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Dokumentenidentifikation DE102004041818B4 26.10.2006
Titel Gasbeheizter Warmwasserbereiter
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Gröhl, Alexander, 55278 Dolgesheim, DE
Vertreter Fuchs, Mehler, Weiß & Fritzsche, 65201 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 27.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004041818
Offenlegungstag 02.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2006
IPC-Hauptklasse F24H 1/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasbeheizten Warmwasserbereiter, bestehend aus einem aufrecht stehenden zylindrischen, wärmeisolierten Wassertank, der zentrisch von einem Abgasrohr axial durchdrungen ist und unterhalb dem eine Verbrennungskammer angeordnet ist, innerhalb welcher ein atmosphärischer Gas-Brenner angeordnet ist, der ein voll-vormischendes Brenngas/Luft-Zufuhrsystem aufweist.

Gasbeheizte Warmwasserbereiter sind in vielfältigen Ausführungsformen für unterschiedliche Anwendungen auf dem Markt. Sie dienen insbesondere zur Warmwasser-Versorgung von Wohnungen oder eines Hauses. Ein typisches Gerät ist beispielsweise der so genannte Boiler für die Warmwasserversorgung.

Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf einen speziellen, gasbeheizten Warmwasserbereiter, den sogenannten „Water Heater", wie er typischerweise in USA im großen Umfang beispielsweise in Haushalten, Werkstätten und kleinen Industriebetrieben, als freistehender Warmwasser-Speicher für die Warmwasserversorgung, z.B. zu Duschzwecken, eingesetzt wird.

Diese „Water Heater" haben einen typischen Aufbau, wie er beispielsweise aus der US-4,953,510 A zu entnehmen ist. Die zentrale Komponente des Water Heater ist ein zylindrischer, langgestreckter Speichertank zum Speichern von erhitztem Wasser, durch den zentrisch ein Abgasrohr geführt ist und der über Füße freistehend auf dem Boden ruht.

Unterhalb des Speichertanks, dessen untere Wandung kalottenförmig ausgebildet ist, ist in einer Verbrennungskammer ein atmosphärischer Gasbrenner mit entsprechender Leistung angeordnet. Dieser atmosphärische Gasbrenner bewirkt, dass die heißen Abgase einschließlich ihrer Verbrennungsprodukte gegen den Boden des Wasserspeichers gelangen und schließlich durch das lange Abgasrohr aufsteigen. Bei diesem Typ eines Water Heater treten die im Abgasrohr nach oben strömenden heißen Gase mit den Innenflächen des Rohres in Kontakt, während das Wasser im Speichertank mit der Außenfläche des Rohres in Kontakt steht. Während die Verbrennung fortschreitet, wird das Wasser innerhalb des Speichertanks durch Wärmeleitung über die Wand des Abgasrohres erhitzt. Bei diesem Typ des Water Heater ist normalerweise noch eine Längstrennwand (Baffel) innerhalb des Abgasrohres angeordnet, um den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung von den heißen Verbrennungsgasen über die Wand des Abgasrohres auf das Wasser innerhalb des Speichertanks zu verbessern. Um sowohl während der Erhitzung des Wassers als auch nach dem Stoppen des Verbrennungsvorganges Wärmeverluste aus dem Water Heater zu reduzieren, ist die Außenfläche des Speichertanks typischerweise mit einem Wärmeisolationsmaterial abgedeckt.

Eine zunehmende Verschärfung der Gesetzgebung hinsichtlich Vermeidung von Unfällen, wenn insbesondere entflammbare Dämpfe in den offenen Verbrennungsbereich gelangen, sowie durch die Verschärfung der Abgaswerte, führen zu einer Entwicklung auf dem Feld der Water Heater, die einen geschlossenen Verbrennungsraum vorsieht, in welchem der voll vormischender Gasbrenner, ein sogenannter Pre-Mix-Brenner, angeordnet ist.

