Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie

an einen Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie an einen Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage aus einer eine über einem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende Temperatur aufweisenden Heizenergiequelle sowie auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen finden beispielsweise in Heizungsanlagen Anwendung, bei denen die Heizenergiequelle ein Brenner für gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoff ist, durch den in einem Heizkessel Heizwasser aufgeheizt und in einem äußeren Kreislauf primärseitig durch einen Wärmetauscher hindurchgeführt wird. In diesem Wärmetauscher wird Wärme auf einen sekundärseitig angeschlossenen Heizkreislauf oder Warmwasserkreislauf übertragen. Dabei hängt die Energieeffizienz eines derartigen Verfahrens von verschiedenen Faktoren ab, zu denen insbesondere die Betriebstemperaturen der beteiligten Kreisläufe gehören.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine hohe Energieeffizienz aufweist, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß die Wärmeübertragung in einem Kältemittelkreislauf erfolgt, in dem eine flüssige Phase eines Kältemittels mit einer unter dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegenden niedrigen Temperatur durch Wärmeaufnahme aus der Heizenergiequelle in eine dampfförmige Phase überführt wird, die dampfförmige Phase unter Temperaturerhöhung auf eine über dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende hohe Temperatur verdichtet wird, die verdichtete dampfförmige Phase durch Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher in die flüssige Phase überführt wird und die flüssige Phase unter Temperaturerniedrigung auf die niedrige Temperatur entspannt wird.

Der Kältemittelkreislauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich also über vier Abschnitte. In den ersten Abschnitt strömt eine flüssige Phase des Kältemittels mit einer unter dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegenden niedrigen Temperatur beispielsweise in einen Strömungskanal ein, der beispielsweise in einer von der Heizenergiequelle beheizten Brennkammer ausgebildet ist, und wird dort durch Wärmeaufnahme aus der Heizenergiequelle in eine dampfförmige Phase überführt. Diese strömt in den anschließenden zweiten Abschnitt ein und wird dort mittels eines Verdichters im wesentlichen adiabatisch unter Temperaturerhöhung auf eine über dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende hohe Temperatur verdichtet. Diese verdichtete dampfförmige Phase strömt in den anschließenden dritten Abschnitt, der beispielsweise im Primärkreis eines Wärmetauschers liegt, und wird dort durch Wärmeabgabe an den beispielsweise im Sekundärkreis des Wärmetauschers liegenden Wärmeverbraucher in die flüssige Phase überführt. Letztere strömt in den anschließenden vierten Abschnitt, wird dort beispielsweise mittels eines Drosselventils im wesentlich adiabatisch unter Temperaturerniedrigung auf die niedrige Temperatur entspannt und strömt in den daran anschließenden ersten Abschnitt des Kältemittelkreislaufs zurück, von wo aus das Kältemittel den gesamten Zyklus erneut durchläuft.

Bei diesem Verfahrensablauf ist der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der Heizenergiequelle und der niedrigen Temperatur der von ihr beheizten flüssigen Phase des Kältemittels größer als der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der Heizenergiequelle und dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers. Infolge dieses größeren Temperaturunterschiedes erfolgt die Wärmeübertragung mit höherer Effizienz als bei einem direkten Wärmeaustausch zwischen der Heizenergiequelle und einem mit dem Wärmeverbraucher thermisch gekoppelten Wärmeträgermedium. Ebenso erfolgt die Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher infolge der durch die Verdichtung erreichten hohen Temperatur mit einer verhältnismäßig hohen Temperaturdifferenz, wodurch die Effizienz der Wärmeabgabe gesteigert wird. Insbesondere ist bei Zentralheizungssystemen als Verbraucher, je nachdem, ob es sich um ein System mit Heizkörpern oder eine Fußbodenheizung, eine Deckenheizung oder eine Wandheizung handelt, die maximale Vorlauftemperatur auf beispielsweise 60 °C, 50 °C, 40 °C oder 35 °C eingestellt, so daß hierdurch der Betriebstemperaturbereich entsprechend nach oben begrenzt ist.

