DE10054412A1 - Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen von Heizungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft in erster Linie eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen von Heizungsanlagen mit einem Wärmetauscher- Gehäuse, durch welches ein Abgasrohr geführt ist, und mit einem innerhalb des Gehäuses geführtem Rohr, welches mit dem Abgasrohr in wärmeleitendem Kontakt steht oder in einem definierten Abstand angeordnet ist (Oberbegriff des Patentanspruchs 1).

In der Regel geht bei Heizungsanlagen ein nicht unwesentlicher Anteil (etwa 30% bis 40%) der im Rauchgas vorhandenen Wärme verloren. Dies ist darauf zurückzuführen, dass nur eine gewisse Restwärme zur Verhinderung von durch Kondensat hervorgerufene Versottung des Kamins erforderlich ist.

Um die im Rauchgas vorhandene Wärme teilweise zurück zu gewinnen, werden in großen Dampfkraftwerken sogenannte Ekonomiser eingesetzt, welche mit dem Rauchgas das dem Dampfkessel zugeführte Speisewasser vorwärmen bzw. Lufterhitzer dienen dazu, mittels der Rauchgase vom Kessel benötigte Verbrennungsluft vorzuwärmen. Gebräuchlich sind auch Rekuperativlufterhitzer und Regenerativlufterhitzer wie z. B. der Ljungström-Lufterhitzer. Alle diese Einrichtungen sind unverhältnismäßig groß und teuer, so dass sie bei Heizungsanlagen für Wohnhäuser keine Verwendung gefunden haben. Platz- und Kostengründe führen bei solchen Heizungsanlagen häufig dazu, dass man die Wärmetauscherfläche im Heizkessel so gering bemisst, dass das Rauchgas bis zu 350°C warm in den Schornstein strömt, so dass es diesen mit Temperaturen über 150°C verlässt, obwohl im Hinblick auf Korrosionsgefahr es genügen würde, wenn am Schornsteinaustritt das Rauchgas noch mindestens 80°C warm wäre.

Um einen Teil der Abgaswärme zu nutzen sind sogenannte Wärmetauscher-Schornsteine - oft auch als Luft-Abgas-Systeme bezeichnet - bekannt. Solche Wärmetauscher-Schornsteine weisen einen Abgasschacht für die Abführung der Abgase von Feuerstätten über das Dach ins Freie und einen Verbrennungsluftschacht für die Zuführung der Verbrennungsluft vom Freien zu den Feuerstätten auf. Zur Erzielung eines Wärmeaustauschs zwischen Abgas und Verbrennungsluft ist der Abgasschacht konzentrisch im Verbrennungsluftschacht angeordnet und mindestens eine Öffnung für den Verbrennungsluftschacht zum Freien über das Dach liegt benachbart zur Abgasmündung. Um eine höhere Energieersparnis bei gleichzeitig niedrigeren Betriebskosten zu verwirklichen ist beim Wärmetauscher-Schornstein gemäß der DE 199 38 324 A1 am Verbrennungsluftschacht zusätzlich zu der bzw. den Öffnung(en) über das Dach mindestens eine weitere Öffnung innerhalb des Gebäudes angebracht, über die Abluft aus dem Gebäude in den vom Verbrennungsluftschacht und dem Abgasschacht gebildeten Luftweg eintreten und über eine längere Strecke im Gegenstrom durch einen Ventilator geblasen werden kann. Durch die Nutzung des Verbrennungsluftschachtes als Abluftschacht wird ein eigener Abluftschacht entbehrlich und es kann zusätzlich Energie eingespart werden, da - an Stelle kalter Verbrennungsluft aus dem Freien - bereits vorgewärmte Luft aus beheizten Räumen eingesetzt wird.

