DE4015148A1 - Wasserheizer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wasser­ heizer, insbesondere also einen Durchlaufwasserheizer, Umlaufwasserheizer, Gas-Heizkessel oder Wasserspeicher mit einem Brenner und einem Wärmetauscher, der aus wenigstens zwei in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase hinterein­ ander folgenden Einheiten besteht, wovon die erste, dem Brenner nächstgelegene, stromab der Brenngemisch-Aus­ trittsöffnungen gelegene, unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit dem Flammenbereich einen Wärmestrom entzieht.

Ein solcher Wasserheizer ist bekanntgeworden aus der EP-OS 3 15 579. Hierbei geht es darum, ein Kühlrohr einem atmosphärisch betriebenen Gasbrenner zuzuordnen, um den Brenner eines solchen Wasserheizers zu kühlen. Es werden hier insbesondere die Brennstoff-Austrittsöffnungen und der Flammenbereich gekühlt, wobei die Kühlrohre zwischen den mit Abstand voneinander angeordneten Gruppen der Brennstoff-Austrittsöffnungen verlaufen, damit die Bren­ nerflammen nicht behindert werden, andererseits sollen die Kühlrohre dem heißen Kernbereich dieser Flammen mög­ lichst nahe sein.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß dies mit der dort vorgeschlagenen Kühleinrichtung nicht möglich ist.

Weiterhin ist im Stand der Technik eine Sicherheitsein­ richtung beschrieben, die im Bedarfsfall, zum Beispiel bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes oder Unter­ schreiten eines Strömungsgrenzwertes im Kühlrohr den Brenner und die Brennstoffzufuhr abschaltet, um Überhit­ zungsschäden vorzubeugen.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Flammenbereich eines Wasserhei­ zers über das erste Wärmetauscherelement aktiv und ge­ zielt einen zur Optimierung des Verbrennungsprozesses er­ forderlichen Wärmestrom energiesparend zu entziehen und gleichzeitig die Flamme zu stabilisieren und den Verbren­ nungsvorgang zu intensivieren, so daß es zu einer drasti­ schen Reduktion der Stickoxydbildung und der Kohlenmon­ oxydbildung kommt.

Die Lösung der Aufgabe liegt erfindungsgemäß darin, daß die erste Wärmetauschereinheit einen Wärmestrom zwischen 5 und 50% des Gesamtwärmestroms aus dem Flammenbereich entzieht, während der restliche Energiestrom der Verbren­ nungsgase im zweiten Wärmetauscher umgewandelt wird.

Durch diese Maßnahme kommt es zu einer sehr starken Ab­ senkung der Flammentemperatur, so daß aufgrund der ent­ stehenden Flammentemperatur thermische Stickoxyde prak­ tisch nicht mehr gebildet werden. Durch eine Positionie­ rung des Wärmetauschers unmittelbar in der Flamme kann dieser mit seinen wesentlichen Teilen von den Flammen um­ schlossen werden, so daß er als Staukörper stabilisierend auf die Flamme einwirkt. Es wird aber eine Fortsetzung des Ausbrandes der Flammenzone erreicht, da die Flammen­ zone oberhalb der Wärmetauscherelemente des ersten Wärmetauschers weiter reagieren kann. Aufgrund dieser Maßnahmen kann das sonst bei Kühlelementen entstehende Kohlen­ monoxyd in seiner Entwicklung stark unterdrückt werden. Damit einhergehend gelingt auch ein vollständiger Aus­ brand der Verbrennungsgase.

Zweckmäßige Vorrichtungen überwachen und/oder regeln den Betriebszustand des Wasserheizers.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Wei­ terbildungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor, die an­ hand der Figuren der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Umlaufwasser­ heizers,

Fig. 1a ein Ausführungsbeispiel zur mechanischen Ver­ bindung zwischen Wärmetauscherelementen und Brenner,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Durchlaufwasser­ heizers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kessels,

Fig. 3a ein Ausführungsbeispiel zur mechanischen Ver­ bindung von Wärmetauscherelementen untereinander,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brenners oder Kessels,

Fig. 4a ein Ausführungsbeispiel zur mechanischen Ver­ bindung eines Wärmetauscherelements mit Wassertaschen des Heizschachtes,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Brenners oder Kessels,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Speichers und

Fig. 7 bis 19 hydraulische Schaltungen,

Fig. 20a bis 22 verschiedene Ausführungsbeispiele zur Abstandsregelung zwischen einem Wärmetauscherelement und einem Brenner beziehungsweise zur Positionierung der Wär­ metauscherelemente zu den Brennerflammen,

Fig. 23a bis d Ausführungsbeispiele zur Überwachung und/oder Regelung des mittels Wärmetauscherelementen durch Teilströme des Umlaufwassers unmittelbar aus dem Flammenbereich abgeführten Wärmestroms,

Fig. 24 ein Ausführungsbeispiel der direkten Flammenküh­ lung unter Überwachung in Verbindung mit einem Mikropro­ zessor,

Fig. 25 bis 33 verschiedene Ausführungsbeispiele zur Steuerung beziehungsweise Regelung des Kühlmittelkreis­ laufes,

Fig. 34a eine schematische Darstellung der Flammenkon­ tur bei gekrümmten Brenngaszufuhrkanal und

Fig. 34b wie Fig. 34a, jedoch bei erhöhter Brenngas­ mengenzufuhr.

Ein Umlaufwasserheizer 1 weist ein Blech- oder anderes Gehäuse 2 auf, in dessen Inneren eine Brennkammer 3 ange­ ordnet ist. Diese enthält einen atmosphärischen Gasbren­ ner 4, der über eine mit einem Proportionalsteuerventil 5 versehene Gaszuleitung 6 mit Erdgas gespeist ist. Eine Speisung mit Flüssiggas oder Stadtgas wäre genauso mög­ lich. Dem Ventil 5 ist ein Stellmotor 7 zugeordnet, der über eine Stelleitung 8 mit einem Regler 9 verbunden ist. Oberhalb des Brenners ist ein Wärmetauscher 10 vorgesehen, der aus zwei Elementen 11 und 12 besteht. Die beiden Wärmetauscherelemente können Lamellenblockwärmetauscher mit Kupferrohren und Kupferlamellen oder Stahlrohren und Stahllamellen oder Gemischen aus beiden sein. Aluminium oder seine Legierungen kämen auch als Werkstoff in Frage. Im Falle der Anwendung auf einen Kessel würde das Wärme­ tauschelement 11 aus Gußgliedern oder Stahlblechen beste­ hen, das erste Wärmetauscherelement 12 könnte aus kühl­ wasserdurchflossenen gegebenenfalls berippten Rohren be­ stehen. Auch bei einem Kessel wäre es möglich, das oder die Wärmetauscherelemente aus Aluminium in gegossener oder gezogener oder gepreßter Form auszugestalten. Die Brennkammer 3 hat einen unteren Lufteinlaß 13 und einen Abgasauslaß 14.

Der Umlaufwasserheizer 1 dient zur Speisung einer Raum­ heizanlage 15 und/oder eines Brauchwasserspeichers, der nicht dargestellt ist. Von der Heizungsanlage 15 geht ei­ ne mit einer Umwälzpumpe 16 versehenen Rücklaufleitung 17 ab, die zum Wärmetauscherelement 11 führt. Vom Wärmetauscher­ element 11 geht eine mit einem Vorlauftemperaturfüh­ ler 18 versehene Vorlaufleitung 19 ab. Der Vorlauftempe­ raturfühler 18 ist über eine Meßleitung 20 mit dem Regler 9 verbunden, der Pumpe 16 ist ein Antriebsmotor 21 zuge­ ordnet, der über eine Stelleitung 22 aus dem Regler 9 ge­ speist ist. Es ist ein Außentemperaturfühler 23 vorgese­ hen, der über eine Meßleitung 24 seine Meßwerte auf den Regler 9 gibt. Zwischen dem Druckstutzen der Umwälzpumpe 16 und dem Einlaß der Rücklaufleitung 17 in das Wärme­ tauscherelement 11 ist eine Verzweigungsstelle 25 in der Rücklaufleitung vorgesehen, von der eine Zweigleitung 26 zum rücklaufseitigen Anschluß des Wärmetauscherelemen­ tes 12 geht, in der ein Rücklauftemperaturfühler 27 ange­ ordnet ist, der über eine Meßleitung 28 mit dem Regler 9 verbunden ist. Die Vorlaufseite des Wärmetauschelementes 12 ist über die weiterführende Leitung 26 mit einer zwei­ ten Verzweigungsstelle 29 verbunden, die in der Vorlauf­ leitung 19 zwischen dem Vorlauftemperaturfühler 18 und dem Ausgang des Wärmetauscherelementes 11 liegt. In die­ sem Teil der Zweigleitung sind ein Vorlauftemperaturfüh­ ler 30 und ein Durchsatzmesser 31 angeordnet, die beide über je eine Meßleitung 32 und 33 mit dem Regler 9 ver­ bunden sind.