Insbesondere liegt die Temperatur der für die Wärmeaufnahme zugeführten flüssigen Phase des Kältemittels unterhalb 0 °C, insbesondere unterhalb -10 °C oder -20 °C oder -30 °G oder -40 °C. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die niedrige Temperatur der für die Wärmeaufnahme zugeführten flüssigen Phase unterhalb 0 °C, insbesondere im Bereich von -10 °C bis -25 °C, liegt. Dabei kann die Verfahrensführung weiterhin derart erfolgen, daß die Temperatur der durch die Wärmeaufnahme erzeugten dampfförmigen Phase im Bereich von 45 °C bis 80 °C liegt. Ferner liegt die durch die Verdichtung hervorgerufene hohe Temperatur der verdichteten dampfförmigen Phase oberhalb 100 °C. Insbesondere beträgt sie 110 °C oder mehr, vorzugsweise 120 °C oder mehr.

In einer vorteilhaften Ausführungsfprm des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Temperatur der Heizenergiequelle über 1000 °C, insbesondere bei

1400 °C, liegt. In diesen Temperaturbereichen liegen beispielsweise die Betriebstemperaturen von Brennern für gasförmige, flüssige oder feste Brennstoffe.

Für die Durchführung des Verfahrens geeignete Kältemittel sind insbesondere Propan oder Butan oder geeignete Mischgase, wie beispielsweise R134a, R407c oder dergleichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Überführung des Kältemittels in die dampfförmige Phase in einem Abschnitt des Kältemittelkreislaufs erfolgt, der im Bereich einer die Heizenergiequelle umgebenden Kammerwandung angeordnet ist. Insbesondere umgibt die Kammerwandung die Flamme eines die Heizenergiequelle bildenden Brenners für festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wodurch die von dem Brenner freigesetzte thermische Energie wirkungsvoll an das in dem Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel übertragen wird. Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Überführung der verdichteten dampfförmigen Phase in die flüssige Phase in einem Abschnitt des Kältemittelkreislaufs erfolgt, der einen Wärmetauscher mit einem in dem Kältemittelkreislauf liegenden ersten Kreislaufabschnitt und einen damit in Wärmekontakt stehenden, von einem Wärmeträgermedium durchströmten zweiten Kreislaufabschnitt aufweist. Hierbei strömt die auf der hohen Temperatur liegende dampfförmige Phase durch den ersten Kreislaufabschnitt und gibt Wärmeenergie an den von dem Wärmeträgermedium durchströmten zweiten Kreislaufabschnitt ab, wobei die Temperatur des Wärmeträgermediums im Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegt. Beispielsweise ist das Wärmeträgermedium Wasser und entspricht dann in seiner Funktion dem Heizwasser üblicher Heizkessel.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie an einen Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage aus einer eine über einem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende Temperatur aufweisenden Heizenergiequelle gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Kältemittelkreislauf mit einem ersten Abschnitt, in dem eine eine unter dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende niedrige Temperatur aufweisende flüssige Phase eines Kältemittels durch Wärmeaufnahme aus der Heizenergiequelle in eine dampfförmige Phase überführbar ist, einem auf den ersten Abschnitt folgenden zweiten Abschnitt, in dem die dampfförmige Phase unter Temperaturerhöhung auf eine über dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende hohe Temperatur verdichtbar ist, einem auf den zweiten Abschnitt folgenden dritten Abschnitt, in dem die verdichtete dampfförmige Phase durch Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher in die flüssige Phase überführbar ist, und einem auf den dritten Abschnitt folgenden und zum ersten Abschnitt führenden vierten Abschnitt, in dem die flüssige Phase unter Temperaturerniedrigung auf die niedrige Temperatur entspannbar ist.

Insbesondere kann diese Gestaltung mit Hilfe einer Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie von einer in einem Hohlkörper ausgebildeten Brennkammer an ein Wärmeträgermedium einer Heizungsanlage mit einem von der in der Brennkammer freigesetzten Energie beheizten Strömungsweg für das Wärmeträgermedium und einem Strömungsweg für den Abzug von Abgas aus der Brennkammer verwirklicht werden, bei der einstückig mit einem die Brennkammer quer zu einer Längsachse des Hohlkörpers begrenzenden, ersten Wandabschnitt des Hohlkörpers ein erster Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium radial innen und in einem radial auswärts gerichteten Abstand dazu ein erster Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas ausgebildet ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet also der erste Wandungsabschnitt des Hohlkörpers einen die Brennkammer in Bezug auf deren Längsachse azimutal umschließenden Mantel. Dieser wird von seiner Innenseite her durch die in der Brennkammer freigesetzte Energie beheizt. Durch die radial innere Anordnung des ersten Abschnitts des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium wird die Heizenergie auf Letzteres effizient übertragen. Dabei kann die einstückige Ausbildung des ersten Abschnitts des Strömungswegs mit dem ersten Wandungsabschnitt des Hohlkörpers derart gestaltet sein, daß der erste Abschnitt des Strömungswegs in Form einer entsprechenden Oberflächenstruktur an der Innenseite des ersten Wandabschnitts des Hohlkörpers erkennbar ist. Der erste Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium kann aber auch oberflächennahe derart vollständig in den Wandungsabschnitt des Hohlkörpers eingebettet sein, daß er bei Blick auf die Innenseite des Wandabschnitts nicht wahrnehmbar ist. Durch diese radial innere Anordnung des ersten Abschnitts des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium kann die radiale Länge des Weges, längs dem die Wärme vom Inneren der Brennkammer zu dem Wärmeträgermedium fließt, kurz gehalten werden.

