Warmwasserbereitung: Ein praktischer Leitfaden für Warmwasser-Heizsysteme

Der sichtbarste Teil eines Warmwassersystems ist der Wassertank. Standardtanks, die für Warmwasserheizungssysteme geeignet sind, gibt es in verschiedenen Größen, Fassungsvermögen und Wandstärken. Unterirdische Tanks haben dickere Wände als oberirdische Tanks und lassen sich daher besser schweißen. Wenn man die Wahl hat, ist es besser, einen kurzen Tank mit großem Durchmesser zu verwenden als einen langen, dünnen, da ein kürzerer Tank weniger Oberfläche hat, was den Wärmeverlust und die Kosten für die Isolierung verringert. Tabelle 3 enthält Abmessungen und Fassungsvermögen für eine breite Palette von Standard-Erdöl-Lagertanks.

Auch wenn es am besten ist, einen neuen Tank zu verwenden, sind viele erfolgreiche Systeme mit gebrauchten Tanks gebaut worden. Gebrauchte Öltanks sind oft gegen einen geringen Aufpreis zu bekommen. Wenn Sie sich für einen gebrauchten Tank entscheiden, untersuchen Sie ihn gründlich auf Löcher oder dünne Stellen. Erkundigen Sie sich auch, welche Flüssigkeit in dem Tank gelagert wurde. Vorsicht! Schweißen oder schneiden Sie niemals an einem Tank, von dem Sie vermuten, dass er entflammbares Material enthält, es sei denn, er ist gründlich gereinigt und belüftet. Eine Methode zur Entfernung von Öl- oder Benzinrückständen aus einem großen Tank besteht darin, etwa 2 Pfund Reinigungsmittel pro 1.000 Gallonen Fassungsvermögen mit genügend Wasser zu mischen, um es aufzulösen, und diese Lösung in den Tank zu gießen. Dann füllt man den Tank vollständig mit Wasser und lässt ihn mehrere Tage stehen, bevor man ihn entleert und mit den Arbeiten beginnt.

Wärmespeicherkapazität

Wie in einem früheren Abschnitt erwähnt, ist ein Maß für die Kapazität eines Systems seine Wärmespeicherkapazität. Wasser ist eine der preiswertesten und am leichtesten zu bewegenden und zu kontrollierenden Substanzen. Außerdem ist es eines der besten bekannten Wärmespeichermedien. Wasser kann pro Gewichtseinheit vier- bis fünfmal so viel Wärme speichern wie Stein, bis zu zehnmal so viel wie die meisten Metalle und etwa viermal so viel wie Luft. Sein einziger Nachteil ist, dass es keine Wärme bei Temperaturen über 212°F speichern kann, es sei denn, es steht unter Druck. Dies schränkt seine Nützlichkeit für Hochtemperaturanwendungen ein. Für Raumheizungsanwendungen in Gewächshäusern und anderen landwirtschaftlichen, gewerblichen oder privaten Anwendungen ist diese Einschränkung jedoch in der Regel kein Problem.

Laut Definition ist eine British Thermal Unit (BTU) die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Pfund Wasser um 1°F zu erhöhen. Eine Gallone Wasser wiegt etwa 8,3 Pfund, so dass die Wärmeenergie, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Gallone um 100°F zu erhöhen, wie folgt ist:

8,3 Pfund x 100°F = 830 BTU

Im Vergleich dazu würde die Erhöhung der Temperatur von 8,3 Pfund Kies um 100°F nur etwa 166 BTU erfordern.

Wie bereits erwähnt, kann Wasser bei atmosphärischem Druck nicht auf über 212°F erhitzt werden. Diese Temperatur bestimmt die Obergrenze für die Wärmemenge, die druckloses Wasser speichern kann. Die untere Grenze wird durch die gewünschte Ladetemperatur festgelegt. Soll beispielsweise ein Gewächshaus auf 65°F gehalten werden, so ist diese Temperatur die Untergrenze. Die Differenz zwischen Ober- und Untergrenze,

212°F – 65°F = 147°F

gibt an, wie viel nutzbare Wärme ein bestimmtes Wasservolumen speichern kann.

Eigentlich ist es nicht sinnvoll, die Speichertemperatur bis zur Untergrenze zu senken. Die Wärmeübertragungsrate an die Last (z. B. von Heizkörpern an die Luft in einem Gewächshaus) wird stark reduziert, wenn sich die Temperatur des erwärmten einströmenden Wassers der Temperatur der Lastluft nähert. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die untere Wasserspeichertemperatur mindestens 35°F über der gewünschten Lasttemperatur zu halten. Im vorangegangenen Beispiel würde die untere Grenztemperatur also 100°F betragen und die Temperaturdifferenz nicht 147°F, sondern

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Daher ist der Speichertemperaturbereich des Wassers auf 112°F begrenzt. Anhand dieser Informationen können wir nun bestimmen, wie viel Speicherkapazität benötigt wird.

