DE19714760A1

DE19714760A1 - Abgaswandler

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Publication number: DE19714760A1
Application number: DE19714760A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Rer Nat Luther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: DE19714760C2

Description

1. Problemstellung und Stand der Technik Zielvorgabe

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu Heizzwecken ist ohne die vollständige Ausnutzung des im Brenn stoff enthaltenen Brennwertes eigentlich nicht mehr zu vertreten. Dies gilt in besonderem Maße für das Hei zen mit Erdgas, bei dem bei herkömmlichen Anlagen zusätzlich zu der noch beträchtlichen fühlbaren Wärme ein hoher (ca. 11%) Anteil der eingesetzten Energie als Kondensationswärme ungenutzt mit dem Abgas aus dem Schornstein ausgetragen wird. Leider können insbesondere bei kleineren Anlagen die bisherigen techni schen Ansätze wie Brennwertkessel und nachgeschalteter Kondensationswärmetauscher wirtschaftlich noch nicht überzeugen; außerdem ist der Ausnutzungsgrad der Brennwertnutzung in den meisten Fällen noch zu gering. Ein kostentreibender Faktor besteht auch darin, daß bei einer Umrüstung auf Brennwertnutzung meist auch die Abgasanlage erneuert werden muß, um den Anforderungen, die sich aus niedrigen Temperaturen und Restfeuchte ergeben, standzuhalten.

Auch bei fortschrittlichen lokalen Heiztechniken wie motorgetriebenen Gaswärmepumpen, Heizungen unter Kraft-Wärmekopplung mit Motoren ("Kraftheizung") oder Brennstoffzellen stellt sich die Aufgabe, das wasser dampfhaltige Abgas von seiner Feuchtigkeit zu befreien und die Kondensationsenergie für die niedertempera turige Heizungsanwendung nutzbar zu erschließen.

Die im folgenden dargestellte Erfindung gibt ein Verfahren zur "Abgaswandlung" an und beschreibt die dazu gehörigen Einzelkomponenten. Der Abgaswandler (AGW) ermöglicht die kostengünstige und weitgehende Ausnutzung der fühlbaren Wärme und der Kondensationswärme feuchtehaltiger Abgase. Der technische Fortschritt im Vergleich zum handelsüblichen Brennwertkessel besteht darin, daß

- keine zusätzlichen Anforderungen an herkömmliche Kamine zu stellen sind
- die niedrigste ausnutzbare Kondensationstemperatur nicht auf die Temperatur des Heizungsrücklaufwas sers beschränkt ist
- die bestehende Kesselanlage nur ergänzt nicht aber ersetzt wird. Dies gilt in der Regel auch dann, wenn die bisherige Feuerungsanlage nicht mehr den Anforderungen der l. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes (1. BlmSchV), der sogenannten "Kleinfeuerungsanlagen- Verordnung", entspricht.

Herkömmliche Probleme mit dem Abgas

In der Praxis verursachen Temperatur und Feuchte des Abgases einer Feuerungsanlage gegenwärtig in drei Bereichen Probleme:

1. Aufgrund der Kleinfeuerungsanlagenverordnung (1. BlmSchV) werden unsinnige aber eben gesetzlich festgeschriebene Anforderungen an den Bruttoabgasverlust /1/ gestellt, also an den (fühlbaren) Wärmein halt des Abgases am Ausgang des Kessels, der in einer physikalisch nicht korrekten Sprechweise oft be reits als relevanter "Abgasverlust" der Feuerungsanlage bezeichnet wird. Diese Vorgaben für den Brutto abgasverlust haben dazu geführt, daß in vielen Fällen die Abgastemperatur des Kessels zu niedrig ein gestellt wird, so daß der Wärmeinhalt des Abgases nicht mehr ausreicht, das Abgas ohne Kondensation durch den Kamin zu führen. Versottung und "Kaminsterben" sind die wohlbekannten Folgen.
2. Bei Brennwertgeräten ist man bestrebt, einen möglich hohen Anteil der Kondensationswärme aus dem Abgas herauszuholen. Dies gelingt allerdings wegen der Höhe der Rücklauftemperatur des Heizungswas sers nur beschränkt. Dennoch muß wegen Verletzung der Temperaturbedingung der DIN 4705 /2/ mit ei ner Restkondensation im Kamin und entsprechenden Schäden gerechnet werden und daher der Kamin feuchtigkeitsunempfindlich ausgeführt werden.
3. Weiterhin ist bei Brennwertgeräten die Abgastemperatur oft zu niedrig, um im Kamin durchweg Unter druck zu erzeugen ( Druckbedingung der DIN 4705), so daß auch besondere Anforderungen an die Dich tigkeit der Abgasanlage zu stellen sind.

Herkömmliche Techniken

Um die o.g. Schwierigkeiten zu überwinden, werden nach dem Stand der Technik folgende Möglichkeiten angeboten:

A. Im Falle des Brennwertkessels wird in vielen Fällen ein vorhandener Kamin durch Einbau eines feuch teunempfindlichen Innenrohres "saniert" und der durch die niedrige Mitteltemperatur des Kamins verloren gegangene Auftrieb durch einen zusätzlichen Abgasventilator künstlich ersetzt. Entsteht hierdurch im Kamin ein Überdruck so werden besondere Anforderungen an seine Dichtheit gestellt.

B. Bei durch die 1. BlmSchV provozierten oder drohenden Kaminschäden wird als einfachste Abhilfemaß nahme dem Abgas hinter dem Kessel direkt Fremdluft beigemischt, die folgendes bewirkt:

1. Durch die Verdünnung des Abgases wird der Taupunkt abgesenkt, allerdings bleibt er meist noch erheb lich über der Raumtemperatur.
2. Die Fremdluft bewirkt eine Abkühlung des Abgasgemisches, so daß der meist als Gewinn zu wertende Wärmeübergang von dem Abgas an die Schornsteinwand und damit in das Haus verringert wird. Hier durch und wegen der größeren Abgasmasse fällt die Temperatur des Abgases über die Länge des Schornsteines hinweg weniger ab und bleibt in vielen Fällen noch am Schornsteinende ausreichend hoch, um eine Kondensation zu verhindern oder doch zumindest stark zu vermindern.
3. Durch die Fremdbelüftung während der Stillstandsphasen des Brenners wird der Kamin "getrocknet".
4. In der Regel wird jedoch beim Einbau der Abgasklappe übersehen, daß mit der aus dem Kellerbereich abgesaugten Fremdluft dem zu beheizenden Objekt Wärme entzogen wird, da auch die Kellerluft bereits gegenüber der Außenluft vom System direkt und indirekt erwärmt wurde. Bei starker Verdünnung des Ab gases sind diese "Lüftungsverluste" keineswegs mehr zu vernachlässigen /1/.

Auch bei bestehenden Anlagen kann ein Kessel nachträglich durch das Zuschalten eines Abgaswärmenut zers mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden. Hierbei unterscheidet man zwischen Abgaswärmenut zern, die oberhalb der Kondensation betrieben werden und daher kostengünstig aus Normalstahl herzustel len sind und Abgaswärmenutzern aus Edelstahl, die bis in den Taupunktbereich abgesenkt werden können. Für beide Typen stellt sich das Problem, den Kamin trotz des geringeren Inhaltes an fühlbarer Wärme des Abgases sicher bzgl. Druck- und Temperaturbedingungen (vgl. DIN 4705/2/) zu betreiben. Meist wird jedoch (insbesondere bei kleineren Anlagen) beim Übergang zu einer Brennwertnutzung die gesamte Feuerungsan lage, also Brenner, Kessel und Abgasanlage ersetzt. Durch diese hohe Investition ist eine hohe Hürde für die energiepolitisch erwünschte breite Einführung einer weitgehenden Brennwertnutzung gegeben.

Die im folgenden beschriebene Erfindung zeigt einen Weg auf, den Feuchtegehalt und daraus folgend den auf den Brennwert bezogenen Nettoabgasverlust (/1/), - also den fühlbaren und latenten Wärmeinhalt des Abgases beim Verlassen des zu beheizenden Bereiches des Hauses -, durch technische Mittel so zu beein flussen, daß sich minimale Verluste unter Bewahrung der Ableitbedingungen für den Kamin (Druck- und Temperaturbedingung nach DIN 4705/2/) ergeben. Dadurch wird eine kostengünstige Nachrüstung beste hender Feuerungsanlagen auf Kondensationsbetrieb und äußerst niedrigen Nettoabgasverlust ermöglicht und eine relevante Energieeinsparung erzielt.

