DE19518076A1 - Schornsteinsystem für einen Brennwertkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schornsteinsystem für einen Brennwert­ kessel, mit mindestens einem Abgasrohr und mindestens einem Luft­ rohr, die einander umgebend dergestalt angeordnet sind, daß die Außenwandung des einen Rohres eine Innenwandung des anderen Rohres bildet (Luft-Abgasschornstein).

Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Heizungssystemen entstehen hauptsächlich CO₂ und Wasserdampf. Der Energieinhalt des Brennstoffes wird üblicherweise durch den Heizwert angegeben, der sich aus der Enthalpiedifferenz der Produkte des Verbrennungspro­ zesses und den Eingangsenthalpien des Brennstoffes und der Zuge­ führten Verbrennungsluft ergibt. Der Brennwert eines Brennstoffes ist um die Kondensationsenthalpie des gasförmigen Wasserdampfes im Abgas höher als der Heizwert. Heizkessel, in denen die Kondensa­ tionsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes genutzt wird, werden als Brennwertkessel bezeichnet. Da als Bezugsgröße für die Errechnung eins Wirkungsgrades einer Heizungsanlage übli­ cherweise der Heizwert zugrunde gelegt wird, können Brennwertkes­ sel Wirkungsgrade < 100% erreichen.

Bei Heizungsanlagen, bei denen die Kondensationsenthalpie des gas­ förmigen Wasserdampfes genutzt werden soll, wird das Abgas durch einen Wärmetauscher geleitet, in dem der Wasserdampf auskonden­ siert und die Kondensationsenthalpie den Energieinhalt des umflie­ ßenden Heizmediums, im allgemeinen Wasser, erhöht.

Bei solchen Systemen stellt sich generell das Problem, daß die Rücklauftemperatur des Heizwassers unterhalb des Wasserdampftau­ punktes im Abgas liegen muß, um den Kondensationseffekt zu bewir­ ken. In gemäßigten Klimazonen liegt die Rücklauftemperatur des Heizwassers nur in der Übergangszeit, d. h. im Frühling und Herbst so niedrig, daß der im Abgas enthaltene Wasserdampf auskondensie­ ren kann. Im Winter hingegen, wenn der Energieverbrauch am größten und daher eine Wirkungsgradsteigerung am wünschenswertesten ist, muß zum Erreichen eines ausreichenden Heizeffekts die Temperatur des Heizwassers so hoch liegen, daß entsprechend auch die Rück­ lauftemperatur des Heizwassers vergleichsweise hoch und jedenfalls zu hoch ist, um den Wasserdampf zum Kondensieren zu bringen.