Im Betrieb bilden sich am Brenner 4, der übrigens auch als Gebläsebrenner ausgestaltet sein kann, eine Vielzahl von Flammen 34 aus, die als mehr oder weniger hohe Ein­ zelflammen oder als durchgehender Flammensaum ausgestal­ tet sein können. Ist der Brenner 4 als eine Vielzahl ne­ beneinanderliegender einzelner Brennerrohre ausgestaltet, so ergeben sich mehr oder weniger große Einzelflammen, handelt es sich beispielsweise um eine Keramikplat­ te, so ergibt sich ein in Einzelflammen nicht mehr zu trennender Flammenbereich.

In jedem Falle ist das Wärmetauschelement 12 mit seinem Rohr oder seinen Rohren oder seinem Rohrnetz so angeord­ net, daß es im Flammenbereich der Flammen 34 oder in wär­ meentziehender Berührung mit der Brennerplatte oder der­ gleichen liegt. Bevorzugt ist es angeordnet, daß mit den Rohren die Kernzonen der Flammen durchsetzt werden, so daß die einzelnen Flammen die Rohrelemente vollständig umschließen.

Die Querschnitte der Leitungen 26 beziehungsweise der Leitungen 17/19 durch das Wärmetauscherelement 11 sind so bemessen, daß in dem Wärmetauschelement 12 ein Wärmestrom von 5 bis 50% des gesamten von beiden Wärmetauschelementen umgesetzten Wärmestroms dem Flammenbereich entzogen wird. Es können Mittel vorgesehen sein, die eine Justage dieses Wärmestroms ermöglichen, beispielsweise könnte im Zuge der Zweigleitung 26 eine gesonderte Umwälzpumpe vor­ handen sein und/oder einstellbare Drosselstelle. Hierzu wird weiter hinten im Text in der Beschreibung zu den Fig. 23a bis d Stellung genommen. Gegebenenfalls kann der Querschnitt dieser Drosselstelle auch geregelt werden. Durch die Anordnung der beiden Temperaturfühler 27 und 30 in Verbindung mit dem Durchsatzmesser 31 ge­ lingt eine Erfassung des vom Wärmetauschelement 12 entzo­ genen Wärmestroms.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist ein gasbeheiz­ ter Durchlaufwasserheizer 40 dargestellt, er weist das bereits in der Fig. 1 geschilderte Blechgehäuse 2 auf, das in seinem Inneren die Brennkammer 3 aufweist. In der Brennkammer 3 ist der atmosphärische Gasbrenner 4 ange­ ordnet, der über das Gasventil 5 aus der Gasleitung 6 mit Gas gespeist wird. Dem Gasventil 5 ist ein in einer Zapf­ wasserleitung 41 liegender Wasserschalter zugeordnet, der als Stellmotor 7 für das Gasventil dient. Der Wasser­ schalter arbeitet so, daß in Abhängigkeit vom Kaltwasser­ durchsatz proportional das Gasventil 5 geöffnet wird. Es wäre hier auch möglich, in Abhängigkeit zusätzlich von der Zapfauslauftemperatur den Öffnungsgrad des Gasventils zu regeln.

Die Kaltwasserzapfleitung 41 führt zunächst zu einer Hö­ henverstellvorrichtung 42, dann zum Wärmetauschelement 12 und schließlich zu einer zweiten Höhenverstellvorrichtung 43 und zu einem Temperaturfühler 44, der als Kapilarrohr- Wärmefühler ausgebildet ist und über seine Kapillare 45 auf eine Betätigungsvorrichtung 46 geschaltet ist, dem die Höhenverstellbarkeit der Verstellvorrichtungen 42 und 43 variiert werden kann. Über eine Verbindungsleitung 47 ist das andere Wärmetauschelement 11 angeschlossen.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, bei dem die beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 hydraulisch parallel liegen, liegen sie hier in Serie. Der dem Flam­ menbereich zugeordnete Wärmetauscherteil 12 liegt im käl­ teren Rücklauf oder Zapfwasser. Vom Wärmetauschelement 11 geht die mit einem Zapfventil 48 versehenen Zapfleitung 49 ab. Für die Positionierung und Wirkung des Wärmetauschelementes 12 bezüglich der Flammen des Gasbrenners 4 gilt im Prizip das gleiche wie das im Rahmen des Ausführungs­ beispiels nach Fig. 1 Gesagte. Es kommt aber folgender Effekt hinzu:

In Abhängigkeit von der Erwärmung des Zapfwassers im Be­ reich der Verbindungsleitung 49 kann die Positionierung des Wärmetauschelementes 12 variiert werden. Die Positio­ nierung folgt dabei der Bemessungsregel, daß mit höher werdenden Flammen, das heißt mit größerer Brennleistung der Abstand des Wärmetauscherelementes 12 vom Brenner 4 gesteigert wird.

Gemäß Fig. 20a und b sind Bimetallelemente 102 vorgese­ hen, die von den Flammen beaufschlagt sind und somit die Position des Wärmetauscherelementes 12 in Abhängigkeit von der Belastung nachführen. Die streifenförmige Ausfüh­ rung des Bimetallelementes 102 ist eine von mehreren Mög­ lichkeiten, ebenso kann ein solches Bimetallelement wen­ delförmig ausgebildet sein.

Gemäß Fig. 22 kann die Positionierung des Wärmetauscherelementes 12 durch einen elektromagnetischen Stellan­ trieb 103 bewirkt werden, dem als Führungsgröße ein Sig­ nal von einem Temperaturfühler 104 aufgeschaltet wird.

Es wäre aber auch möglich, die Positionierung des Wärme­ tauschelementes in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz zu steuern. Hierzu müßte die Meßleitung 45 auf dem Wasser­ schalter 7 geschaltet sein, oder es müßte der Öffnungs­ grad des Gasventils 5 abgetastet werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel würde gelten, daß das Wärmetauschelement 12 größer werdenden Gasflammen durch Entfernen vom Brenner 4 folgen müßten, um den heißesten Kernbereich der Flamme zu kühlen.

Falls die Gerätebelastung des in der Fig. 2 dargestell­ ten Durchlaufwasserheizers fest ist, reicht es aus, ein­ mal den Abstand des Wärmetauschelementes 12 zum Brenner 4 nach optimalen Gesichtspunkten einzustellen und auf die­ ser Höhe zu belassen.

Ein Ausführungsbeispiel hierzu zeigt Fig. 1a. Das Wär­ metauscherelement 12 ist mit Stellschrauben 101 höherver­ stellbar am Brenner 4 fixiert. So kann die optimale Höhe manuell eingestellt werden.

Für die Befestigung des Wärmetauscherelementes 12 gilt folgendes:

Zunächst einmal kann das Wärmetauscherelement 12 sowohl an der Brennkammer wie auch am Brenner 4 und schließlich auch am Wärmetauscherelement 11 befestigt werden, wobei die Brennkammer gleichbedeutend mit dem Gehäuse 2 ist. Dies wird in Ausführungsbeispielen in Fig. 3a und 4a vorgestellt. Es ist natürlich dann auch möglich, das Wär­ metauscherelement 12 besonders stabil auszugestalten, daß es als Montageteil für den Brenner 4 oder als Träger die­ ses Brenners dient. Auch hierbei ist bevorzugt der Ab­ stand zwischen dem Brenner und dem Wärmetauscherelement 12 einstellbar, unter Umständen regelbar.