Der mit dem ersten Wandungsabschnitt des Hohlkörpers einstückig ausgebildete erste Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas ist radial außerhalb des ersten Abschnitts des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium angeordnet, wobei er insbesondere Letzteren mantelförmig umgibt. Dadurch unterstützt dieser erste Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas die thermische Trennung des innenliegenden ersten Abschnitts des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium von der Außenseite des Hohlkörpers. Insbesondere weist also der erste Wandabschnitt des Hohlkörpers einen inneren mantelförmigen Bereich auf, in dem der erste Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium ausgebildet ist, und einen davon radial beabstandeten äußeren mantelförmigen Bereich, in dem der erste Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas ausgebildet ist.

Die Herstellung des derart strukturierten Hohlkörpers kann vorteilhaft durch generative Fertigung erfolgen. Zu diesem Fertigungsverfahren gehört insbesondere der sogenannte "3D-Druck", vorzugsweise 3D-Druck mit Pulver (3DP), selektive Lasersinterung (SLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM/EBAM).

Für einen Betrieb in einer herkömmlichen Heizungsanlage wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an einen externen Heizwasserkreislauf angeschlossen, über dessen Rücklauf das durch die Abgabe von Nutzwärme abgekühlte Heizwasser dem ersten Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium zugeführt wird und über dessen Vorlauf das in dem ersten Abschnitt des Strömungsweges für das Wärmeträgermedium aufgeheizte Heizwasser abgeführt wird. Eine demgegenüber vorteilhaftere Betriebsart besteht darin, den ersten Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium in einem Kältemittelkreislauf zu betreiben. In diesem Kältemittelkreislauf erfolgt die Wärmeübertragung dadurch, daß eine flüssige Phase eines Kältemittels mit einer unter dem Betriebstemperaturbereich, in dem die Nutzwärme der Heizungsanlage abgegeben wird, liegenden niedrigen Temperatur durch Wärmeaufnahme beim Durchgang durch den in dem ersten Wandungsabschnitt des Hohlkörpers ausgebildeten ersten Abschnitt des Strömungswegs in eine dampfförmige Phase überführt wird, die dampfförmige Phase unter Temperaturerhöhung auf eine über diesem Temperaturbereich liegende hohe Temperatur verdichtet wird, die verdichtete dampfförmige Phase durch Nutzwärmeabgabe in die flüssige Phase überführt wird und die flüssige Phase unter Temperaturerniedrigung auf die niedrige Temperatur entspannt und zu dem in dem Hohlkörper ausgebildeten ersten Abschnitt des Strömungswegs zurückgeführt wird. Wegen der großen Unterschiede zwischen den in dem Hohlkörper herrschenden Temperaturen, die über 1000 °C, insbesondere bei 1400 °C, liegen, und den Temperaturen des durch den darin ausgebildeten ersten Abschnitt des Strömungswegs zirkulierenden Kältemittels erfolgt die Wärmeübertragung mit besonders hoher Effizienz. Insbesondere kann die niedrige Temperatur der für die Wärmeaufnahme vorgesehenen flüssigen Phase des Kältemittels unterhalb 0 °C, insbesondere im Bereich von -10 °C bis -25 °C, liegen. Die hohe Temperatur der für die Nutzwärmeabgabe vorgesehenen dampfförmigen Phase kann oberhalb 40 °C, insbesondere im Bereich von 45 °C bis 80 °C, liegen.

Insbesondere kann dieser Betriebsablauf mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens verwirklicht werden.

