-
Diese
Erfindung betrifft einen Nachschaltwärmetauscher für einen
Heizkessel, insbesondere einen Brennwertkessel für flüssige, gasförmige und feste Brennstoffe,
zum Kühlen
und Kondensieren von Abgasen eines Brenners des Heizkessels mit
einer Vielzahl von zur Durchströmung
von gasförmigen oder
flüssigen
Medien ausgebildeten Rohren, und mit mindestens einem aus Kunststoff
gebildeten Rohrboden, der eine Vielzahl von Öffnungen zur Aufnahme der Rohrendbereiche
aufweist. Der Begriff „Nachschaltwärmetauscher
für Heizkessel" bringt zum Ausdruck,
dass der Wärmetauscher
einem Heizkessel nachgeschaltet ist. Auch ist es üblich, derartige
Wärmetauscher
als „Restwärmetauscher" zu bezeichnen.
-
Da
bei Wärmetauschern
mit einer Vielzahl von Rohren diese üblicherweise parallel ausgerichtet sind
und dadurch ein Rohrbündel
bilden, werden diese Art von Wärmetauschern
auch als Rohrbündelwärmetauscher
bezeichnet. Rohrbündelwärmetauscher,
die auf ihrer Rohr- und Mantelseite (Kanalseite) mit verschiedenen
gasförmigen
und/oder flüssigen
Medien unterschiedlicher Temperaturen beströmt werden, werden für zahlreiche
Prozesse in den verschiedensten technischen Einsatzgebieten benötigt. Insbesondere
ist es bekannt, Rohrbündelwärmetauscher
Heizkesseln, insbesondere Brennwertkesseln, nachzuschalten. Hierdurch
kann das Abgas des Brenners des Heizkessels soweit abgekühlt werden,
dass die Wasserdampfanteile des Abgases, die bei der Verbrennung
kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe im Brenner entstehen, kondensieren.
Durch die Nutzung der Kondensationswärme tritt eine deutliche Verbesserung
des verbrennungstechnischen Wirkungsgrades ein. Die Brennwertnutzung
wird häufig
dadurch erreicht, dass die Eintrittstemperatur des Heizungswassers
in den Wärmetauscher
(Rücklauftemperatur)
so weit abgesenkt wird, dass der Taupunkt des Abgases an den Wärmeübertragerflächen unterschritten
wird.
-
Ein
weiteres Prinzip der Brennwertnutzung ist die Verbrennungsluftvorwärmung. Hierbei
werden zwei separate Wärmetauscher
verwendet. Der erste, im Heizkessel integrierte Wärmetauscher
kühlt die Abgase
herunter, wobei in diesem Wärmetauscher keine
Kondensation des Wasserdampfanteils des Abgases stattfindet. Im
Gegenzug erwärmt
dieser Wärmetauscher
das Heizwasser. Erst in einem zweiten, nachgeschalteten Wärmetauscher
wird der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert. Dazu wird
vom Brenner angesaugte Außenluft
vor der Verbrennung in diesem zweiten Wärmetauscher an den Abgasen
vorbeigeführt.
Diese erwärmte
Luft wird dem Brenner nun als Zuluft (Verbrennungsluft) zugeführt.
-
Bei
den bekannten Nachschaltwärmetauschern
wird der mindestens eine Rohrboden häufig aus Kunststoff ausgebildet.
Ferner werden aus Edel stahl, Karbon oder aus Kunststoff hergestellte
Rohre verwendet. Das in Brennwertkesseln anfallende Kondensat („saures
Kondensat") greift
auf Grund seines niedrigen pH-Werts die Werkstoffe des Wärmetauschers
an. Insbesondere können
bei der Kondensation Schadstoffe und Säuren, wie Schwefel- und Salpetersäure, anfallen.
-
Bei
der Verwendung von Edelstählen
kann dieser Säureangriff
zu Korrosion am Material führen. Nur
durch den Einsatz von hochwertigen und teuren Edelstählen kann
die Korrosion in vertretbarem Maße eingeschränkt werden.
Darüber
hinaus kann es bei Edelstahlrohren im Laufe der Zeit zu Schwermetallauswaschungen
kommen, die die Umwelt belasten.