Als Antrieb bei einem geregelten Abstand zwischen dem Wärmetauschelement 12 und dem Brenner 4 kämen Bimetall­ fühler beziehungsweise Abstandgeber, Kapillarrohr-Tem­ peraturfühler beziehungsweise -Geber oder Dehnstoffelemen­ te in Frage.

Eine weitere Ausführungsform wird in Fig. 21 vorge­ stellt. Hier hat das Wärmetauscherelement 12 einen ellip­ tischen Querschnitt. Die bevorzugte Ausführungsform nach Fig. 21 weist eine paarige Anordnung von Wärmetauscher­ elementen 12 auf. Der Abstand zwischen den Elementen 12 und dem Brenner 4 ist bevorzugt fest definiert, und die Elemente 12 können in ihrer Lage zu den Flammen 34 durch Verschwenken um eine Achse 105 verstellt werden. Das Ver­ schwenken der Wärmetauscherelemente kann zum Beispiel durch Bimetallelemente 102 bewerkstelligt werden, ebenso ist ein Verschwenken durch Stellschrauben möglich. Eine andere Form sieht dehnstoffgefüllte Bauteile vor, die auf Temperaturänderungen mit Längenänderungen reagieren und dadurch die Wärmetauscherelemente 12 über Kolben oder Ge­ stänge in die jeweils gewünschte Lage verschwenken.

Allgemein gilt, daß ferner der Gasdruck, der Wasserdurch­ satz oder die Auslauftemperatur als Führungsgröße für die Abstandsregelung herangezogen werden kann. Eine pneumati­ sche Verstellung mit Hilfe des für den Brenner geregelten Gasdrucks wäre auch möglich. Ferner könnte der Zapfwas­ serdruck oder der Pumpendruck für eine hydraulische Ver­ stellung des Abstandes herangezogen werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 und 4 han­ delt es sich um einen Gußkessel, der zur Speisung einer Heizungsanlage dient und der mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ausgestattet ist. Der in Fig. 3 dargestellte gußeiserne Kessel 50 besteht aus einem Gehäuse 51, den beiden Wärmetauschelementen 11 und 12, dem darunter lie­ genden Brenner 4, dem Lufteinlaß 13 und dem Abgasauslaß 14. Der Wärmetauscher 10, besteht aus den Elementen 11 und 12, ist an eine Rücklaufleitung 17 und die Vorlauf­ leitung 19 angeschlossen. Die Besonderheit dieser Aus­ führungsbeispiele liegt darin, daß das Wärmetauschelement 12 kammartig ausgebildet ist, so daß sich einzelne Wärme­ leitrohre 52 nach Art von Kammzinken von dem Gehäuse 53 einen Wassertasche 54 in den Flammenraum 55 oberhalb des Brenners 4 erstrecken. Diese Wärmeleitrohre 52 können, müssen aber nicht kühlmittelgefüllt sein. Sie können zum Beispiel als Metallstäbe ausgebildet sein, sie können auch als sogenannte "heat-pipes" gestaltet sein. Als Ma­ terialien für Wärmeleitrohre 52 kommen auch Keramiken, insbesondere keramische Sonderwerkstoffe mit hoher Wärme­ leitfähigkeit, in Frage. Vorzugsweise sind die Enden der Wärmeleitrohre 52 im Wassertaschen eingebettet. Ein der­ artiger Aufbau eignet sich besonders für Wasserheizer, deren Wasserkreislauf ohne mechanische Hilfsenergie, das heißt ohne Umwälzpumpen, auskommen muß. Wesentlich ist, daß ein Wärmestrom von 5 bis 50% der vom Brenner 4 er­ zeugten Gesamtwärme aus dem Flammenbereich abgeleitet wird, hier im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 in den Wasserinhalt der Wassertasche 54. Von dort ge­ langt die Wärme Richtung Wärmetauscher 11 oder in den Be­ reich des durch die Leitung 17 und 19 strömenden Was­ sers, die Wassertasche kann von diesem Wasserdurchsatz durchsetzt sein. Wesentlich ist, daß bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel die Wärmeleitrohre 52 auch als Sieb oder Netz ausgebildet sein können, und zwar sowohl als Hohl­ profile wie auch als Vollprofile, auch eine Netzbildung wäre möglich.

Auch wäre eine Kombination sowohl von Wärmeleitkörpern wie Fluidwärmeabführkörpern wie auch Wärmerohre möglich, und zwar unabhängig von den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 6. Hier gilt übrigens generell, daß die im Rahmen einer Figur offenbarten Elemente für die Posi­ tionierung, Durchsatzsicherung, Überwachung, Ausgestal­ tung und Höheneinstellung und -regelung bei den Ausfüh­ rungsbeispielen der anderen Figuren ebenso möglich wären.

Den Wärmeleitrohren 52 ist zur Sicherung des entzogenen Wärmestroms ein Temperaturfühler, zum Beispiel als Ther­ moelement, temperaturabhängiger Widerstand oder Ausdeh­ nungsfühler zugeordnet. Insbesondere könnte man die Wär­ medehnung der Wärmeleitrohre selbst messen und in Abhän­ gigkeit des Unterschreitens eines vorgegebenen Grenzwer­ tes oder dessen Überschreiten eine Änderung der Positio­ nierung oder eine Veränderung des Gas- oder Brennstoff­ durchsatzes vornehmen. Gleichzeitig könnte diese Krite­ rium auch als Abschaltkriterium im Gefahrenfalle dienen.

Es wäre übrigens auch möglich, statt des bisher geschil­ derten Brennstoffgases auch Öl zu verwenden.

Generell gilt weiterhin, daß als Werkstoff für die kühl­ mitteldurchströmten Kühlrohre beziehungsweise die Wärme­ leitrohre die verschiedensten metallischen Werkstoffe zu­ züglich Keramik oder Glas zur Anwendung kommen können.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist das Wärme­ tauschelement 12 für einen Druchlaufwasserheizer oder ei­ nen Kessel variiert dargestellt. Das Wärmetauschelement 12 besteht aus einem Einlaßrohr 60 und einem Auslaßrohr 61, die beide an einem Rücklaufsammler 62 und einem Vor­ laufsammler 63 angeschlossen sind. Zwischen beide er­ strecken sich hydraulisch parallelliegend eine Vielzahl von ersten Rohrstrecken 64 mit relativ großen Querschnit­ ten und, dem heißesten Bereich der beiden dargestellten Brenner 4 zugeordnet, eine zweite Art von Rohrstrecken 65 mit gegenüber den erstgenannten relativ kleinen Quer­ schnitten. Bei einer Vielzahl von Brennern könnte es auch ausreichen, einem Brenner eine enge Rohrstrecke 65 zuzu­ ordnen. Der Effekt ist folgender:

Eine oder die Rohrstrecken mit dem engsten Querschnitt werden auf Durchsatz überwacht, beispielsweise durch Ab­ fühlen des Differenzdrucks oder durch einen gesonderten Durchsatzmesser oder durch Messen der Temperaturerhöhung. Findet durch diese engste Rohrstrecke kein ausreichender Kühlmitteldurchsatz statt, so ist entweder die Brenner­ leistung zu reduzieren oder der Brenner abzuschalten, da die Kühlung des Flammenbereichs des Brenners nicht mehr ausreichend wirksam ist. Durch diese Maßnahme kann man auch einen Beginn des Zusetzens durch Verkalkung erkennen, und man kann durch Service entsprechend darauf reagieren. Bei Parallelschalten ist eine Durchsatzüberwachung einer oder mehrerer Rohrstrecken durch Überwachen des Durchsat­ zes in einer oder mehreren Rohrstrecken möglich. Bei ei­ ner hydraulischen Serienschaltung der Kühlrohre des Wär­ metauschelements 12 ist eine Überwachung des Gesamtdurch­ satzes an einer Stelle möglich beziehungsweise zweckmä­ ßig. Auch diese Durchsatzüberwachung kann durch Überwa­ chen einer Druckdifferenz, Überwachen einer Temperaturer­ höhung oder Überwachen des Durchsatzes erfolgen. Die be­ reits bei einem Ausführungsbeispiel erwähnte Messung der Längenausdehnung kann zur Betätigung eines Mikroschalters führen. Findet eine hydraulische Drucküberwachung statt, so kann es bei relativ kleinen zu überwachenden Druckdif­ ferenzen sinnvoll sein, einen Membranschalter zur Abfüh­ lung des Differenzdrucks anzuwenden. Wird der Durchsatz durch Überwachen einer Temperaturdifferenz erfaßt, emp­ fiehlt es sich, für die Temperaturfühler temperaturabhän­ gige Widerstände mit NTC- oder PTC-Verhalten zu verwenden und diese in eine elektronische Schaltung einzubinden.