Die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zweckmäßig dadurch erfolgen, daß an den ersten Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium ein externer Abschnitt eines Kältemittelkreislaufs angeschlossen ist. Dieser zweite Wandabschnitt bildet somit einen stirnseitigen Deckel, der den Hohlkörper nach außen abschließt und an seiner Innenseite den zweiten Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas begrenzt, wobei in diesen Abschnitt sowohl die Brennkammer als auch der in dem ersten Wandungsabschnitt ausgebildete erste Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas mündet. Dadurch gelangt das in der Brennkammer entstehende Abgas in diesen zweiten Abschnitt des Strömungswegs und strömt dort in im wesentlichen radial auswärts gerichteter Richtung in den im wesentlichen axial verlaufenden ersten Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas. In einer bevorzugten Einbaulage der Vorrichtung ist der zweite Wandabschnitt des Hohlkörpers vertikal unten angeordnet. In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner vorgesehen, daß der Hohlkörper einen mit dem ersten Wandabschnitt einstückig ausgebildeten zweiten Wandabschnitt aufweist, der sich von einem ersten axialen Endbereich des ersten Wandabschnitts aus quer zur Längsachse erstreckt und der einen sowohl mit der Brennkammer als auch mit dem ersten Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas in Verbindung stehenden zweiten Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas begrenzt. Dieser dritte Wandabschnitt bildet also einen den Hohlkörper an seinem dem zweiten Wandabschnitt entgegengesetzten Ende abschließenden stirnseitigen Deckel, der in der bevorzugten Einbaulage der Vorrichtung vertikal oben angeordnet ist. Durch den in dem dritten Wandabschnitt ausgebildeten dritten Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas wird das aus dessen ersten Abschnitt zuströmende Abgas aufgefangen und zur Außenseite des Hohlkörpers hin abgeleitet. Von dort aus kann es beispielsweise an einen Kaminanschluß weitergeleitet werden.

Vorzugsweise sind die Bereiche, an denen der erste und der zweite Abschnitt bzw. der zweite und der dritte Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas miteinander in Verbindung stehen, strömungstechnisch hindernisfrei gestaltet. Dadurch steht in diesen Bereichen der Strömung des Abgases längs seines Strömungswegs kein zusätzlicher Strömungswiderstand entgegen.

Die Vorrichtung ist zweckmäßig weiterhin derart ausgebildet, daß der Strömungsweg für das Wärmeträgermedium einen sich an dessen ersten Abschnitt anschließenden Fortsetzungsabschnitt aufweist, der durch den zweiten oder dritten Wandabschnitt des Hohlkörpers hindurch aus dem Hohlkörper herausführt. Insbesondere weist sowohl das strömungstechnisch eingangsseitige Ende des ersten Abschnitts des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium als auch dessen strömungstechnisch ausgangsseitiges Ende jeweils einen derartigen Fortsetzungsabschnitt auf. Insbesondere ist jeweils eines dieser Enden des ersten Abschnitts des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium nahe dem zweiten bzw. dritten Wandabschnitt des Hohlkörpers angeordnet, wobei insbesondere das strömungstechnisch eingangsseitige Ende nahe dem zweiten Wandabschnitt und das strömungstechnisch ausgangsseitige Ende nahe dem dritten Wandabschnitt des Hohlkörpers angeordnet ist. Jeder der einstückig mit dem Hohlkörper ausgebildeten Fortsetzungsabschnitte ist durch den zweiten oder dritten Wandabschnitt des Hohlkörpers hindurch nach außen herausgeführt und ermöglicht dadurch einen Anschluß an einen externen Kreislauf.

Im Rahmen der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß in dem dritten Wandabschnitt des Hohlkörpers eine Anschlußöffnung für einen zur Befeuerung der Brennkammer dienenden Brenner ausgebildet ist. Insbesondere weist diese Anschlußöffnung eine mit der Längsachse des Hohlkörpers deckungsgleiche zentrale Achse auf. Da der dritte Wandabschnitt die Brennkammer an einem ihrer axialen Enden, insbesondere ihrem vertikal oberen axialen Ende, stirnseitig begrenzt, erstreckt sich dann die Flamme des zur Befeuerung der Brennkammer dienenden Brenners innerhalb der Brennkammer in der Richtung der Längsachse des Hohlkörpers.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß in dem zweiten Wandabschnitt des Hohlkörpers eine Öffnung zur Ableitung eines flüssigen Kondensats des Abgases ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, das flüssige Kondensat, das bei Abkühlung des Abgases unter den Taupunkt anfällt und Wasser sowie sonstige kondensierbare Stoffe des Abgases enthält, aus der Vorrichtung zu entfernen. Insbesondere in der bevorzugten Einbaulage, in der der zweite Wandabschnitt des Hohlkörpers dessen unteren Abschluß bildet, findet dort die Ansammlung des Kondensats statt. Zweckmäßig ist an die Öffnung das eine Ende eines externen Siphons angeschlossen, an dessen anderem Ende ein geeigneter Betriebsdruck eingestellt wird.

Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß in dem ersten Wandabschnitt des Hohlkörpers in einem radial auswärts gerichteten Abstand zu dem ersten Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas ein weiterer Strömungsweg für ein weiteres Wärmeträgermedium ausgebildet ist. Dieser weitere Strömungsweg ist vorzugsweise in Form eines Mäanders aus geradlinigen Abschnitten, die sich parallel zur Längsachse erstrecken, und die geradlinigen Abschnitte an ihren betreffenden axialen Enden verbindenden Abschnitten, die sich quer zur Längsachse erstrecken, ausgebildet. Durch diesen mit dem Hohlkörper einstückig ausgebildeten weiteren Strömungsweg kann mit einem darin strömenden weiteren Wärmeträgermedium Wärmeenergie aus dem Abgas abgeführt und als Nutzwärme zugänglich gemacht werden. Dabei läßt sich dieser Wärmeaustausch mit dem Abgas dadurch besonders effizient gestalten, daß an den weiteren Strömungsweg für ein weiteres Wärmeträgermedium ein externer Abschnitt eines weiteren Kältemittelkreislaufs angeschlossen ist. Die Funktion dieses weiteren Kältemittelkreislaufs entspricht der Funktion des eingangs beschriebenen Kältemittelkreislaufs, in dem das Kältemittel den radial inneren Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium durchströmt. Dies bedeutet, daß eine flüssige Phase des Kältemittels beim Durchgang durch den weiteren Strömungsweg verdampft, anschließend längs des externen Abschnitts des weiteren Kältemittelkreislaufs unter Temperaturerhöhung komprimiert, unter Nutzwärmeabgabe wieder verflüssigt, unter Temperaturerniedrigung entspannt und in den weiteren Strömungsweg zurückgeführt wird. Insbesondere kann dabei die Temperatur der dem weiteren Strömungs- weg zugeführten flüssigen Phase des Kältemittels im Bereich von -10 °C bis -40 °C liegen, wobei dann die Temperatur am Ausgang des weiteren Strömungswegs im Bereich von 25 °C bis 55 °C liegen kann. Die Temperatur des Abgases kann hierdurch beim Durchlauf durch seinen Strömungsweg beispielsweise auf einen Bereich von -15 °C bis 15 °C abgesenkt werden.

In einer sowohl in baulicher als auch in funktioneller Hinsicht vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der erste Wandabschnitt des Hohlkörpers eine zylinderman- telförmige Grundform aufweist, deren Zylinderachse der Längsachse des Hohlkörpers entspricht. Die Rotationssymmetrie dieser Grundform trägt insbesondere der Form der in Richtung der Längsachse brennenden Flamme des die Brennkammer beheizenden Brenners Rechnung. Ferner läßt sich eine ausreichend große Wärmetauscherfläche dadurch erreichen, daß der erste Abschnitt des Strömungswegs für das Wärmeträgermedium in Form einer Rohrschlange ausgebildet ist. Dabei ist es für den Wärmeübergang besonders günstig, daß der die Form einer Rohrschlange aufweisende erste Abschnitt des Strömungswegs für ein Wärmeträgermedium an der zur Brennkammer weisenden freien Innenfläche des ersten Wandabschnitts ausgebildet ist. In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist dabei vorgesehen, daß die Rohrschlange in Form einer Schraubenwendel ausgebildet ist, deren Schraubenachse der Längsachse des Hohlkörpers entspricht.

Hinsichtlich der Rückgewinnung von Nutzwärme aus dem Abgas ist es außerdem vorteilhaft, daß der erste Abschnitt des Strömungswegs für das Abgas eine in dessen Querschnitt hineinragende wärmeleitende Struktur aufweist. Durch diese Struktur wird die Wärmetauscherfläche für die Wärmerückgewinnung aus dem Abgas vergrößert. Insbesondere kann es sich bei dieser Struktur um in den Querschnitt hineinragende Rippen handeln, die insbesondere in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases geneigt sein können. Vorzugsweise schließt die Richtung, in der sich die Rippen erstrecken, mit der Strömungsrichtung des Abgases einen spitzen Winkel ein.