Wenn die gewünschte Wärmelast 200.000 BTU pro Stunde beträgt und nach dem Erlöschen des Feuers 6 Stunden lang geheizt werden soll, muss die Wassermenge ausreichen, um Folgendes zu speichern:

200.000 BTU/hr x 6 Std. = 1.200.000 BTU

Wenn man ein Pfund Wasser um 1°F anhebt, benötigt man 1 BTU. Jedes Pfund Wasser kann nur 112 BTU speichern. Daher ist die benötigte Wassermenge:

1.200.000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10.714 lb

Da Wasser 8,3 Pfund pro Gallone wiegt, sind 10.714 Pfund Wasser gleich 1.291 Gallonen.

In der Praxis übersteigt die maximale Wassertemperatur selten 200°F; daher wird eine Speicherkapazität benötigt, die etwas größer als 1.291 Gallonen ist.

Diese Berechnungen gehen davon aus, dass keine Wärme aus dem Tank oder aus den Rohren, die das Wasser zur und von der Last transportieren, verloren geht. Diese Verluste können beträchtlich sein, je nachdem, wie gut die Rohre isoliert sind, wie weit der Tank vom Verbraucher entfernt ist und wie hoch die Außentemperatur ist.

Es ist eine sehr gute Idee, ein Thermometer in der Auslassleitung des Tanks zu installieren. Es gibt einen genauen Hinweis auf die Wassertemperatur im Inneren des Tanks. Ein Absinken der Wassertemperatur um mehr als 20°F pro Stunde ist ein gutes Anzeichen dafür, dass der Wassertank zu klein ist, da der Zweck eines Warmwassersystems darin besteht, eine konstante Wärmequelle bereitzustellen, ohne dass das Feuer ständig geschürt werden muss.

Es ist auch eine gute Idee, ein Thermometer in den Leitungen auf beiden Seiten des Verbrauchers zu installieren – zum Beispiel in der Eingangs- und Ausgangsleitung des Heizkörpers oder der Heizkörperreihe. Auf diese Weise lässt sich nicht nur feststellen, wie viel Energie zwischen Tank und Verbraucher verloren geht, sondern auch, wie effizient die Heizkörper dem Wasser Wärme entziehen.

Für eine optimale Systemauslegung muss die Speicherkapazität auf der Grundlage der maximalen Nennleistung des Brenners, der erforderlichen Wärmelast und der gewünschten maximalen Zeitspanne zwischen den Brennstoffladungen festgelegt werden. Im Folgenden wird erläutert, wie diese drei Faktoren zusammenwirken.

Angenommen, wie im obigen Beispiel, beträgt die erforderliche durchschnittliche Heizlast 200.000 BTU pro Stunde. Das bedeutet, dass während einer typischen Betriebsstunde 200.000 BTU an Wärme benötigt werden. Es ist wahrscheinlich, dass in einer sehr kalten Nacht die benötigte Wärmemenge diesen Wert übersteigen würde. Um jedoch ausreichend Wärme zur Verfügung zu haben, muss die Brennerleistung mindestens der durchschnittlichen Last zuzüglich der Verluste entsprechen. Aus praktischer Sicht ist es ratsam, den Brenner auf das Eineinhalb- bis Zweifache der durchschnittlichen Heizlast auszulegen. Ein größerer Brenner kann sowohl Wärme für die Speicherung als auch für die sofortige Nutzung zu Zeiten durchschnittlicher Last erzeugen.

Neben der im Warmwasser gespeicherten Energie (Pufferspeicher) ist es auch möglich, Wärmeenergie in Form von unverbranntem Holz im System zu speichern. Dies wird als Feuerraumspeicher bezeichnet. In Erwartung einer sehr kalten Nacht könnte ein Gewächshausbetreiber das System den ganzen Tag über anheizen, um die Wassertemperatur allmählich auf annähernd 212°F zu erhöhen. Obwohl das Wasser bereits fast die maximale Wärmemenge gespeichert hat, kann der Betreiber die Brennkammer kurz vor dem Verlassen des Gewächshauses für die Nacht erneut befüllen. Dieser zusätzliche Brennstoff fügt dem System Energie zu. Der brennende Brennstoff ersetzt möglicherweise nur die abfließende Wärme und hält so die hohe Wassertemperatur aufrecht. Wenn der zusätzliche Brennstoff jedoch zu schnell zu viel Wärme hinzufügt, kocht das Wasser im Tank und die Energie wird als Dampf verschwendet.