2. Beschreibung 2.1 Grundüberlegung

Die vorstehende Erfindung beruht zunächst auf drei physikalischen Überlegungen:

- (1) Zusätzlich zur üblichen Ausnutzung eines Teiles der Kondensationswärme in einem mit Heizungsrück laufwasser gekühlten Wasser- Abgas- Wärmeübertrager (im folgenden Wasser-Kondensationskühler (WKK) genannt) kann eine weitergehende Temperaturabsenkung des Rohabgases in einem Luft- Abgas Wärmeübertrager (im folgenden Luft-Kondensationskühler (LKK) genannt) erfolgen. Kellerluft oder direkt von außen zugeführte Frischluft besitzen als Kühlmittel eine genügend tiefe Temperatur, so daß der Was sergehalt des ursprünglichen "Kesselabgases" weitgehender auskondensiert werden kann.
- (2) Durch die Verdünnung des vorher entfeuchteten Abgases mit Fremdluft wird der Taupunkt des ver mischten Abgases (im folgenden "Kaminabgas" genannt) weiter abgesenkt und kann sogar unter Raum temperatur gedrückt werden. Die Energie zur Vorerwärmung des Kaminabgases und gegebenenfalls von zusätzlicher überschüssiger Zuluft kann aus der niedertemperaturigen Kondensationswärme des ankom menden "Kesselabgases" gedeckt werden.
- (3) Durch Wärmetausch des bereits vorgewärmten Kaminabgases mit dem direkt aus dem Kessel kom menden heißen "Kesselabgas" in einem Abgas- Abgas Wärmetauscher (im folgenden "Heißgaskühler" (HGK) genannt) kann das Kaminabgas so weit erwärmt werden, daß die Temperatur- und die Druckbe dingung im Kamin eingehalten werden. Der Fremdluftanteil und die im HGK erreichte Temperatur des Kaminabgases können eingestellt und im Hinblick auf niedrigste Wärmeverluste des Abgases optimiert werden. Hierbei muß natürlich berücksichtigt werden, daß die unten in den Kamin eintretende Bruttoab gaswärme zu einem großen Teil über den Kamin wieder zurückgewonnen wird und nur der Nelloabgas verlust /1/ wirklich verloren ist.

Diese Grundüberlegungen werden im Abgaswandler, der schematisch in Bild 1 und in einer Konstrukti onsübersicht in Bild 2 dargestellt ist, verwirklicht: Das direkt vom Kessel kommende Kesselabgas 1 wird in der ersten Funktionseinheit, dem Heißgaskühler (HGK), durch Heizungswasser (Vor- oder Rücklauf) 2 und das im Gegenstrom zurückfließende Kaminabgas 8 soweit heruntergekühlt, daß die zweite Funktionseinheit, der Wasserkondensationskühler (WKK), der die Kondensationswärme des Abgases auf den Heizungsrück lauf 3 überträgt, vollständig aus preiswertem Kunststoff gefertigt werden kann. In der abschließenden Funkti onseinheit, dem Luftkondensationskühler (LKK), wird das Kesselabgas 1 durch Umgebungsluft (4 und 5), und zwar in optimierter Menge mit Fremdluft 5 und zu guter letzt mit Umluft 4, noch tiefer abgekühlt und da durch weitgehend entfeuchtet; das Kondensat wird über den Siphon (7 in Bild l) abgezogen. Der Wärme übertrag auf die Fremdluft 5 wird konstruktiv auf einen hohen Temperaturübertrag optimiert. Am Ende des LKK wird das Kesselabgas 1 im Gegenstrom zurückgeführt (9 in Bild 2) und anschließend mit der vorge wärmten Fremdluft 5 durch den Ventilator 6 zum Kaminabgas 8 vermischt. Dieses wird im Gegenstrom weiter erwärmt und tritt in den Kamin (9 in Bild 2) mit einem Massestrom und einer Temperatur ein, die sowohl die Temperatur- als auch die Druckbedingung nach DIN 4705 erfüllen. Insgesamt könnte man den Abgaswandler als ein Gerät charakterisieren, das heißes und feuchtes Kesselabgas unter Wärmerückgewinn in lauwar mes und trockenes Kaminabgas transformiert.

Aus technisch- wirtschaftlicher Sicht ist anzustreben, die einzelnen Schritte der Abgaswandlung räumlich so aufzutrennen, daß preisgünstige und für die jeweilig örtlichen Anforderungen an Temperatur-, Wasser- und Säurebeständigkeit angepaßte Massenwerkstoffe eingesetzt werden können. Das bedeutet, daß der in ver gleichbaren Anlagen eingesetzte Edelstahl in Teilbereichen durch einfaches Stahlblech und in anderen Be reichen durch Kunststoffe ersetzt wird; weiterhin sollen bestehende Feuerungsanlagen nur ergänzt werden und nicht ersetzt werden müssen.

2.2 Die Funktionseinheiten des Abgaswandlers

Der erfindungsgemäße Abgaswandler (AGW) besteht also aus drei Komponenten (Bild 2):

1. dem Heißgaskühler (HGK), der einerseits das heiße Kesselabgas 1 abkühlt und andererseits das ent feuchtete und gezielt mit Fremdluft 5 vermischte vorgewärmte "Kaminabgas" 8 mindestens soweit wieder aufheizt, daß die Temperatur- und vor allem die Druckbedingung eines herkömmlichen Kamins 9 nach DIN 4705 sicher erfüllt werden. Überschüssige Wärme wird an das Heizungswasser 2 (Rücklauf oder Vorlauf) abgegeben.
2. dem Wasser-Kondensationskühler (WKK), der das Potential der auf den Heizungsrücklauf 3 übertrag baren Kondensationswärme ausnutzt.
3. dem Luft-Kondensationskühler (LKK), der den niedertemperaturigen Anteil der Kondensationswärme des Abgases 1 noch als fühlbare Wärme auf Fremdluft 5, Umluft 4 und über das Rückleitungsrohr 10 auf das zurückgeführte Abgas überträgt.

Die Aufteilung der Wärmeausnutzung des Abgases auf drei Einzelkomponenten ermöglicht es, die Werkstof fe nach den jeweils unterschiedlichen physikalisch chemischen Randbedingungen auszuwählen:

1. Der Heißgaskühler (HGK) erfordert temperaturbeständige Werkstoffe, die jedoch nicht korrosionsfest sein müssen, da konstruktiv verhindert werden kann, daß abgasseitig Wandtemperaturen unterhalb des Tau punktes auftreten. Es kann daher unveredeltes Stahlblech, wie es als Abgasrohr (Ofenrohr) bereits in ge eigneter Konfektionierung handelsüblich verfügbar ist, eingesetzt werden.
2. Der nachfolgende Wasser-Kondensationskühler (WKK) erfordert zwar korrosionsfeste Werkstoffe, die jedoch wegen der vorherigen Abkühlung im HGK nicht mehr temperaturfest sein müssen. Er kann daher im Gegensatz zu vergleichbaren Funktionseinheiten in herkömmlichen Brennwertkessel aus preiswerten Kunststoffen gebaut werden. Für die das Rücklaufwasser der Heizung führenden Kühlrohre, die druckfest und sauerstoffdicht sein müssen, können außer natürlich Edelstahlrohren auch Heizungsrohre aus Kunststoffen (z. B. Polyethylen (PE-X)), wie sie insbesondere für Fußbodenheizungen handelsüblich sind, eingesetzt werden. Dem Einsatz von Kupferrohren steht leider noch dessen beschränkte Korrosionsfe stigkeit gegenüber stickstoffsauerem Wasser entgegen. Sobald jedoch eine kostengünstige Entstickung des Abgases oder stickoxidfreie Brenner zur Verfügung stehen sind Kupferrohre ebenfalls in Erwägung zu ziehen.
3. Es ist zwar üblich, das Rücklaufwasser der Heizung direkt als Kühlmittel zu benutzen; dies ist jedoch kei nesfalls unumgänglich. Ebenso könnte der WKK in einem drucklosen und nicht unbedingt sauerstoffesten Sekundärkreis betrieben werden und die Wärme anschließend in einem gesonderten Wasser-Wasser Wärmeübertrager (WÜT) auf den Primärkreis übertragen werden. Diese Übertragung ist dann übrigens nicht nur auf die Zeit des Brennerlaufes beschränkt. In einem derartigen Sekundärkreis können handels übliche dünnwandige Rippenrohre aus Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE), wie sie beispielsweise als "Solarfiex" in Sonnenkollektoren oder als "PE- Schutzrohr" (Wellrohr) im Heizungsbau verwendet wer den, eingesetzt werden.
4. Für die Mantelwand des WKK kann PVC (Kanalrohr sehr preiswert) oder PP (Abwasserrohr, etwas tem peraturfester als PVC, aber in größeren Durchmesser nicht verfügbar) eingesetzt werden.
5. Für den Luft-Kondensationskühler (LKK) gelten werkstoffmäßig ähnliche Gesichtspunkte wie für den WKK mit drucklosem Sekundärkreis. Die Anforderungen an die Dichtigkeit der Übergangs- und Verbin dungsstücke der Kühlrohre sind jedoch, da nur Gase benutzt werden, noch geringer. Wegen der vorge schalteten Anlagenteile, ist das Temperaturniveau auch unter Ausnahme- Betriebszuständen so niedrig, daß überall PVC eingesetzt werden kann.