-
Karbonrohre
sind dagegen säure-
und schadstoffbeständig,
so dass hierdurch Beschädigungen
am Wärmetauscher
vermieden werden können.
Allerdings ist der Einsatz von Karbonrohren noch kostenintensiver
als der von Edelstahlrohren.
-
Kunststoffrohre
sind ebenfalls säure-
und schadstoffresistent. Jedoch ist der Wärmeübergang zwischen dem abzukühlenden
und dem aufzuwärmenden
Medium schlechter als bei Edelstahl- oder Karbonrohren. Dies führt dazu,
dass die Wärmeübertragerflächen vergrößert werden
müssen,
was sich wiederum in vergleichsweise großen Abmessungen des Wärmetauschers
niederschlägt.
-
In
Anbetracht der obigen Ausführungen
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Nachschaltwärmetauscher
der Eingangs genannten Art anzugeben, bei dem einerseits Korrosionsschäden durch
Säuren
und der Austrag von Schwermetallen und anderen Schadstoffen im Kondensat
sicher vermieden werden und der andererseits in kompakter, kostengünstiger
Weise herstellbar ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Obwohl
Nachschaltwärmetauscher
für Heizkessel
in der Praxis schon seit geraumer Zeit eingesetzt werden und deren
Wirkungsweise und Aufbau der Fachwelt hinlänglich bekannt sind, wurde
mit der Erfindung erstmals der Schritt gewagt, bei derartigen Wärmetauscher
Rohre aus Glas anstatt der bisher üblichen Rohre zu verwenden.
Vorteilhaft ist hierbei zum einen, dass Glasrohre, insbesondere
im Vergleich zu Edelstahl- und Karbonrohren, relativ kostengünstig sind
(Edelstahlrohre sind bei annähernd gleicher
Wärmeübertragung
von Abgasen auf Heizungswasser ca. viermal und Karbonrohre ca. siebenmal
teurer als Glasrohre). Weiterhin wird der Kostenaufwand bei dem
Wärmetauscher
gemäß der vorliegenden
Erfindung weiter dadurch reduziert, dass zur Halterung der Glasrohre
ein Kunststoffrohrboden verwendet wird, denn derartige Rohrböden sind
im Gegensatz zu anderen sonst üblichen
Varianten aus Edelstahl oder ähnlichen
Materialien deutlich kostengünstiger
herzustellen.
-
Ferner
sind Kunststoffrohrböden
besonders gut zur Befestigung der Glasrohre geeignet. Hierfür sind in
dem mindestens einen Rohrboden eine Vielzahl von Öffnungen
vorgesehen, deren Anzahl zweckmäßigerweise
mit der Anzahl der Rohre korrespondiert. Die Öffnungen sind zur Aufnahme
der Rohrendabschnitte der Rohre ausgebildet. Grundsätzlich kann
die Befestigung derart erfolgen, dass die Rohrendbereiche in die Öffnungen
gesteckt werden und die Rohrendbereiche an der auf der den Rohren
abgewandten Seite des mindestens einen Rohrbodens anliegenden Anschlagplatte
anliegen. Zur Abdichtung des Wärmetauschers
sind Dichtungsmittel zwischen Außenmantel der Glasrohre und
den Öffnungen
vorgesehen. Es ist aber auch eine Befestigung möglich, bei der die Glasrohre
in der Weise an dem mindestens einen Rohrboden gelagert sind, wobei
die Rohrenden nicht komplett durch die Öffnungen durchgesteckt sind
und an der Anschlagplatte anstoeßen, sondern innerhalb der Öffnung enden.
-
Bei
Bedarf können
auch bei dieser Befestigungsart Dichtungsmittel vorgesehen werden.
Auch eine Klebverbindung ist in diesem Fall auf Grund der physikalischen
Eigenschaften der verwendeten Materialien sehr einfach herzustellen.
-
Ein
weiterer Vorteil bei der Verwendung von Glasrohren liegt in der
besonders guten Widerstandsfähigkeit
von Glas gegen Säuren
und sonstige schädliche
Bestandteile im Kondensat des Abgases. Darüber hinaus weist Glas eine
vergleichsweise hohe Temperaturbeständigkeit auf. Dadurch können zum
einen Korrosionsschäden
an den Rohren sicher vermieden werden. Zum anderen erlaubt die hohe Temperaturbeständigkeit
die Kombination des erfindungsgemäßen Nachschaltwärmetauschers
mit allen gängigen
Heizkesselvarianten, wodurch der Wärmetauscher insbesondere auch
für Nachrüstungen von
bestehenden Heizanlagen geeignet ist.
