritt und sich eine Auskühlung des Heizwassers in den Schornstein ergibt. Dieses
Ergebnis ist insoweit überraschend, als es im Gegensatz zu den nach den bisherigen
technischen Erkenntnissen zu erwartenden Vorgängen steht; denn, das vom Kessel abfließende
Heizwasser kühlt sich in den Heizkörpern ab. Die Abkühlung bewirkt eine Steigerung
der Umtriebskraft und müßte die Abkühlung im Kessel überwiegen, insbesondere da
die Heizflächen der Heizkörper größer sind als die des Kessels. Auf die abgegebenen
Wärmemengen als solche kommt es aber nicht allein an, sondern auf die Auskühlgeschwindigkeit.
Beispielsweise hat ein Kessel mit 12 ooo kcal/Std. etwa 1,5 m2 Heizfläche.
Die zugehörigen Heizkörper haben eine Wärmeabgabefläche von etwa 2o bis
30 m2. Die Abkühlung im Kessel je Heizflächeneinheit unter der Wirkung des
Schornsteinzuges kann als doppelt so groß wie die Abkühlung je Einheit der Wärmeabgabeflächen
der Heizkörper angenommen werden. Da der Wasserinhalt des Kessels geringer als ein
Zehntel des Gesamtwasserinhaltes der Heizungsanlage ist, kühlt sich das Wasser im
Kessel schneller als in den Heizkörpern ab, d. h. die Wassertemperatur sinkt im
Kessel schneller als in den Heizkörpern. Hierdurch wird die Wassersäule des, Kessels
und der Vorlaufleitung schwerer als die Wassersäule in den Heizkörpern, so daß das
Wasser in umgekehrten Umlauf tritt und sich im Kessel abkühlt, mit der Folge, daß
die an die Heizkörper abgegebene Nutzwärme diesen wieder entzogen wird und in den
Schornstein verlorengeht. Der Verlust tritt um so häufiger auf, je häufiger der
Kessel beispielsweise durch eine selbsttätige Regelung von Großbrand auf Null geschaltet
wird.
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Die Verhinderung des umgekehrten Umlaufes kann durch zwei Maßnahmen
bewirkt werden, einmal durch Steuerung der Temperaturverhältnisse oder durch Sperrung
der umgekehrt gerichteten Strömung bzw. durch beide.
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Es ist nach der Erfindung auch möglich, einen Rückumlauf des Wärmeträgers
zu verhindern, indem nicht von der Temperatur des Wassers ausgegangen wird, sondern
eine unmittelbare Beeinflussung der Strömungsverhältnisse erfolgt. So kann in die
Umlaufleitung ein einen Umlauf in umgekehrter Richtung hemmender Widerstand eingebaut
werden. Ein solcher Widerstand kann aus einem festen Körper bestehen, der in der
einen Richtung nur einen geringen Widerstand, in der anderen: Richtung jedoch einen
großen Widerstand bietet. Der Widerstand derartiger dynamischer Strömungswiderstände
steigt mit dem Wachsen der Strömgeschwindigkeit.
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Falls bereits die kleinste Rückströmung unterbunden werden soll, dann
:empfiehlt es sich, als Strömungswiderstand ein Rückschlagventil vorzusehen, welches
bei einer Umkehrung des Betriebsdruckes anspricht.
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Zweckmäßiger ist es, als Strömungswiderstand ein Rückschlagventil
anzuordnen, das nicht auf die Druckumkehrung, sondern auf die Umkehrung der
Wasserbewegung
anspricht, da die Umtriebsdrücke nur sehr klein sind und das Rückschlagventil schon
auf etwa i mm Wassersäule ansprechen müßte.
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Als Ventilkörper für ein solches Rückschlagventil kommt nach der Erfindung
ein im Wasser schwimmender Sperrkörper in Frage, der vom Wasser auf den Ventilsitz
und von dem Ventilsitz weggetrieben wird. Der Sperrkörper hat vorzugsweise ein dem
spezifischen Gewicht des Wassers annähernd gleich großes spezifisches Gewicht und
besteht zweckmäßig aus einer Hohlkugel, so z. B. einer hohlen Glaskugel.
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Eine andere erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einer Sperrklappe
aus sehr biegsamem, dünnwandigem «'erkstoff. Eine Klappe dieser Art bietet den Vorteil,
d@aß sie keiner Klappengelenke bedarf, deren Gang durch das Wasser eine ungünstige
Beeinflussung erfahren könnte.
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Nach der Erfindung ist es besonders zweckmäßig, als Strömungswiderstand
einen bei Umkehr der Strömrichtung zur Wirkung kommenden flüssigkeitsdurchlässigen
Körper, z. B. in Form eines dünnen Gewebes, vorzusehen, welcher als Rückschlagklappe
angeordnet ist. Hier wird die Erscheinung ausgenutzt, daß eine ordnungsgemäße Füllung
der Umlaufleitung zwar eintritt, jedoch kein Umlauf zustande kommt, wenn in der
Leitung ein. an sich durchlässiger Körper, z. B. ein Stück Papier oder `'Wattebausch,
verbleibt. Der Widerstand eines solchen. in der Leitung eingeschlossenen Körpers
ist bereits zu groß, um durch den beim freien Wärmeaustausch herrschenden schwachen
Umtriebsdruck eine Strömung zu erzielen. Das Gewebe kann aus Gaze oder Ballonseide
bestehen.