Die Benutzbarkeit von preiswerten Massenkunststoffen in vorgefertigten, langjährig erprobten und überall verfügbaren Massenprodukten aus anderen Technikbereichen ist ein großer Vorteil des Abgaswandlers.

Im folgenden werden die drei Bestandteile des Abgaswandlers im einzelnen beschrieben.

2.2.1 Der Heißgaskühler (HGK)

Der Heißgaskühler (HGK) wird, soweit dies vor Ort räumlich möglich ist, unmittelbar hinter dem Kessel instal liert. Gegebenenfalls kann der Kessel, um Platz zu schaffen, auch nach vorne versetzt werden. Die Zu- und Ableitungen für das Abgas und für das Kühlwasser sind so angeordnet, daß im Normalfall das in der beste henden Anlage vorgefundene Abgaszwischenstück und die Heizungswasserleitung(en) aufgetrennt und die Enden ortsnah an den HGK angeschlossen werden können.

Der Heißgaskühler (Bild 3) besteht aus dem vom heißen Kesselabgas 1 durchströmten Kesselabgasrohr 10, um das koaxial ein vom Heizungswasser 2 im Gleichstrom durchflossene Kühlrohr 20 (Details hierzu in Ab schnitt 2.2.1.3) angeordnet ist. Das entfeuchtete und wiederaufzuheizende Kaminabgas 8 durchströmt im Gegenstrom zum Kesselabgas 1 den gesamten Mantelraum zwischen Kesselabgasrohr 10 und Kaminabgas rohr 80. Auch der Spalt zwischen Kesselabgasrohr 10 und Kühlrohr 20 wird von einem Teil des Kaminabga ses 8 durchflossen; dies steigert die Wärmeaufnahme des Kaminabgases und verbessert die homogene Wärmeankopplung des Kesselabgasrohres 10 an das Kühlrohr 20.

Der gesamte HGK kann als Spezialfall eines Rohrwärmeübertragers aufgefaßt werden. Am Eingangsstutzen 11 wird das heiße Abgas 1 dem Innenrohr 10 zu- und am Ausgangsstutzen 12 abgeführt und dann weiter zum Wasserkondensationskühler (WKK) geleitet. Die Kühlung erfolgt im Mantelraum und zwar einerseits durch das Kaminabgas 8, das vom Kondensationskühler kommend in 81 zugeführt wird und im Ausgangs stutzen 82 zum Kamin 9 hin abgeführt wird, und andererseits durch das Heizungswasser 2, das in einer in Abschnitt 2.2.1.3 noch genauer beschriebenen Weise das Kesselabgas 1 in kontrollierter Form abkühlt.

Das Kaminabgasrohr 80 wird durch die oben beschriebene Anordnung nur mäßig warm, so daß es aus Kunststoffrohren und Formteilen (z. B. Kanalrohr) hergestellt werden kann.

An das Kesselabgasrohr 10 werden folgende Anforderungen gestellt:

1) seine Wandtemperatur muß, ausgenommen in ganz kurzen Perioden beim Start des Brenners nach längeren Abschaltphasen (z. B. Nacht), oberhalb der Taupunkttemperatur des Kesselabgases liegen. Insbe sondere dürfen auch keine kleinräumigen lokalen Taupunktunterschreitungen, also keine "cold spots", auftre ten.
2) es muß genügend Wärme an das Kaminabgas 8 abgeben können, damit letzteres so weit erwärmt wird, daß Druck- und Temperaturbedingung im Kamin 9 erfüllt sind
3) es muß insgesamt so viel Wärme an das Kaminabgas 8 und an das Heizungswasser 2 abgeben, daß am Ausgang 12 die Temperatur des Kesselabgases 1 mit der tolerierbaren Eintrittstemperatur des folgenden Wasserkondensationskühlers (WKK) verträglich ist.

Zusätzlich ist es erwünscht, daß

4) die über die Außenhülle 80 an den Heizungsraum abgegebene Wärme, die ja im HGK auf einem gut nutzbaren Temperaturniveau vorliegt, möglichst gering ist.
5) die Anlage technischen Anforderungen wie gute Regelbarkeit bei der Einstellung und im Betrieb sowie Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit etc. genügt.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen sind folgende Maßnahmen vorgesehen:

2.2.1.1 Erhöhung der Wandtemperatur des Kesselabgasrohres

Die Wandtemperatur des Kesselabgasrohres 10 kann wie üblich durch innenliegende Rippen und besondere Schikanen zur Erhöhung der Turbulenz des durchfließenden Abgases erhöht werden.

Weiterhin kann in das Kesselabgasrohr 10 koaxial ein weiteres "Zentralrohr" eingeführt werden, das sich, - innen und außen vom heißen Abgasstrom umflossen -, auf eine höhere Temperatur einstellt als das Kes selabgasrohr 10, welches ja an das kältere Kaminabgas 8 und an das Heizungswasser 2 direkt ankoppelt. Der sich aufbauenden Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Rohren wird durch Strahlungswärme übergang vom heißeren Zentralrohr auf das Kesselabgasrohr 10 entgegengewirkt. Bilanzmäßig erhöht sich dadurch der Wärmeübergang vom Kesselabgas 1 an das Kesselabgasrohr 10 um eine Strahlungskomponen te, die bei diathermischen Gasen eigentlich fehlt. Das Zentralrohr sollte Löcher, Schlitze und Unterbrechun gen sowie geeignete Strömungsleitkörper enthalten, so daß eine gute Durchmischung zwischen Zentralrohr und dem Mantelraum zum Kesselabgasrohr gegeben ist. Derartige Öffnungen im Zentralrohr wirken sich übrigens wegen der "Hohlraumstrahlung" praktisch kaum auf die Strahlungsleistung aus.

Natürlich kann das Zentralrohr zusätzlich noch durch feste Verbindungen thermisch an das Kesselabgasrohr angekoppelt werden. Diese Ankopplung sollte vor allem in den Bereichen des Kesselabgasrohres erfolgen, an denen Taupunktunterschreitungen (sozusagen "cold spots") bei besonderen Betriebszuständen drohen. - Das Zentralrohr ist in Bild 3 nicht gesondert dargestellt.

2.2.1.2 Wärmeabgabe an das Kaminabgas

Die Wärmeabgabe an das Kaminabgas 8 erfolgt (aus geometrischen und thermischen Gründen) im Gegen stromverfahren. Die wärmeübertragende Fläche wird hauptsächlich durch das Kesselabgasrohr 10 (und u. U. hiermit verbundenen "Rippen" und "Schalen" etc.) gebildet. Bei starker mechanischer Ankopplung des Kühl rohres 20 an das Kesselabgasrohr 10 und gleichzeitig schwacher Kühlung durch das Heizungswasser 2 (siehe 2.2.1.3) kann sich jedoch auch die Temperatur des Kühlrohres 20 so weit erhöhen, daß hierüber ebenfalls noch eine spürbare zusätzlich Erwärmung des Kaminabgases erfolgt. Der Anteil des Kaminabga ses 8, der durch den Spalt zwischen Kesselabgasrohr 10 und Kühlrohr 20 fließt, kann durch den Abstand zwischen diesen beiden Rohren, durch Unterbrechungen und Schlitze im Kühlrohr 20 sowie durch mechani sche Einbaukörper in weiten Bereichen verändert werden. Es sind also genügend Einstellparameter vorhan den, um die Anforderungen durch die Druck- und Temperaturbedingung des Kamins in einem weiten Bereich zu erfüllen. Der außen fließende Teil des Kaminabgases 8, der die Wand des Kaminabgasrohres 80 berührt, besitzt eine deutlich niedrigere Temperatur als der "heiße" Teil im Spalt.

2.2.1.3 Wärmeabgabe an das Heizungswasser

Der Wärmeübertrag an das Heizungswasser 2 kann sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf erfolgen. Die Übertragung an den Vorlauf verringert die konstruktiven Zwänge zur Vermeidung von "cold spots", also von örtlich und meist auch zeitlich begrenzten Unterschreitungen des Abgastaupunktes an einer Kesselabgassei tigen Wand. Eine Wärmeabgabe an das Heizungsrücklaufwasser sollte sinnvollerweise vornehmlich an das bereits im WKK etwas aufgewärmte "kesselseitige" Heizungsrücklaufwasser erfolgen, da eine Temperaturer höhung des "heizkörperseitigen" Heizungsrücklaufwasser dessen Wärmeaufnahme im WKK vermindert.

Zur Vermeidung von "cold spots", - auch bei besonderen Betriebszuständen -, sollte der Wärmeübergang zwischen Kesselabgas 1 und Kühlwasser 2 möglichst breitflächig homogen und beschränkt erfolgen. In Bild 4 wird das notwendige Vorgehen schematisch am Beispiel von Außenrippen aufgezeigt. Die Rippen bestehen aus einem breitflächig an das Kesselabgasrohr 10 ankoppelnden Fuß 21 (siehe Detail in Bild 4) und einem Steg 22 mit definiertem Wärmeleitwert, der an der Spitze in eine Kühlleitung 23 mündet, die vom Heizungs wasser 2 durchflossen wird. Material, Dicke und Länge des Steges 22 sind so auszuwählen, daß auch bei der tiefsten Auslegungstemperatur des Heizungswassers 2 (z. B. beim Anheizen) die innere Wandtemperatur des Kesselabgasrohres 10 am Fußpunkt der Rippe die Taupunktstemperatur nicht unterschreitet.