Ein ähnlicher Weg wird bei dem aus der DE 44 10 434 A1 bekannten Wärmetauscher für Heizungs- und Lüftungsanlagen, der in einem Kamin oder einem ähnlichen Gebäudeschacht installiert ist, eingeschlagen. Der in seiner Abmessung vom Heizungskeller bis ins Dachgeschoss reichende Wärmetauscher besteht aus mehreren gekanteten Blechprofilen, beispielsweise Aluminium-Stranggußprofilen die miteinander vernietet oder verschraubt sind, so dass mehrere senkrechte Kanäle mit einer relativ großen Mantelfläche für den Wärmeaustausch entstehen. Die Fugen zwischen den Kanälen müssen mit einer hitzebeständigen Masse abgedichtet werden. Ferner sind die Profilbleche insgesamt mit einem Mantelblech umgeben und vernietet. An der Außenseite der Mantelfläche des gesamten Wärmetauschers und dem Mauerschacht ist eine hitzebeständige Isolierschicht aufgebracht, die zugleich eine Wärmeausdehnung des Wärmetauschers erlaubt. Der mittlere Kanal des Wärmetauschers ist für das abzukühlende Abgas vorgesehen und ist mittels eines Rohres nach oben und nach unten verlängert. In der unteren Verlängerung wird das abzukühlende Abgas seitlich eingeleitet, welches dann nach oben strömt. Eine weitere senkrechte Verlängerung unterhalb der Wärmemittel-Zuführung dient der Kondenswasserableitung. In Höhe der oberen Mittelkanalverlängerung wird seitlich mittels eines Ventilators Frischluft zugeführt, welche dann in den äußeren Kanälen nach unten strömt. Diese Frischluftzuführung befindet sich vorzugsweise kurz unter dem Hausdach, so dass das nach oben steigende Abgas und die durch den Ventilator eingeblasene Frischluft über eine längere Strecke im Gegenstrom zueinander strömen. Oberhalb der Frischluftzuführung ist die Verlängerung des Mittelkanals ins Freie geleitet. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise als Emissionswärmetauscher verwendet, wobei die Heizungsabgase im mittleren Kanal auf eine relativ geringe Temperatur abgekühlt werden. Die dadurch gewonnene erwärmte Frischluft kann dann für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise für ein offenes Kaminfeuer, bei dem ohne Wärmetauscher die meiste Wärmeenergie durch den Kamin entweichen würde. In diesem Fall wird die erwärmte Frischluft in den Wohnraum geblasen und dient zugleich der Sauerstoffzufuhr für das Kaminfeuer.

Um bei sogenannten Niedrigenergie- bzw. Passivhäusern, welche eine kontrollierte Dauerlüftung bedingen, die Wohnbehaglichkeit bzw. Raumhygiene aufrechtzuerhalten, ist es aus der DE 198 52 640 A1 bekannt, dass im Schacht des Kamins ein abluftführendes Keramikrohr angeordnet ist, das an seinem oberen Ende mit einem den Schachtquerschnitt ausfüllenden Wärmetauscher verbunden ist, der die jeweiligen Anschlüsse für Zu- und Abluft aufweist und in dem eine Lüfterbox integriert ist. Im einzelnen ist vorgesehen, dass der Schacht oberhalb des Wärmetauschers eine Öffnung für Zuluft und unterhalb des Wärmetauschers den jeweiligen Hausetagen entsprechende Öffnungen Zuluft (Raum) aufweist. Weiterhin weist der Schacht unterhalb des Wärmetauschers den jeweiligen Hausetagen entsprechende Öffnungen für die am Keramikrohr vorgesehenen Abluftanschlüsse auf. Neben dem das Abluft führende Keramikrohr aufweisenden Schacht sind weitere von ihm abgetrennte Schächte innerhalb der Mantelsteine angeordnet, die wahlweise ein Rauchrohr oder andere Installationen für die Energieversorgung aufnehmen und ebenfalls im Gegenstrom (mit Gebläseunterstützung) durchströmt werden.

Auch für die Warmwasserbereitung sind Wärmetauscher bekannt. Beispielsweise ist aus dem DE 83 05 537.1 U1 ein Wärmetauscher bekannt, welcher ein mit Glaswolle gefülltes Gehäuse aufweist, durch welches ein Abgasrohr geführt ist. Innerhalb des Gehäuses steht ein Wärmeübertragungsmittel, d. h. Wasser führendes Rohr mit dem Abgasrohr in wärmeleitendem Kontakt oder ist in einem definierten Abstand angeordnet. Das Abgasrohr ist derart ausgebildet, dass es mit dem Abgasrohr, welches von einer Heizungsanlage zu einem Kamin führt, anschließbar ist. Im einzelnen kann das Wasser führende Rohr, welches aus Kupfer oder Aluminium besteht, in dem Gehäuse mäander- oder schleifenförmig oder spiralförmig um das Abgasrohr geführt werden. Im Innern des Gehäuses, welches aus Zinkblech oder einem verzinkten Blech hergestellt ist, ist zwischen seiner Innenwandung und dem Rohrsystem ein Strahlenreflektor angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges kann das Abgasrohr im Innern mit radial gerichteten Wärmeleitblechen ausgerüstet werden.

