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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Derartige
Wärmetauscher
verwerten die heißen
Abgase eines Heizkessels oder eines Motors zur Vorwärmung etwa
von Heizungs- oder Boilerwasser, so dass auf diesem Wege die in
den Abgasen enthaltene Energie sinnvoll zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads
einer Anlage genutzt werden kann.
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Konkret
werden in ansonsten bekannter Weise die Verbrennungsgase in den
Wärmetauscher
eingeleitet, breiten sich dort aus und strömen an einem Auslassende abgekühlt hinaus
in eine Abgasleitung. Durch das Hindurchströmen der heißen Verbrennungsgase wird ein
Fluid, also etwa Heizungswasser, erwärmt, welches in geeigneten
Leitungsstrukturen im Behälter
des Wärmetauschers
geführt
wird.
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Seit
etwa 10 Jahren sind vereinzelt Gasheizungen mit integrierten Abgaswärmetauschern
auf dem Markt, dagegen sind diese in der Regel für Ölheizungen noch nicht allgemein
erhältlich.
Hier sind nämlich
die Anforderungen an einen solchen Abgaswärmetauscher hoch, denn das
vom Ölbrenner
(aber auch vom Gasbrenner ausgestoßene Abgas enthält eine
Anzahl von Substanzen, welche sich in einem nachgeschalteten Wärmetauscher
als aggressives Kondensat niederschlagen. Dies führt dann dazu, dass für Abgasleitungen
und Wärmetauscher
vorgesehene Materialen, etwa rostfreie Stähle, in kürzester Zeit zerstört werden.
Eine entsprechende Wirkung entsteht bei der Nutzung von Abgaswärme von
Verbrennungsmotoren, etwa Schweröl-Dieselmotoren (wie
sie z. B. im Schiffsverkehr vorkommen); auch hier bildet das aggressive
Kondensat eine Hürde
gegen den Einsatz gängiger
Wärmetauscher.
Hinzu kommt gerade im Fall der Motoren, dass derartige Antriebsaggregate
(vor allem im Teillastbetrieb) im Abgas stark mit Ruß belastet
sind, so dass sich die darüber
hinausgehende Problematik der Rußentfernung aus dem Abgas stellt.
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Aus
der
DE 25 15 007 A1 ist
eine Wärmetauschervorrichtung
mit den Merkmalen des Obergriffs des Hauptanspruchs bekannt.
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Ferner
ist aus der
DE 93 00
404 U1 eine Wärmetauschervorrichtungbekannt,
bei welcher die Wände
zumindest teilweise aus einer Vergussmasse eines korrosionsbeständigen Kunststoffs
bestehen. Schließlich
offenbart die
DE 101
22 329 A1 eine Wärmetauschervorrichtung
mit einer oberflächenbeschichteten
Wand, wobei diese Wand zwei Medien voneinander trennt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Wärmetauschervorrichtung
dahingehend zu verbessern, dass diese einem (Öl-)Heizungsbrenner oder Verbrennungsmotor mit
aggressiven Kondensatstoffen enthaltenden Abgasen nachgeschaltet
werden kann, ohne dass die Wärmetauschervorrichtung
selbst bzw. die darin vorgesehenen Leitungen innerhalb kurzer Zeit
durch das aggressive, sich im Behälter des Wärmetauschers niederschlagende
Kondensat beschädigt oder
zerstört
werden. Insbesondere ist zudem eine Wärmetauschervorrichtung zu schaffen,
welche einfach in der Handhabung (und damit auch in der Reinigung)
ist, sich für
Nachrüstzwecke
eignet (und damit auch in existierende Brenneranlagen nachträglich integriert
werden kann) und weiter bevorzugt zudem im Zusammenwirken mit Verbrennungsmotoren
für eine
wirksame Abgasreinigung von Ruß sorgt.
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Die
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
sowie die Verwendungen nach den Patentansprüchen 14 und 15 gelöst; vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In
erfindungsgemäß vorteilhafter
Weise ist dabei der Behälter
zumindest in seinem unteren Bereich, d. h. demjenigen Bereich, bis
zu dem sich das aggressive Kondensat des Abgases an der Behälterinnenseite
niederschlägt,
aus einem gegen das Kondensat beständigen Kunststoff gefertigt.
Durch diese auf den ersten Blick eher überraschende Maßnahme (denn
typischerweise werden Wärmetauschervorrichtungen
nicht aus Kunststoffmaterial gefertigt) werden mehrere Vorteile
realisiert: Zum einen kann durch geeignete Wahl des kondensatbeständigen Kunststoffes,
bevorzugt sind hier PVDF, PP, PVC und/oder PE, sichergestellt werden,
dass selbst über einen
langen Betriebszeitraum die betroffenen Innenwände des Wärmetauscherbehälters unbeeinflusst bleiben,
insbesondere nicht durch Korrosion od. dgl. Defekte beschädigt werden.