-
Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher kann
grundsätzlich
sowohl als Gleichstrom-, Kreuzstrom oder Gegenstromwärmetauscher
ausgebildet sein. Bevorzugt arbeitet der Nachschaltwärmetauscher
nach dem Gegenstromprinzip, da dadurch der beste Wirkungsgrad erreicht
werden kann.
-
Zweckmäßigerweise
weist der erfindungsgemäße Nachschaltwärmetauscher
zwei Rohrböden auf,
wobei jeder Rohrboden jeweils ein Ende eines jeden Glasrohres aufnimmt.
Bei dieser Ausgestaltung sind die Rohre zweckmäßigerweise geradlinig ausgebildet.
Grundsätzlich
ist aber auch eine Ausgestaltung mit nur einem Rohrboden möglich, wobei dann
die einzelnen Rohre U-förmig
ausgebildet sind und der Rohrboden beide Enden eines jeden Rohres aufnimmt.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Grundsätzlich können zur
Ausbildung der Rohre alle gängigen
Silikatgläser
verwendet werden. Bevorzugt werden die Rohre aus Borosilikatglas
gebildet. Borosilikatglas vereint eine hohe Hitzebeständigkeit
mit einer hoher Beständigkeit
gegen chemische Angriffe. Insbesondere weist Borosilikatglas eine
gute Säurebeständigkeit
auf. Die langzeitige Gebrauchstemperatur liegt bei ca. 450°C. Ferner weist
Borosilikatglas eine im Vergleich mit anderen Glassorten gute Wärmeleitfähigkeit
auf.
-
Die
Dimensionierung der Glasrohre kann grundsätzlich beliebig vorgenommen
werden. Durch Vorgabe eines Rohraußendurchmessers von 18 mm bis
26 mm, bevorzugt 20 mm bis 24 mm, besonders bevorzugt 22 mm, und
einer Rohrwandstärke
von 1,2 mm bis 2,8 mm, bevorzugt 1,8 mm, kann ein Nachschaltwärmetauscher
geschaffen werden, der einen besonders guten Wirkungsgrad aufweist.
-
Bei
der Auswahl eines Kunststoffes zur Ausbildung des mindestens einen
Rohrbodens ist darauf zu achten, dass der Kunststoff eine zur Vermeidung von
korrosions- bzw. hitzebedingten Schäden hinreichende Säure- und Temperaturbeständigkeit
aufweist. Besonders gut geeignet ist Polyphenylensulfid mit hohem
Glasfaseranteil. Der genannte Kunststoff weist eine gute Säurebeständigkeit
und eine sehr hohe Festigkeit bzw. Steifigkeit aus. Auch ist der Wärmeausdehnungskoeffizient
fast identisch mit dem des Borosilikatglases.
-
Zur
Verbesserung der Befestigung der Glasrohre am mindestens einen Rohrboden
kann der mindestens eine Rohrboden aus wenigstens zwei verschiedenen
Schichten ausgebildet sein. Die Kunststoffe der einzelnen Schichten
weisen dabei unterschiedliche Materialhärten auf. Der Rohrboden ist
so auszubilden, dass die Anlagefläche der Glasrohre im Öffnungsbereich
von der weicheren Schicht gebildet wird. Durch die höhere Verformbarkeit
der weicheren Schicht wird der Sitz und die Abdichtung der einzelnen
Glasrohre verbessert. Die Vorsehung einer zweiten, harten Schicht
dient dazu, eine ausreichende Festigkeit bzw. Steifigkeit des mindestens
einen Rohrbodens zu gewährleisten.
Bevorzugt bildet die härtere
Schicht einen inneren Kunststoffkern, der mit dem weicheren Kunststoffmaterial
ummantelt wird. Dadurch kann diese Ausbildungsform auf einfache Weise
hergestellt werden, ohne dass sich Verbundschwierigkeiten zwischen
den einzelnen Schichten einstellen. Auch eine Abdichtung durch O-Ringe
ist unter Beachtung der geringen Kosten von Vorteil.
