DE2927161C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Wassererhitzung durch Wärmerückgewinnung aus den Abgasen eines Heizungskessels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wassererhitzung durch Wärmerückgewinnung aus den Abgasen eines gas- oder ölbefeuerten Heizungskessels, bei dem mindestens ein Teil des zulaufenden Wassers durch Wärmetausch in einem im Abgaskanal des Heizungskessels angeordneten Wärmetauscher mit den Abgasen vorgewärmt wird, und bei dem der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter gesteuert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einem Heizkessel, mit einem diesem nachgeschalteten, vom Wasser durchflossenen und von den Abgasen durchströmten Wärmetauscher, der einen Bypasskanal mit einer in ihm angeordneten, steuerbaren Umlenkklappe und einen Durchgangskanai durch seine wärmetauschenden Flächen zum Umlenken der Abgase bzw. eines Teils der Abgase durch die wärmetauschenden Flächen -lufweist.

Aus dem DE-GM 77 21 822 ist eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Restwärme eines Abgases bekannt, das durch einen Abgaszug geführt wird. Zur Wärmeübertragung dient dabei ein Wärmetauscher, der an den Abgaszug anschließbar ist. Mittels einer im Abgaszug angeordneten Umschaltklappe läßt sich der Anteil der durch den Wärmetauscher strömenden Abgase variieren. Die Steuerung der Umschaltkiappe erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur des Wassers in dem Warmwasserspeicher, das durch den Wärmeaustausch mit den heißen Abgasen erwärmt wird. Zur Ermittlung der Wassertemperatur in dem Speicher dient ein Temperaturfühler, der einen Stellmotor zum Schwenken der Umschaltklappe betätigt. Eine solche Steuerung ist relativ träge, da sie über Meßwerte erfolgt, die relativ weit hinter der Feuerungsseite liegen.

Ferner ist nach dem DE-GM 75 22 454 ein Wärmetauscher für den Rücklauf bei Sammelheizungskesseln mit im Abstand voneinander auf die Abgasrohrabschnitte aufgeschweißten Ringkammern bekannt, die durch in ringförmig angeordneten Bohrungen eingeschweißte Wärmespeicherrohre verbunden sind. Das in dem Wärmetauscher zu erwärmende Wasser wird durch ein Einlaufrohr in die erste Ringkammer eingeleitet und aus einem Auslaufrohr aus der zweiten Ringkammer abgeführt. In Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher ist in dem Querschnitt des Abgasrohrs eine

Verschlußklappe angeordnet Der Wärmetauscher wird in ailen Betriebszuständen von der Gesamtheit der Abgase durchströmt Die Verschlußklappe, die der einzige verstellbare Teil der Anlage ist, wird durch einen Elektromagneten sowie ein Zeitrelais betätigt Die Steuerung des Elektromagnet sowie des Zeitrelais erfolgt Ober einen Kessel thermostaten. Auch bei diesem Wärmetauscher ist die Steuerung relativ träge und leistet keinen Beitrag für ein optimales Arbeiten des brennerseitigen Anlagenteils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art in der Weise weiterzubilden, daß die Steuerung des Wärmetauschs ausschließlich oder vorwiegend über Meßwerte erfolgt die der Feuerungsseite entnommen werden, um ein optimales Arbeiten der Befeuerung zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß der Querschnitt des Abgaskanals hinter dem Wärmetauscher und der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases zumindest während des Brennerbetriebes in Abhängigkeit von der Druckhöhe in der Brennkammer so gesteuert werden, daß bei steigender Druckhöhe der Abgasquerschnitt hinter dem Wärmetauscher größer und der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases kleiner wird, während bei fallender Druckhöhe der Abgasquerschnitt hinter dem Wärmetauscher kleiner und der Anteil der den Wärmetauscher durchströmenden Abgase größer wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also die Größe des Querschnitts des Rauchgasabzuges hinter dem Wärmetauscher sowie auch der Anteil des durch die wärmetauschenden Flächen des Wärmetauschers strömenden Abgases variiert werden. Dieses Verfahren gewährleistet ein optimales Arbeiten des brennerseitigen Anlagenteils, der den Wirkungsgrad einer Kesselanlage weitestgehend bestimmt Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere die Anfahrphasc sehr gut beherrscht werden und schließlich ist dieses Verfahren sehr flexibel, da es Meßwerte zur Steuerung heranzieht, die vor dem Wärmetauscher liegen.