Da eine Absenkung der Rücklauftemperatur des Heizwassers aus nahe­ liegenden Gründen schwierig ist, hat es Versuche gegeben, den Was­ serdampftaupunkt zu erhöhen, indem der Partialdruck des Wasser­ dampfes im Abgas erhöht wurde. Hierzu sind sogenannte Wasserdampf­ pumpen entwickelt worden, wie sie beispielsweise aus der EP-OS 0 425 363 bekannt sind. Bei einer solchen Vorrichtung wird das gesammelte Kondensat mittels einer Pumpe zu einem Wärmetau­ scher gefördert, in dem das austretende Abgas die zugeführte Ver­ brennungsluft vorwärmt. Zusätzlich zu der Vorwärmung der Verbren­ nungsluft wird das gesammelte Kondensat in den Luftstrom einge­ spritzt, so daß der Partialdruck des Wasserdampfes in der Luft ansteigt und damit auch der Partialdruck des Wasserdampfes im aus dem Heizkessel austretenden Abgas. Auf diese Weise wird der Was­ serdampftaupunkt im Abgas nach oben verschoben, so daß ein Auskon­ densieren und damit eine Gewinnung der Kondensationsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes auch vergleichsweise hohen Tem­ peraturen des Brauchwassers bzw. Heizmediums ermöglicht wird. Es sind weiterhin Wärmetauscher bekannt geworden, bei denen die Wandung zwischen vorzuwärmender und zu befeuchtender Verbrennungs­ luft und abziehendem Rauchgas (Abgas) aus einem saugfähigen tech­ nischen Gewebe besteht. Bei diesen sogenannten porösen Wärmetau­ schern durchtränkt das aus dem Wasserdampf entstehende Kondenswas­ ser in den Rauchgasen das allein die Wandung bildende Gewebe, wan­ dert durch die Poren des Gewebes und wird in der Verbrennungsluft zu Wasserdampf. Da das Abgas nach Durchfließen des mit dem rück­ fließenden Heizwasser betriebenen Wärmetauschers nur noch geringe Wasserdampfmengen enthält, entstehen demgemäß nur geringe Kondens­ wassermengen, so daß insbesondere beim Hochfahren einer solchen Anlage nicht gewährleistet ist, daß das Gewebe, das allein die Wandung des Wärmetauschers bildet, insgesamt mit Kondenswasser ge­ tränkt ist. Dies ist für ein ordnungsgemäßes Funktionieren dieser Vorrichtung aber Voraussetzung, da anderenfalls wegen des Partial­ druckgefälles das in dem Verbrennungsabgasen enthaltene CO₂ in die zugeführte Verbrennungsluft drängt und andererseits Sauerstoff (O₂) aus der Verbrennungsluft ins Abgas drängt. Um sicherzugehen, daß die aus einem Gewebe bestehende Wandung des porösen Wärmetauschers gasdicht ist, ist es daher notwendig, wie bei der zuvor geschil­ derten Vorrichtung eine Kondensatpumpe zu installieren, die Kon­ densat in ausreichender Menge auf das Gewebe fördert.

Den bekannten Vorrichtungen, die die Verbrennungsluft mit aus dem Abgas gewonnenem Kondensat befeuchten, haftet daher der Nachteil an, daß sie eine störanfällige Kondensatpumpe und andere aufwendi­ ge konstruktive Maßnahmen erfordern, die ihren Einsatz in einfa­ chen Brennwertkesseln wegen der zu hohen Investitionssummen ver­ bieten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen kon­ struktiven Mitteln eine Befeuchtung der einem Brennwertkessel zu­ geführten Verbrennungsluft mit aus dem Abgas gewonnenen Kondensat zu ermöglichen. Ausgehend von einem gattungsgemäßen Schornsteinsy­ stem für einen Brennwertkessel, wie es bereits bekannt ist, be­ steht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß auf der Abgasseite der gemeinsamen Wandung Kondensatsammelbleche angeordnet sind, daß im Bereich eines jeden Kondensatsammelbleches zumindest eine die Abgasseite mit der Luftseite verbindende Bohrung angeordnet ist, und daß auf der Luftseite im Bereich der Bohrung eine Verteilvor­ richtung für das Kondensat angeordnet ist.

Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff "Blech" zur Be­ schreibung eines Bauteils verwendet, unabhängig davon, ob es aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist oder nicht. So können die erfindungsgemäßen Kondensatsammelbleche beispielsweise auch aus einem Kunststoff gefertigt sein. Insbesondere können sie auch einstückig mit der Wandung, auf der sie angeordnet sind, ausgebil­ det sein.

Durch die erfindungsgemäß auf der Abgasseite der gemeinsamen Wan­ dung vorgesehenen Kondensatsammelbleche wird das auf der Wandung abgeschiedene Kondensat, das aufgrund der Schwerkraft an der Wan­ dung herabläuft, gesammelt und durch die Bohrung auf die Luftseite des Schornsteinsystems geleitet. Da die Kondensatmengen, die auf diese Weise auf die Luftseite des Schornsteinsystems geleitet wer­ den, vergleichsweise klein sind, muß dafür gesorgt werden, daß sie auf der Luftseite der gemeinsamen Wandung zu einem möglichst groß­ flächigen Film verteilt werden, um ein Verdunsten in der vorbei­ streichenden, zu befeuchtenden und aufzuwärmenden Verbrennungsluft zu ermöglichen.