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,Naturgemäß muß darauf geachtet werden, daß der Strömungswiderstand
heißwasserbeständig ist und in seiner Wirkungsweise nicht durch sich ausscheidenden
Kesselstein beeinträchtigt wird. Dies macht es empfehlenswert, den Strömungswiderstand
in der Rücklaufleitung oder sogar in der Zone der Einführung des Frischwassers vorzusehen,
so daß das Frischwasser den Widerstand durchspült und abspült. Bei einer Rückschlagkliappe
aus Gewebe besteht der besondere Vorteil, daß eine solche Klappe keinen Kesselstein
annimmt.
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Umlaufheizungsanlagen, in denen Ventile zur Steuerung umgekehrter
Strömungen eingebaut sind, sind an sich bekannt, Diese bekannten Anlagen besitzen
einen zum Kessel gehörenden Heißwasserspeicher, der einerseits zeitweilig zusätzlich
zum Kessel das durch die Heizungsanlage umlaufende Wasser mit aufheizt und andererseits
vom Kessel abzugebende überschüssige Wärme aufnimmt. Zur Steuerung dieses wechselseitigen
Arbeitens des Heißwasserspeichers zusammen mit der Heizungsanlage können selbsttätig
arbeitende Wechselventile eingebaut sein. Die die Erfindung begründenden Erkenntnisse
werden hierdurch nicht vorweggenommen.
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Bisher wurden wegen der schlechtenErfahrungen selten Heizungsanlagen
gebaut; deren Kessel mit dem Speicher die gleiche Höhenlage hatte. Demgegenüber
lassen sich durch die Erfindung wirtschaftlich arbeitende Anlagen mit langen, aufgeheizten
Standzeiten herstellen, deren Rücklauf ungewöhnlich kurz ist. Der Wert der Erfindung
steigt in dem Maße, wie einerseits die Höhe des Kessels im Vergleich zur Gesamthöhe
des Vorlaufes und andererseits die Höhe des Speicherwassers im Verhältnis zum Rücklauf
zunimmt. Deshalb gibt die Erfindung mit Vorteil die Möglichkeit, Anlagen zu bauen,
bei denen die Austrittsöffnung für das umlaufende Wasser am Erhitzer höher als die
entsprechende Austrittsöffnung für das umlaufende Wasser am Speicher, also der Vorlaufstutzen
am Erhitzer höher als der Rücklaufstutzen, des Speichers liegt.
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Bei einer durch die Erfindung ermöglichten Heizungsanlage ist der
Speicher in vorzugsweise zylindrischer Form stehend neben einem Erhitzer von etwa
gleicher Bauhöhe angeordnet. Die Anschlüsse für die Vor- und Rücklaufleitung sind
bei beiden in etwa gleicher Höhe vorgesehen. Solche Anlagen eignen sich besonders
für kleine, hängende Ausführungen.
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Eine besondere Bedeutung kommt der Erfindung auch bei Erhitzern mit
offenen Verbrennungsräumen, z. B. Kesseln, die mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen
betrieben werden, zu. Diese sowohl nach dem Schornstein als auch nach der Raumluft
zu offenen Verbrennungsräume sind im Gegensatz zu Feuerungen mit Rosten, bei denen
ein Luftdurchzug gegebenenfalls durch die Schlackenauflage abgebremst wird, gegen
den Luftdurchzug ungeschützt. Bei mit Gas beheizten Geräten werden die Verhältnisse
noch dadurch ungünstiger, daß eine Stausicherung vorgeschrieben ist, welche zur
Folge hat, daß selbst bei einem etwa möglichen Einbau einer Vorrichtung zum Abschließen
des Schornsteins nach dem Abstellen des Brenners eine Abkühlung des Erhitzers zwangläufig
infolge des Umstandes eintritt, daß die an der offenen Verbrennungskammer eintretende
Luft durch die Öffnung austritt, welche ein Übertreten derAbgabe für den Fall sichert,
daß der Schornstein aus irgendeinem Grunde die Abgase nicht. aufnimmt.
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Eine zweckmäßige Anwendung der Erfindung ergibt sich auch .bei Anlagen,
bei denen zwei Kessel, z. B. ein koksbeheizter und ein gasbeheizter, auf einen wärmespeichernden
oder wärmeverbrauchenden Raum geschaltet sind. Durch die Erfindung wird bei solchen
Anlagen ein unerwünschter Umlauf durch den abgestellten Kessel verhindert.