In allen Ausführungsformen ist es ferner zweckmäßig, daß an dem in der Brennrichtung stromabwärtigen axialen Ende der Brennkammer eine stirnseitige Gitterstruktur ausgebildet ist, die vorzugsweise die Form einer zur Brennkammer hin gewölbten Kuppel aufweist. Durch diese Gitterstruktur kann die Brennerflamme nicht hindurchtreten. Außerdem begünstigt sie die Ableitung der Wärme an den Hohlkörper und bewirkt eine Kühlung der Brennerflamme. Hierdurch wird die Menge der bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide (NOx) herabgesetzt. In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein prinzipielles Schema des Ablaufs eines Verfahrens zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Heizenergiequelle an einen Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage, und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des Verfahrens verwendbaren Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 zirkuliert ein Kältemittel, beispielsweise Propan oder Butan, in einem Kältemittelkreislauf 100, der vier hintereinandergeschaltete Abschnitte aufweist. In einem

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ersten Abschnitt 101 fließt ein Wärmestrom Q ₀ von einer nicht dargestellten Heizenergiequelle, beispielsweise einem Heizungsbrenner, zu einem in dem ersten Abschnitt 101 vorgesehenen Verdampfer 102, an dessen Eintrittsseite 103 eine flüssige Phase des Kältemittels einströmt und in dem Verdampfer 102 durch Wärmeaufnahme aus dem Wärmestrom Q ₀ in eine dampfförmige Phase überführt wird, die auch überhitzt sein kann. Diese dampfförmige Phase strömt von der Austrittsseite 104 des Verdampfers 102 in den auf den ersten Abschnitt 101 folgenden zweiten Abschnitt 105, in dem ein Verdichter 106 vorgesehen ist, durch den die dampfförmige Phase im wesentlichen adiabatisch unter Temperaturerhöhung verdichtet wird. Die verdichtete dampfförmige Phase strömt von der Ausgangsseite 107 des Verdichters 106 in den dritten Abschnitt 108, in dem ein Kondensator 109 vorge- sehen ist. Von dem Kondensator 109 fließt ein Wärmestrom Q zu einem nicht dargestellten Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage. Durch die Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher wird die in den Kondensator 109 eintretende verdichtete dampfförmige Phase des Kältemittels in dessen flüssige Phase überführt. Diese flüssige Phase strömt von der Austrittsseite 110 des Kondensators 109 in den vierten Abschnitt 111 , in dem ein Expansionsventil 112 vorgesehen ist, mit dem die flüssige Phase im wesentlichen adiabatisch unter Temperaturerniedrigung entspannt und zur Eintrittsseite 103 des Verdampfers 102 zurückgeführt wird.

Insbesondere ist die Temperatur der Heizenergiequelle sehr viel höher als die niedrige Temperatur der in den Verdampfer 102 eintretenden flüssigen Phase des Kältemittels. Deshalb besteht ein großes, den Wärmestrom Q ₀ antreibendes Temperaturgefälle. Andererseits ist auch die hohe Temperatur der in den Kondensator 109 eintretenden verdichteten dampfförmigen Phase des Kältemittels insbesondere erheblich höher als die Temperatur des mit dem Kondensator 109 in Wärmeaustausch stehenden Wärmeverbrauchers, so daß auch der Wärmestrom Q , der die Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher bewirkt, von einem verhältnismäßig hohen Temperaturgefälle angetrieben wird.

Wenn die Heizenergiequelle ein Heizungsbrenner für gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoff ist, liegt ihre Temperatur über 000 °C und insbesondere im Bereich von 1400 °C. Das Verfahren kann derart ausgeführt werden, daß die niedrige Temperatur der dem Verdampfer 102 zugeführten flüssigen Phase des Kältemittels unterhalb von 0 °C liegt, insbesondere im Bereich von -10 °C bis -25 °C. Ferner kann die Temperatur der aus dem Verdampfer 102 ausströmenden dampfförmigen Phase im Bereich von 45 °C bis 80 °C liegen.