Ein derartiger Water Heater wird in der US 5,875,739 A beschrieben. Den Aufbau und die Anordnung des Pre-Mix-Brenners in dem geschlossenen kammerartigen Verbrennungsraum zeigt die 3 der vorliegenden Anmeldung, die der vorgenannten US-Schrift entnommen ist. Diese Figur zeigt einen Ausschnitt aus einem Water Heater mit einem Wassertank 1 und einem geschlossenen Verbrennungsraum 2, an dem ein Abgasrohr 3 angeschlossen ist, das sich mittig durch den Wassertank 1 erstreckt. Verbrennungsraum 2 und Wassertank 1 sind durch Wärmeisolationen 4 thermisch gegenüber der Umgebung isoliert. Im Verbrennungsraum 2 ist ein atmosphärischer Pre-Mix-Brenner 5 angeordnet, bestehend aus einer Mischkammer 6 und einer sphärisch ausgebildeten Brennerfläche 7. An der Mischkammer 6 ist ein Venturi-Rohr 8 angeschlossen, das sich durch die Wärmeisolation 4 hindurch bis an die Außenfläche des Water Heater erstreckt. Innerhalb der dabei gegebenen Außenöffnung 9 ist eine Düse 10 für die Zufuhr des Brenngases angeordnet. Beim Einströmen des Gases in das Venturi-Rohr 8 wird aufgrund der strömungstechnischen Wirkung dieses Rohres Primärluft über die Außenöffnung 9 angesaugt, die dann in der Mischkammer 6 mit dem Brenngas durch Verwirbelung weiter vermischt wird.

Eine weitere Ausbildung eines Water Heater mit einem voll vormischenden atmosphärischen Gasbrenner ist durch die US 2003/0111 023 A1 bekannt geworden. Der daraus bekannte Gasbrenner besitzt eine ebene rechteckige Brennermatte.

Beim Einsatz eines atmosphärischen, voll vormischenden Gasbrenners bei einem Warmwasserbereiter der vorgenannten Art bietet es sich an, den Gasbrenner zentrisch in den Verbrennungsraum, der Verbrennungskammer, zu platzieren, um eine gleichmäßige Wärmeabgabe nach allen Seiten zu erzielen.

Durch die bestehende typische Konstruktion des Verbrennungssystems bei vorgenannten Warmwasserbereitern mit dem zentrischen Abgasrohr, das bündig mit der unteren kalottenförmigen Wandung des Speichertankes an dieser, sich nach oben erstreckend, angebracht ist, ist der Abgasstrom so gerichtet, dass die heißen Abgase, die Verbrennungsluft, mehr oder weniger direkt aus der Verbrennungskammer in das Abgasrohr strömen.

Dies hat zur Folge:

  • 1. Die Möglichkeit der Wärmeübertragung wird im Bodenbereich, üblicherweise als Dome bezeichnet, nicht vollständig ausgenutzt.
  • 2. Die heißen Abgase durchströmen des „Abgaskanal" mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, so dass der Wirkungsgrad beschränkt ist. Man kann ihn zwar durch das eingangs erwähnte „Baffle" im Abgasrohr steigern, was jedoch in nachteiliger Weise die Verbrennungsgüte beeinträchtigt, da sich die Abgaswerte (NoX/CO) verschlechtern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs bezeichneten gasbeheizten Warmwasserbereiter so auszubilden, dass der Wirkungsgrad gesteigert wird, ohne jedoch dabei die Verbrennungsgüte nachteilig zu beeinflussen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem gasbeheizten Warmwasserbereiter, bestehend aus einem aufrecht stehenden zylindrischen, wärmeisolierten Wassertank, der zentrisch von einem Abgasrohr axial durchdrungen ist und unterhalb dem eine Verbrennungskammer angeordnet ist, innerhalb welcher ein atmosphärischer Gas-Brenner angeordnet ist, der ein voll-vormischendes Brengas/Luft-Zufuhrsystem aufweist gemäß der Erfindung dadurch, dass das Abgasrohr tief in die Verbrennungskammer hinein verlängert ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Abgasrohres gelingt es mit Vorteil, dass die Verbrennungsluft an dem gesamten Bodenbereich (Dome) der Verbrennungskammer entlang strömt, d.h. es gelingt, die Verbrennungsluft so lange wie möglich in dem Bereich der Verbrennungskammer zu halten, um den Wärmeübertrag im Bereich des Domes zu erhöhen.

Des Weiteren wird die heiße Abgasströmung durch die geometrische Ausbildung der Abgasrohrerweiterung weiter abgebremst, was wiederum einen besseren Wärmeübertrag im Abgasrohr zur Folge hat.