Unabhängig davon, ob es sich um einen Durchlauf- oder Um­ laufwasserheizer, Kessel oder Speicher handelt, stellt sich die Frage, wohin der vom Wärmetauschelement 12 ent­ zogene Wärmestrom abgegeben wird.

Der vom Wärmetauschelement 12 aus dem Flammenbereich ent­ zogene Wärmestrom kann, wie bereits geschildert, auf das ohnehin zu erhitzende Wasser gegeben werden. Es ist aber auch möglich, die Rohre oder Stäbe des Wärmetauschelements 12 wärmemäßig an das Gehäuse 2 anzubinden, so daß die Wärme auf die Ummantelung der Brennkammer gegeben wird. Von dort ist ein weiterer Abtransport der Wärme über das andere Wärmetauschelement 11 auf das aufzuhei­ zende Wasser möglich. Weiterhin wäre es möglich, statt dem Wärmetauschelement 12 den Brenner 4 aufzuheizen.

Es ist im übrigen auch möglich, das Wärmetauschelement 12 nicht nur vom aufzuheizenden Wasser durchströmen zu las­ sen, sondern beispielsweise auch durch einen anderen Wär­ meträger, insbesondere käme hier Raumluft in Frage. Bei einem Wasserspeicher wäre es möglich, mit dem Wärme­ tauschelement 11 das Speicherwasser zu erwärmen, mit dem Wärmetauscherelement 12 hingegen Raumluft eines beliebi­ gen Raumes. Weiterhin könnte man das dem Brenner zuzufüh­ rende Gas oder die zuzuführende Luft über das Wärme­ tauschelement 12 vorheizen. Schließlich könnte daran ge­ dacht werden, das am Abgasstutzen 14 anstehende Abgas oder einen Teil davon durch das Wärmetauschelement 12 zu leiten, um das Abgas auf einen höheren Temperaturwert zu bringen, um einer Versottung des Schornsteins vorzubeu­ gen. Weiterhin wäre es auch möglich, dem am Abgasstutzen 14 anstehenden Abgasstrom Luft beizumischen, die vorher über das Wärmetauschelement 12 vorgeheizt wurde.

Eine weitere Ausführung zeigt die Fig. 6. Hier ist ein Speicherwasserheizer 70 dargestellt, der ein zylinder­ förmiges Gehäuse 71 aufweist, das einen Mantel 72, einen Deckel 73 und einen Boden 74 aufweist. Dem Inneren des Speicherwasserheizers durchsetzt ein Flammenrohr 75, das von einer nahezu allseits vom Speicherwasser umschlosse­ nen Brennkammer 76 nach oben ausgeht und über eine Strö­ mungssicherung 77 zum Abgasstutzen 14 führt. Im Luftein­ laß 13 ist das Rohr 6 vorhanden, das zum atmosphärischen Gasbrenner 4 führt. Der Flammenzone des Brenners 4 ist wieder das Wärmetauscherelement 12 zugeordnet, das Flammen­ rohr 75 ist gleichbedeutend mit dem Wärmetauschelement 11. Das Wärmetauschelement 12 ist über Rohrleitungen 78 und 79 in einem Naturumlauf mit einem Lufterhitzer 80 verbunden, indem Raumluft unten eintreten und als erwärm­ te Raumluft bei 81 in einen Aufstellungsraum gegeben wer­ den kann. Reicht der Naturumlauf nicht aus, kann in eine der Leitungen 78 oder 79 eine Pumpe eingefügt werden. Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet bezüglich des Wärme­ tauscherelementes 12 ohne Durchflußüberwachung. Das Luft­ heizelement 80 kann im übrigen auch Bestandteil des Was­ serspeichers 70 sein oder eines Durchlaufwasserheizers, ähnlich dem nach Fig. 2. Zum Beispiel wären hierzu der Gerätemantel, die Geräterückwand oder andere Komponenten als Wärmetauschereinheit zu verwenden. Man könnte das Luftheizelement auch in einem Umlaufwasserheizer oder Kessel intergrieren.

Sieht man beispielsweise bei einem Kessel eines ölbeheiz­ ten Brenner vor, so ist es möglich, das Öl vor dem Zufüh­ ren zum Gebläsebrenner durch das Wärmetauscherelement 12 vorzuwärmen.

Es wäre auch möglich, eine andere Flüssigkeit als das zum Brennen verwendete Öl oder das aufzuheizende Wasser durch das Wärmetauscherelement 12 hindurchzuleiten, beispielswei­ se Kältemittel, das in einem Wärmepumpenkreislauf verwen­ det wird. Insoweit wäre es also auch denkbar, das Wärme­ tauscherelement 12 als Verdampfer einer Wärmepumpe zu gestalten.

Bei Anwendung der Erfindung bei einem Umlaufwasserheizer oder Kessel wäre es möglich, die Wärmekreisläufe der bei­ den Wärmetauschelemente 11 und 12 zu trennen und mit ge­ sonderten Verbrauchern zusammenzuschalten. Hierbei könn­ ten auch unterschiedliche Wärmeträger zur Anwendung kommen. Möglich wäre es generell auch, das Wärmetauschelement 12 unabhängig vom Ausführungsbeispiel der Anwen­ dung in einem gesonderten Wärmetauscherkreislauf einzu­ binden und das aufzuheizende Wasser über einen Zwischen­ wärmetauscher aufzuheizen, bei dem auch mit einem anderen Wärmeträgermedium als Wasser gearbeitet werden kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wäre hierzu nötig, die Leitungen 26 von den Verbindungsstellen 25 und 29 zu trennen und auf einen gesonderten Wärmetauscher zu schal­ ten, der im Wärmetausch mit dem Nutzwasserstrom steht. Es besteht auch die Möglichkeit, das im Wärmetauschelement 12 zirkulierende Kühlmedium zum Sieden zu bringen oder als Kühlmedium einen Dampf zu benutzen.

Es ist möglich, zur Unterstützung des Naturumlaufs des Kühlmediums die Rohre des Wärmetauschelement 12 geneigt verlaufen zu lassen.