Ein Beispiel für eine vorrichtungsmäßige Gestaltung des den Verdampfer 102 aufweisenden ersten Abschnitts des Kältemittelkreislaufs 100 ist in Fig. 2 dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung weist einen eine Längsachse 1 aufweisenden Hohlkörper 2 auf, der in Fig. 2 in einem durch die Längsachse 1 gelegten Längsschnitt dargestellt ist. Im Inneren dieses Hohlkörpers 2 ist eine Brennkammer 3 quer zu der Längsachse 1 durch einen ersten Wandabschnitt 4 des Hohlkörpers 2 begrenzt, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Wandabschnitt 4 die Grundform eines Zylindermantels aufweist, dessen Zylinderachse mit der Längsachse 1 des Hohlkörpers 2 zusammenfällt.

Von einem in Fig. 2 unten liegenden ersten axialen Endbereich 5 des ersten Wandabschnitts 4 aus erstreckt sich ein zweiter Wandabschnitt 6 des Hohlkörpers 2 quer zu dessen Längsachse 1 und bildet dadurch einen deckeiförmigen unteren Abschluß des Hohlkörpers 2. Auf ähnliche Weise erstreckt sich von einem in Fig. 2 oben liegenden, dem ersten axialen Endbereich 5 entgegengesetzten zweiten axialen Endbereich 7 aus ein dritter Wandabschnitt 8 quer zur Längsachse 1 des Hohlkörpers 2, der einen den Hohlkörper 2 oben abschließenden Deckel bildet. Der erste, zweite und dritte Wandabschnitt 4, 5 bzw. 6 sind miteinander einstückig ausgebildet.

An dem ersten Wandabschnitt 4 ist radial innen eine Rohrschlange einstückig mit dem ersten Wandabschnitt 4 ausgebildet, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel diese Rohrschlange 9 in der Form einer Schraubenwendel ausgebildet ist, deren Schraubenachse mit der Längsachse 1 des Hohlkörpers 2 zusammenfällt. Die Rohrschlange 9 bildet einen ersten Abschnitt eines Strömungswegs für ein Wärmeträgermedium, bei dem es sich insbesondere um ein Kältemittel handeln kann. Das dem zweiten Wandabschnitt 6 benachbarte Ende 10 der Rohrschlange 9 weist einen damit einstückig ausgebildeten Fortsetzungsabschnitt 11 auf, der sich in axialer Richtung durch den zweiten Wandabschnitt 6 hindurch erstreckt und die Eintrittsseite 103 des Verdampfers 102 in Fig. 1 bildet. Auf ähnliche Weise ist das dem dritten Wandabschnitt 8 benachbarte axiale Ende 12 der Rohrschlange 9 mit einem damit einstückig ausgebildeten Fortsetzungsabschnitt 13 versehen, der sich in axialer Richtung durch den dritten Wandabschnitt 8 hindurch erstreckt und die Austrittsseite des Verdampfers 104 bildet.

In dem ersten Wandabschnitt 4 ist in einem kleinen radialen Abstand zur Rohrschlange 9 ein erster Abschnitt 14 eines Strömungswegs für das in der Brennkammer 3 entstehende Abgas ausgebildet, der sich bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform über die gesamte axiale Länge des ersten Wandabschnitts 4 erstreckt und in seinem zur Längsachse 1 orthogonalen Radialschnitt ringförmig ist. Dieser erste Abschnitt 14 geht an seinem in Fig. 2 unteren ersten axialen Endbereich 15 fließend in einen zweiten Abschnitt 16 über, der sich zwischen der Innenseite 6' des zweiten Wandabschnitts 6 und dem axialen Ende 3' der Brennkammer 3 erstreckt und zu der Brennkammer 3 hin offen ist.

Auf ähnliche Weise geht der erste Abschnitt 14 des Strömungswegs für das Abgas in seinem in Fig. 2 oberen axialen Endbereich 17 fließend in einen dritten Abschnitt 18 über, der in dem dritten Wandabschnitt 8 ausgebildet ist. Der dritte Abschnitt 18 ist zum oberen axialen Ende 3" der Brennkammer 3 hin geschlossen und ist an einem an dem dritten Wandabschnitt 8 ausgebildeten äußeren Anschluß 19 nach außen geführt.

