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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennwertgerät gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Bei herkömmlichen Brennwertgeräten werden die heissen Verbrennungsabgase eines Brenn- gas-Luft-Gemischs unter den Taupunkt abgekühlt. Hierdurch wird auch Kondensationswärme frei.
Als Folge dessen verfügt das Abgas über eine hundertprozentige Feuchte. Daher erfordern Brennwertgeräte feuchteresistente Abgasleitungen. Demgegenüber zeichnen sich Heizwertgeräte, also nicht kondensierende Heizgeräte, dadurch aus, dass das Abgas weder im Gerät, noch in der Abgasleitung kondensiert. Die Normen sehen vor, dass das Heizwertgerät bei einem Kaminan- schluss über eine Strömungssicherung zur Zugentkopplung verfügt und die Abgastemperatur 0,5 m stromab der Strömungssicherung grösser 80 C ist oder 10 K über Taupunkt liegt. Als Kamin wird hierbei ein senkrechte Abgasabführung, in der die Abgase ausschliesslich durch den thermi- schen Auftrieb entweichen, bezeichnet. Demgegenüber werden bei einem konventionellen Brenn- wertgerät die Abgase mit Unterstützung eines fördernden Gebläses über ein Abgasrohr in die Umgebung gedrückt.
Ein Anschluss von konventionellen Brennwertgeräten an einen Kamin ist nicht zulässig, da hierbei der Kamin versotten würde und bei der Belegung des Kamins mit mehreren Heizgeräten Abgas eines Brennwertgerätes aufgrund des Überdrucks des Abgases durch einen Anschluss eines Heizwertgerätes in Wohnräume gelangen kann.
Aus der AT 399 944 B ist ein kamintaugliches Brennwertgerät bekannt. Die darin beschriebene Erfindung sieht vor, dass die auskondensierten Abgase des Brennwertgerätes an heissen Brenn- kammerwänden vorbei geleitet werden, sich dadurch erhitzen und dann in Eine Strömungssiche- rung geleitet werden. In der AT 407 791 B wird dieses Prinzip wieder aufgegriffen und dahinge- hend ergänzt, dass erfindungsgemäss ein Umbau eines Gerätes vom Kamin- zum Brennwertgerät bzw. umgekehrt auf einfache Weise möglich ist. Dabei werden doppelwandige Brennkammerwän- de im Kaminbetrieb von kaltem Abgas und im Brennwertbetrieb von Heizungswasser durchströmt.
Die AT 406 510 B sieht vor, dass bei einem nichtkondensierenden Heizgerät die Abwärme einer gedämmten Brennkammer dazu verwendet wird, um Abgase aufzuheizen. Dadurch kann das Abgas in einem Primärwärmetauscher bis knapp oberhalb des Taupunkts abgekühlt werden, um dann durch die Nachaufheizung die Voraussetzungen für die nicht kondensatbeständige Abgaslei- tung zu schaffen.
In der EP 772 011 A1 wird ein anderer Weg zur Aufheizung eines Abgasstromes eines Brenn- wertgerätes beschrieben. Aus einer Brennkammer gelangt ein heisser Abgasstrom über eine By- passleitung in eine Abgasleitung, während der überwiegende Teil des Abgases durch einen Pri- märwärmeaustauscher strömt, dabei unter den Taupunkt abgekühlt wird und sich in der Abgaslei- tung mit dem heissen Abgasstrom vermischt. Eine Regeleinrichtung kontrolliert den Abgasstrom durch den Bypasskanal.
Bohrungen zwischen einzelnen Bauteilen sind z. B. auch aus der JP 8200823 A bekannt ; zeigt jedoch eine Vorrichtung zur Vermeidung selbsterregter Verbrennungsschwingungen. Selbst- erregter Verbrennungsschwingungen entstehen bei geschlossenen Verbrennungssystemen unter bestimmten Umständen, welche durch das Raileigh-Kriterium bestimmt werden können. Eine Abstellmassnahme für selbsterregte Verbrennungsschwingungen stellt ein Helmholtz-Resonator dar. Ein solcher Resonator ("noise sound preventing device") ist in JP 8200823 A dargestellt: Die Abgasleitung ist über eine Öffnung mit dem Volumen, dem Helmholtz-Volumen, verbunden. Die Wände des Helmholtz-Volumens sind aus Gummi, um Vibrationen zu dämmen. Innerhalb des Resonators befindet sich eine zweite Öffnung, durch welche eine Druckwelle gelangen kann.