Mithin lässt
sich eine zuverlässige
und betriebssichere Vorrichtung realisieren. Zum anderen bewirkt
das Kunststoffmaterial, welches lediglich eine für den Abgastemperaturbereich
des eintretenden Abgases ausreichende Temperaturbeständigkeit
aufweisen muss (welches etwa bei PVDF problemlos gegeben ist), dass
der daraus gefertigte (oder damit beschichtete) Behälter der Wärmetauschervorrichtung
einfach fertigbar ist (im Fall der vollständigen Realisierung aus PVDF
etwa durch Formen in einem entsprechenden Werkzeug), und das niedrige
spezifische Gewicht des Kunststoffmaterials ermöglicht eine einfache und komfortable Transportierbarkeit
der Vorrichtung.
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Als
besonders vorteilhaft erweist es sich in diesem Zusammenhang, dass
der Kunststoff zumindest bereichsweise vernetzt ist, vorzugsweise
durch eine Bestrahlung, besonders vorzugsweise durch eine Bestrahlung
mit γ-Strahlung
vernetzt ist. Durch eine derartige Behandlung ist es möglich, dass
Thermoplaste zu Duroplasten umgewandelt werden. Im Beispiel von
PVDF ist es beispielsweise möglich,
die Temperaturfestigkeit durch eine Bestrahlung mit γ-Strahlung
von 144°C
auf 155°C
zu erhöhen.
Eine derartige Behandlung kann auch eine längere Lebensdauer der Wärmetauschervorrichtung
ermöglichen.
Möglich
ist es, dass nur bzw. dass bevorzugt solche Bereiche vernetzt werden,
die sich in relativer Nähe
zum Gaseinlass – und
damit in einem Bereich erhöhter
Temperatur – befinden.
Ebenso ist es aber auch möglich,
dass sämtliche
Oberflächenbereiche vernetzt
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Realisierungsform der Erfindung ist dabei der Behälter zweiteilig aufgebaut;
das den eigentlichen Kondensationsbereich ausbildende Bodenelement
ist dabei (bevorzugt massiv und mittels PVDF) aus dem Kunststoffmaterial
realisiert, während
ein darauf abnehmbar befestigtes Aufsatzelement in ansonsten bekannter
Weise mittels rostfreien Stahls od. dgl. gebildet sein und etwa
den Abgaseinlass, die Armaturen für die Fluidleitungen od. dgl.
tragen kann (durch die im oberen Bereich noch herrschenden relativ
hohen Abgastemperaturen kommt es hier noch zu keiner Kondensation,
so dass insoweit das für
das Aufsatzelement verwendete Material unkritisch ist).
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Analog
dem Gedanken, die vorteilhaften, korrosionsbeständigen Wirkungen des Kunststoffs für die (Kondensations-)Innenfläche des
Wärmetauscherbehälters zu
verwenden, ist es im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
auch die Fluidleitungen zum Durchleiten des durch den Abgasstrom
zu erwärmenden
Fluids (z. B. des Heizungswasser) zumindest auf ihrer Außenfläche mit dem
Kunststoff (also z. B. mit PVDF) zu versehen; in üblicher
Weise einzusetzenden Ausführungsformen enthalten
dann in derartige Fluidleitungen bevorzugt eingebettete Gasdiffusionssperrschichten
zur sauberen Trennung des Fluids vom Abgas, wobei sich für eine derartige
Sperrschicht in der Leitung Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung
bewährt
hat.
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In
der praktischen Realisierung als besonders bedeutsam herausgestellt
hat sich zudem eine Realisierungsform der Erfindung, bei welcher
(bevorzugt im Rahmen der vorbeschriebenen Beispiele ausgebildete)
Fluidleitungen senkrecht und wendelförmig innerhalb des typischerweise
hohlzylindrischen Wärmetauschersbehälters verlaufen;
eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades bzw. der Wärmetauscherwirkung
lässt sich
dadurch erreichen, dass eine Mehrzahl von (bevorzugt gewendelten) Fluidleitungen
koaxial nebeneinander oder verschränkt ineinander geführt sind;
Zweck ist es hier, den Druckverlust etwa bei direkter Einkopplung
des Wärmetauschers
in das Heizungssystem zu verhindern und, wie oben bereits dargelegt,
durch gegen Sauerstoffdiffusion dichte Wärmetauscherleitungen (Rohre)
eine Korrosionsgefahr für
die Heizungsanlage zu minimieren.