In Bild 5 ist der bereits in Bild 3 verwendete "Schalen-WüT" als ein aus Bild 4 abgeleitetes Konstruktionsbei spiel für die kontrollierte thermische Kopplung zwischen Kesselabgas 1 und Heizungswasser 2 angegeben. Das Kesselabgasrohr 10 ist über die metallischen Kopplungsstege 21 von einem Kühlrohr 20 koaxial umge ben. Das Kühlrohr 20 wird von den versetzt angeordneten Wasserrohren 23, die das Heizungswasser führen, gekühlt. Die metallische Mantelstrecke 22, deren Wärmeleitwert sich wiederum aus den thermischen Materia leigenschaften in Verbindung mit Dicke und Länge bestimmt wird, sorgt für den "kontrollierten" Wärmeüber trag und garantiert dadurch das Ausbleiben von "cold spots" an den "Fußpunkten" 21. Die Korrespondenz zwischen Bild 4 und Bild 5 wird durch die gleichen Nummern der analogen Bauteile unterstrichen.

Die thermische Kopplung zwischen Kesselabgasrohr 10 und Kühlwasser 2 kann im unteren Teil des HGK, in dem das Kesselabgas 1 am heißesten ist, stärker ausgeführt werden als im oberen Teil. Durch die Gleich stromführung von Kesselabgas und Kühlwasser werden jedoch Taupunktsprobleme auch im niedertempera turigen oberen Teil des Kesselabgasrohres wesentlich verringert. Weiterhin ist es empfehlenswert nur einen Teilstrom des Heizungswassers durch das Kühlrohr 20 zu schicken. Durch die dann auftretende merkliche Temperaturerhöhung des Kühlwassers 2 werden ebenfalls "cold spots" am niedertemperaturigen Ende des Kesselabgasrohres vermieden. Andererseits besteht wegen der Gleichstromführung auch keine Gefahr der Überhitzung des Kühlwassers 2 bei höherer Eingangstemperatur. Auch hier kann wieder festgestellt werden, daß genügend konstruktive und verfahrensmäßige Parameter bereitstehen, um den HGK effizient und sicher zu betreiben.

Für die Funktionsweise des Abgaswandlers ist die Erwärmung des Kaminabgases, in dem Maße wie sie für die Einhaltung der Druck- und Temperaturbedingung des Kamins notwendig ist, als vorrangig gegenüber der Wärmeübergabe an das Heizungswasser anzusehen. Dennoch wird im Normalfall der größere Anteil der Kühlung im HGK vom Kühlwasser 2 und nicht vom Kaminabgas aufgenommen.

2.2.1.4 Isolierung des Kaminabgasrohres nach außen

Auf seiner Innenseite kann das Kaminabgasrohr (80 in Bild 3) mit Alu-Folie ausgekleidet oder seine innere Oberfläche sonstwie entsprechend behandelt werden, um den Strahlungsanteil der Wärmeabgabe zu verrin gern. Auch die äußere Oberfläche des Kühlrohres 20 kann entsprechend behandelt werden. Zwischen Kühl rohr und Umgebungsluft ergeben sich dann zwei strahlungsreduzierte Oberflächen und eine isolierende Luft schicht (Dicke z. B. 2 cm). Hierdurch und durch die Aufteilung des Kaminabgas- Stromes ist der verbleibende Isolationsbedarf nicht mehr sehr groß und kann gegebenenfalls durch Isolation auf der Außenseite des Ka minabgasrohres 80 in der bei Heizungsrohren üblichen Weise erreicht werden.

Durch alle diese Maßnahmen wird bei geeigneter Dimensionierung erreicht, daß die höherwertige Wärme energie des Kesselabgases den Nutzräumen entweder über den Warmwasserheizkreis oder über den Kamin zugeführt wird. Aus dem Kamin kommt oben als unvermeidlicher Verlust nur ein Teil derjenigen Energie her aus, die dem Kaminabgas auf niedriger Temperaturebene im LKK zugeführt wurde. Diese Vorgehensweise erfüllt das Sparsamkeitsgebot der exergiebewußten Nutzung der thermischen Energie.

2.2.2 Der Wasser-Kondensationskühler (WKK) 2.2.2.1 Ein U-förmiger Rohrbündel-WüT aus Kunststoff

Das im HGK vorabgekühlte Kesselabgas 1 gibt im Wasser-Kondensationskühler (WKK), Bild 6, seine Wärme an das Rücklaufwasser 3 des Heizkreises ab, und zwar so weitgehend wie es dessen Temperatur zuläßt. Durch die Vorabkühlung im HGK kann der WKK vollständig aus Kunststoff, bei richtiger Dimensionierung das Mantelrohr sogar aus PVC hergestellt werden. Die wasserdurchflossenen Kunststoffrohre 30 müssen, sofern sie direkt in den Heizkreis eingebunden sind, druckfest und sauerstoffdicht sein. Die am Markt hierfür verfüg baren Rohre, z. B. PE-X Heizungsrohre oder Verbundrohre aus PE (Unipipe), zeichnen sich dadurch aus, daß die Kosten für Fittings, Anschlüsse und Übergänge unverhältnismäßig hoch sind im Vergleich zu den reinen Rohrkosten. Daher empfiehlt sich ein U-förmiger Aufbau des Rohrbündel- Wärmetauschers (Bild 6). Die unte re Rundung der Kühlrohre 30, (von denen in Bild 6 nur ein einziges Exemplar dargestellt ist), kann durch einfaches Biegen der Rohre, wie es auch bei der originären Anwendung im Heizungsbau praktiziert wird, erreicht werden.

Das Kesselabgas 1 wird in einem Abzweig 31 dem wärmeren Schenkel 32 des WKK zugeführt, dann über einen untere Verbindung 33, die aus zwei Abzweigen und einem kurzen Rohrstück gebildet wird, an den kälteren Schenkel 34 durchgeleitet und schließlich über einen ausgangsseitigen Abzweig 35 an den Luftkon densationskühler (LKK) weitergeleitet. Aus Vorsorge können für den wärmeren Schenkel 32 PP-Rohr und PP-Formteile eingesetzt werden, obwohl bei richtiger Auslegung auch hier PVC einsatzfähig ist. Der kältere Schenkel 34 und die untere Verbindung 33 können aus PVC-Kanalrohr bzw. Formstücken hergestellt wer den. Die Benutzung von handelsüblichen, steckbaren Rohren garantiert auch eine angemessene Berück sichtigung der thermischen Dehnung, die von den Verbindungsmuffen aufgefangen wird. Die beiden Schen kel 32 und 34 sind oben und unten durch je eine Kappe oder einen Stopfen (36, 37) abgeschlossen, durch die die Kühlrohre 30 durchgeführt werden. Am unteren Ende ist zusätzlich ein Siphon 7 für das Kondensat anzu bringen. Die unteren Abschlüsse 37 können entfallen, wenn ein etwas umständlicheres Herstellungsverfah ren in Kauf genommen wird und die unteren Rohrbögen vollständig in einer aus Abzweigen und kurzem Rohrstück bestehenden Verbindung geführt werden.

Da pro Quadratmeter Wärmertauscherfläche die wegen ihrer Korrosionsfestigkeit eingesetzten Kunststoffroh re (einschließlich Fittings) teuerer sind als die im Heißgaskühler eingesetzten Kupferrohre, kann es vorteilhaft sein, das wiederaufzuheizende Kaminabgas vor Eintritt in den HGK noch zur Zwischenerwärmung durch den WKK zu führen. Dies hat weiterhin den großen Vorteil, daß die Eintriftstemperatur des Kaminabgases in den HGK höher liegt und damit sich die Gefahr von "cold spots" im gegen Korrosion nicht geschützten HGK ver ringert. Dies gilt insbesondere beim Anheizen, wenn das Heizungsrücklaufwasser noch so kalt ist, daß be reits im WKK ein Großteil der gesamten Abgaswärme ausgekoppelt wird und für den LKK praktisch nicht mehr viel übrig bleibt. Da die Wärmedichte im WKK wegen der hohen Wärmeübergangszahlen des konden sierenden Abgases und des Kühlwassers in den Rohren groß ist, kann das Kaminabgas- Rohr meist ohne Schwierigkeit noch zusätzlich im Mantel des WKK untergebracht werden.

2.2.2.2 Betrieb im Sekundärkreis

Es ist zwar üblich aber keineswegs unabdingbar, daß der WKK direkt in den Rücklauf des Heizungskreises geschaltet wird. Das Kühlwasser für den WKK kann, wie bereits oben erwähnt, auch aus einem Sekundär kreis stammen, was einen Verzicht auf druckfeste und sauerstoffdichte Rohrleitungen erlaubt.