Hierzu ist eine Verteilvorrichtung vorgesehen, die im Bereich der jeweiligen Bohrung angeordnet ist. Dabei sind verschiedene ihrer­ seits erfinderische konstruktive Ausführungen der Verteilvorrich­ tung denkbar. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Verteilvorrichtung aus einem eine Kapillarwirkung auf­ weisenden Vlies oder Gewebe, mit dem die Wandung auf der Luftseite verkleidet ist. Die einzelnen hygroskopischen Fasern, aus denen das Vlies oder das Gewebe besteht, saugen das Kondensat gleichsam aus dem Mündungsbereich der in der Wandung vorgesehenen Bohrung ab und verteilen es auf eine große Fläche, so daß eine gute Verdun­ stung gewährleistet ist.

Eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilvor­ richtung sieht einzelne Leitbleche vor, die im Bereich der Mündung der jeweiligen Bohrung oder der Bohrungen angeordnet sind. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Leitbleche im Bereich der Bohrung schalenförmig ausgebildet sind. Bevorzugt weisen die schalenförmigen Leitbleche an ihrem oberen Umfangsrand Überfluß­ einschnitte auf, so daß durch die Bohrung fließendes Kondensat, das sich innerhalb der Schale verteilt, an verschiedenen Stellen des Umfangsrandes der Schale über den Rand hinausläuft und hier­ durch ein Verteileffekt erzeugt wird. Die durch die einzelnen Überflußeinschnitte herablaufenden Teilströme führen ebenfalls zu einer guten bis vollständigen Benetzung der luftseitigen Außenflä­ che der gemeinsamen Wandung zwischen Luftrohr und Abgasrohr, so daß eine gute Verdunstungswirkung sichergestellt wird.

Es ist auch eine Kombination der beiden Ausführungsformen denkbar. So kann bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform zur Unter­ stützung der Benetzung die luftseitige Oberfläche der gemeinsamen Wandung jeweils unterhalb der Leitbleche mit saugfähigem Vlies verkleidet sein.

Um die insgesamt zum Verdunsten zur Verfügung stehende Fläche so­ wie die Wärme-Übertrittsflächen innerhalb des Wärmetauschers zu vergrößern, kann insbesondere vorgesehen sein, mehrere parallel geschaltete Abgasrohre kleinen Durchmessers in einem gemeinsamen Luftrohr größeren Durchmessers anzuordnen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf in der Zeich­ nung dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Schornsteinsystem, bei dem die Verteilvorrichtung als saugfähiges Vlies ausge­ bildet ist, und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Schornsteinsystem, bei dem die Verteilvorrichtung durch schalenförmige Konden­ satleitbleche gebildet wird.

Das in Fig. 1 dargestellte Schornsteinsystem für einen Brennwert­ kessel besteht aus einem äußeren Luftrohr 10 mit kreisförmigen Querschnitt, in dem ein inneres Abgasrohr 20 mit ebenfalls kreis­ förmigen Querschnitt konzentrisch angeordnet ist. Die Wandung 22 des Abgasrohres 20 bildet gleichzeitig die innere Wandung des Luftrohres 10 und stellt somit eine gemeinsame Wandung sowohl des Luft- wie auch des Abgasrohres dar. Das aus einem nicht darge­ stellten Heizkessel stammende Rauch- oder Abgas durchströmt einen ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauscher, in dem es einen Groß­ teil seiner mitgeführten Kondensationsenthalpie an das Heizmedium abgibt. Das immer noch Wasserdampf enthaltene Abgas strömt sodann durch einen Zufuhrstutzen 24 in das Abgasrohr 20 und steigt nach oben zum nicht dargestellten Abzug auf. Das an der Wandung 22 vor­ beistreichende Abgas wird abgekühlt und die durch die Wandung 22 tretende Wärme heizt die in umgekehrter Richtung durch das Luft­ rohr 10 strömende Verbrennungsluft auf. Die Luft fließt durch ei­ nen Stutzen 26 ab und wird von dort zum Heizkessel geleitet.