Es ist unwahrscheinlich, dass ein Warmwassersystem während des tatsächlichen Betriebs sehr großen Lastschwankungen unterworfen ist. Mit anderen Worten, es wird nicht verlangt, dass es in der einen Stunde die maximale Leistung erbringt und in der nächsten nicht. Vielmehr kommt es normalerweise im Laufe des Tages zu einer allmählichen Erhöhung und Verringerung der Leistung, da sich die Außentemperatur und viele andere Faktoren ändern. Andererseits ist die Wärme, die dem System vom Feuer zugeführt wird, normalerweise eher sporadisch, je nachdem, wie viel und wie oft Brennstoff nachgelegt wird. Der Wert eines Warmwassersystems beruht zum Teil auf seiner Fähigkeit, Wärmeenergie schnell zu speichern und langsam und kontrolliert abzugeben.

Wenn der Brenner mehr Wärme erzeugt, als vom System verbraucht wird, wird die zusätzliche Wärme gespeichert, sofern die Speicherkapazität nicht überschritten wird. Eine Überschreitung der Speicherkapazität führt zum Sieden des Wassers. In diesem Fall verlässt die überschüssige Wärme das System in Form von Dampf. Die Energie, die zum Aufkochen des Wassers benötigt wurde, wird einfach vergeudet. Häufiges Kochen in einem Warmwassersystem deutet darauf hin, dass der Brenner zu groß ist oder zu oft gezündet wird oder dass die Wärmespeicherkapazität des Systems zu gering ist.

Ist die Wärmespeicherkapazität unzureichend, besteht eine Lösung darin, einen weiteren Speicher hinzuzufügen. Ein Tandemtank wird in der Regel so nah wie möglich am Haupttank aufgestellt und durch eine Zu- und Ablaufleitung sowie eine Pumpe verbunden (Abbildung 3). Auf diese Weise kann die Speicherkapazität ganz einfach erhöht werden, ohne dass das übrige System beeinträchtigt wird. Um die Wärme gleichmäßig zu verteilen, muss ständig Wasser zwischen den beiden Tanks gepumpt werden. Dies kann durch den Einbau einer zusätzlichen Pumpe oder durch die Nutzung eines Teils des Durchflusses einer bereits vorhandenen Pumpe geschehen, wenn diese über eine überschüssige Kapazität verfügt.

Warmwassersysteme sind keine Dampfsysteme, d.h. es herrscht nie ein anderer Druck im System als der, der von den Pumpen erzeugt wird. Der Warmwasserspeicher muss entlüftet werden, um zu verhindern, dass sich Druck aufbaut, wenn das Wasser erhitzt wird und sich ausdehnt oder in Dampf verwandelt. Ein nicht entlüfteter Speichertank ist äußerst gefährlich. Es sind mindestens zwei Entlüftungsöffnungen an der Oberseite des Tanks erforderlich. Noch besser ist es, das Mannloch, das normalerweise beim Bau des Tanks in die Oberseite geschnitten wird, offen zu lassen, aber mit einem Stück Blech abzudecken.

Isolierung

Der Tank und alle Leitungen müssen isoliert werden, damit keine Wärme entweichen kann. Für Tanks im Freien eignet sich eine aufgespritzte Polyurethan-Isolierung, insbesondere wenn sie lackiert und vor direkter Einwirkung von Feuer und Sonnenlicht geschützt ist. Eine 1 Zoll dicke Beschichtung, die eine R-7-Isolierung ergibt, kostet etwa 1 $ pro Quadratmeter. Bei einem 2.000-Gallonen-Tank mit einem Durchmesser von 64 Zoll und einer Länge von 12 Fuß kostet die Isolierung beispielsweise etwa 250 Dollar. Tabelle 4 zeigt den geschätzten Isolierwert verschiedener Dicken von Polyurethan auf Tanks.

Diese Tabelle zeigt, dass die Kosten für die Anwendung einer Mindestmenge an Isolierung leicht durch die Einsparungen bei den Energiekosten gerechtfertigt werden können. Die zusätzlichen Kosten für eine Isolierung mit einer Dicke von mehr als 1⁄2 Zoll sind jedoch schwer zu rechtfertigen.