Anhand der Fig. 7 bis 19 werden verschiedenen Möglich­ keiten aufgezeigt, wie die hydraulischen Anschlüsse der beiden Wärmetauschelemente 11 und 12 vorgenommen werden können. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 7 bis 11 handelt es sich entweder um einen Durchlaufwasser­ heizer, also ein Gerät etwa nach der Fig. 2, oder um ei­ nen Kessel im Naturumlauf etwa nach den Fig. 3 bis 5. Wesentlich für diese Ausführungsbeispielgruppe ist, daß kein besonderes Antriebsglied im Wasserweg vorliegt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist rücklaufseitig in der Leitung 17 oder kaltwassereinlaßseitig eine Dros­ sel 90 vorgesehen, wobei stromauf und stromab dieser Drossel bei 91 und 92 Verzweigungsstellen vorgesehen sind, an die über Leitungen des Wärmetauschelement 12 an­ geschlossen ist. Somit gelingt durch Variation der Dros­ selstelle 90 die Abzweigung eines mehr oder weniger gro­ ßen Teilwasserstroms durch das Wärmetauschelement 12. Die­ ser Teildurchsatz kann strömungsmäßig oder temperaturmäßig, wie bereits beschrieben, überwacht sein. Die Fig. 8 zeigt eine Variante zur Fig. 7. Hier sind die Drossel­ stelle 90 und die Verzweigungsstellen 91 und 92 in der Vorlaufleitung 19 beziehungsweise in der Zapfwasserlei­ tung vorgesehen. Diese Schaltung kann sich anbieten, um Tauschwitzwasser beziehungsweise Kondensatbildung am Wär­ metauscherelement 12 zu vermeiden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 ist eine Schaltung etwa gemäß Fig. 1 angewandt, aber nicht für einen Um­ laufwasserheizer, sondern für einen Durchlaufwasserhei­ zer oder auf eine kesselbetriebene Schwerkraftheizung. Das Wesentliche liegt darin, daß die beiden Wärmetausch­ elemente 11 und 12 hydraulisch in parallel durchströmten Leitungsbezügen liegen. Bezüglich der Leitung 6 sei ange­ merkt, daß dies eine reine Gasleitung sein kann, die Lei­ tung 6 kann auch schon mit Primärluft versehenes Gas füh­ ren, was im übrigen für alle Ausführungsbeispiele gilt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 liegen die Wär­ metauschelemente 11 und 12 hydraulisch in Serie, wodurch der gesamte Nutzwasserstrom durch beide Wärmetauscherele­ mente geleitet wird.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 12 bis 19 be­ ziehen sich auf Umlaufwasserheizer oder Kessel mit Um­ wälzpumpe. Die Schaltung nach Fig. 12 entspricht der Schaltung nach Fig. 1, jedoch ohne Durchsatz- oder Tem­ peraturüberwachung. Die Schaltung nach Fig. 13 arbeitet wiederum mit der Drosselstelle 90, wobei mit ihr in Serie die Engstellen 91 und 92 liegen. Es wird hier ein Teil­ wasserstrom durch das Wärmetauscherelement 12 abgezweigt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 14 sind die Drossel­ stelle und die Engstellen auf die Vorlaufleitung 19 ver­ legt, während sie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 in der Rücklaufleitung 17 liegen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 sind zwei hydrau­ lische Kreise gebildet: Der Druckstutzen der Umwälzpumpe 16 ist auf eine Verzweigungsstelle 93 gelegt, der Rück­ laufstutzen der Pumpe geht von einer zweiten Verzwei­ gungsstelle 94 aus. Über die beiden Verzweigungsstellen 93 und 94 ist über Leitungen des Wärmetauschelement 12 angeschlossen, parallel hierzu ist das Wärmetauschelement 11 über die Heizungsanlage 15 angeschlossen. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß die gesamte von der Pumpe aufgebaute Druckdifferenz am Wärmetauschelement 12 liegt, so daß es dadurch gelingt, einen relativ großen Wärmestrom dem Flammenbereich zu entziehen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 ist die Umwälz­ pumpe 16 in einen ersten hydraulischen Kreis 95 geschal­ tet, der aus den Wärmetauschelementen 11 und 12 und Ver­ bindungsleitungen 96 und 97 besteht. An Abzweigstellen 98 und 99 gehen die Vorlaufleitung 19 und die Rücklauflei­ tung 17 ab, die zur Heizungsanlage 15 führen. Durch diese Maßnahme wird das dem Wärmetauschelement 12 zugeführte Wasser auf einem erhöhten Temperaturniveau eingangsseitig zugeführt, so daß hier Kondensationserscheinungen gemin­ dert werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 17 ähnelt dem der Fig. 13, nur liegt hier die Engstelle 90 in Verbindung mit den beiden Abzweigungen 91 und 92 rücklaufseitig der Pum­ pe, statt wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 13 vor­ laufseitig der Pumpe.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 18 liegt wiederum eine hydraulische Serienschaltung der beiden Wärme­ tauschelemente 11 und 12 vor. Diese liegen zusammen mit der Heizungsanlage 15 in einer Serienschaltung.

Das von den Heizkörpern kommende abgekühlte Wasser durch­ setzt zunächst im Bereich der Flammen des Wärmetauschele­ ment 12, es wird dann vom Wärmetauschelement 11 in einer zweiten Stufe aufgeheizt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 19 ist die hydrauli­ sche Reihenfolge der Wärmetauschelemente 11 und 12 ver­ tauscht, so daß das kühle Rücklaufwasser aus der Heizung zunächst im Wärmetauschelement 11 auf ein erstes Tempera­ turniveau hochgeheizt wird, bevor es in das Wärmetau­ schelement 12 zur Kühlung des Flammenbereichs eintritt.

Allen Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 7 bis 19 ist gemeinsam, daß der Durchsatz durch das Wärmetausch­ element 12 nicht überwacht ist. Eine Überwachung ist aber generell möglich, wie die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 5 zeigen.

Insbesondere bei Durchlaufwasserheizern, bei denen dem Wärmetauschelement 12 laufend frisches und damit kalkhal­ tiges Wasser zugeführt wird, besteht die große Gefahr des Verkalkens der Rohrelemente des Wärmetauschelements 12.

Auszuschließen ist ein Zusetzen dieser Rohrelemente bei Umlaufwasserheizern oder Kesseln auch nicht. Aus dem Grund muß vorgesorgt werden, daß die Rohrelemente bezie­ hungsweise Wärmetauscherteile des Wärmetauscherelementes 12 herausgenommen, gereinigt oder ersetzt werden können, ohne daß das gesamte Wasser des Kreislaufs oder der be­ sonderen Wärmeträger abgelassen werden muß. Hierzu empfiehlt es sich, zum Beispiel im Rahmen der Fig. 1 in die beiden Stücke der Leitung 26 Absperrventile zu legen. Auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 können im Bereich der Höhenverstellungen 42 und 43 im Zuge der Leitung 41 beziehungsweise 47 Ventile vorgesehen werden. Beim Kessel wäre das möglich und anzuraten im Zuge der Leitung 60 beziehungsweise 61, beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 im Bereich der Leitungen 78 und 79 möglichst benachbart dem Gehäuse 71. Es wäre hier auch möglich, selbstschließende Steckkupplungen zu verwenden, die sich beim Auseinanderziehen der Anschlußleitungen selbsttätig verschließen.

Wenn eine Durchflußsteuerung des Durchsatzes durch das Wärmetauschelement 12 vorgesehen ist, so kann diese Durchflußsteuerung manuell (durch Einstellen des Quer­ schnitts einer Drossel) hydraulisch, thermisch oder elek­ trisch geschehen.

Eine hydraulische Steuerung käme gegebenenfalls beim Durchlaufwasserheizer in Frage, hier müßte das Zapfwas­ serdurchsatz beispielsweise über den Wasserschalter 7 ab­ getastet werden und nach Maßgabe der Variation des Zapf­ wasserdurchsatzes der Durchsatz durch das Wärmetauschele­ ment 12 gesteuert werden.

Bei einer thermischen Durchflußsteuerung könnte die Vor­ lauftemperatur oder Zapfwassertemperatur von einem Tempe­ raturfühler überwacht werden und der Durchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 mit größer werdender Vorlauf- oder Zapfwassertemperatur vergrößert werden. Bei Verwen­ dung eines elektrischen Fühlers gelingt dies auch auf elektrischem Wege. Dies könnte dann bei einem Umlaufwas­ serheizer beispielsweise über eine elektrisch zu variierende Ansteuerung des Pumpenmotors 21 geschehen, was auch beim Kessel möglich wäre.

Ausführungsbeispiele zur Regelung des optimalen Kühlwas­ serdurchsatzes durch das Wärmetauscherelement 12 zeigen die Fig. 23a bis d.

Gemäß Fig. 23a wird von einem Temperaturfühler 104 über Steuerleitungen 106 ein Signal auf ein Magnetventil 107 aufgeschaltet und somit der Kühlmitteldurchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 in Abhängigkeit von der Heizungs­ vorlauftemperatur geregelt.

