DE102019003019A1

DE102019003019A1 - Abgasreinigungswärmetauscher

Info

Publication number: DE102019003019A1
Application number: DE102019003019.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Müller
Original assignee: Kos Kamin Ofen Schornsteinservice GmbH
Current assignee: Kos Kamin Ofen Schornsteinservice GmbH
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-10-29

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Abgasreinigung, bei der das verdichtete, zu reinigende Abgas durch ein Wasserbad geleitet wird, bei diesem Vorgang soll erfindungsgemäß möglichst viel Schmutz wie Ruß - und Staubpartikel im Wasser verbleiben.Dieser Vorgang findet in innerhalb der Abgasleitung (Abgasrohr) statt.Das Wasserbad wird zusätzlich permanent zum Wärmetauschen in einen Pufferspeicher umgewälzt, wobei die groben Schmutzpartikel schon vor dem Puffer ausgefiltert werden.Das Wärmetauschen zwecks Speicherung zur anderweitigen Nutzung ist der ökologische Grundgedanke dieser Erfindung.Das Abgas kann aus jeglicher Verbrennung stammen, Öfen, Kamine,Kaminöfen,Heizungsanlagen und auch Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor seien hier beispielhaft genannt.In Stufe zwei wird der nicht im Wasser gebundene Feinststaub oberhalb des Pufferspeichers durch entsprechende Feinstfilter abgeschieden. Der Staub kann dann entsorgt werden Falls es aus Kostengründen notwendig sein sollte, kann eine „ abgespeckte „ Variante der Erfindung angeboten werden, hierbei wir nur Abgaswärme abgegriffen, die Partikelabscheidung unterbleibt.Bei Fahrzeugen wird nach genau demselben Prinzip neben der Abgaswärme zusätzlich auch die Motorwärme gespeichert, dabei ersetzt der Pufferspeicher zumindest zeitweise den Luftkühler. Einziger Unterschied ist die Staubabscheidung bereits nach dem Wasserbad.Um dies bei Fahrzeugen umzusetzen, wird das Wasserbad und der Speicherbehälter mitgeführt, als besondere ökologische Variante sei das „ Abliefern des mit „ mobiler Wärme „ gefüllten Speicherbehälters in einen großen Saisonspeicher genannt, so kann die enorme Motor - und Abgaswärme eines KfZ als Wohnraumheizung nutzbar werden.Auch bei der KfZ - Variate kann die Partikelabscheidung unterbleiben, falls sich die als praxisuntauchlich erweisen sollte, die Wärmespeicherung als Grundidee bleibt aber erhalten.

Description

Das Heizen von Wohnraum belegt in puncto Energieverbrauch einen fragwürdigen ersten Platz. Zirka die Hälfte der gesamten in Deutschland erzeugten Energie wird für Wohnraumheizung im wahrsten Wortsinn verfeuert.
Wärme hat das weitaus größere Beschaffungsproblem als Strom.
Aufgrund dieser Tatsachen drängt sich die Hinterfragung der Art und Effizienz des Heizens, vor allem aber des ökologischen Fußabdruckes der jeweiligen Brennstoffe auf.
Es haben sich bei den „ Verbrennungsheizungen „ flüssige (Öl), gasförmige
(Erdgas, Flüssiggas) und feste Brennstoffe (Holz, Kohle, Pellets) etabliert.
Dabei unterscheidet man fossile (Gas, Öl, Kohle) und biogene Brennstoffe (Holz)
Eine Nischenrolle nehmen sog. Biogasanlagen ein, bei diesen werden Gärgase aus biogenen Stoffen mit Generatoren „verströmt „ deren Abwärmenutzung, z.B. als Fernwärme, wird Kraft - Wärme - Kopplung genannt.
Große Industriebetriebe oder Müllverbrennungsanlagen „veredeln“ ihre Energiebilanz auch mit dieser Technologie.
Fossile Brennstoffe tragen eine Hauptverantwortung für der CO_a - Anreicherung der Atmosphäre und somit für die Erderwärmung respektive Klimawandel.
Biogene Brennstoffe wie z. B. Holz oder Pellets sind CO_a - neutral, jedoch ist ihre Verbrennung sehr unvollkommen im Vergleich zu der nahezu stöchiometrischen Gasverbrennung.