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Praktisch
bedeutsam beim Einsatz einer Mehrzahl von gewendelten Fluidleitungen
ist es dabei, deren vertikale bzw. Relativposition zueinander durch
Distanz- bzw. Halteeinrichtungen sicherzustellen, welche, bevorzugt
durch Einstecken bzw. Einführen
zwischen die Wendeln, mit kammartigen Vorsprüngen bzw. Einschnitten für eine den
Abgasfluss und die Wärmeübertragung
optimierende Position der jeweiligen Rohrabschnitte im Behälter sorgen.
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Ein
auf die vorstehende Weise realisierte Wärmetauschervorrichtung kann
dann in besonders einfacher und flexibler Weise, insbesondere auch
im Wege der Nachrüstung,
Heizungs- oder Motoranlagen
nachgeschaltet werden, wobei der erfindungsgemäß verwendete Kunststoff eine
Abgastemperatur des eintretenden Abgases bis etwa 200°C gestattet (so
dass, etwa bei der Verwendung im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren
aus dem Antriebsbereich, eine Verwendung des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers
auf Niedriglastbreiche beschränkt
sein könnte).
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Im
praktischen Gebrauch zeichnet sich gleichwohl eine derartige Wärmetauschervorrichtung durch
herausragende Eigenschaften bei der Verbesserung der Energiebilanz
aus; so lassen sich typischerweise zwischen 15% und 20% des jeweils
im Rahmen der Heizungsanlage verfeuerten Energieträgers einsparen,
wenn typischerweise das Abgas auf Temperaturen von unter 60°C abgekühlt wird
und die so dem Abgas entzogene Heizenergie effektiv weiter verwendet
werden kann.
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Ein
weiterer vorteilhafter Nebeneffekt ist die Wirkung des Wärmetauscherbehälters als
Schalldämpfer
(typische Dämpfungswerte
von etwa 9 dB lassen sich erzielen), so dass hierdurch auch zusätzliche
Schalldämpfmaßnahmen
oft überflüssig werden.
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Der
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zweigeteilte Behälter
kann zudem (weiter bevorzugt ohne Werkzeug) einfach geöffnet und
demontiert werden; das Be hälterinnere
steht dann für
Reinigungsarbeiten zur Verfügung.
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Während die
Verwendung im Zusammenhang mit einer Heizungsanlage, und dort insbesondere
einem Ölbrenner
od. dgl., als besonders geeignete und bevorzugte Verwendungsform
der vorliegenden Erfindung gelten kann, ist die Erfindung hierauf
nicht beschränkt.
So hat es sich überraschend
als günstig
und bevorzugt herausgestellt, die Erfindung auch im Zusammenhang
mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor einzusetzen, wobei hier prinzipiell dieselbe
Problematik der aggressiven Kondensate im Abgasstrom entsteht. Zusätzlich führt jedoch
das Kondensieren des Abgasstroms dazu, dass der während der
Verbrennung zusätzlich
entstehende Ruß (und
dieses Problem ist gerade im Teillastbereich von Antriebsmotoren,
etwa schweren Schiffsdieselmotoren, besonders drastisch, was dann
zu Problemen mit Rußbelastung
der Umwelt führt)
im flüssigen
Kondensat gelöst
und mit diesem in ansonsten bekannter Weise zur Neutralisation oder
Entsorgung bzw. zur dosierten Rückführung in
den Verbrennungskreis ausgetragen werden kann.
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Im
Ergebnis entsteht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in überraschend
einfacher und eleganter Weise ein Weg, wie flexibel und einfach
in der Herstellung eine belastbare und dauerhafte Wärmetauscherlösung selbst
für sehr
aggressive Abgaskondensate geschaffen werden kann, so dass auch
Heizungsanlagen mit einem Ölheizungsbrenner
die Vorteile der effektiven Abgaswärmerückführung mittels Wärmetauscher
einfach und preisgünstig
zugänglich werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
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1:
eine seitlich-perspektivische Schemaansicht der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung und
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2:
einen schematischen Längsschnitt durch
die Anordnung gemäß 1.
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Ein
Wärmetauscherbehälter 10 besteht
aus einem eimerförmigen,
einstückig
aus PVDF gefertigten Bodenelement 12, welches einen Auslass 14 für abzuführendes
Kondensat ausbildet. Mittels eines Ringflansches 15, einer
Ringschelle od. dgl. lösbar mit
dem Bodenelement 12 verbunden ist ein Aufsatzelement 16 aus
rostfreiem Stahl, welches seitlich eine Eintrittsöffnung 18 für eintretendes
Verbrennungsgas (s. Pfeilrichtung 19) anbietet, und zusätzlichen
im oberen Bereich einen Durchbruch 20 durch einen planen
Deckelabschnitt des Aufsatzelements für das Herausführen des
abgekühlten
Abgases (Pfeilrichtung 21) anbietet.