Eine Alternative ist die Anbringung des Systems unter einem Shed-Dach, wo es mit relativ preiswerten Glasfaserstäben isoliert werden kann. Die Glasfaser, die eventuell mit Aluminiumfolie unterlegt ist, kann mit einem großmaschigen Hühnerdraht befestigt werden. Die Kosten für den Schuppen, die Isolierung, die Folie, den Draht und die Arbeit können höher sein als bei einer aufgesprühten Polyurethan-Isolierung, aber diese Art der Isolierung hält wahrscheinlich viel länger und hat einen besseren R-Wert.

Rostschutz

Es ist ratsam, eine Art Rostschutzmittel zu verwenden, um das Innere des Tanks und der Leitungen vor Korrosion zu schützen. Es gibt eine Reihe von handelsüblichen Chemikalien, die vor allem für Hochtemperaturkessel bestimmt sind. Einige davon wären in der Menge, die zum Schutz eines mittelgroßen Warmwassersystems erforderlich ist, recht teuer.

Eine Methode, die sich in Warmwassersystemen als angemessen erwiesen hat, ist die Zugabe bestimmter relativ preiswerter Chemikalien, um den pH-Wert des Wassers anzuheben. Dazu gehören Kaliumkarbonat, Natriumkarbonat (Waschsoda) und Natriumhexa-Meta-Phosphat (Calgon). Diese Chemikalien verhindern Korrosion, indem sie die Metallwände der Systeme beschichten. Von den oben genannten Chemikalien funktioniert Calgon am besten. Es kann in den meisten Lebensmittelgeschäften erworben werden. Verwenden Sie 5 Pfund für jeweils 1.000 Gallonen Wasser. Unter normalen Bedingungen wird keine dieser Chemikalien abgebaut und bleibt daher lange Zeit im System aktiv.

Feuerrohre

Obwohl ein Teil der Wärme durch die Wände des Feuerraums an das Wasser gelangt, verläuft der Hauptweg der Wärme vom Feuer zum Wasser durch die Feuerrohre. Die meisten Systeme sind so konstruiert, dass die vom Feuer abgegebenen heißen Gase durch eine Reihe von Feuerrohren geleitet werden, die von einem Ende des Speichers zum anderen verlaufen. In vielen Systemen werden die Gase mehr als einmal durch den Tank geleitet.

Es ist sehr wichtig, dass die Anzahl und Größe der Feuerrohre ausreicht, damit der größte Teil der Wärme von den heißen Gasen auf das Wasser übertragen wird, bevor die Gase entweichen. Als Faustregel gilt, dass pro 2.000 BTU Nennleistung etwa 1 Quadratfuß Wärmeaustauschfläche erforderlich ist. Wenn ein System beispielsweise für eine Leistung von 200.000 BTU pro Stunde ausgelegt ist, wird eine Wärmeaustauschfläche von etwa 100 Quadratfuß benötigt. Diese Fläche kann sowohl die wassergekühlte Oberfläche des Feuerraums als auch die Feuerrohre selbst umfassen. Diese beiden Bereiche werden oft als Feuerfläche bezeichnet.

Der Außendurchmesser der Feuerrohre wird zur Berechnung der Fläche verwendet. Tabelle 5 listet einige übliche Größen von Standardrohren zusammen mit ihrem tatsächlichen Außendurchmesser und der Anzahl der laufenden Füße auf, die erforderlich sind, um 1 Quadratfuß Oberfläche zu erhalten.

Die richtige Größe des zu verwendenden Rohrs hängt von einer Reihe von Faktoren ab. In dem Beispielsystem mit einer Kapazität von 200.000 BTU pro Stunde werden 100 Quadratfuß Wärmeaustauschfläche benötigt. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass das empfohlene Feuerraumvolumen 9 Kubikfuß beträgt. Ein geeigneter Feuerraum mit diesem Volumen wäre 11⁄2 Fuß lang, 2 Fuß breit und 3 Fuß hoch. Die Oberfläche dieses Feuerraums beträgt 27 Quadratfuß (einschließlich der wassergekühlten Tür). Die Feuerbüchse würde also 27 Quadratfuß der benötigten 100 Quadratfuß bieten. Die Feuerrohre müssen die restlichen 73 Quadratmeter liefern.