Als weiterer Punkt ist anzuführen, daß das im Bodenbereich abgekühlte Abgas im Abgasrohr nicht den üblichen Kamineffekt erzeugt; somit ist nochmals eine Verlangsamung des Abgases gegeben und damit wiederum ein längeres Verweilen des Abgases im Gerät.

Die US 6,725,811 B1 zeigt zwar einen gleichartigen gasbeheizten Warmwasserbereiter, bestehend aus einem aufrecht stehenden zylindrischen, wärmeisolierten Wassertank, der zentrisch von einem Abgasrohr axial durchdrungen ist und unterhalb dem eine Verbrennungskammer angeordnet ist, innerhalb welcher ein atmosphärischer Gas-Brenner angeordnet ist, der ein voll-vormischendes Brenngas/Luft-Zufuhrsystem aufweist, wobei das Abgasrohr nicht bündig mit der Wandung des Brennraumes abschließt, sondern etwas stummelartig übersteht. Dieses geringfügige „Überstehen" hat offenbar keine besonderen technischen bzw. wärmetechnischen Gründe wie im Fall der Erfindung und wird auch in der Druckschrift nicht besonders beschrieben. Es dürften Gründe sein, die im Bereich der geeigneten Befestigung des Abgasrohres in der Wandung zu suchen sind. Zu dieser Überlegung regt insbesondere die Darstellung in 8 der vorgenannten US-Druckschrift an.

Weitere Ausbildungen von gasbeheizten Warmwasserspeichern zeigen die DE 2 239 295 A (Strömungseinlage oberhalb des Gasbrenners), US 2 374 757 (Mehrkammerspeicher) und die DE 23 30 934 C2 (schwenkbares Abdeckgehäuse).

Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet sowie ergeben sich auch aus der Figurenbeschreibung.

Anhand von zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:

1 in einer stark schematisierten Schnittdarstellung den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen gasbeheizten Water Heater mit Wassertank, unterhalb dem eine Verbrennungskammer mit einem Gasbrenner angeordnet ist, und dem zentrischen Abgasrohr, das tief in die Verbrennungskammer hineingezogen ist,

2 den Water Heater nach 1, bei dem im Boden der Verbrennungskammer ein als Überdruckventil dienendes Lochblech angebracht ist, und

3 in einer Längsschnitt-Darstellung einen bekannten Water Heater mit einem voll-vormischenden Gasbrenner mit sphärischer Brennfläche.

Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Schnittdarstellung den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Water Heater mit dem zylindrischen Speicher-Wassertank 1, der zentrisch von dem Abgasrohr 3 durchdrungen ist und eine kalottenförmig gebogene untere Wandung 1a besitzt, unterhalb welcher sich der kammerförmige Verbrennungsraum, die Verbrennungskammer 2, befindet.

Dieser Aufbau ist bekannt und braucht daher an dieser Stelle nicht mehr näher beschrieben zu werden.

Innerhalb der Verbrennungskammer 2 ist – symbolisch dargestellt – der atmosphärische Gasbrenner 5 mit seiner Brennfläche 5a und dem voll vormischenden Brenngas/Luft-Zufuhrsystem angeordnet, und zwar derart, dass der Boden des Gasbrenners 5 sich im kleinen Abstand oberhalb des Bodens der Verbrennungskammer befindet.

Als atmosphärische Gasbrenner bezeichnet man dabei üblicherweise solche Brenner, die ohne Gebläse-Unterstützung das Brenngas verbrennen.

Auch der typische Aufbau eines voll vormischenden Brenngas/LuftZufuhrsystems mit Venturi-Rohr, Brenngas-Einschussdüse und Öffnungen für die Primärluft, ist bekannt und braucht daher hier nicht näher beschrieben zu werden.

Erfindungsgemäß ist das Abgasrohr 3 weit in die Brennkammer 2 bis kurz vor den Brennkammerboden hineingeführt. Es endet typischerweise in einem Abstand von 2–3 cm vordem Verbrennungskammerboden. Es versteht sich, dass diese Werte nur als vorteilhafte Ausführungen zu sehen sind.