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Für die Erfindung ist es unwesentlich, ob die Anlagen mit einer unmittelbaren
Beheizung ausgerüstet sind, d. h. ob sie einen Wasserumlauf durch den Speicher und
den Kessel aufweisen oder ob eine mittelbare Beheizung vorgesehen ist., wie es bei
einem Wasserumlauf durch Heizschlangen der Fall ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht und erklärt in schematischer Darstellung
das Wesen der Erfindung und verschiedene Ausführungsbeispiele.
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Abb. i läßt die übliche Anordnung eines Kessels und Speichers erkennen;
Abb.2
verdeutlicht die auftretenden Wärmeverluste; Abb. 3 gibt die Anordnung eines Strömungswiderstandes
in der Leitung wieder; Abb. 4 läßt die Anordnung eines auf die Strömung ansprechenden
Ventilkörpers erkennen; A:bb. 5 zeigt die Anordnung einer Rückschlagklappe aus Gewebe
in der Öffnungs- und Schließstellung; Abb. 6 stellt die stehende Nebeneinanderordnung
von Erhitzer und Speicher dar; Abb.7 zeigt einen gasbeheizten Erhitzer mit Zugunterbrecher
und Speicher in stehender Nebeneinanderanordnung mit in gleicher Höhe liegenden
Vor- und Rücklaufanschlüssen; Abb.8 gibt eine Warmwasserkleinheizungsanlage wieder.
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In Abb. i bezeichnet Hl die Wassersäule des Vorlaufes, welche sich
aus der Höhe Hk des Kessels i und der Höhe H,, der Vorlaufleitung :2 zusammensetzt.
Die Höhe der Wassersäule des Rücklaufes ist mit H2 bezeichnet, welche sich aus der
Höhe HR des Rücklaufes 3 und der Wasserhöhe HSp im Speicher 4 ergibt. Ein Rückumlauf
tritt mit nicht vernachlässigbarer Wirkung auf, wenn die Auskühlung des Kessels
Q1 zusammen mit der Auskühlung Q2 des Vorkaufes größer als die Auskühlung Q3 des
Rücklaufes und des Speichers ist. Die Auskühlung des Speichers kann gegenüber den
anderen Auskühlungen rechnerisch vernachlässigt werden (vgl. Abb.2).
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Gemäß Abb. 3 sind in die Umlaufleitung Strömungswiderstände 5 eingebaut,
welche in. der gewünschten Umlaufrichtung 6 nur einen geringen Widerstand verursachen.,
während in der umgekehrten Richtung 7 ein großer Strömungswiderstand besteht.
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Das in Abb. 4 veranschaulichte Rückschlagventil spricht auf die Wasserbewegung
an. Es besteht aus einer hohlen Glaskugel 8, deren spezifisches Gewicht etwa dem
spezifischen Gewicht des umlaufenden Wassers entspricht, und einem Ventilsitz g.
Die Glaskugel ist in einem Korb io angeordnet. Bei einer Wasserbewegung in Richtung
des Pfeiles 6 wird die Glaskugel von dem Ventilsitz wegbewegt, während sie bei einerW
asserbewegung in Richtung des Pfeiles 7 gegen den Ventilsitz bewegt wird.
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Gemäß Abb.5 ist in die Umlaufleitung eine Rückschlagklappe i i aus
einem dünnen Gewebe eingebaut. Das Gewebe hat einen dem Querschnitt des Ventils
12 entsprechenden Querschnitt und ist durch Aufhängen befestigt. Bei einer Wasserbewegung
in Richtung des Pfeiles 7 legt sich das Gewebestück gegen den Ventilsitz, der gegen
ein Durchsau.gen des Gewebes durch ein grobmaschiges Sieb oder Stege gesichert ist,
und sperrt damit den Wasserumlauf in dieser Richtung, während bei einer Wasserbewegung
in Richtung des Pfeiles 6 das Gewebestück vom Ventilsitz abgehoben und der Ventilquerschnitt
für den Wasserdurchtritt freigegeben wird.
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In Abb.6 ist der Erhitzer mit 13 und der Speicher mit 14 bezeichnet.
Die Austrittsöffnung 15
des umlaufenden Wassers am Erhitzer liegt höher als
die entsprechende Austrittsöffnung 16 am Speicher. Der gewünschte Wasserumlauf ist
durch Pfeile 6 und der zu verhindernde Umlauf in umgekehrter Richtung durch die
gestrichelten Pfeile 7 angedeutet.
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In Abb. 7 ist der Speicher 17 in zylindrischer Form stehend neben
dem Flüssigkeitserhitzer 18 angeordnet. Beide haben etwa die gleiche Höhe. Die Anschlüsse
i g und 2o für die Vor- und Rücklaufleitung beider Geräte liegen in etwa gleicher
Höhe.
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Bei der W armwasserkleinheizungsanlage gemäß Abb. 8 haben die Heizkörper
2i etwa die gleiche Höhe wie der Kessel 2:2. Die Wärmeabgabeflächen der Heizkörper
sind größer als die Heizfläche des Kessels. Der zu verhindernde Umlauf in umgekehrter
Richtung ist durch die gestrichelten Pfeile 7 angedeutet.