Um die Länge der Rohre eines bestimmten Durchmessers zu ermitteln, die für die gewünschte Oberfläche erforderlich sind, multiplizieren Sie die Zahlen in der dritten Spalte von Tabelle 5. Wenn Sie zum Beispiel ein 11⁄2-Zoll-Rohr wählen, multiplizieren Sie 73 lineare Fuß mit 2,01:

73 ft x 2,01 ft/q ft = 146,72 ft

Um 73 Quadratfuß Wärmeaustauschfläche zu erhalten, sind etwa 147 lineare Fuß 11⁄2-Zoll-Rohr erforderlich. Wenn Sie dagegen ein 3-Zoll-Rohr verwenden, benötigen Sie nur etwa 80 Fuß:

73 ft x 1,09 ft/q ft = 79,73 ft

Welche Größe ist die beste? Rein vom Kostenstandpunkt aus betrachtet, gibt es keinen großen Unterschied zwischen 147 Fuß 11⁄2-Zoll-Rohr und 80 Fuß 3-Zoll-Rohr. Allerdings ist es viel einfacher, das größere Rohr zu schweißen. Außerdem muss das Innere des Rohrs von Zeit zu Zeit gereinigt werden, um Asche, Ruß und andere Ablagerungen zu entfernen. Die Reinigung einer kürzeren Länge eines größeren Rohrs ist einfacher. Die größere Anzahl kleinerer Rohre wäre jedoch etwas effizienter bei der Wärmeübertragung. Die Erfahrung hat gezeigt, dass 2- bis 3-Zoll-Rohre insgesamt am besten funktionieren.

Ablagerungen von Asche in den Feuerrohren verringern die Wärmeübertragungsrate erheblich. Es ist gut, eine Möglichkeit zu haben, um festzustellen, wie gut sie funktionieren. Eine der besten und kostengünstigsten Methoden besteht darin, ein Hochtemperaturthermometer an der Stelle anzubringen, an der die Gase die Feuerungsrohre verlassen und den Schornstein hinaufsteigen. Je näher die Temperatur des Wassers ist, desto effektiver übertragen die Feuerungsrohre die Wärme. Eine Gastemperatur von 300 bis 350°F deutet auf eine effiziente Wärmeübertragung hin. Eine Gastemperatur von über 450°F zeigt an, dass die Wärmeaustauschfläche zu klein ist oder die Feuerrohre beschichtet sind.

Stratifikation

Ein merkwürdiger Zustand tritt manchmal in mittleren bis großen Anlagen auf. Obwohl der Feuerraum ständig befeuert wird und das Wasser oben aus dem Tank kocht, beträgt die Temperatur des Wassers, das aus dem Tank zur Verteilung entnommen wird, nur 170 bis 180°F. Diese Situation tritt in Systemen auf, bei denen sich Ein- und Auslass in der Nähe des Tankbodens befinden und keine zusätzliche Umwälzpumpe vorhanden ist, die das Wasser in Bewegung hält. Dieser Zustand wird als Schichtung bezeichnet und entsteht, wenn sich Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen in verschiedene Schichten aufteilt, wobei das wärmste Wasser oben bleibt. Die Schichtung kann in jedem System auftreten, ist aber in der Regel in großen Systemen ausgeprägter.

Die Dichte von Wasser bei 100°F ist etwa 3,5 Prozent größer als bei 200°F. Genau wie Luft steigt heißes Wasser nach oben und kaltes Wasser sinkt nach unten. Um eine Schichtung zu verhindern, muss das Wasser in Bewegung gehalten werden. Eine Methode besteht darin, die Rücklaufleitungen im oberen Teil des Tanks über der Brennkammer (dem heißesten Teil des Systems) anzuschließen und am anderen Ende Wasser aus dem unteren Teil des Tanks zu entnehmen. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass die Verteilerpumpen nicht immer laufen und es zu einer Schichtung kommen kann, wenn die Pumpen ausgeschaltet sind.

Eine bessere Lösung ist die Installation einer ständig laufenden zusätzlichen Umwälzpumpe, die das Wasser vom kältesten zum wärmsten Teil des Tanks befördert. Durch die ständige Durchmischung des Wassers wird eine Schichtung verhindert. Die Umwälzpumpe muss nicht groß sein, da nur eine geringe Förderhöhe zu überwinden ist. Sie sollte in der Lage sein, das 0,2- bis 0,5-fache der Systemkapazität pro Stunde zu pumpen. Bei einem System mit 2.000 Litern Fassungsvermögen sollte die Pumpe beispielsweise 400 bis 1.000 Liter pro Stunde pumpen können. Eine 1⁄6 bis 1⁄2-PS-Elektropumpe ist normalerweise ausreichend.

Abbildung 3. Ein zusätzlicher Tank wird die Lagerkapazität erhöhen.

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Abbildung 3. Ein zusätzlicher Tank erhöht die Lagerkapazität.