Der Helmholtz-Resonator aus JP 8200823 wird jedoch nicht durchströmt und dient nicht der Anhebung der Abgastemperatur. Auch in der JP 9303882 A geht es um die Dämmung von Verbrennungsge- räuschen.
Bei allen bekannten Brennwertgeräten für Kaminanschluss ist eine erhebliche, konstruktive Ver- änderung des in der Regel bereits vorhandenen Brennwertgerätes, das als Variantenkonstruktion verändert werden soll, notwendig, um die Voraussetzungen für den Kaminanschluss zu schaffen.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Brennwertgerät der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das sich für den Kaminbetrieb möglichst wenig von einem konventi- onellen Brennwertgerät unterscheidet und mit geringem Aufwand vom Brennwertbetrieb auf den Kaminbetrieb umrüsten lässt.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Brennwertgerät der eingangs erwähnten Art durch die
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kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen kann sichergestellt werden, dass feuchtes Abgas ent- sprechend den Normanforderungen aufgeheizt wird.
Durch die Merkmale des Anspruchs 1 ergibt sich der Vorteil, mittels einer einfachen Öffnung, durch die heisses Abgas aus einer Brennkammer in einen Abgassammler strömt, eine entspre- chende Aufheizung des feuchten Abgasstromes zu erzielen. Hierdurch kann ein wesentlicher Anteil der im Abgas enthaltenen Kondensationsenergie genutzt werden.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 kann der Abgasstrom durch die Öffnung verändert wer- den, so dass das Heizgerät optimal an die Gegebenheiten des Kamines (Länge, Zug, etc. ) ange- passt werden kann.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, dass das heisse Abgas aus der Öffnung z. B. nicht an die Wand des Abgassammlers gelangt und somit auch Abgassammler aus Kunststoff eingesetzt werden können.
Durch die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich der Vorteil, dass das heisse Abgas sich erst hinter dem Abgassammler mit dem kalten Abgas vermischt, wodurch vermieden wird, dass Nebel oder Tropfen im Abgassammler wieder verdampft werden, wodurch Verdampfungsenergie aufge- wendet werden müsste. Somit lassen sich Wirkungsgradeinbussen vermeiden.
Durch die Merkmale des Anspruches 5 ist es wie nach den Merkmalen des Anspruchs 3 mög- lich, dass ein Kunststoffabgassammler eingesetzt wird, da ein direkter, unverdünnter, heisser Ab- gasstrom von den Wänden des Abgassammlers abgehalten werden.
Auch die Merkmale des Anspruchs 6 dienen der Optimierung der Vermischung zwischen dem heissen und dem kalten Abgasstrom.
Durch die Merkmale des Anspruches 7 ergibt sich der Vorteil, dass das Heizgerät. durch das Einsetzen eines Verschlussstopfens in die Öffnung zwischen Brennkammer und Abgassammler so in einfachster Weise umgebaut werden kann, dass es als reines Brennwertgerät betrieben werden kann.
Die Merkmale des Anspruchs 8 beschreiben weitere Notwendigkeiten für ein Heizgerät, das an einen Kamin angeschlossen wird.
Durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9 ergibt sich der Vorteil, dass der gesamte Abgasstrom eines Brennwertgerätes aufgeheizt werden kann, wodurch die Verdampfungsverluste minimal sind.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 10 kann der konvektive Wärmeübergang auf das kalte Abgas verbessert werden.
Durch die Merkmale des Anspruchs 11ergibt sich der Vorteil, dass Strahlungsverluste vom heissen Nachheizwärmetauscher an die Umgebung vermieden werden können.
Durch die Merkmale des Anspruchs 12 ergibt sich der Vorteil, dass keine Kondensattropfen vom Primärwärmeaustauscher auf den heissen Teil des Nachheizwärmetauschers gelangen kön- nen und somit das Verdampfen dieses Kondensats vermieden wird. Somit bleibt die entsprechen- de Kondensationsenergie im Heizgerät und wird nicht mit dem Abgas in die Umgebung abgeführt.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 13 kann die Strömung leistungsabhängig verändert werden. Je nach Temperatur im Ringspalt stellt sich der gewünschte Querschnitt und somit die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit und der entsprechende Wärmeübergang ein.