Wenn das Abgasrohr, wie dargestellt, zentrisch in den Verbrennungsraum 2 hineinragt und auch der Gasbrenner 5 zentrisch im Verbrennunsraum angeordnet ist, ist der Gasbrenner 5 zweckmäßig hohlzylindrisch mit einer ringförmigen Brennfläche 5a ausgebildet.

Wie aus der 1 zu erkennen ist, strömt der Abgasstrom 11, die Verbrennungsluft, bedingt durch die Anordnung des Gasbrenners 5 und das bis nahe an den Boden des Verbrennungsraumes 2 herunter gezogene Abgasrohr 3 zunächst über eine lange Strecke entlang des Außenmantels des Abgasrohres 3 und der kalottenförmigen, unteren Wandung 19 des Speichertankes 1 und gibt dabei besonders intensiv seine Wärme an den Speichertank und den Mantel des Abgasrohres ab. Er strömt dann nach Umlenkung an der Wandung 1a unterhalb des Gasbrenners 5 entlang dem Boden der Verbrennungskammer dem Einlass des Abgasrohres 3 zu und steigt schließlich im Abgasrohr auf. Es gelingt dadurch, die heiße Verbrennungsluft sehr lange im Bereich der Verbrennungskammer zu halten und den Wärmeübertrag im Bereich des Domes zu erhöhen, insbesondere auch weil der Abgasstrom abgebremst wird.

In 2 ist eine Variante des gasbeheizten Warmwasserbereiters nach 1 dargestellt, bei der im Bodenbereich der Verbrennungskammer 2 ein Lochblech 12 als Überdruckventil angebracht ist. Dieses Überdruckventil dient dazu, sich bei der Verbrennung aufbauende Drücke und die damit verbundenen Resonanzen zu unterbinden, so dass die Verbrennung stabil laufen kann. Im übrigen entspricht die Variante nach 2 der Ausführung nach 1.

In den 1 und 2 fluchtet die Verlängerung des Abgasrohres mit dem zentrischen Abgasrohr 3 im Speicher-Wassertank, so dass die Verlängerung ebenfalls zentrisch in die Verbrennungskammer 2 hineinragt.

Die Verlängerung des Abgasrohres 3 kann je nach Brennerausführung aber auch in jeder anderen Position angebracht werden.

Die Verlängerung des Abgasrohres 3 kann zum einen, wie dargestellt, in Richtung Verbrennungsraumboden aber auch in jede andere Richtung weisen.

Die Verlängerung des Abgasrohres kann einstückig mit dem Abgasrohr 3 im Speicher-Wassertank verbunden sein. Sie kann aber auch als gesondertes Teil mit dem Abgasrohr 3 verbunden sein, z.B. durch Verschrauben über flanschartige Abschnitte. Der Querschnitt der Verlängerung kann dann rund, eckig, oval sein, oder irgendeine freie Form aufweisen.


Anspruch[de]
Gasbeheizter Warmwasserbereiter, bestehend aus einem aufrecht stehenden zylindrischen, wärmeisolierten Wassertank, (1), der zentrisch von einem Abgasrohr (3) axial durchdrungen ist und unterhalb dem eine Verbrennungskammer (2) angeordnet ist, innerhalb welcher ein atmosphärischer Gas-Brenner (5) angeordnet ist, der ein voll-vormischendes Brenngas/Luft-Zufuhrsystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (3) tief in die Verbrennungskammer (2) hinein verlängert ist. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (3) bis in den Bereich des Bodens der Verbrennungskammer (2) verlängert ist. Warmwasserbereiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des verlängerten Abgasrohres 2–3 cm oberhalb des Bodens der Verbrennunskammer (2) liegt. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Abgasrohres mit dem zentrischen Abgasrohr (3) im Speicher-Wassertank (1) fluchtet. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Abgasrohres (3) exzentrisch erfolgt. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Abgasrohres in eine andere Richtung als zum Boden der Verbrennungskammer (2) gerichtet ist. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Abgasrohres (3) einstückig mit dem Abgasrohr im Speicher-Wassertank verbunden ist. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Abgasrohres als separates Teil ausgebildet ist. Warmwasserbereiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Verlängerung rund, eckig, oval ist, oder eine andere freie Form aufweist. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden oder im Seitenbereich der Verbrennunskammer (2) ein Lochblech eingebaut ist.






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