2.2.2.3 Zeitversetzter niedertemperaturiger Heizbetrieb

Steht eine größere Speicherkapazität zur Verfügung, beispielsweise ein Speicher für Regenwasser, der ja vor allem für den Sommer ausgelegt wird, so kann das Sekundärwasser seine Wärme auch über Nacht an die dann ansonsten brach liegende Heizkörperanlage abgeben. Dadurch können zeitversetzt auch niedrige Vorlauftemperaturen in einem ansonsten auf höhere Temperaturen ausgelegten Heizungssystem genutzt werden. Außerdem können jetzt sehr niedrigere Rücklauftemperaturen, - es bestehen ja keine zeitgleichen Nutzungsanforderungen -, und somit sehr niedrige Temperaturen des Kühlwassers für den Betrieb des WKK erreicht werden.

Dieses Vorgehen der zeitversetzten Zusatzheizung über eine zur Nachtzeit andernfalls brachliegende Heiz körperanlage empfiehlt sich auch bei anderen Wärmequellen, die nur bei relativ niedrigen Temperaturen mit einer vernünftigen Ausbeute zur Verfügung stehen, beispielsweise bei der Nutzung der Sonnenenergie an Tagen mit geringer Einstrahlung.

2.2.3 Der Luft-Kondensationskühler (Lkk)

Die exergetisch geringstwertige Energie des Kesselabgases 1 wird im Luft-Kondensationskühler (LKK), Bild 7, auf Fremdluft 5 bzw. Umluft 4 übertragen. Im ersten, wärmeren Teil des LKK, dem Fremdluftkühler 52, erfolgt der Wärmeübertrag auf einen definierten Luftstrom 5, der unter weitestmöglicher Ausnutzung des Temperaturniveaus des ankommenden Kesselabgases 1 später als Fremdluft dem Kesselabgas zugemischt wird. Im anschließenden "kalten" Teil des LKK, dem "Umluftkühler" 42, wird Umluft (oder auch Frischluft) 4 zur weitestmöglichen Absenkung des Kesselabgases ohne Rücksicht auf die Temperaturerhöhung des Kühl gases 4 eingesetzt.

Der LKK ist als spezialisierter U-förmiger "Rohrbündelwärmetauscher" ausgeführt, dessen wärmerer Schen kel als Fremdluftkühler 52 und dessen kälterer Schenkel als Umluftkühler 42 gestaltet ist. Das ankommende Kesselabgas 1 wird über einen Abzweig 51 als Mantelgas zugeführt und am kalten Ende 45 des Umluftküh lers 42, - nach dem weitestgehenden Auskondensieren der Abgasfeuchte -, in eine (oder mehrere) innere Rohrleitung 10 abgesaugt und so im Gegenstrom durch den gesamten LKK zurückgeführt und dadurch wie der aufgewärmt.

2.2.3.1 Der Fremdluftkühler des LKK

Im Fremdluftkühler, 52 in Bild 7, wird am Fremdlufteinlaß 53 Kelleduft 5 angesaugt und durch Röhren 50 im Gegenstrom möglichst nahe an die Temperatur des ankommenden Kesselabgases 1 aufgewärmt. Ein Venti lator 6 saugt die Fremdluft 5 und das rückgeführte Kesselabgas 1 gemeinsam an, vermischt dadurch beide Bestandteile zum Kaminabgas 8 und drückt dieses durch den restlichen Teil des Abgaswandlers, bis es dann vom Unterdruck des Kamins aufgesaugt wird. Die Auswahl dieses "Abgasventilators" 6 und die eng hiermit zusammenhängende Auslegung des Fremdluftkühlers 52 erfolgen nach den folgenden systembedingten Anforderungen:

- der Abgasventilator muß eine auf die Brenner- und Kaminverhältnisse abgestimmte und optimierte Ka minabgasmenge transportieren. Die Ableitbedingungen des Kamins sind dabei in einem weiten Einstellbe reich der Parameter Fremdluftmenge und Temperatur beim Eintritt in den Kamin erfüllbar; durch eine auf den Einzelfall abgestimmte Auslegung kann jedoch die Ausbeute an nutzbarer Energie optimiert werden.
- Da der Ventilator, der das bei weitem teuerste Element der Anlage ist, vor allem auch nach wirtschaftli chen Gesichtspunkten ausgewählt werden muß, richtet sich nach ihm die sonstige Auslegung der Anlage: Art, Querschnitt und Anzahl der Kühlrohre 50 sind so zu wählen, daß bei der verfügbaren Druckdifferenz die optimierte Abgasmenge transportiert werden kann.
- Die Anforderungen an die Kühlrohre 50 sind sehr gering, da die auch in Ausnahmefällen zu erwartenden Temperaturen durch die vorgeschalteten Anlagenteile des Abgaswandlers begrenzt sind und die Fremd luft 5 überdies ja dem Kamin zugeführt wird. Bei ausreichendem Förderdruck eignen sich bereits die sehr preiswerten Rippenrohre (flexible "Wellrohre") aus PVC, wie sie bei der Elektroinstallation verwendet werden und überall verfügbar sind.

Die gesamte Auslegung hängt wesentlich davon ab, welcher Ventilator zum Einsatz kommt.

Die im oberen Bereich des Kamins noch verbleibende Restwärme kann durch ein Gerät zur "nutzungsseitigen Wärmerückgewinnung aus Abgas" (NWA) /3/ bei dessen Betrieb mit Umluft teilweise und bei Betrieb mit Frischluft weitgehend zurückgewonnen werden. Die NWA wird in diesem Falle technisch ver einfacht, da am Nutzungsort keine Kondensation mehr auftritt. Eine NWA kann bereits bei der Auslegung des Abgaswandlers berücksichtigt werden.

2.2.3.2 Der Umluftkühler des LKK

Der Umluftkühler, 42 in Bild 7, des LKK zielt auf eine möglichst weitgehende Temperaturerniedrigung des ankommenden Kesselabgases 1 ab. Da hier also im Gegensatz zum Fremdluftkühler die Temperatursprei zung kein Auslegekriterium darstellt, sollte ein möglichst großer Luftstrom 4 für große Temperaturdifferenzen zum ankommenden Kesselabgas 1 sorgen. Daher werden im Konstruktionsbeispiel glatte Rohre 40 (PVC- Rohre für Elektroinstallation oder PP-Abwasserrohre) eingesetzt. Die niedrige Temperatur des Kühlmittels 4 erleichtert die Auswahl des Umluftventilators 41, der den bei weitem teuersten Anlagenteil darstellt. Nach ihm muß sich die Auslegung der Kühlrohre richten.

Statt am Ausblasungsort 44 kann der Umluftventilator 41 auch am Umlufteinlaß 43 installiert werden. Dies ergibt einen Überdruck in den Umluftrohren 40, so daß bei Undichtigkeiten höchstens "Umluft" als "Fremdluft" abgeführt wird und daher kein Abgas in den Umluftkreis gelangen kann.

Für die Funktionsfähigkeit des Abgaswandlers reicht normalerweise eine Abkühlung des Kesselabgases auf 25° oder auch 30° voll aus. Eine weitergehende Erniedrigung der Kesselabgastemperatur ist jedoch möglich und erbringt zusätzlichen niedertemperaturigen Wärmerückgewinn. Zur Bewertung dieser Wärme ist folgen des zu beachten:

- Die niedertemperaturige Wärme kann der Vorerwärmung der Verbrennungsluft und (vor allem) der Fremdluft, die zunächst von Außentemperatur auf Kellertemperatur erwärmt werden, zugerechnet wer den. Dadurch wird, bei sonst gleichen Verhältnissen, eine zusätzliche Inanspruchnahme von hochwertiger Wärme, die auch vom Heizungssystem aufgenommen werden könnte, vermieden.
- Ohne zusätzlichen Wärmetauscher am Kaminende, der Abgaswärme auf Frischluft übertragen müßte, ist es nicht möglich, das Kaminabgas unterhalb der Raumtemperatur aus dem Kamin zu führen. Durch die Bereitstellung dieser niedertemperaturigen "Sockelwärme" des Kaminabgases aus der niedertemperaturi gen Kondensationswärme des Umluftkühlers, wird dieser unvermeidbare Abgasverlust aus der nieder exergetischsten verfügbaren Wärmequelle gespeist.
- Bei weitgehender Wärmeisolation von Kessel, Leitungen und Bauteilen (z. B. Decke zum Erdgeschoß) kann die Kellertemperatur leicht sehr niedrig werden. Es ist daher durchaus vertretbar, eine aus nieder exergetischer Wärme gespeiste Temperaturerhöhung des Kellers als erwünschte Nutzwärme aufzufas sen, die dazu beiträgt, Korrosion und Schimmelbildung zu vermeiden oder doch zu verringern und den auch nur kurzzeitigen Aufenthalt angenehmer zu machen. Auch bei anderen nur kurzzeitig genutzten Auf enthaltsbereichen (z. B. Treppenhaus, Flure) werden Anforderungen an ihre Mindesttemperatur gestellt.
- Durch die Wärmekopplung zwischen Keller und Erdgeschoß wird ein erheblicher Teil der Wärme, die dem Keller zugeführt wird, indirekt als Nutzwärme genutzt (/4/).
- Auf jeden Fall ist es sinnvoller, die auf dem niedrigsten Temperaturniveau anfallende Kondensationswär me in fühlbare Wärme umzusetzen und einem Kellerraum zuzuführen, als sie völlig ungenutzt als Rest feuchtegehalt des Abgases aus dem Kamin zu führen.