Durch die Merkmale des Anspruches 14 ergibt sich der Vorteil, dass das Heizgerät durch das Entfernen des Nachheizwärmeaustauschers und das Einsetzen einer Verschlussplatte umgebaut werden kann, dass es als reines Brennwertgerät betrieben werden kann.
Die Merkmale des Anspruchs 15 beschreiben weitere Zweckmässigkeiten für ein Heizgerät, das an einen Kamin angeschlossen wird.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen - Fig. 1 ein Mollier-Diagramm in dem verschiedene Betriebszustände von Heizgeräten darge- stellt sind, - Fig. 2 ein erfindungsgemässes Brennwertgerät für Kaminbetrieb, bei dem mittels eines Bypass- stromes kaltes Abgas aufgeheizt wird, - Fig. 3 eine günstige Bypassführung für ein erfindungsgemässes Brennwertgerät, - Fig. 4 eine vorteilhafte Verteilungvorrichtung für des Bypassabgasstrom, - Fig. 5 eine weitere vorteilhafte Verteilungvorrichtung für des Bypassabgasstrom,
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Fig. 6 ein erfindungsgemässes Brennwertgerät für Kaminbetrieb, bei dem der gesamte kalte
Abgasstrom aufgeheizt wird und
Fig. 7 Details des erfindungsgemässen Brennwertgerätes gemäss Fig. 6.
Fig. 1 zeigt ein Mollier-Diagramm. Auf der Ordinate ist der Feuchtegehalt eines Abgasstroms, auf der Abszisse die Abgastemperatur T und die Enthalpie h aufgetragen. In dem Diagramm sind die Linien konstanter Temperatur g, die Linien konstanter Enthalpie h und die Taupunktlinie f sowie verschiedene Betriebszustände von Heizgeräten ohne Berücksichtigung einer Strömungssicherung dargestellt. Wird in einem Heizgerät das heisse Abgas (Punkt a) eines Brenners in einem Wärme- austauscher abgekühlt, so reduziert sich die Temperatur und Enthalpie des Abgases ; wird in dem Diagramm durch die rechte, senkrechte Linie verdeutlicht. Da gemäss Norm die Abgastempe- ratur minimal 80 C betragen muss, besitzt das Abgas - bei einem angenommenen Luftüberschuss von ca. 30 % - im günstigsten Fall ca. 350 kJ/kg (Punkt b).
Wird das Abgas weiter abgekühlt, so beginnt ab ca. 55 C die Kondensation. Im vorliegenden Fall wird davon ausgegangen, dass das Abgas bis auf 35 C abgekühlt wird (Punkt c), wobei sich der Betriebszustand während der Kon- densation auf der Taupunktlinie bewegt. Damit das kalte, zum Teil auskondensierte Abgas kamin- tauglich aufbereitet wird, kann es komplett aufgeheizt werden, bis es eine Temperatur von 80 C erreicht (Punkt d), was einer Enthalpie von ca. 180 kJ/kg entspricht. Diese Erhitzung entspricht einer Senkrechten im Mollier-Diagramm. Wird dementgegen kaltes Abgas (Punkt c) mit heissem Abgas (Punkt a) vermischt, so stellt sich gemäss des Mischungsverhältnisses ein Punkt (Punkt e) auf der Verbindungsgeraden ein.
Im vorliegenden Fall wird 900 C heisses Abgas mit 35 C kaltem Abgas im Verhältnis 19 :1 wodurch das gemischte Abgas eine Enthalpie von ca.
195 kJ/kg aufweist.
Bei einer Wärmezelle 1 eines Brennwertgerätes gemäss Fig. 2 ist ein Brenner 2 über ein Ge- bläse 3 mit Ansaugluftöffnung 5 und über eine Gas-Luft-Verbund-Steuerung 4 mit einem Erdgas- anschluss 6 verbunden. Um den Brenner 2 ist im Abstand ein zylindrischer Primärwärmeaustau- scher 7 angeordnet. Der Primärwärmeaustauscher 7 wird in seinem Inneren von einer Trennwand 10 axial unterteilt. Zwischen Brenner 2 und Primärwärmeaustauscher 7 befindet sich auf einer Seite 17 der Trennwand 10 eine Brennkammer 12. Auf der anderen Seite 19 der Trennwand 10 befindet sich ein Abgassammler 20, der vom Primärwärmeaustauscher 7, der Trennwand 10 sowie einer Rückwand 13 begrenzt wird und über einen Abgasrohranschluss 14 verfügt.