In dem dritten Wandabschnitt 8 ist eine zur Längsachse 1 koaxiale Anschlußöffnung 20 für einen Brenner 21 ausgebildet. Der dem dritten Wandabschnitt 8 entgegengesetzte zweite Wandabschnitt 6 weist eine in der dargestellten Ausführungsform zentrale Abzugsöffnung 22 für Abgaskondensat auf, die in einen äußeren Anschluß 23 mündet. Von der Innenseite 6' des zweiten Wandabschnitts 6 aus erhebt sich eine zur Brennkammer 3 hin gewölbte kuppeiförmige Gitterstruktur 27, die die Abzugsöffnung 22 radialsymmetrisch übergreift. Durch diese Gitterstruktur kann die Flamme des Brenners 21 nicht hindurchgreifen. Außerdem kühlt die Gitterstruktur die Flamme durch Wärmeableitung und verhindert dadurch die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung.

Durch diese Anordnung erstreckt sich also die Flamme des Brenners 21 in der Brennkammer 3 längs der Längsachse 1. Das in der Brennkammer entstehende Abgas gelangt von dem unteren axialen Ende 3' der Brennkammer 3 in den zweiten Abschnitt 16 des Strömungswegs für den Abzug des Abgases und strömt weiter durch den ersten Abschnitt 14 in den dritten Abschnitt 18, von wo aus es an dem äußeren Anschluß 19 abgeführt wird. Der erste Abschnitt 14 des Strömungswegs für das Abgas weist eine in seinen Querschnitt hineinragende wärmeleitende Struktur auf. Diese besteht in der dargestellten Ausführungsform aus Rippen 24, die der in Fig. 2 nach oben gerichteten Strömungsrichtung des Abgases folgend nach oben geneigt sind.

Radial außerhalb des ersten Abschnitts 14 des Strömungswegs für das Abgas ist in dem ersten Wandabschnitt 4 ein weiterer Strömungsweg 25 für ein weiteres Wärmeträgermedium einstückig mit dem Hohlkörper 2 ausgebildet. Dieser weitere Strömungsweg ist beispielsweise in der Form eines Mäanders aus axial verlaufenden Kanälen 26 angelegt, deren benachbarte axiale Enden, mit Ausnahme des Anfangs und des Endes des Mäanders, jeweils paarweise durch quer zur Längsachse verlaufende Abschnitte, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, miteinander verbunden sind. Er stellt einen Abschnitt eines außerhalb des Hohlkörpers 2 geschlossenen Kreislaufs dar, in dem das darin zirkulierende Wärmeträgermedium dem Abgas innerhalb des Hohlkörpers 2 Wärme entzieht und außerhalb des Hohlkörpers 2 an den Wärmeverbraucher, beispielsweise an den Rücklauf einer Warmwasserleitung, abgibt.

Für den außerhalb des in Fig. 2 dargestellten Vorrichtungsteils verlaufenden zweiten Abschnitt 105, dritten Abschnitt 108 und vierten Abschnitt 111 des Kältemittelkreislaufs können dem Fachmann allgemein bekannte Mittel eingesetzt werden. Insbesondere kann der Kondensator 109 des dritten Abschnitts 108 als wärmeabgebender Strömungsweg eines Wärmetauschers ausgebildet sein, dessen wärmeaufnehmender Strömungsweg von einem Wärmeträgermedium durchströmt ist, welches den Wärmetransport zum Wärmeverbraucher der Heizungsanlage bewirkt. Insbesondere kann es sich bei diesem Wärmeträgermedium um Wasser handeln.

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Verzeichnis der Bezuqszeichen

Längsachse

Hohlkörper

Brennkammer

axiales Ende

erster Wandabschnitt

erster axialer Endbereich

zweiter Wandabschnitt

' axiales Ende

zweiter axialer Endbereich

dritter Wandabschnitt

Rohrschlange

Ende der Rohrschlange

Fortsetzungsabschnitt

Ende der Rohrschlange

Fortsetzungsabschnitt

erster Abschnitt eines Strömungswegs für das Abgas unterer axialer Endbereich

zweiter Abschnitt

oberer axialer Endbereich

dritter Abschnitt

äußerer Anschluß

Anschlußöffnung

Brenner

Abzugsöffnung

äußerer Anschluß

Rippen

weiterer Strömungsweg

axialer Kanal

Gitterstruktur

Kältemittelkreislauf

erster Abschnitt

Verdampfer

Eintrittsseite

Austrittsseite

zweiter Abschnitt - 21 -

106 Verdichter

107 Ausgangsseite

108 dritter Abschnitt

109 Kondensator

110 Austrittsseite

111 vierter Abschnitt

112 Expansionsventil