-
Der
Einbau der einzelnen Glasrohre in den Öffnungen des mindestens einen
Rohrbodens kann weiter dadurch verbessert werden, dass die Rohre konusförmige Endabschnitte
aufweisen und sich somit nach außen hin verjüngen. Hierdurch
wird das Einführen
der Rohre in die Öffnungen
des mindestens einen Rohrbodens erleichtert. Bevorzugt weist der
Konus in Bezug auf die Längsachse
der Glasrohre einen Winkel von 10° bis
20°, besonders
bevorzugt 15°,
auf.
-
Um
das Einführen
von O-Ringen in die Öffnungen
des mindestens einen Rohrbodens weiter zu erleichtern, sind bevorzugterweise
an der den Rohren abgewandten Seite des mindestens einen Rohrbodens
in den Öffnungen
Anlaufkonen vorgesehen. Es ist für
den Fachmann ersichtlich, dass sich die Konen zur Erfüllung ihres
angegebenen Zwecks von innen nach außen aufweiten müssen. Diese
Ausführungsform
ist auch besonders gut geeignet, wenn die Rohre durch Kleben befestigt
werden.
-
Bei
einigen Arten der Befestigung der Glasrohre am Rohrboden kann es
zweckmäßig sein,
einen Anschlag für
die Glasrohre am Rohrboden vorzusehen, um so immer einen optimalen
Sitz der Rohre in den Öffnungen
zu gewährleisten.
Hierfür
kann der mindestens eine Rohrboden auf seiner den Rohren abgewandten
Seite eine Anschlagplatte aufweisen, die als Anschlag für die Glasrohre
dient und die entsprechend kleinere Durchgangsöffnungen aufweist.
-
Um
die Montage und Wartung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zu vereinfachen, ist
es bevorzugt, diesen in Modulbauweise auszubilden. Insbesondere
können
der mindestens eine Rohrboden und das gesamte Rohrbündel als
Module ausgebildet sein, die dann auf einfache Weise miteinander
verbindbar sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass nicht jedes Rohr
einzeln in den Rohrboden eingeführt werden
muss. Zweckmäßigerweise
ist das Rohrbündelmodul
so ausgebildet, dass nach dem Einbau des Rohrbündels bei Bedarf einzelne Rohre
ausgewechselt werden können.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen schematisch:
-
1 eine
Seitenansicht eines Nachschaltwärmetauschers
mit Glasrohren, zwei Kunststoffrohrböden und Anschlagplatten;
-
2 eine
Seitenansicht eines einzelnen Glasrohres gemäß 1;
-
3a eine
Draufsicht auf einen Rohrboden;
-
3b eine
geschnittene Seitenansicht entlang des Schnittes A-A aus 3a;
-
4a eine
Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Rohrbodens; und
-
4b eine
geschnittene Seitenansicht entlang des Schnittes B-B aus 4a;
-
Bei
den nachfolgend dargestellten, verschiedenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung sind gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt
die Seitenansicht eines Nachschaltwärmetauschers 100 mit
einer Vielzahl von geradlinig verlaufenden, parallel zueinander
angeordneten Glasrohren 10 und zwei Rohrböden 11 aus Kunststoff,
in denen die Glasrohre 10 gelagert sind. Ein den Wärmetauscher 100 umgebendes
Gehäuse ist
nicht dargestellt. Die Rohrböden 11 begrenzen
jeweils einen Seitenbereich des Wärmetauschers 100 und
sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Rohrendabschnitte 12 der
Glasrohre 10 sind in Öffnungen
(siehe 3a, 3b, 4a und 4b)
der Rohrböden 11 in
der Weise eingeführt,
dass jeweils ein Endteil der durch die Öffnungen durchgeführten Rohrendabschnitte 12 an
der Außenseite
der Rohrböden 11 angebrachten
Anschlagplatte 18.
-
In 2 ist
ein einzelnes Glasrohr 10 in Seitenansicht dargestellt.
Beide Rohrendabschnitte 12 des Glasrohres 10 sind
konusförmig
in der Weise ausgebildet, dass sich die Rohrendabschnitte 12 nach
außen
hin verjüngen,
um den Einbau zu erleichtern.