Das aufsteigende Abgas wird an der Wandung 22 so weit abgekühlt, daß es dort zur Kondensation kommt und ein Kondensatfilm aufgrund der Schwerkraft an der Wandung 22 nach unten fließt. An der Wan­ dung 22 sind auf der Abgasseite im Abstand zueinander Kondensat­ sammelbleche 28 angeordnet, von denen in Fig. 1 lediglich ein einziges gezeigt ist. Das ringförmige Kondensatsammelblech 28 ist zur Wandung 22 hin in einem radial gelegten Schnitt mit einem kon­ kaven Querschnitt versehen, so daß ein ringförmiger Sammelraum 30 für das Kondensat 32 gebildet wird. Im Umfangsbereich des Konden­ satsammelbleches 28 sind in Richtung des Umfangs regelmäßig ver­ teilt in der Wandung 22 Bohrungen 34 angeordnet, durch die das angesammelte Kondensat 32 von der Abgasseite auf die Luftseite der Wandung fließen kann. Die Luftseite der Wandung 22 ist mit einem Vlies 36 verkleidet, das aus hygroskopischen Fasern besteht.

Die durch das Luftrohr 10 an dem Vlies 36 vorbeistreichende Ver­ brennungsluft verdunstet das großflächig verteilte Kondensat und wird so befeuchtet. Ohne eine Verteilvorrichtung in Form des Vlie­ ses 36 würde Kondensat, das durch eine Bohrung 34 auf die Luftsei­ te der Wandung 22 geflossen ist, in Form eines dünnen Rinnsals dem Einfluß der Schwerkraft folgend nach unten fließen. Da das Ver­ hältnis von Flüssigkeitsoberfläche zu Flüssigkeitsvolumen dann sehr ungünstig wäre, würde der angestrebte Effekt, die Luft zu befeuchten, nur sehr unvollständig erreicht.

Sowohl Luftrohr 10 wie auch Abgasrohr 20 sind an ihrem unteren Ende jeweils verschlossen und weisen je ein Siphonsystem 38 bzw. 40 auf, um überflüssiges Kondensat abzuleiten.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform der Verteilvor­ richtung gezeigt, bei der auf der Luftseite der gemeinsamen Wan­ dung 22 schalenförmige Kondensatleitbleche 42 angeordnet sind. Das Kondensat 32 fließt hier durch die ebenfalls in Umfangsrichtung gleichmäßig in der Wandung verteilten Bohrungen 34, worauf hin sich ein hydrostatisches Gleichgewicht einstellt, so daß der Pegel des Kondensats in den auf der Abgasseite der Wandung und auf der Luftseite der Wandung gebildeten ringförmigen Schalen gleichhoch steht (aufgrund von Druckunterschieden in Abgas und Luft kann es auch zu Pegeldifferenzen kommen). Der Pegel des Kondensats in der luftseitigen Schale 42 steigt an, bis Überlaufeinschnitte 44 er­ reicht werden, die im oberen Rand 46 der Schale bzw. des Konden­ satleitbleches 42 angeordnet sind. Wegen der Vielzahl von Über­ laufeinschnitten 44 wird eine Verteilung des Kondensats 32, 32′ bewirkt. Auch auf diese Weise wird sichergestellt, daß bei gegebe­ nem Kondensatvolumen eine möglichst große Oberfläche benetzt wird, so daß die vorbeistreichende Luft eine vollständige Verdunstung bewirkt und so ihrerseits befeuchtet wird.