Aus Kostengründen (Ersparnis des zweiten Ventilators 41) kann bei entsprechender Auslegung des Fremd luftkühlers ein eigenständiger Umluftkühler weggelassen werden und die Fremdluft 5 durch den gesamten LKK gesaugt werden: also im Bild 7 die Fremdluftansaugung von der Stelle 53 nach der Stelle 43 verlegt werden. Hierbei ist hilfreich, daß bereits durch die Wärmeabgabe des Mantels an den Kellerraum eine Um gebungserwärmung auftritt.

2.2.4 Die räumliche Anordnung der Funktionseinheiten

In den Zeichnungen dieser Schrift sind die Funktionseinheiten aus Gründen der vereinfachten Darstellung linear nebeneinander angeordnet. In der Praxis ordnet man die Module jedoch, sofern es die Örtlichkeit zu läßt, besser kompakter an, wie dies beispielsweise in Bild 8 in der Draufsicht dargestellt ist. Das Kesselabgas durchfließt zunächst den Heißgaskühler (HGK) 1 von unten nach oben (wie in einem Ofenrohr), wird dann in einer oberen Verteilung diagonal (um Platz in der Längsrichtung zu sparen) an den Wasser-Kondensations kühler (WKK) weitergeleitet, den es U-förmig von 2 nach 3 durchfließt, um dann wieder in einer oberen Ver teilung diagonal an den Luft Kondensationskühler (LKK) weitergeleitet zu werden, den es zunächst ebenfalls U-förmig von 4 nach 5 durchfließt. Am oberen Ende 5 wird dann der Abgasstrom in sich umgekehrt und fließt zusammen mit der dort von außen zugeführten Zuluft in inneren Röhren wieder im Gegenstrom U-förmig nach 4 zurück. Hier erfolgt die endgültige Vermischung (die im Prinzip natürlich auch schon an der Stelle 5 möglich ist) zum Kaminabgas und hier ist auch der Ventilator für das nicht zu warme und nicht zu feuchte Kaminabgas angeordnet. In einer oberen Verteilung wird das Kaminabgas zurück zum HGK gepumpt, den es im Gegenstrom zum Kesselabgas von oben nach unten durchströmt, und etwa in Höhe des vom Kessel kommenden Einlaß des Kesselabgases wieder in Richtung Kamin verläßt.

3. Besondere Anwendungen

Das Verfahrensprinzip des Abgaswandlers, das zunächst im besonderen Blick auf die einfachste und ergie bigste Anwendung für Gasheizungen entwickelt wurde, läßt sich an andere Verhältnisse anpassen. Die An wendungen auf Ölheizungen und auf Dachventilatorbetrieb sind besonders naheliegend, eine Verbindung mit einem (beispielsweise) auf Zeolith basierendem Wärmetransformator technisch besonders reizvoll.

3.1 Besonderheit bei Ölheizungen

Bei der Verbrennung von Heizöl ergibt sich ein Abgas, das mit weniger Wasserdampf beladen ist: der Anteil der Kondensationswärme an der Feuerungswärme beträgt nur 5% und bei stöchiometrischer Verbrennung liegt der Abgastaupunkt nur bei 45°C. Da in vielen Heizungsanlagen die Rücklauftemperatur des Heizungs wassers kaum wesentlich tiefer liegt, lohnt sich dort ein eigenständiger Wasserkondensationskühler (WKK) nicht. Andererseits kann jetzt der LKK ohne Schwierigkeiten so ausgelegt werden, daß er die gesamte anfal lende Kondensationswärme aufnehmen kann. Der Abgaswandler besteht in diesem Falle dann nur noch aus Heißgaskühler (HGK) und Luftkondensationskühler (LKK). Die verbleibenden auf den Brennwert bezogenen Nettoabgasverluste sind jedoch kaum höher als bei der Gasheizung, da bei den äußerst niedrigen Abga stemperaturen am Ende des Kamins sich eine weitestgehende Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Abga ses ergibt.

Bei einer Ölheizung lohnt sich ein zweistufiger Abgaswandler (HGK + LKK) bereits als vermutlich preiswerte re und auf jeden Fall sinnvollere Alternative zur "Sanierung" des Kamins, wie sie durch die 1. BlmSchV in so vielen Fällen provoziert wird.

3.2 Betrieb mit Dachventilator

Der durch den thermischen Auftrieb bewirkte Kaminzug kostet Wärmeenergie: als Wärmekraftmaschine be trachtet besitzt der Kaminzug nämlich nur einen extrem geringen Wirkungsgrad; außerdem hängt er von äu ßeren Parametern wie Außentemperatur und Windgeschwindigkeit sowie von den unterschiedlichen Be triebsarten (Anfahrverhalten, Winterbetrieb, Sommerbetrieb für Warmwasser usw.) ab. Dies zwingt letztend lich dazu, eine aufwendigere Auslegung und eine weniger energiesparende Betriebsweise der gesamten Feuerungsanlage in Kauf zu nehmen.

Lokale Abgase aus Industrie und Gewerbe werden meist über Dachventilatoren abgezogen. Bei Verbren nungsabgasen im Haushaltsbereich ist dies jedoch derzeit noch unüblich. Im Grunde genommen sprechen aber auch bei Feuerungsanlagen für den Einsatz eines Dachventilators ähnliche Argumente wie bei der klassischen Warmwasserheizung für die Ersetzung des Schwerkraftbetriebes durch die Umwälzpumpe. Der Abgaswandler erzeugt trockenes und abgekühltes Abgas, das an den Ventilator keine besonderen Anforde rungen mehr stellt. Er vereinfacht damit die Einsatzmöglichkeit und den Betrieb eines Dachventilators.

Es liegt daher nahe, den Abgaswandler so umzugestalten, daß er einen Dachventilator als Abgasventilator umfaßt. Im Schema des Abgaswandlers, Bild 2, muß dazu lediglich der Ventilator 6 an das Ende des Kamins 9 versetzt werden. Die Aufheizung des vorgewärmten Kaminabgases im Heißgaskühler (HGK), die vor allem zur Einhaltung der (thermisch erzeugten) Druckbedingung des Kamins (DIN 4705) erforderlich war, wird in der Regel nun nicht mehr funktional benötigt. Die Temperaturbedingung nach DIN 4705, d. h. die Trockenheit im Kamin, ist nämlich bei einer weitgehenden Entfeuchtung des Abgases im Luftkondensationskühler (LKK) recht einfach zu gewährleisten alleine durch die Beimengung von Fremdluft und dem Vorwärmen aus dem Wärmereservoir des niedertemperaturigen Teiles der Kondensationswärme. Der Fremdluftanteil des Ka minabgases kann darüber hinaus wesentlich verringert werden. Da der Fremdluftanteil den nicht mehr über den Kamin zurückgewinnbaren Nettoabgasverlust wesentlich bestimmt, lassen sich durch den Einsatz eines Dachventilators "Rekordwirkungsgrade" erreichen.

Hinter dem Abgaswandler sind die thermischen und chemischen Verhältnisse des Kaminabgases so unpro blematisch, daß sogar die Stromversorgung des Dachventilators sowie eventuelle Steuer- oder Sensorleitun gen aus technischen Gründen durchaus im Innern des Kamins verlegt werden könnten.

Am Eingang des Kamins kann der durch den Dachventilator erzeugte Unterdruck kontrolliert werden und somit die Sicherheit der Betriebes durch elektronische Überwachung garantiert werden. Ein Störfall sollte zu einer Abschaltung des Brenners führen, - wie es jetzt schon bei der Überwachung der Flamme durch den Ionisationsstrom praktiziert wird.

Aus praktischen Gründen wird man in vielen Fällen dennoch an der Rückführung des Kaminabgases über den HGK festhalten, da hierdurch ein kompakter Aufbau, eine Verringerung der vom HGK an die Umgebung abgegeben hochwertigen Wärme sowie die Benutzung der bereits vorhandenen Einführung des Zwischen stückes in den Kamin erhalten bleibt. Allerdings sollte nun die thermische Kopplung zum Kesselabgas mög lichst gering sein und die Abkühlung des Kesselabgases im wesentlichen durch das Heizungswasser erfol gen.