Gemäß Fig. 23b wird als Aufschaltgröße für das Magnet­ ventil 107 eine Feuerraumtemperatur vom Fühler 104 abgegriffen. Eine andere Ausführungsform ist der Fig. 23c zu entnehmen, hier ist die vom Fühler 104 erfaßte Flammentemperatur Führungsgröße für das Magnetventil 107. Fig. 23d zeigt eine andere Variante. Hier wird der Durchsatz durch das Wärmetauscherelement 12 nicht von ei­ nem Magnetventil beeinflußt, sondern über die Drehzahl einer Pumpe 109, wobei dem Pumpenmotor wiederum alternativ die zuvor angedeuteten Führungsgrößen aufgeschaltet werden können. Nur beispielhaft ist hier wiederum eine Feuerraumtemperatur vom Fühler 104 erfaßt.

Kombinationen zwischen den hier vorgestellten Ausfüh­ rungsbeispielen sind jeweils möglich, ohne einzeln be­ schrieben zu werden. Alle diese Ausführungsformen dienen stets dem Zweck, mittels einer charakteristischen Füh­ rungsgröße den Kühlwasserdurchsatz durch das Wärmetau­ scherelement 12 zu regeln und somit den zur Prozeßoptimie­ rung erforderlichen Wärmestrom abzuführen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 24 vorgestellt wird, können einem Mikroprozessor 110 Signale von Temperaturfühlern 104 zugeführt werden. Es handelt sich dabei zum Beispiel um Temperaturen, die am Heizungsvor- beziehungsweise -rücklauf abgegriffen werden können und/oder eine Feuerraumtemperatur und/oder Tempe­ raturen am Wärmetauscherelement 12, das im unmittelbaren Flammenbereich liegt. Der Mikroprozessor vergleicht ein­ zelne dieser Temperaturen oder deren Differenzen bezie­ hungsweise zeitliche Gradienten der Temperaturen oder Gradienten der Temperaturdifferenzen mit entsprechenden Soll-Werten, die als vorher festgelegte Optimalwerte in einem Datenspeicher abgelegt sind, der seinerseits Be­ standteil des Mikroprozessors sein kann. Die Regelabwei­ chung kann zur Regelung der Gasmenge (Wärmebelastung) oder zur Regelung des Durchsatzes durch das Wärmetauscherelement 12 zur Flammenkühlung oder als Signal für eine Sicherheitsüberwachung gegen Überhitzung/Unterkühlung, zum Beispiel für Sicherheitsabschaltung, benutzt werden.

Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt insbesondere darin, daß mittels der Verarbeitung der im unmittelbaren Flammenbereich aufgenommenen Temperaturen oder ihrer Gra­ dienten eine für die Führung des gesamten Verbrennungsab­ laufes schnelle Regelstrecke aufgebaut werden kann.

Stromauf des Wärmetauschelements 12 befindet sich gemäß Fig. 3 im Gasweg die Gasdüse 56, die Gas unter Ansaugung von Primärluft 57 aus der Gasleitung 6 in einem Mischrohr 58 des Brenners 4 einbläst. Somit dient der Druckimpuls des Gases zum Verstärken des Durchsatzes an Kühlmedium (hier Gas-Primär-Luft-Gemisch) durch die Rohre des Wär­ metauschelements 12.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wäre es möglich, die Wärmeleitkörper so zu wählen, daß eine selbstregelnde Variation der Wärmeabfuhr aus dem Flammenbereich durch eine temperaturabhängige Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Elemente des Wärmetauschers 12 realisiert wird.

Für die Lage der Stäbe, Rohre oder sonstigen Elemente des Wärmetauschelements 12 relativ zu den einzelnen Flammen des Brenners 4 gilt, daß die Elemente bevorzugt zentral in der Flamme beziehungsweise Hauptflamme oder derart im Flammensaum liegen, daß sie allseits von der Flamme um­ schlossen werden. Im übrigen käme auch eine Positionie­ rung der Kühlelemente an den Flanken des Innenkegels vor­ gemischter Brennerflammen oder neben den Flammen oder oberhalb von Teilflammen in Frage.

Bei Durchlaufwasserheizern, Umlaufwasserheizern, Spei­ chern und Kesseln kommen die unterschiedlichsten Brenner­ typen zur Anwendung. Neben den Hauptordnungsmerkmalen, daß die Brenner Gebläsebrenner oder atmosphärische Gas­ brenner sein können, kommt bei Gebläsebrennern die Spei­ sung mit Öl und Gas in Frage. Bei Gasbrennern wäre im übrigen auch Diffusionsbrenner möglich. Neben rohr- oder rippenrohrförmigen Gasbrennern, meist atmosphärisch mit Injektor gespeist, existieren flächig angeordnete Me­ tall-, Metallfaser- und Keramikplattenbrenner. Bei rohr­ förmigen Brennern gibt es solche mit runder oder längli­ cher Gesamtkontur, ferner sogenannte Rostbrenner, die sich aus einer Vielzahl parallelliegender Brennerrohre zusammensetzen. Meistens an der Oberseite der Brennerroh­ re befinden sich eine Vielzahl von Brenngemisch- Austrittsöffnungen, die aus Löchern oder Schlitzen oder aus beiden bestehen.

Geht man beispielsweise von einem rohrförmigen Gasbrenner mit einer Vielzahl von Gas-Gemisch-Austrittsschlitzen aus, so ist die Anordnung der Teile des Wärmetauscherelementes 12, bezogen auf die Flammen, relativ problemlos. Wird nun ein solcher Brenner aufgrund einer Modulation der Brennerleistung mit Teilleistung betrieben, so werden die Flammen kürzer, womit sich die örtliche Lage der heißesten Zonen der Brennerflammen verändern. Jetzt müß­ ten, um den gleichen Kühleffekt zu erzielen, die Elemente des Wärmetauscherelementes 12 nachpositioniert werden, wie dies im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bereits er­ wähnt wurde. Um neben der Kühlung auch die Stabilisierung der Flamme zu verbessern, wäre statt einer Variation der Positionierung der Wärmetauschelemente es auch möglich, einzelne der Gas-Gemisch-Austrittsöffnungen zu verschlie­ ßen, um den verbleibenden Teildurchsatz bei gleichblei­ bender Flammengestalt durch weniger Gas-Gemisch-Aus­ trittsöffnungen als vorher durchzulassen. Da das Flammen­ bild gleich bleibt, können die Elemente des Wärmetauscherelements 12 an gleicher Stelle gelassen werden. Das Ver­ schließen und Öffnen einzelner Gas-Gemisch-Austrittsöff­ nungen kann thermisch, mechanisch, elektromagnetisch oder motorisch geschehen, Führungsgröße wird hierbei die Größe des Gasdurchsatzes sein.

Da es für den Stabilisierungs- und Kühlungseffekt wesent­ lich ist, die Elemente des Wärmetauschelementes 12 in ei­ ner bestimmten Position zur Flamme zu halten, wäre es möglich, an den Brenngemisch-Austrittsöffnungen am Bren­ ner 4 verstellbare Strömungsrichter für das austretende Gas oder Gas-Luft-Gemisch anzuordnen.

Statt einzelner verschließbarer Austrittsöffnungen wäre es auch möglich, Teilbereiche der Brenner beziehungsweise Teilbrenner 4 bei Teillast zu sperren, um so die Bren­ nerflächen gestuft freizugeben beziehungsweise abzusperren.

Wie bereits schon einmal erwähnt, kommen die unterschied­ lichsten Formen der Kühlelemente des Wärmetauscherelements 12 in Frage. So können diese Elemente generell aus Stäben, Rohren, Gittern und Sieben mit unterschiedlich­ sten Querschnitten bestehen. Die Querschnitte können rund, konisch, kegelförmig prismatisch oder ellyptisch sein.

Ist der Brenner 4 aus einzelnen Teilbrennern zusammenge­ setzt, so kann es an diesen Teilbrennern unterschiedliche Belastungen und damit auch unterschiedliche Flammenhöhen geben. Demgemäß kann man die Elemente des Wärmetauschelements 12 diesen Flammenhöhen derart anpassen, daß durch Wahl der Querschnittsformen und der Dimensionierungen den unterschiedlichen Flammenhöhen und Flammenabschnitten der Teilbrenner unterschiedliche Stabilisierungs- und Kühl­ elemente zugeordnet werden. Die Elemente des Wärmetau­ scherelements 12 können verdrehbare, schwenkbare und hö­ henverstellbare Körper sein, damit die Variation der Wär­ meabfuhr möglich ist und damit die Stabilisierung und Re­ aktionsbeschleunigung der Flamme unter den unterschiedli­ chen Bedingungen gewährleistet werden kann. Die Verstel­ lung in bezug auf Verdrehbarkeit, Schwenkbarkeit und Hö­ henverstellbarkeit ist über thermische Ausdehnungsfühler, Dehnstoffelemente möglich, sie gelingt auch auf elektro­ magnetischem, elektronischem und manuellem Weg.