Auch ist es zur Warmwasserbereitung aus der DE 29 01 650 A1 bekannt, die Wärmetauscherschlange direkt im Kamin einzubauen.

Schließlich ist zur Warmwasserbereitung aus dem DE 93 13 335.9 U1 ein Wärmetauscher zur Rückgewinnung und Nutzung von Restwärme im Abgasbereich von Verbrennungsanlagen, bekannt, welcher aus einem gemufften Innenrohr aus vorzugsweise Edelstahl besteht, welcher eine wendelförmige Leitspirale besitzt, die zum Außenrohr hin abdichtet, und welcher unmittelbar nach dem Ausgang des Wärmeerzeugers im Schornstein montiert ist. Auf der Leitspirale fließt Wasser, welches über einen Zulauf zugeführt wird, nach unten, wobei es den Abgasen Wärme entzieht, sich also dabei erhitzt und über einen Ablauf den Wärmeaustauscher wieder verlässt. Das Außenrohr ist zur besseren Wärmeisolierung mit einem Dämmstoff ausgestattet, welcher nach außen hin mit einer Schutzfolie versehen ist.

Auch sind für Heizungsanlagen mit kleinen Leistungen Vorrichtungen bekannt, bei denen im Abgasweg einer Kesselanlage zum Kamin wasserführende Rohrheizflächen angeordnet sind. Die aus der Kesselanlage zum Kamin strömenden Abgase geben an diesen Wärmetauscherflächen einen Teil ihrer Wärme ab, welche dem Kessel wieder zugeführt wird oder zur Warmwasserbereitung dient. Zum Kamin gelangen daher ausgekühlte Abgase. Beispiele hierfür sind in der DE 28 32 935 A1 oder der DE 29 26 700 A1 beschrieben und erläutert, dort auch in Kombination mit der direkten Beheizung der Luft und Zuführung in einen oder mehrere Räume.

Auch beim Wärmeaustauscher gemäß der DE 28 40 883 A1 gelangen ausgekühlte Abgase zum Kamin. Dort ist unmittelbar angrenzend an den Heizkessel ein das Rauchrohr umschließender isolierter Mantelbehälter angeordnet, der vom Boden des Heizkellers bis über den in den Kamin mündenden Rauchrohrabgang reicht. An seiner Oberseite weist der Mantelbehälter mindestens einen verengten Warmluftabgang zum Anschluss für in zu beheizende Räume führende Leitungen auf. Am Boden des Mantelbehälters ist ein Ventilator mit regelbaren Luftöffnungen und in der Wand ist ein Einlass für Frischluftzufuhr vorgesehen. Im Mantelbehälter, welcher vorzugsweise aus einem mit Isolierung versehenen Doppelmantel besteht, sind in geringem Abstand voneinander Steine mit hohem Luftgehalt angeordnet, welche auf Halterungen oder Trägerstäben abgelegt sind.

Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich ausgestaltete und an verschiedenen Stellen im Abgasweg angeordnete Wärmetauscher für die Warmwasserbereitung und/oder für die direkte Beheizung von Räumen im Wohnhaus bekannt. In der Regel wird vom Gegenstromprinzip Gebrauch gemacht, wozu bei Warmluft ein Ventilator erforderlich ist und damit der Wirkungsgrad der Anlage vermindert wird. Auch ist häufig der nachträgliche Einbau bei bestehenden Heizungsanlagen nicht möglich und die Gefahr der Versottung ist gegeben. Insgesamt können bekannte Wärmetauscher/Heizungsanlagen-Kombinationen die Anforderungen hoher Wirkungsgrad, einfacher Aufbau, nachträgliche Einbaumöglichkeit sowie Verhinderung der Versottung nicht gleichzeitig erfüllen. Besonders bedeutsam ist dies, weil die Heizungsanlagenindustrie als äußerst fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die sehr schnell Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt, wie aus den vorstehend gewürdigten Stand der Technik ersichtlich ist.

Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten Vorrichtungen zur Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen von Heizungsanlagen die Aufgabe zugrunde, diese derart auszugestalten, dass eine Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, einfachem Aufbau, nachträglicher Einbaumöglichkeit sowie Verhinderung der Versottung zur Verfügung gestellt wird.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass das Wärmetauscher- Gehäuse im Kamin eingebaut und in seinen Abmessungen vom Heizungskeller bis ins Dachgeschoss reichen kann, dass innen ein zwischen Wärmetauscher- Gehäuse und Abgasrohr sich erstreckendes und um das Abgasrohr geführtes Leitblech angeordnet ist und dass die im Keller durch eine Öffnung in das Wärmetauscher-Gehäuse zugeführte Frischluft durch das Leitblech nach oben um das Abgasrohr herum und durch eine Öffnung im Wärmetauscher-Gehäuse in den Wohnraum geleitet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass unter Ausnutzung der thermodynamischen Gesetzmäßigkeit auf überraschend einfache Art und Weise ein kostengünstiger Wärmetauscher realisiert wird, bei welchem Abgas und Frischluft in gleicher Richtung aufsteigen und bei dem ohne einen Ventilator die Strömungsgeschwindigkeit der erwärmten Frischluft zunimmt. Wie sich in der Praxis herausgestellt hat, strömen die Abgase mit einer Temperatur von mindestens 150°C in den Wärmtauscher ein und verlassen den Kamin mit einer Temperatur von ca. 80°C. Die hohe Temperaturdifferenz von 70°C steht aufgrund Wärmekonvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung für die Erwärmung der um das Abgasrohr geführten Frischluft zur Verfügung, wodurch erwärmte Frischluft von mehr als 40°C in den Wohnraumbereich geleitet und aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit praktisch geblasen wird. Hierdurch wird eine Energieersparnis von ca. 1/3 des Heizöls bewirkt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 2, die Kelleröffnung durch eine Klappe verschließbar, wobei die Klappenbetätigung parallel zum Brenner der Heizungsanlage gesteuert wird.

Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass beispielweise nur bei laufendem Brenner erwärmte Frischluft in den Wohnraum gelangen kann und dass bei Brennerstillstand oder beim Abkühlen auf eine Restwärme (oder nach einer bestimmten Zeit) die Klappe geschlossen wird. Das Öffnen der Klappe kann ebenfalls mit einer gewissen Zeitverzögerung erfolgen.

In Weiterbildung der Erfindung weist, gemäß Patentanspruch 3, das spiralförmig geführte Leitblech eine Steigung zwischen 35° und 55°, vorzugsweise 45° auf.

Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass - je nach den geometrischen Verhältnissen im Kamin - die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Lufttemperatur in gewissen Grenzen anpassbar und mittels der Kelleröffnung einstellbar ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Benutzer die Möglichkeit besteht, durch handbetätigbare Mittel Klappen im Leitblech zu öffnen oder zu schließen, so dass über diese Nebenwege die Strömungsgeschwindigkeit und die Menge der erwärmten Frischluft ebenfalls einstellbar ist.

Vorzugsweise besteht, gemäß Patentanspruch 4, das Wärmeaustauscher-Gehäuse aus einem doppelwandigen Gehäuse.

Durch das doppelwandige Gehäuse wird einerseits die Stabilität des Gehäuseaufbaus erhöht, andererseits wird das Abkühlen der erwärmten Frischluft durch die Gehäusewandung verringert. Je nach Kaminquerschnitt weist das doppelwandige Gehäuse ebenfalls rechteckförmigen oder kreisförmigen Querschnitt auf bzw. kann bei rechteckförmigen Kaminquerschnitt auch außen rechteckförmig und innen kreisförmig ausgeführt werden.

In Weiterbildung hierzu ist, gemäß Patentanspruch 5, zwischen Wärmeaustauscher-Gehäuse und Mauerwerk des Kamins eine Isolierschicht angeordnet.

Durch diese Weiterbildung wird das Abkühlen der erwärmten Frischluft noch weiter verringert.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht, gemäß Patentanspruch 6, das Leitblech aus Stahlblech und ist am Abgasrohr angeschweißt und der Abstand zwischen Abgasrohr und Wärmetauscher-Gehäuse beträgt zwischen 2 cm und 8 cm und beträgt vorzugsweise 3 cm bei einem runden Kaminquerschnitt.

Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass auf einfache Art und Weise die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich deren segmentweiser nachträglicher Einbau in einen bereits vorhandenen Kamin ermöglicht wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt über eine Ebene und