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Weiterhin
zeigt die 1, wie auf der Oberseite des
Aufsatzelements 16 Anschlussaggregate 22, 24 für ein- bzw.
abfließendes
Kühlfluid
(hier: Heizungswasser) angeordnet sind; in der gezeigten Konfiguration
existieren drei parallel zueinander geführte und voneinander getrennte
Fluidleitungen 26, 28, 30 zwischen den
Aggregaten 22, 24.
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Die
seitliche Schnittansicht der 2 verdeutlicht
im Detail die Anordnung und Wirkungsweise im Behälterinneren: Durch den Einlass 18 eintretendes
Abgas, typischerweise einer Ölheizungsanlage, trifft
auf ein (in den Figuren nicht gezeigtes) Abgasleitblech und wird
in der durch die Pfeile gezeigten Weise abwärts in den Behälter geleitet;
gleichzeitig sorgen die in Form einer ineinander verschachtelten, koaxialem
Dreifachwendel angeordneten Fluidleitungen 26, 28, 30 dafür, dass
sich das eintretende Gas kontinuierlich abkühlt, bis durch das Gas eingetragenes
Kondensat an Innenwänden
des Bodenelements 12 kondensiert (die typischerweise innerhalb
des Aufsatzelements vorliegenden Abgastemperaturen bewirken noch
keine Kondensation). Das Kondensat läuft dann an den jeweiligen
Kondensations-Innenflächen
des Bodenelements herab und sammelt sich im Bodenbereich, wo es
durch den Auslass 14 ausgetragen wird. Zusätzlich (und
in der Regel zum überwiegenden
Teil) erfolgt eine Kondensation auf den Außenflächen der Leitungen 26 bis 30 (welche
im Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispiels
vorteilhaft ebenfalls aus PVDF gefertigt sind oder eine PVDF-Beschichtung aufweisen),
sowie auf der Außenfläche eines
Abgas- bzw. Auslassrohres 32, welches selbst wiederum bevorzugt
und geeignet aus PVDF gefertigt ist; hieran schließen sich
in ansonsten üblicher
Weise weitere Abgasleitungen an. Durch das abtropfende Kondensat
kommt es zu einem Selbstreinigungseffekt der inneren Oberflächen des Wärmetauschers.
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Das
im Bodenbereich des Bodenelements 12 gesammelte Kondensat
kann somit nicht mit metallischen Elementen in Berührung kommen
(kann somit keine Korrosion auslösen),
ist schwermetallfrei und kann in ansonsten bekannter Weise neutralisiert und
entsorgt werden.
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Eine
besonders elegante und interessante Weise, die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung
vorteilhaft einzusetzen, liegt in der Verwendung zusammen mit einem
Antriebs-Verbrennungsmotor,
typischerweise einem Schiffsdiesel. Hier wird speziell für einen
(besonders rußanfälligen)
Niedriglastbetrieb, wie er häufig
im Bereich von Häfen
im Anlegemanöverbetrieb
zu beobachten ist, eine erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung in den
Abgaskreis eingeschleift, wobei in der vorbeschriebenen Art auch
wiederum das (in dem vorliegenden Niedriglastbereich eine typische
obere Grenztemperatur von 200°C
nicht überschreitende)
Abgas in den Wärmetauscher
eintritt, dort kondensiert und zusätzlich mit dem Kondensat das
zu beseitigende Ruß gelöst und mit
abgeführt
wird. Im Ergebnis tritt dann nicht nur in thermisch optimierter
Weise ein gekühlter Abgasstrom
aus, auch ist dieser signifikant von Rußpartikeln befreit. Das (rußhaltige)
Kondensat kann dann wiederum geeignet gesammelt und während späterer Betriebszyklen
(typischerweise optimierten Volllastbetrieben) eines Schiffsmotors
in vorsichtig dosierter Weise dem Verbrennungskreis rückgeführt werden,
so dass insoweit dann auch eine rückstandslose Entsorgung des
rußhaltigen
Kondensats möglich
ist. Besonders geeignet erfolgt das Einschleifen einer Wärmetauschervorrichtung
im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels
durch eine geeignete, motorlastabhängige Automatik. Durch diese
Rückführung des
gesammelten Kondensats (bzw. von gegebenenfalls zusätzlich oder,
falls kein Kondensat mehr vorhanden ist, ausschließlich eingespritztem
Wasser) kann die Leistung erhöht
werden und gegebenenfalls Energie gespart werden.