Die beschriebene schlechte Verbrennungsqualität begründet auch die ebenso ungenügende Energieausnutzung bei der Verbrennung biogener Brennstoffe
Wirkungsgrade über 50 Prozent, wie teilweise kolportiert, werden nur unter wissenschaftlichen Voraussetzungen erreicht- will heißen, Methoden, Know How und Technik , die dem normale Betreiber nicht zur Verfügung stehen. Realistisch sind lediglich 50 Prozent.
Der Grund für diesen schlechten Wert ist in erster Linie die sehr kurze Verweildauer der Abgase im Ofen. Im altehrwürdigen Grundofen (Speicherofen) waren die extrem langen Rauchgaszüge der große Vorteil.
Die Erfindung leistet hier einen Beitrag zur deutlichen Verbesserung.
Einen starken Anstieg verzeichnen seit der Jahrtausendwende auch Wärmepumpen jeder Art (Luft, Erde, Sole) und Solarthermie, beides grüne Technologien, die jedoch als Antrieb - idealerweise grünen Strom aus Photovoltaikanlagen - benötigen.
Funken machen Feuer, und sicher auch , macht jedes Feuer dann noch Rauch !
Diese bekannte Weisheit des Volksmundes beschreibt schlicht und einfach die Problematik des Heizens auf Verbrennungsbasis.
Der Rauch, der bei Verbrennungen entsteht, ist es, der der Umwelt und dem Klima schadet und die Menschen krank macht, und da ist es speziell der Staub im Rauch, der ins Visier der Umweltschützer und der Ärzte geraten ist, vor allem die allerkleinsten dieser Schwebstoffe,die Feinstäube, sind lungengängig und deshalb besonders schädlich.
Da diese Partikel so unvorstellbar klein sind (< 0,1 µ), sind sie kaum zu fassen bzw. abzuscheiden.
Feinstäube entstehen bei der Verbrennung von biogenen und fossilen Brennstoffen.
Diverse Versuche, diesem Feinstaub Herr zu werden, schlugen mehr oder weniger fehl, zum einen wegen praxisferner Technik, hoher Kosten oder schlicht weil die Staubteilchen so unvorstellbar klein sind.
Den Erfolg beim Kampf gegen den Feinstaub kann man, Stand 2019, mit Fug und Recht als marginal bezeichnen
Weder das Waschen, beregnen, bedampfen, filtern oder ionisieren der Rauchgase konnte die Stäube fassen.
Speziell das Filtern, eine technisch einfache und praxisnahe Technik, hat ihre Tücken ganz banal in der unterschiedlichen Größe der Partikel im Rauchgas.
Die groben Filter behindern die feinen Filter und umgekehrt.
Automobile mit Verbrennungsmotoren zählen auch zu den Feinstaub - Emitenten.
Noch dazu haben diese mobilen Verbrennungsmotoren einen sehr viel schlechteren technischen Wirkungsgrad als die beschriebenen Kamine und Kaminöfen, gerade einmal ein Drittel der eingesetzten Energie treiben das Fahrzeug an, der Rest wird als Wärme (Motor und Abgas) nutzlos in die Umwelt entlassen.
Die Erfindung leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Gesamtsituation.
Die Erfindung bei Öfen, Kaminen, Stückholzkesseln und Kaminöfen
Die Erfindung beschreibt ein zweistufiges Herangehen an das Problem.
Der Grund für die zwei Stufen ist die Tatsache, grobe Schmutzpartikel verstopfen oder verkleben die Feinfilter, deshalb ist es zwingend erforderlich, zuerst den Ruß und die groben Partikel abzuscheiden, danach in der zweiten Stufe die Feinststäube über einen sog. Kaskadenfilter (Staffelung von Grob nach Fein)
Beide Stufen werden hier nacheinander erklärt, finden in der Praxis jedoch gleichzeitig und immerwiederkehrend statt, praktisch ein Kreislauf.
Die erste Stufe beschreibt ein Waschen der Abgase, wobei diese nicht mit Wassernebel, Dampf o.ä. beauftragt werden, sondern durch ein Wasserbad gedrückt werden.
Der Druck wird erzeugt von einem Gebläse, Ventilator,Kompressor oder einen elektrisch angetriebener Abgasturbolader.
Der Übergang des verdichteten Abgases ins Wasser wird über eine Düse realisiert (bekanntes Beispiel ist ein Whirlpool).
Der sog. Zug des Feuers wird durch die Verichtung / Beschleunigung sichergestellt
Der Druck muß höher als der statische Wasserdruck (100 mbar/m) plus Düsenwiderstand.