Sowohl in Fig. 1 wie in Fig. 2 ist jeweils ein Abgasrohr 20 kon­ zentrisch in einem Luftrohr 10 angeordnet. Es ist jedoch ebenso denkbar, mehrere parallel geschaltete Abgasrohre 20 in einem ge­ meinsamen Luftrohr 10 größeren Durchmessers anzuordnen. Auf diese Weise wird die insgesamt zum Wärme- und Stofftransport zur Verfü­ gung stehende Fläche bei gleichen Strömungsquerschnitten für das abziehende Abgas vergrößert.

Bezugszeichenliste

10 Luftrohr
20 Abgasrohr
22 gemeinsame Wandung (von 10 und 20)
24 Abgasstutzen
26 Luftstutzen
28 Kondensatsammelblech
30 ringförmiger Sammelraum (für 32)
32, 32′ Kondensat
34 Bohrung
36 Vlies
38 Siphonsystem
40 Siphonsystem
42 Kondensatleitblech
44 Überlaufeinschnitt
46 oberer Rand (von 20)

Claims (15)

1. Schornsteinsystem für einen Brennwertkessel, mit mindestens einem Abgasrohr (20) und mindestens einem Luftrohr (10), die einander umgebend dergestalt angeordnet sind, daß die Außen­ wandung (22) des einen Rohres (20) eine Innenwandung (22) des anderen Rohres (10) bildet (Luft-Abgasschornstein), dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Abgasseite der gemeinsamen Wandung Kondensatsam­ melbleche (28) angeordnet sind,
daß im Bereich eines jeden Kondensatsammelbleches zumindest eine die Abgasseite mit der Luftseite verbindende Bohrung (34) angeordnet ist, und
daß auf der Luftseite im Bereich jeder Bohrung eine Verteil­ vorrichtung (36, 42) für das Kondensat angeordnet ist.

2. Schornsteinsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilvorrichtung aus einem eine Kapillarwirkung aufweisenden Vlies (36) oder Gewebe besteht, mit dem die Wan­ dung (22) auf der Luftseite verkleidet ist.

3. Schornsteinsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilvorrichtung für das Kondensat aus auf der Luftseite der Wandung (22) angeordneten Leitblechen (42) be­ steht.

4. Schornsteinsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (42) im Bereich der zugeordneten Bohrung (34) schalenförmig ausgebildet sind.

5. Schornsteinsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schalenförmigen Leitbleche (42) an einem oberen Rand (46) Überlaufeinschnitte (44) für das Kondensat aufweisen.

6. Schornsteinsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftrohr (10) das Abgasrohr (20) konzentrisch umgebend ausgebildet ist.

7. Schornsteinsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Luft- (10) und Abgasrohr (20) kreisförmige Querschnitte haben.

8. Schornsteinsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Abgasroh­ res (20) in der Höhe gestaffelt übereinander mehrere ringför­ mige Kondensatsammelbleche (28) angeordnet sind.

9. Schornsteinsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatsammelbleche (28) in einer Radialebene des Abgasrohres (20) einen zur Wandung (22) des Abgasrohres hin konkav geformten Querschnitt (30) aufweisen.

10. Schornsteinsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatsammelbleche (28) die geometrische Grundform eines Kegelabschnitts aufweisen.

11. Schornsteinsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich eines jeden Kondensatsammelbleches (28) mehrere zur Luftseite der Wandung (22) gerichtete Boh­ rungen (34) in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeord­ net sind.

12. Schornsteinsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Luftrohr (10) größeren Durchmessers mehrere parallel geschaltete Abgasrohre (20) kleineren Durchmessers angeordnet sind.

13. Schornsteinsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (20) an seinem un­ teren Ende verschlossen und mit einem Siphonsystem (40) zur Ableitung überschüssigen Kondensats verbunden ist.

14. Schornsteinsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftrohr (10) an seinem unte­ ren Ende verschlossen und mit einem Siphonsystem (38) zur Ableitung überschüssigen Kondensats verbunden ist.

15. Schornsteinsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatsammel­ bleche und/oder gegebenenfalls die Kondensatleitbleche ein­ stückig mit der Wandung, auf der sie angeordnet sind, ausge­ bildet sind.