Um den Primär- wärmeaustauscher 7 befindet sich ein Abgasraum 8, der von einer Aussenwand 9 der Wärmezelle 1 begrenzt wird und über einen Kondensatabfluss 11 verfügt. In der Trennwand 10 befindet sich eine kreisrunde Öffnung 22. An den Abgasrohranschluss 14 sind ein Abgasrohr 21 und eine Strö- mungssicherung 31 angeschlossen.
Das Gebläse 3 saugt über die Ansaugluftöffnung 5 Luft und über die Gas-Luft-Verbund- Steuerung 4 Brenngas an und leitet das Gemisch aus Brenngas und Luft an den Brenner 2 weiter.
Das Brenngas-Luft-Gemisch wird in der Brennkammer 12 verbrannt. Der grösste Teil des heissen Abgases des Brenners 2 durchströmt den Primärwärmeaustauscher 7 in einem Teilbereich 71 und gelangt in den Abgasraum 8. Von dort strömt das Abgas wiederum durch einen anderen Teilbe- reich 72 des Primärwärmeaustauschers 7 in den Abgassammler 20. Durch die Öffnung 22 strömt heisses Abgas aus dem Brennraum 12 in den kalten Abgasstrom und erhitzt diesen. Das erhitzte Abgas gelangt durch einen Abgasrohranschluss 14 in das Abgasrohr 21 und von dort in die Strö- mungssicherung 31.
Fig. 3 zeigt eine Abgasumlenkung für den Bypassabgasstrom. In der Öffnung 22 in der Trenn- wand 10 befindet sich eine Düse 23 mit einem kalibrierten Durchlass 40. Im Abgassammler 20 befindet sich eine Abgasumlenkung 26, die zentral in den Abgasrohranschluss 14 führt. Der Innen- durchmesser des Durchlasses 40 der Düse 23 ist auf die Umgebungsbedingungen (Kaminzug, Kaminlänge, etc. ) angepasst. Durch den Einsatz einer anderen Düse mit einem anderen Durchlass lässt sich die Abgastemperatur im Abgasrohr 21 anheben oder absenken.
In Fig. 4 ist eine Prallplatte 28 zu sehen, die sich zwischen der Düse 23 und der Wand 13 des Abgassammlers 20 befindet und von einem Abstandshalter 33 gehalten wird. Das heisse Abgas, das durch die Düse 23 gelangt, trifft auf die Prallplatte 28 und wird somit radial verteilt, wodurch vermieden wird, dass der heisse Abgasstrom unmittelbar auf die Wand 13 trifft. Somit ist die Wand 13 auch als Kunststoffteil ausgeführt.
Fig. 5 zeigt einen perforierten Hohlkörper 27 mit Bohrungen 32, der sich im Abgassammler 20
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stromab der Düse 23 befindet und eine gleichmässige Verteilung des heissen Bypassstroms in das abgekühlte Abgas bewirkt.
Durch Einsatz eines Verschlussstopfens in die Öffnung 22 anstelle einer Düse 23 wird erreicht, dass der im Primärwärmeaustauscher 7 abgekühlte Abgasstrom nicht wieder erhitzt wird. In die- sem Fall arbeitet die Wärmezelle 1 in konventioneller Brennwertfunktion. Das Heizgerät muss dann an ein kondensatbeständiges Abgasrohr angeschlossen werden. Daher kann auch die Strömungs- sicherung 31 durch ein Abgasrohr überbrückt werden.
In Fig. 6 ist eine andere Variante des erfindungsgemässen Wärmezelle 1 zu sehen. Details sind in Fig. 7 dargestellt. Im Gegensatz zur den vorgenannten Varianten besteht keine direkte Verbin- dung zwischen der Brennkammer 12 und dem Abgassammler 20. Zentrisch in der Trennwand 10' zwischen Brennkammer 12 und Abgassammler 20 befindet sich ein annähernd zylinderförmiger Nachheizwärmeaustauscher 34. Dieser Nachheizwärmeaustauscher 34 hat eine innere Wand 29 auf der Seite der Brennkammer 12, eine äussere Wand 18 und einen Ringspalt 39, der die beiden Wände 18 und 29 voneinander trennt. Die äussere Wand 18 ist leicht konisch, wobei sich der Durchmesser mit zunehmendem Abstand von der Brennkammer 12 verjüngt.