Bei direkter Entnahme des Kühlmediums aus dem Wasserkreis kann - entsprechend Betriebsbedingungen des Wasserhei­ zers bezüglich Druck und Temperatur im Wasserkreis vor­ ausgesetzt - die Forderung nach störungsfreiem Betrieb der Flammenkühlung zu zusätzlichen Steuerungs/Regelungs­ anforderungen führen oder besondere Varianten der kon­ struktiven Gestaltung der Flammenkühlung erfordern. Das ist besonders dann der Fall, wenn Kondensatbildung an der Außenwand des Wärmetauscherelementes 12 oder ein Ver­ dampfen oder Sieden des Kühlwassers zu befürchten ist. Mögliche Ausführungsformen sind in den Fig. 25 bis 33 dargestellt.

Bei der in Fig. 25 dargestellten ersten Variante ist ein Abzweig des für die Flammenkühlung vorgesehenen Kühlwas­ sers nach einem Teilabschnitt des Wärmetauschers 11 vorgesehen. Das in diesem Abzweig hineinfließende Wasser hat bereits einen Teil des Wärmetauschers 11 passiert und ist daher etwa aufgeheizt, so daß das für die Flammen­ kühlung abgezweigte Wasser eine mittlere Temperatur aufweist.

In Fig. 26 ist eine weitere Variante zur Regulierung des Wärmestroms der Flammenkühlung dargestellt. Dabei ist ei­ ne Anbindung des Kühlkreislaufes an den Heizungsvorlauf und den Heizungsrücklauf vorgesehen, um bei veränderli­ chen Heizvorlauf-/rücklauftemperaturen ein konstantes Temperaturniveau des Kühlwassers zu sichern. Bevorzugt ist ein 3-Wege-Ventil 111 vorgesehen, das über einen thermischen Ist-Soll-Wert-Vergleich eine motorische Mi­ schersteuerung beinhaltet, so daß einströmendes Vorlauf- und Rücklaufwasser derart gemischt wird, daß die abströ­ mende Kühlwassermenge und die Kühlwassertemperatur ein bestimmtes Niveau erreichen. Statt eines derartigen 3-Wege-Ventils kann auch ein thermisch regelndes Dehn­ stoffelement zur Mischungssteuerung oder ein thermisch gesteuertes Vorrangumschaltventil eingesetzt werden.

Eine Ausführungsvariante eines 3-Wege-Ventils 111 mit eingebauter Regelvorrichtung zum Konstanthalten der Tem­ peratur des Kühlwassers zeigt die Fig. 26a in schmati­ sierter Wiedergabe. Ein im Eingangsbereich der Kühl­ schlange angeordneter Dehnstoffregler D wirkt sowohl auf einen Öffnungsstempel S 1 zwischen dem Vorlauf VL und ei­ nem Mischraum M sowie einen Öffnungsstempel S 2 zwischen dem Rücklauf RL und dem Mischraum M. Bei Erhöhung der Temperatur im Mischraum M vergrößert sich das Volumen des Dehnstoffelementes D, womit automatisch der Öffnungsstem­ pel S 1 weiter geschlossen und der Öffnungsstempel S 2 wei­ ter geöffnet wird. Infolgedessen gelangt weniger bereits erwärmtes Vorlaufwasser durch den Öffnungsstempel S 1 in den Mischraum M, gleichzeitig jedoch mehr kaltes Rück­ laufwasser, so daß das im Mischraum M temperierte Kühl­ wasser auf das durch den Dehnstoffregler D vorgegebene Temperaturniveau abkühlt.

Eine weitere Ausführungsform einer Temperaturreglung mit einem Dehnstoffregler D zeigt Fig. 26b.

Zur Steuerung des Kühlvorganges kann aber auch ein in Fig. 27 dargestelltes, in den Kühlmittelkreislauf inte­ griertes Ventil 112 nach Art eines Thermostatventils die­ nen. Dieses Ventil drosselt den Kühlmitteldurchsatz bei Unterschreitung einer bestimmten Soll-Temperatur, was ei­ ne Erhöhung der mittleren Kühlmitteltemperatur im Wärme­ tauscherelement 12 zur Folge hat.

Den prinzipiellen Aufbau einer Variante eines Ventils 112 zeigt Fig. 27a. Es ist ersichtlich, daß der Kühlmittel­ durchsatz mit Hilfe eines Dehnstoffelements D geregelt wird. Neben einer freien Öffnung F, die eine Grundströ­ mung gestattet, ist eine temperaturgesteuerte verschließ­ bare Öffnung V, diese steht in Verbindung mit einem Ver­ schlußelement E, das federgelagert im Kräftegleichgewicht mit dem ebenfalls federgelagerten Dehnstoffelement D an­ geordnet ist. Bei hoher Temperatur des einströmenden Was­ sers vergrößert sich das Volumen des Dehnstoffelementes D mit der Folge, daß das Verschlußelement E bis maximal an einen Anschlag A aus der verschließbaren Öffnung V her­ ausgedrückt wird. Infolgedessen vergrößert sich der Kühl­ mitteldurchsatz, wodurch die Kühlwirkung ebenfalls zu­ nimmt.

Eine Möglichkeit zur Absenkung der Maximaltemperaturen des das Wärmetauscherelement 12 durchfließenden Kühlmedi­ ums ist in den Fig. 28 und 28a dargestellt. Das Wär­ metauscherelement 12 ist hier in zwei separate Stränge 113 und 114 zerlegt. Eine mäanderförmige Kühlschlange mit n (vorzugsweise vierzehn) parallel verlaufenden Rohrab­ schnitten besteht bei dieser Variante demzufolge aus zwei separaten Kühlschlangen 113 und 114 mit je n/2 (vorzugs­ weise sieben) Rohrabschnitten.

Fig. 29 zeigt eine Ausführungsform mit einem separaten Kühlkreislauf. Dieser Kühlkreislauf ist mit einem Wärmetauscher-Element 115 an den Heizungsrücklauf gekop­ pelt und weist außerdem eine Umwälzpumpe 116 und eine Entlüftung 117 auf.

Eine Modifizierung der in Fig. 29 dargestellten Kühlung veranschaulicht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 30.

Demnach ist eine Kühlkreispumpe 116′ mit der Umwälzpumpe 16 des Heizkreises gekoppelt. Beide Aggregate 16 und 116′ besitzen entweder eine gemeinsame Welle oder sind über eine Magnetkupplung miteinander verbunden. Zusätzlich kann - wie Fig. 31 zeigt - zwischen den beiden Wasser­ kreisläufen eine Ausgleichsleitung 118 zum Ausgleich des Druckniveaus vorgesehen sein.

Fig. 32 zeigt eine Ausführung, bei der dem Wärmetauscher 11 nachgeordnet ein Abzweig 119 vorgesehen ist, der einen Teil des Vorlaufwassers des Heizkreises einem Wärmetauscher­ element 12 zuführt. Das Wärmetauscherelement 12 be­ steht dabei aus einem mäanderförmig gewundenen Rohr 120 für dieses Kühlwasser und einen einfach gewundenen, das Rohr 120 im wesentlichen senkrecht kreuzenden, rücklauf­ wasserführenden Rohrschlange 121. Das Rohr 120 mündet in das Verbindungsstück 122 zwischen der Rohrschlange 121 und dem Wärmetauscher 11 ein. Ausführungsformen für den Kreuzungsbereich zwischen dem Rohr 120 und der Rohr­ schlange 121 sind in der Fig. 32a in der Draufsicht und in der Fig. 32b als Schnitt dargestellt. Es ist er­ sichtlich, daß das mäanderförmige gewundene Rohr 120 an den Kreuzungspunkten wärmetauschend mit dem Heizungswas­ ser führenden Rohr 121 verbunden ist.