3.3 Betrieb mit Wärmetransformator

Es gibt Stoffe, z. B. Zeolithe, die durch Adsorption von Wasser aus einem kühlen Gasstrom ein Hochtrans formieren der Temperatur dieses Gases bewirken (/5/). Das so gebundene Wasser kann dann bei höherer Temperatur wieder ausgetrieben werden. Eine Feuerungsanlage mit einem entsprechend ausgelegten Ab gaswandler kann so betrieben werden, daß das Abgas beim Austritt aus dem Kessel heiß genug für die Desorption des Wasserdampfes und nach Durchlauf durch die Kondensationskühler kühl und trocken genug für die Adsorption des restlichen Wasserdampfes ist. Dadurch gelingt es, das niedertemperaturige Ende des Wärmeinhaltes des Abgases noch weitgehender als hochwertige Wärme über den Heizwasserkreis bzw. zur Wärmerückgewinnung als Kaminwärme (/1/) zu nutzen.

Der Abgaswandler nach Bild 2 kann auf den Betrieb mit Wärmetransformator hin optimiert werden. Hierzu kann der Luftkondensationskühler kleiner ausgelegt werden oder sogar bei entsprechender Kühlleistung des Wasserkondensationskühler entfallen. Die Rückerwärmung über den Heißgaskühler kann ebenfalls entfallen, da nun diese Erwärmung auf "Kamintemperatur" durch die Wechselwirkung mit dem adsorptiven Material erfolgt.

In Bild 9 ist eine Schaltung zur Einbindung von Zeolith-Wärmetransformatoren angegeben. Die beiden Zeo lith-Einheiten 3 und 4 werden wechselseitig als Adsorber für Wasserdampf betrieben bzw. mit heißem Ka mingas regeneriert. Der Kamin-Multiplexer 2 schaltet das heiße Kesselabgas 1 jeweils auf diejenige Zeolith- Einheit 3 oder 4, die sich im Desorptionsbetrieb befindet, und das über die andere Einheit 4 bzw. 3 ankom mende Kaminabgas auf den Kamin 9. Der AGW-Multiplexer 5 schaltet das entweder über den Strang 13 oder den Strang 14 ankommende heiße Kesselabgas auf den Eingang 11 des AGW 6 und verbindet den nieder temperaturigen Ausgang 12 des AGW mit dem jeweils anderen Strang 14 bzw. 13. Die Multiplexer bestehen aus zusammengeschalteten Rohren, bei denen durch das geeignete Öffnen und Schließen von Absperrklap pen der Gasstrom auf dem gewünschten Pfad geführt wird.

Der Kaminmultiplexer 2 (Bild 10) schaltet das direkt vom Kessel 1 kommende heiße Abgas auf den gerade in Desorption betriebenen Wärmetransformator 3 (bzw. 4) und das über die in Adsorption betriebene Zeolith- Einheit 4 (bzw. 3) zurückkommende Abgas auf den Kamin 9 (bzw. auf einen gegebenenfalls noch zwischen geschalteten Abgas-Heizungswasser WÜT). Wie in Bild 10 dargestellt müssen für den Betrieb von Zeolith- Einheit 3 als Desorber und Zeolith-Einheit 4 als Adsorber die Klappen 21 und 22 geöffnet und die Klappen 23 und 24 geschlossen sein. Bei einer Vertauschung der Funktionen der beiden Zeolith Einheiten 3 und 4 müs sen alle Schalter umgeschaltet werden, also die Klappen 21 und 22 geschlossen und die Klappen 23 und 24 geöffnet werden.

Auch die Klappen des AGW-Multiplexers 5 (Bild 11) müssen paarweise geschaltet werden. Wird die Zeolith- Einheit 3 als Desorber geschaltet (wie in Bild 11 dargestellt), so muß die geöffnete Klappe 51 die Verbindung herstellen und die geöffnete Klappe 52 den Ausgang des AGW 6 auf die in Adsorption betriebene Zeolith- Einheit 4 durchschalten. Die geschlossenen Klappen 53 und 54 verhindern eine direkte Verbindung zwischen diesen beiden Abgasströmen. - Bei Funktionswechsel der beiden Zeolith-Einheiten 3 und 4 sperren die dann geschlossenen Klappen 51 und 52, und die dann geöffneten Schalter 53 und 54 geben den Weg frei für die neue Zuordnung der Zeolith-Einheiten zum Eingang und zum Ausgang des AGW 6. Auch der AGW-Multiple xer 5 bewirkt also einen Funktionswechsel durch das gleichzeitige Umschalten aller Klappen.

Schrifttum

/1/ LUTHER, Gerhard : "Ein folgenschwerer Denkfehler in der Kleinfeuerungsanlagenverordnung", Gesundheitsinge nieur 117 (1996), S. 113-126
/2/ DIN 4705-Teil 1: Feuerungstechnische Berechnungen von Schornsteinabmessungen verfügbar u. a. im DIN Taschenbuch 146, Beuth-Verlag; Berlin; (1993)
/3/ LUTHER, Gerhard: "Nutzungsseitige Wärmerückgewinnung aus Abgas", am 21.7.94 zum Patent angemeldet unter P4425741.4
/4/ MRZIGLOD-HUND, Monika Ein neues Berechnungsverfahren für den Wärmeverlust erdreichberührender Bautei le", Gesundheitsingenieur 116 (1995), 8.65-73 und 139-145
/5/ Alefeld, G.; Maier-Laxhuber, P. und Rothmeyer, M.S Verfahren und Einrichtung zum Speichern und Hochtrans formieren der Temperatur von Wärme." Patent DE 30 22 284 vom 14.1.1982; Deutsches Patentamt München.

Bildunterschriften

Bild 1: Schematische Darstellung des Abgaswandlers mit seinen Funktionseinheiten: Heißgaskühler (HGK), Wasserkondensationskühler (WKK) und Luftkondensationskühler (LKK). Der LKK besteht aus einem Fremdluftkühler 5 und einem Umluftkühler 4. Das Kesselabgas 1 wird mit der vorgewärm ten Fremdluft 5 durch einen Ventilator 6 zum Kaminabgas 8 vermischt.

Bild 2: Der Abgaswandler mit seinen Komponenten Heißgaskühler (HGK), Wasserkondensationskühler (WKK) und Luftkondensationskühler (LKK) wandelt heißes und feuchtes Kesselabgas 1 unter Wär meübertragung auf Heizungswasser 2, Rücklaufwasser 3 und Luft (4 und 5) in lauwarmes und trocke nes Kaminabgas 8 um.

Bild 3: Der Heißgaskühler (HGK) kühlt das heiße Kesselabgas 1 auf eine Temperatur herunter, die den Ein satz von Massenkunststoffen für die weiteren Funktionseinheiten erlaubt.

Bild 4: Kontrollierte Wärmekopplung zwischen Kesselabgas 1 und Heizungswasser 2 durch geeignete "Außenrippen" (21-23).

Bild 5: Eine praktische Ausführung für die kontrollierte Wärmeankopplung des Heizungswassers 2 an das Kesselabgas 1. Die Wasserleitungen 23 befinden sich auf einem Rohr 20, das über Verbindungsstege 21 an das Abgasrohr 10 ankoppelt.

Bild 6: Ausführung eines Wasser- Kondensationskühlers (WKK) in Form eines U-förmigen Rohrbündel-WüT. Durch die U-förmige Faltung des Mantels (31-35) werden die besonderen technischen und preislichen Eigenschaften der als Mantel verwendeten Kanal- oder Abwasserrohre (31-35) und der als Kühlrohre 30 verwendeten PE-Heizungsrohre ausgenutzt.

Bild 7: Luftkondensationskühler (LKK) schematisch: Das Kesselabgas 1 wird in 51 als Mantelgas eingespeist, fließt unter Wärmeabgabe durch den Fremdluftkühler 52 und den Umluftkühler 42, an dessen kaltem Ende 45 es im Gegenstrom durch die Rückleitung 10 zurückgeführt und am Auslaß 54 mit der Fremdluft 5 durch den Abgasventilator 6 zum Kaminabgas 8 vermischt wird. Die Umluft 4 wird über den Auslaß 44 durch den Umluftventilator 41 ausgeblasen.

Bild 8: Eine kompakte Anordnung der Komponenten des Abgaswandlers in Draufsicht. Heißgaskühler (HGK) 1, Wasserkondensationskühler (WKK), 2 und 3, und Luftkondensationskühler (LKK), 4 und 5, sollen möglichst wenig Grundfläche beanspruchen.

Bild 9: Betrieb des Abgaswandlers (AGW) 6 im Zusammenwirken mit Zeolith-Wärmetransformatoren (3 und 4), von denen jeweils der eine in Adsorption und der andere in Desorption betrieben wird. Der Kamin- Multiplexer 2 schaltet das direkt vom Kessel 1 kommende heiße Abgas jeweils auf diejenige Zeolith- Einheit 3 oder 4, die sich im Desorptionsbetrieb befindet, und das über die andere Einheit 4 bzw. 3 zu rück kommende Kaminabgas auf den Kamin 9. Der AGW-Multiplexer 5 schaltet das entweder über den Strang 13 oder den Strang 14 ankommende Kesselabgas auf den Eingang 11 des AGW 6 und verbindet den Ausgang 12 des AGW mit dem jeweils anderen Strang 14 bzw. 13.