Sämtliche Schadstoffe befinden sich dann erfindungsgemäß im Wasser
Wenn außer den Schwebstoffen (Ruß, Staub ) noch andere Schadstoffe (z. b. Stickoxide, CO_a) gebunden werden sollen, können dem Wasser auch chemische Zusätze beigemischt werden (z.B. Kalk)
Der von den Verdichtern verbrauchte Strom wird durch die deutlich höhere Wärmeausbeute aufgrund den direkten molekularen Wärmeübergang auf das Wasser nahezu kopensiert.
Das bei diesem Prozess erwärmte Wasserbad wird permanent zur Wärmespeicherung in einen Pufferspeicher umgewälzt.
Die im Wasser schwimmenden Partikel können bereits in der Vorlaufleitung zum Pufferspeicher gefiltert werden, der Vorteil wäre die einfache Zugänglichkeit zu den Filtern.
Der Pufferspeicherdeckel ist leicht nach oben gewölbt ausgeführt.
In dieser flachen Kuppel sammeln sich sämtliche noch vorhandenen Schwebstoffe (Feinststäube)
und werden durch ein Saugfilterrohr, betrieben durch einen entsprechenden Reinraum - Staubsauger, abgesaugt und gleichzeitig gefiltert. Im Saugfilterrohr sind Filtermembrane mit Porengrößen im Nanobereich, als Kaskade angeordnet
(1 nm = 1 Milliardstel mm) -
Die Filter sind problemlos einfach zu entnehmen und zu reinigen, dies wird durch Filterkartuschen o.ä. Sichergestellt.
Die Auswurfseite des Saugers ist die einzige Öffnung aus dem dichten System und gleichzeitig der Druckausgleich. Die ausgeworfene Luft sollte nun staubfrei sein und wird ins Freie geleitet. Ein Schornstein nach dem Abgasreinigungswärmetauscher ist dann nicht mehr notwendig.
Die Standzeiten der Nanofilter werden durch die Trennung von Grob - und Feinfilterung deutlich verlängert.
In dem Saugrohr befinden sich außer den Filtern noch Kontrollöffnungen fürMeßinstrumente
Der gesamte Kreislauf ist ein hermetisch abgeschlossener, dichter Raum, aus dem absolut kein Partikel entweichen kann.
Dies ist das wichtigste konstruktive Detail der Erfindung.
Ein weiterer, entscheidenter Unterschied der Erfindung zu anderen Methoden der Partikelabscheidung ist die Trennung der beiden Reinigungsstufen - Waschen und Filtern da die Praxis gezeigt hat, daß ein einfacher Reinigungsvorgang nicht ausreicht.
Anmerkung
Wenn aus Kostengründen auf die Partikelabscheidung verzichtet wird, dem Abgas also nur die Wärme entzogen werden soll, wird es nicht verdichtet.
Wärmetauscher ist dann ein spezielles, von Wasser umspültes Hochleistungsrauchrohr mit extra großer äusserer Oberfläche (Bienenwabenstruktur)
Dieses doppelwandige System ist dann Teil eines marktüblichen doppelwandigen Edelstahlschornsteines, der den abgekühlten Rauch dann, falls kein bestehender Schornstein vorhanden ist - nach oben ins Freie führt.
Anmerkung Ende
Die Erfindung in Kraftfahrzeugen
Die Erfindung kann prinzipiell auch in Kraftfahrzeugen genutzt werden, um die sehr hohe Abgas- und Motorabwärmeenergien zu speichern und gleichzeitig die Feinstäube zu binden.
Es wird sich voraussichtlich aus konstruktiven und vor allem aus Platzgründen auf LkW's reduzieren, die Anwendungsmöglichkeit bei PKW's soll aber erwähnt werden.
Es sind konstruktiv zwei verschiedene Kreisläufe nötig, für den Abgasstrang zum einen sowie für den Motorkühlungsstrang zum anderen
Der (mobile) Pufferspeicher (ca. 1000 Liter) befindet sich unter der Ladefläche
Um die Akzeptanz bei den Speditionen zu verbessern, sollte das zulässsige Gesamtgewicht der teilnehmenden Fahrzeuge um das Speichergewicht aufgelastet werden.