-
3a zeigt
die Draufsicht auf einen Kunststoffrohrboden 11. Der Rohrboden 11 weist
eine im Wesentlichen rechteckige Grundform auf. Zwischen einer parallel
zur Außenkante
des Rohrbodens 11 verlaufenden, umlaufenden Nut 13 und
der Rohrbodenaußenkante
ist ein Rohrbodenrandbereich 14 vorgesehen. Innerhalb dieses
Randbereichs 14 sind mehrere, umlaufend und gleichmäßig verteilt
angeordnete Montagelöcher 15 vorgesehen,
mittels deren der Wärmetauscher 100 an
anderen Komponenten einer Heizanlage (hier nicht dargestellt) befestigt werden
kann. Die Nut 13 ist zur Aufnahme des Wärmetauschergehäuses (hier
nicht dargestellt) ausgebildet. Innerhalb der von der Nut 13 begrenzten
Fläche
des Rohrbodens 11 sind zweiunddreißig runde Öffnungen 16 gleicher
Größe vorgesehen,
die zur Aufnahme von Glasrohren vorgesehen sind. Die Öffnungen 16 sind
als Durchbrüche
durch den Rohrboden 1 ausgebildet. Sie sind in acht Reihen
und vier Spalten jeweils neben- und untereinander angeordnet. Die
Abstände
zwischen den einzelnen Öffnungen 16 sind
konstant.
-
3b zeigt
eine Schnittansicht entlang des Schnittes A-A aus 3a.
An dem der Außenseite des
Rohrbodens 11 (die Oberseite in der Darstellung aus 3b)
zugewandten Bereich der Öffnungen 16 sind
Anlaufkonen 17 ausgebildet. Die Konen 17 erstrecken
sich über
ca. ein Viertel der Dicke der Öffnungen 16 und
weiten sich nach außen
hin auf. An dem der Außenseite
des Rohrbodens 11 (die Oberseite in der Darstellung aus 3b)
zugewandten Bereich der Öffnungen 16 ist
jeweils eine Anschlagplatte 18 für Glasrohre mit gegenüber den Öffnungen 16 kleinen Öffnungen 20 angeordnet.
Der Bereich der Öffnungen 11 hinter
den Konen 17 weist einen erweiterten Durchmesser zur Aufnahme
eines O-Rings 19 auf. Die in die Öffnungen 16 eingeführten Glasrohre
schlagen an der Anschlagplatte 18 an, wodurch deren Endposition
vorgegeben wird. Entsprechend stehen bei der vorliegenden Ausführungsform
die Glasrohre im montierten Zustand nicht über die Öffnungen 16 hinweg,
sondern enden innerhalb der Öffnungen 16.
-
Die 4a zeigt
eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rohrbodens 11.
Im Gegensatz zum Rohrboden aus der 3a sind
bei dem hier gezeigten Rohrboden 11 insgesamt vierundzwanzig Öffnungen 16 vorgesehen,
die in acht Reihen und drei Spalten unter- und nebeneinander angeordnet
sind. Die restlichen Merkmale des Rohrbodens 11 entsprechen
denen des Rohrbodens aus der 3a.
-
In 4b ist
eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie B-B aus 4a dargestellt.
Prinzipiell entspricht die Darstellung derjenigen aus 3b, wobei
im Gegensatz zu der dort gezeigten Ausführungsform bei diesem Rohrboden 11 die Öffnungen 16 keine
O-Ringe aufweisen. Stattdessen weisen die Öffnungen 16 Konen 17 zur
Einbringung von Klebstoffmaterial auf. Somit können bei dieser Ausführungsform
Glasrohre in der Weise gelagert werden, dass sie komplett durch
in die Öffnungen 16 eingebracht
werden und zumindest ein Teil der Rohrendbereiche mit nicht dargestelltem
Klebstoffmaterial befestigt wird.
-
- 10.
- Glasrohr
- 11.
- Kunststoffrohrboden
- 12.
- Rohrendabschnitt
- 13.
- Nut
- 14.
- Rohrbodenrandbereich
- 15.
- Montageloch
- 16.
- Öffnung
- 17.
- Anlaufkonus
- 18.
- Anschlagplatte
- 19.
- O-Ring
- 20.
- Öffnung
- 100
- Nachschaltwärmetauscher