Bild 10: Der Kamin-Multiplexer 2 aus Bild 9. Die dargestellte offene Stellung der Klappen 21 und 22 schaltet das Kesselabgas 1 auf die Zeolith-Einheit 3 und das über die Zeolith-Einheit 4 zurückkommende Kaminabgas in den Kamin 9. Eine Umschaltung aller Klappen vertauschen die jeweiligen Funktionen der Zeolith-Einheiten 3 und 4.

Bild 11: Der AGW-Multiplexer 5 aus Bild 9. Die dargestellten offenen Klappen 51 und 52 verbinden die Zeo lith-Einheit 3 mit dem Eingang 11 und die Zeolith-Einheit 4 mit dem Ausgang 12 des Abgaswandlers 6. Eine Umschaltung aller Klappen vertauschen die jeweiligen Funktionen der Zeolith-Einheiten 3 und 4.

Claims

1. Mehrstufiges Verfahren zur Rückgewinnung der fühlbaren und latenten Wärmeenergie des Abgases eines Kessels (oder einer Kraftheizung oder einer Brennstoffzelle), dadurch gekennzeichnet, daß

(1) in einem dem Kessel nachgeschalteten Heißgaskühler (HGK) einerseits das heiße Kesselabgas durch kontrollierten Wärmeübertrag auf das Heizungswasser (Rücklauf oder Vorlauf) und/oder auf das Ka minabgas, welches aus dem ursprünglichen Kesselabgas durch Abkühlung und weitgehende Auskon densation der Feuchtigkeit mit nachfolgender Wiederaufheizung im Gegenstrom und gezielter Vermi schung mit Fremdluft entsteht, ohne Unterschreitung des Abgastaupunktes soweit abgekühlt wird, daß die nachfolgenden Anlagenteile temperaturbegrenzte Kunststoffe als Werkstoff verwenden können, und andererseits das Kaminabgas mindestens soweit wieder aufgeheizt wird, daß die Temperatur- und die Druckbedingung eines Kamins nach DIN 4705 sicher erfüllt werden, und
(2) in einem anschließenden Wasser-Kondensationskühler (WKK) das Potential der auf den Heizungs rücklauf übertragbaren Kondensationswärme ausgenutzt wird, und
(3) in einem abschließenden Luft-Kondensationskühler (LKK) der niedertemperaturige Anteil der Kon densationswärme des Abgases durch Wärmetausch mit Kellerluft oder Frischluft und Rückwärmung des im Gegenstrom zurückgeführten entfeuchteten Abgases noch in fühlbare Wärme umgesetzt wird.

2. Abgaswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Hinblick auf die bloße Erfüllung der ge setzlichen Anforderungen der 1. BlmSchV an die Beschaffenheit des Abgases nur die Verfahrensschritte (1) und (3) des Anspruches 1 realisiert sind.

3. Abgaswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in ihm nicht nur Fremdluft zur Konditionie rung des Abgases sondern zusätzlich auch Warmluft zur Beheizung und Belüftung von Räumen und/oder zur Nutzung als Brennerluft erzeugt wird.

4. Abgaswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß er für den Betrieb einer kondensationsfreien "Nutzungsseitigen Wärmerückgewinnung aus Abgas" (NWA, 131) ausgelegt ist.

5. Abgaswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck im Kamin durch einen Dach ventilator am Schornsteinende erzeugt wird und somit der Wärmeübertrag auf das Kaminabgas, - soweit er zum Zwecke der Einhaltung der (thermischen) Druckbedingung nach DIN 4705 nötig wäre -, entfallen kann. Der Dachventilator ersetzt im Zusammenhang des Abgaswandlers den Abgasventilator und verringert den jetzt nur noch zur Einhaltung der Temperaturbedingung notwendigen Fremdluftanteil des Kaminabgases.

6. Abgaswandler mit Dachventilator nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der besonderen inhärenten physikalisch chemischen Eigenschaft des nur noch lauwarmen und trockenen Kaminabgases die elektrische Zuleitungen (Stromversorgung und gegebenenfalls Steuer- und Fühlerleitungen) im Kamin selbst verlegt werden.

7. Abgaswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine noch weitergehende Entfeuchtung und eine Wiederaufheizung des Abgases durch einen Wärmetransformator (Zeolith-Entfeuchter) bewirkt wird, der durch die Einbindung einer Klappensteuerung (Multiplexer) abwechselnd vom vorentfeuchteten Abgas und dann zur Regeneration vom heißen Kesselabgas durchströmt wird.

8. Kombinierter Wasser-Gas und Gas-Gas Wärmeübertrager (WüT) als Heißgaskühler (HGK) im Sinne von Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch eine konstruktiv eingestellte eingeschränkte Wärmelei tung zwischen dem das heiße Gas führenden Kesselabgasrohr und den Kühlwasserleitungen eine Tau punktsunterschreitung im Kesselabgasrohr vermieden wird.

9. Heißgaskühler nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die konstruktiv eingestellte Wärmeleitung zwischen Kesselabgasrohr und Kühlwasserleitung insbesondere dadurch erreicht wird, daß der diese verbin dende Wärmestrom über eine außen am Kesselabgasrohr angebrachte Rippe geführt wird, an deren Ende sich das Kühlrohr befindet.

10. Heißgaskühler nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die konstruktiv eingestellte Wärmeleitung zwischen Kesselabgasrohr und Kühlwasserleitung insbesondere dadurch erreicht wird, daß der diese verbin dende Wärmestrom über eine vorgegebene Strecke auf dem Mantel eines das Kesselabgasrohr koaxial um gebenden Kühlrohres geführt wird, welches über metallische Verbindungsstücke an das Kesselabgasrohr mechanisch und thermisch ankoppelt.

11. Wasser-Abgas WüT als Wasser-Kondensationskühler (WKK) im Sinne von Anspruch 1 dadurch ge kennzeichnet, daß er als U-förmig gefalteter Rohrbündelwärmetauscher aus handelsüblichen Abwasser- oder Kanalrohren und -formteilen als Mantel und aus Heizungsrohren aus Kunststoff (PP oder PE) als innere Kühl rohre ausgeführt ist.

12. Wasser-Kondensationskühler nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Kühlroh ren, die Heizungsrücklaufwasser führen, in einem weiteren Rohr entfeuchtetes Abgas im Gegenstrom zum Kesselabgas zur (weiteren) Wiederaufheizung geführt wird.

13. Wasser-Kondensationskühler nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserkühlung (teilweise oder vollständig) innerhalb eines Sekundärkreises erfolgt und dadurch die Kühlrohre weder druck fest noch sauerstoffdicht sein müssen.

14. Wasser-Kondensationskühler nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einem Speicherbehälter der Wärmeübertrag vom Sekundärkreis auf den eigentlichen Heizungskreis mit seinen an geschlossenen Heizkörpern auch außerhalb der Brennerlaufzeiten erfolgt und insbesondere während der länger andauernden nächtlichen Ausschaltzeit niedertemperaturige Wärme auf die dann brachliegenden Heizkörper übertragen wird.

15. Gas-Gas WüT als Luftkondensationskühler (LKK) im Sinne von Anspruch 1 als (beispielsweise) U- förmig gefalteter spezieller Rohrbündel- WüT dadurch gekennzeichnet, daß das ankommende Kesselabgas

(1) zunächst im ersten Abschnitt, dem "Fremdluftkühler", den höherexergetischen Teil seines Wärmeinhal tes im Gegenstrom an Umgebungs- oder Frischluft überträgt, wobei durch die Dimensionierung eine möglichst hohe Austrittstemperatur der Kühlluft angestrebt wird, da diese in definierter Menge zur Ver dünnung und Erhöhung der Wärmekapazität dem Kesselabgas als Fremdluft zugeführt wird, und
(2) dann in einem zweiten Teil, dem Umluftkühler, seine verbleibende fühlbare und latente Wärme direkt an die Umgebung überträgt, und
(3) schließlich als abgekühltes und weitgehend entfeuchtetes Abgas am Ende des LKK in ein innen liegendes Rohr eingesaugt wird und im Gegenstrom durch den gesamten Apparat zurückgeführt wird, dadurch wie der erwärmt wird, und schließlich mit der im Fremdluftkühler erwärmten Luft verdünnt wird.

16. Luftkondensationskühler (LKK) nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß aus Kostengründen zur Einsparung eines Ventilators der eigenständige Kühlkreis "Umluftkühler" weggelassen wird, und die Fremd luft- Rohrleitungen durch den gesamten LKK geführt werden.

17. Luftkondensationskühler (LKK) nach Anspruch 15 oder 16 dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmte Kühlluft zur Heizung oder Lüftung an anderer Stelle eingesetzt wird.