Motor
Der Motor wird nicht wie üblich von einem Luftkühler gekühlt, sondern durch das permanente Tauschen der Kühlflüssigkeit in den mitgeführten (mobilen) Pufferspeicher über eine Wendel (Tauscherspirale)
Der Fahrtwind kommt erst dann wieder zum Einsatz, wenn die Rücklauftemperatur zum Motor einen Grenzwert übersteigt. Dann schaltet ein Thermostatventil zurück zum Luftkühler
Abgas
Das Abgas mit seinen sehr hohen Temperaturen (400 °C) wird nach dem Katalysator, mit einem Rohrbogen hinter dem Führerhaus ein kurzes Stück senkrecht nach oben geleitet.
Auf dieses Rohr wird dann der ebenfalls rohrförmige Wasserbadbehälter gesetzt, mit deutlich größerem Durchmesser als das Rohr selbst zugunsten einer größeren Wassermenge.
Auch diesem Wasserbad können neben einem Frostschutzmittel weitere chemische Zusätze beigemischt werden (z. B. das bekannte AdBlue®)
Ein Verdichter ist hier nicht notwendig - es steht ein genügend hoherAbgasdruck zur Verfügung (bei einem LkW ca. 0,15 bar = 150 mbar)
Dies entspricht einer Wassersäule von gut einem Meter plus Düsenwiderstand
Die Absaugung und Filterung der Stäube findet bei der KfZ - Version der Erfindung aus praktischen Gründen nicht oberhalb des Puffers, sondern bereits oberhalb des Wasserbades statt, ebenfalls mit einem Filtersaugrohr.
Das Wasserbad selbst wird permanent in den bereits erwähnten mobilen Pufferspeicher „ umgewälzt „
Ist die Wärmekapazitätssobergrenze des Pufferspeichers erreicht, wird das Abgas bis zur durch einen Bypass an dem Wasserbad vorbei ins Freie geleitet.
Die gepufferte „ mobile Wärme „ kann soll in einen stationären, öffentlichen oder privaten großen Speicher, (Saisonspeicher, sieh unten), getauscht werden (Puffertauschung)
Der Tauschvorgang sollte nur wenige Minuten dauern, entsprechend werden Schläuche, Verbindungen und Pumpen ausgelegt.
Sehr große Pufferspeicher, die heute schon eingesetzt werden, um solarthermische Erträge eines kompletten Sommers für den kommenden Winter zu speichern, nennt man Saisonspeicher oder Megaspeicher (300.000 Liter und mehr)
Saisonspeicher für Privathäuser - ab 10.000 bis 15.000 Liter - sprengen jedoch meist das Budget der Bauherrenschaft.
Durch Kaskadenspeicher (z. B. 5 × 40.000 Liter anstatt 1 × 200.000 Liter) mit entsprechender PCM - Stufen - Ausstattung (Latentspeicher, s.u.) bieten sich weitere, neue Technologien an, die in der Zukunft sicher eine Rolle spielen werden.
Wenn in dieser Erfindung von Pufferspeicher die Rede ist, ist jederzeit auch die mögliche Ausbildung als Latentspeicher gemeint, die Wahl zwischen Sensibel - oder Latentspeicher hängt von vielen theoretischen Faktoren ab, hauptsächlich aber von Verwendungszweck und Verwendungstemperatur des erwärmten Wassers (Entnahmefenster)
Eine Patentantrag für Latentspeicher wurde vom Erfinder schon zu einem früheren Zeitpunkt eingereicht.
Für die hier beschriebene KfZ - Variante der Erfindung wäre ein Saisonspeicher denkbar, wenn entsprechend viele Fahrzeuge / Speditionen / Nutzer daran teilnehmen.
Die Beheizung großer Industriehallen, Schulen oder auch Krankenhäuser , evtl. auch ganzer Siedlungen wäre ein denkbarer und praktikabler Einsatzbereich.
Anmerkung
Sollte sich die Partikelabscheidung bei KfZ als nicht praktikabel herausstellen,würde die Wärmespeicherung jedoch beibehalten. Hierzu würde dann das Abgas und die Motorkühlflüssigkeit durch spezielle Rohre (zehnfach vergrößerte Oberfläche) unter der Ladefläche durch den Pufferspeicher geführt.