Im oberen Teil des Abgassammlers 20 befindet sich eine Abdeckung 24, die an der Trennwand 10' montiert ist, in die gleichen Richtung wie die äussere Wand 18 konisch verläuft und in axialer Richtung diese teilweise überlappt. An der dem Brenner 2 abgewandten Stirnseite 42 des Nachheizwärmeaustauschers 34 in der Abgasleitung 21 befindet sich ein Strahlungsblech 15, das mittels eines Abstandhalters 25 an der Stirnseite 42 des Nachheizwärmeaustauschers 34 montiert ist. Optional sind im Ringspalt 39 Bimetallstreifen 30 angeordnet. Der Abgasleitung 21 folgt stromab eine Strömungssicherung 31.
Bei dieser Variante gelangt der gesamte Abgasstrom aus der Brennkammer 12 durch den Teil- bereich 71 des Primärwärmeaustauschers 7 in den Abgasraum 8 und von dort wiederum durch einen anderen Teilbereich 72 des Primärwärmeaustauschers 7 in den Abgassammler 20.
Dabei durchströmen die heissen Abgase des Brenners 2 die Brennkammer 12 und erhitzen die innere Wand 29 des Nachheizwärmeaustauschers 34 sowohl konvektiv als auch über Wärmestrah- lung. Die abgekühlten und zum Teil auskondensierten Abgase im Abgassammler 20 strömen in den Ringspalt 39 des Nachheizwärmeaustauscher 34 und werden dabei erhitzt. Hierdurch wird das Abgas soweit erwärmt, dass die Voraussetzungen für den Kaminanschluss gegeben sind. Das Strahlungsblech 15 verhindert, dass Wärmestrahlung vom Nachheizwärmeaustauscher 34 zur Umgebung 38 gelangt.
Da vorwiegend im Teilbereich 72 des Primärwärmeaustauschers 34 die Kondensation von Wasserdampf stattfindet, tropft Kondensat sowohl in den Abgasraum 8, als auch in den Abgas- sammler 20. Hierbei sollte vermieden werden, dass Kondensattropfen auf die innere, heisse Wand 29 des Nachheizwärmeaustauschers 34 gelangen und wieder verdampft werden, da hierdurch ein erheblicher Anteil der gewonnenen Kondensationswärme wieder verloren ginge. Durch: die koni- sche Gestaltung der äusseren Wand 18 des Nachheizwärmeaustauschers 19 wird erreicht, dass Kondensattropfen zur Wand 13 des Abgassammlers 20 gelangen und von dort nach unten strömen könne. Kondensattropfen, welche auf die Abdeckung 24 gelangen, tropfen auf die äussere Wand 18 und von dort ebenfalls entlang der Wand 13 nach unten. Letztendlich wird das Kondensat über den Kondensatablauf 11abgeführt.
Optional können Bimetallstreifen 30 im Ringspalt 39 den Strömungsquerschnitt beeinflussen.
Bei hoher Geräteleistung steigt die Abgastemperatur an. Die Bimetallstreifen 30 verbiegen sich dann derart, dass ein grösserer Strömungsquerschnitt im Ringspalt 39 freigegeben wird, so dass sich die Verweilzeit der Abgase im Nachheizwärmeaustauscher 34 verkürzt und somit die Abgase weniger aufgeheizt werden.
Zum Umbau auf reinen Brennwertbetrieb wird der Nachheizwärmeaustauscher 34 nach der Entfernung von Schrauben demontiert und durch eine wärmegedämmte Platte sowie die Strö- mungssicherung durch ein Abgasrohr ersetzt.
Vorteil eines derartig umbaubaren Brennwertgerät ist unter anderem, dass bei Mehrfachbele- gung, d. h. Anschluss mehrerer Heizgeräte an einem Kamin, das Gerät als Kamingerät betrieben werden kann. Werden alle konventionellen Kamingeräte an diesem Kamin ersetzt, so kann das Gerät zum reinen Brennwertgerät umgebaut werden und kondensatbeständige Abgasleitungen werden im Kamin eingezogen.