Auch bei dem in Fig. 33 dargestellten Kühlkreislauf ist ein mäanderförmig gewundenes Rohr 120′ vorgesehen, wel­ ches eine zur Fig. 32 identische Rohrschlange 121 durchsetzt. Im Unterschied zur Fig. 32 bildet hier je­ doch das Rohr 120′ einen separaten Kühlwasserkreislauf, der eine Umwälzpumpe 116 - analog zur Fig. 29 - auf­ weist.

Die vorliegende Erfindung enthält die unterschiedlichsten Elemente der Ausführungen des der Flamme zugeordneten Wärmetauscherelements in bezug auf die unterschiedlichste Anwendung bei den verschiedenen Typen von Wasserheizern und eine Vielzahl von hydraulischen Schaltungen zur Ein­ bindung des der Flamme zugeordneten Wärmetauscherelements in Verbindung mit einer Vielzahl von Positionierungs-, Überwachungs- und Steuerungselementen sowie Vorrichtungen zur Regulierung des Kühlmittelkreislaufes. Generell gilt, daß jede Ausführungsform des Wasserheizers mit jeder der geschilderten Ausführungsform der hydraulischen Einbin­ dung, der Überwachung und Steuerung sowie der Kühlungsre­ gulierung möglich und denkbar ist. Es muß im Einzelfall herausgefunden werden, welche Kombination der Einzelhei­ ten zu optimalen Ergebnissen führt.

DieFig. 34a und 34b veranschaulichen die Position des Wärmetauscherelements 12 relativ zur Flammenkontur bei einem Brenner mit variabler Leistung und damit varia­ bler Flammenlänge, wobei die das Brenngas/Luft-Gemisch zuführenden Kammern 123 gekrümmt ausgebildet sind. Bei unterschiedlichen Brennerleistungen verändert sich das Gleichgewicht zwischen dem Austrittsimpuls und dem thermi­ schen Auftrieb der Flamme. Höhere Brennerleistung, also höhere Austrittsgeschwindigkeit des Gemisches führt zu einem Übergewicht des Austrittsimpulses, so daß die Flam­ me der Rohrkrümmung entsprechend ausgerichtet ist und da­ durch ein in diesem Bereich angeordnetes Wärmetauscher­ element in verstärktem Maße umströmt. Die Kühlwirkung ist demzufolge bei höherer Brennerleistung auch ver­ stärkt.

Claims (26)

1. Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit, ins­ besondere Wasserheizer, vorzugsweise Umlaufwas­ serheizer, Durchlaufwasserheizer, Kessel oder Speicher mit einem Brenner und einem Wärmetau­ scher, der aus wenigstens zwei in Strömungsrich­ tung der Verbrennungsgase nacheinander folgenden Einheiten besteht, wobei die erste, dem Brenner nächstgelegene, stromab der Brennstoff-Aus­ trittsöffnung gelegene, unmittelbar im Flammen­ bereich befindliche Wärmetauschereinheit (12) dem Flammenbereich einen Wärmestrom entzieht, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Wärmestrom zwischen 5 und 50% des Gesamtwärmestroms be­ trägt und daß dieser direkte Entzug eines Wärme­ stroms der Optimierung des Verbrennungsprozesses dient, wobei der restliche Wärmestrom im zweiten Wärmetauscherelement (11) umgesetzt wird

2. Vorrichtung zur Wassererhitzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Wärmetauscherelement (12) in Form und Dimension so gestaltet beziehungsweise so positioniert ist, daß es als Staukörper die Flammenstabilität des Brenners (4) verbessert und eine Reaktionsinten­ sivierung bewirkt.

3. Vorrichtung zur Wassererhitzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmetauschelemente (12) und (11) eine gemeinsame Funktionsüberwachungseinrichtung aufweisen.

4. Wasserheizer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das dem Flammenbereich zugeordnete Wärmetauscherelement (12) eine separate Funk­ tionsüberwachungseinrichtung aufweist.

5. Vorrichtung zur Wassererhitzung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwa­ chungsvorrichtung für den Durchsatz an Kühlmit­ tel vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchsatz thermisch durch Tem­ peraturdifferenzfühlung, durch eine Durchsatz­ messung, durch eine Längenausdehnung, durch ein Dehnstoffelement oder eine Druchdifferenz hin­ durchfließenden Mediums erfaßt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das der Flamme zugeordnete Wärme­ tauschelement aus einem Wärmeleitkörper in Form eines Rohres, Stabes, Gitters oder Siebes besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das der Flamme zuge­ ordnete Wärmetauscherelement (12) aus einem kühlmitteldurchströmten Körper besteht, dessen Wärme konvektiv abgeführt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit (12) in ihrer Lage verstellbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit (12) in einer optimalen Stellung fixiert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit (12) manuell in eine optimale Lage gebracht wird und in dieser Lage fixiert wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unmittelbar im Flammenbereich befindliche Wärmetauschereinheit 12 durch ge­ eignete Vorrichtungen, zum Beispiel Bimetallele­ mente geregelt jeweils in die optimale Lage ge­ bracht wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmestrom, der den Flammen durch die unmittelbar im Flammenbereich befind­ liche Wärmetauschereinheit 12 entzogen wird, durch geeignete Vorrichtungen geregelt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einer Überwachungsvorrichtung für den Durchsatz an Kühlmittel die zeitlichen Gra­ dienten der Temperaturdifferenzen aufgeschaltet werden.

15. Vorrichtung, insbesondere nach einem der voran­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelführung eine Steuer- oder Regel­ einrichtung zur Einhaltung eines gewünschten Temperaturniveaus des Kühlmittels aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine manuell, hydraulisch, ther­ misch oder elektrisch betriebene Steuer- oder Regeleinrichtung vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Anspüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- oder Re­ geleinrichtung derart ausgebildet ist, daß der Steuer- oder Regelbereich der Kühlmitteltemperatur zwischen einer unteren, durch beginnende Kondensatbildung an der Außenwand des Wärmetau­ scherelements (12) charakterisierten Grenztempe­ ratur und einer oberen, durch beginnende Kühl­ mittelverdampfung charakterisierte Grenztempera­ tur liegt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrich­ tung zur Steuerung des Kühlmitteldurchsatzes des Wärmetauscherelementes (12) ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (RL) und die Vorlaufleitung (VL) der Brauchwas­ serführung mit je einem Abzweig versehen sind, welcher mittels eines eine thermische Mischer­ steuerung aufweisenden Mischventils (111) in einen das Wärmetauscherelement (12) beinhalten­ den Kühlmittelstrang einmünden, wobei dieser an seinem anderen Ende mit der Rücklaufleitung (RL) verbunden ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mischersteuerung ein thermisch­ regelndes Dehnstoffelement oder ein thermisch gesteuertes Vorrangumschaltventil aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Rück­ laufleitung (RL) abzweigender Kühlmittelkreis­ lauf ein Ventil (112) nach Art eines Thermostat­ ventils aufweist, welches den Kühlmitteldurch­ satz derart regelt, daß die Strömungsgeschwin­ digkeit des Kühlmittels bei Unterschreitung ei­ ner Soll-Temperatur verringert wird.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein separater Kühl­ mittelkreislauf vorgesehen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf mittels eines Wärmetauscherelementes (115) an die Rück­ laufleitung (RL) des Brauchwasserkreises gekop­ pelt ist.

24. Vorrichtung nach einem der Anspüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Brauchwasser- und der Kühlmittelkreislauf jeweils eine Unwälz­ pumpe (16) beziehungsweise (116′) aufweisen, wel­ che über eine gemeinsame Welle oder eine Magnet­ kopplung miteinander verbunden sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Brauchwas­ ser- und den Kühlmittelkreislauf verbindende Druckausgleichsleitung vorgesehen ist.

26. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Öff­ nungsbereich benachbarte Endabschnitt des Brennstoff-/Luft-Gemisch-Austrittsrohres (123) sichelförmig gekrümmt ist.