Der Pufferspeicher (z.B. 1000 Liter) ist dann erfindungsgemäß gleichzeitig Wärmetauscher und Pufferspeicher

Claims

Abgasreinigungsanlage, bei der Abgas jeder Art (z.B von Öfen, Heizkesseln oder Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor) durch ein Wasserbad geführt wird und die nach diesem Wasserbad verbleibende Luft anschließend durch Feinstfilter vom Feinstaub endgereinigt wird. Die Anlage ist konstruktionsbedingt gleichzeitig auch ein Abgaswärmetauscher.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, bei der ein beliebiger Abgasstrom durch einen Ventilator, Verdichter,Kompressor oder elektrisch angetriebenen Abgasturbolator (nachfolgend Verdichter genannt) durch nachgeschaltete Düsen in ein darüber liegendes Wasserbad geleitet wird, um Ruß - und Staubpartikel zu binden. Der Verdichter erzeugt hierfür Druck > stat. Wasserdruck des Wasserbades plus Düsenwiderstand.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei das Wasserbad permanent in einen Pufferspeicher umgewälzt wird, um den darin durch das Rauchgas getauschten Wärmeinhalt zu speichern Die Umwälzung erfolgt durch eine marktübliche Heizungsumwälzpumpe oder durch eine Membranpumpe.Im Vorlauf wird das Wasser von groben Schmutz durch Filter gereinigt. Der Pufferspeicher ist bei technischem Bedarf mit sog. PCMs ausgestattet, die die Speicherung einer weitaus größeren Wärmemenge im Speicher als normale senible Speicher ermöglichen, dreifache Mengen sind möglich
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei an der gewölbten Pufferspeicherdecke ein flaschenhalsförmiges, senkrechtes Rohr angebaut ist, durch das die vorgewaschenen Abgase durch Nanobereich - Feinstfilter gesaugt und somit der Feinststaub abgeschieden und die gereinigte Restluft abgeleitet werden kann
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei eine kostengünstigere Variante lediglich die Abgaswärme in den Pufferspeicher tauscht, realisiert wird dies durch eine doppelwandige Konstruktion, die Partikelabscheidung entfällt bei dieser Variante
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei das gleiche Prinzip (zwei Reinigungsstufen, erst waschen, dann filtern ) - auf Größe und Abgasmassenenstrom eines Kraftfahrzeuges (Pkw und Lkw) ausgelegt wird, wobei das Wasserbad und Pufferbehälter vom Fahrzeug mitgeführt werden. Der Abgasstrang (Auspuff) wird hierfür sofort nach dem Motorblock senkrecht nach oben gezogen und das Wasserbad aufgesetzt, Feinstfilterung sofort oberhalb des Wasserbades. Permanente Umwälzung des Bades zur Wärmespeicherung in mitgeführten Speicherbehälter
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei nicht nur das Abgas eines KfZ gereinigt und dessen Wärme gespeichert wird, sondern auch die Abwärme des Motors im selben Pufferspeicher gespeichert wird, die nach Stand der Technik über den Kühler nutzlos an die Umwelt abgegeben wird. Die Erfindung bewirkt dies durch einen „ Umweg „ der Kühlflüssigkeit über eine Wärmetauscherwendel im mitgeführten Pufferspeicher, durch den Wärmetausch in den Puffer wird die Kühlflüssigkeit abgekühlt und die Motorkühlung sichergestellt. Bei Erreichen einer Höchsttemperatur im Pufferbehälter kann wieder durch Thermostatventile auf den Luftkühler zurückgeschaltet werden.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei der so erwärmte , unter dem Laderaum befindliche Pufferinhalt in einen großen stationären Speicher (Saisonspeicher)getauscht wird. Der Speicher steht idealerweise in der Nähe einer Siedlung oder eines großen Gebäudes wie Krankenhaus, Industriehalle o.ä. Die teilnehmenden Fahrzeuge sollen idealerweise regional in der Nähe des Saisonspeichers tätig sein (Nahverkehr, Supermarktbeschicker, Baumarkt LkW, Baustellenfahrzeuge o.ä. Dort soll die Wärme wie Fernwärme zum Heizen genutzt werden.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1,wobei auf das Partikelfiltern z.B. aus Kostengründen verzichtet wird, die Speicherung der Abgaswärme und der Motorabwärme jedoch weiter praktiziert wird, hierbei werden beide Wärmeträger (Motorkühlflüssigkeit und Abgas) in den unter der Ladefläche befindlichen Pufferspeicher getauscht. Die geschieht über spezielle Wärmetauscher-Rohrleitungen bzw. Rohrspirale / Rohrbündel -je eine für das Abgas und einen für die Kühlflüssigkeit des Motors - mit für diesen Zweck extrem vergrößerten Oberflächen (bildlich Bienenwabenstruktur)