Fig. 2 einen Querschnitt über zwei Ebenen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem im Kamin K eingebauten Wärmetauscher-Gehäuse WG im Querschnitt. Das Wärmetauscher-Gehäuse WG kann aus einem doppelwandigen Gehäuse bestehen und in seinen Abmessungen vom Heizungskeller bis ins Dachgeschoss reichen. Zwischen Wärmetauscher-Gehäuse WG und einem Abgasrohr AR erstreckt sich ein um das Abgasrohr AR geführtes Leitblech L, welches eine Steigung zwischen 35° und 55°, vorzugsweise 45° aufweist. Die im Keller durch eine Öffnung KÖ in das Wärmetauscher-Gehäuse WG zugeführte Frischluft F wird durch das Leitblech L nach oben um das Abgasrohr AR herum und durch eine Öffnung WÖ im Wärmetauscher-Gehäuse WG in den Wohnraumbereich, einschließlich Bad, Diele oder Treppenhaus geleitet. Die Strömungsrichtung von Frischluft F und Abgas A sind in der Zeichnung durch (strichlinierte) Pfeile angedeutet. Die Kelleröffnung KÖ ist durch eine Klappe verschließbar (in der Zeichnung nicht dargestellt), wobei vorzugsweise die Klappenbetätigung parallel zum Brenner der Heizungsanlage, insbesondere in Abhängigkeit von der Abgas- oder Kesseltemperatur oder zeitverzögert, gesteuert ist.

Das Leitblech L kann ebenso wie das Abgasrohr AR aus Stahlblech bestehen und kann beispielsweise durch Schweißen am Abgasrohr AR befestigt werden. Die Befestigung zwischen Leitblech L und Abgasrohr AR kann alternativ formschlüssig oder kraftschlüssig ausgestaltet werden, insbesondere kann das Abgasrohr AR spiralförmige Falze oder Nuten aufweisen, an welche das Leitblech genietet oder in welche das Leitblech eingeschoben wird. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen Abgasrohr AR und Wärmetauscher- Gehäuse WG zwischen 2 cm und 8 cm, bei einem runden Kaminquerschnitt 3 cm. Schließlich ist zwischen Wärmetauscher-Gehäuse WG und Mauerwerk des Kamins K eine Isolierschicht I angeordnet.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch die Erfüllung der Anforderungen hoher Wirkungsgrad, einfacher Aufbau, nachträgliche Einbaumöglichkeit sowie Verhinderung der Versottung aus.

Alle dargestellten und beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten, sowie alle in der Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten neuen Einzelmerkmale und ihre Kombination untereinander, sind erfindungswesentlich. Beispielsweise kann im Sommer die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zuführung von kühler Frischluft F aus dem Keller dienen, wozu die Klappe manuell oder ferngesteuert geöffnet und bei Bedarf zusätzlich ein Ventilator eingeschaltet werden kann; anstelle der Frischluft F aus dem Keller kann auch Außenluft in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingeleitet werden; auch die Öffnungen WÖ können manuell oder elektrisch gesteuert geöffnet und geschlossen bzw. durch Segmentblenden der Öffnungsquerschnitt stufenlos verändert werden usw.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen von Heizungsanlagen, mit einem Wärmetauscher-Gehäuse (WG), durch welches ein Abgasrohr (AR) geführt ist, und mit einem innerhalb des Gehäuses (WG) geführtem Rohr, welches mit dem Abgasrohr (AR) in wärmeleitendem Kontakt steht oder in einem definierten Abstand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscher-Gehäuse (WG) im Kamin (K) eingebaut und in seinen Abmessungen vom Heizungskeller bis ins Dachgeschoss reichen kann, dass innen ein zwischen Wärmetauscher- Gehäuse (WG) und Abgasrohr (AR) sich erstreckendes und um das Abgasrohr (AR) geführtes Leitblech (L) angeordnet ist und dass die im Keller durch eine Öffnung (KÖ) in das Wärmetauscher-Gehäuse (WG) zugeführte Frischluft durch das Leitblech (L) nach oben um das Abgasrohr (AR) herum und durch eine Öffnung (WÖ) im Wärmetauscher-Gehäuse (WG) in den Wohnraum geleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kelleröffnung (KÖ) durch eine Klappe verschließbar ist, wobei die Klappenbetätigung parallel zum Brenner der Heizungsanlage steuerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spiralförmig geführte Leitblech (L) eine Steigung zwischen 35° und 55°, vorzugsweise 45° aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauscher-Gehäuse (WG) aus einem doppelwandigen Gehäuse besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wärmeaustauscher-Gehäuse (WG) und Mauerwerk des Kamins (K) eine Isolierschicht (I) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (L) aus Stahlblech besteht und am Abgasrohr (AR) angeschweißt ist und dass der Abstand zwischen Abgasrohr (AR) und Wärmetauscher-Gehäuse (WG) zwischen 2 cm und 8 cm beträgt, vorzugsweise bei einem runden Kaminquerschnitt 3 cm beträgt.