Eine weitere Merkmalskombination der Erfindung besteht darin, daß in der Anfahrphase und bei Heizkesseln mit Nachlüftung auch in der Abschaltphase des Brenners der Abgasquerschnitt hinter dem Wärmetauscher voll geöffnet und der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases soweit wie möglich verkleinert wird. In der Anfahrphase steht somit den Rauchgasen der geringstmögliche Strömungswiderstand entgegen, so daß der bei der Brennstofffreigabe erzeugte Druckanstieg, der vom Brenner überwunden werden muß, sich nicht nur schnell abbauen kann, sondern wesentlich niedrigere Werte erreicht als bei den herkömmlichen Methoden. Die Gefahr, daß unzuläßlich hohe Drücke in der Brennkammer entstehen und somit der mit dem Brenner verbundene Druckwächter anspricht und den Brenner ausschaltet, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren völlig unterbunden. Auch das Rußen bei ölfeuerungen in diesen kritischen Zuständen wird vermieden.

Bei Stillstand des Brenners kann der Abgasquerschnitt geschlossen werden. Dadurch wird verhindert daß die Brennkammer sowie der Wärmetauscher über den Kamin auskühlen.

Es können somit die Stillstandszeiten verlängert und die Brennzeiten verkürzt werden.

Alternativ können die Querschnitte des Abgaskanals hinter dem Wärmetauscher und durch die wärmetauschenden Flächen des Wärmetauschers zumindest während des Brennerbetriebs in Abhängigkeit von der Restsauerstoffmenge in der Brennkammer gesteuert werden. Auch durch diese Maßnahme wird ein optimales Arbeiten des brennerseitigen Anlagenteils erzielt

Zusätzlich können noch Sicherungen vorgesehen sein, die beispielsweise eine Taupunktunterschreitung im Kamin oder eine Überhitzung in der Brennkammer vermeiden. So kann beispielsweise durch einen Temperaturfühler im Kamin der Abgasquerschnitt unabhängig vom Feuerungsdruck bzw. vom Regelprogramm oder der gemessenen Restsauerstoffmenge aufgefahren werden, um die Temperatur im Kamin wieder anzuheben, wenn die Kamintemperatur den unteren Grenzwert erreicht Ferner kann zwischen der Kesselanlage und dem Wärmetauscher ein weiterer Temperaturfühler vorgesehen sein, über den bei Erreichen eines eingestellten oberen Grenzwertes der Abgasquerschnitt weiter aufgefahren wird.

Die Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 5 zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet daß hinter dem Wärmetauscher eine einstellbare Drosselklappe angeordnet ist und daß ein die Umlenkklappe und die Drosselklappe in Abhängigkeit von der Druckhöhe in der Brennkammer beeinflussendes Steuergerät vorgesehen ist.

Vorzugsweise ist der Wärmetauscher ringförmig und konzentrisch zum Abgaskanal ausgebildet und weist einen in axialer Richtung liegenden Innenmantel und Außenmantel auf.

Der Innenmantel und der Außenmantel können an ihren Außenflächen von je einem inneren und äußeren Ringkanal umgeben sein, durch den das vorzuwärmende Wasser strömt

Der innere Ringkanal ist zweckmäßig von einem Innenrohr begrenzt, dessen Querschnitt etwa dem Abgaskanal entspricht wobei die Umlenkklappe im Innenrohr angeordnet ist

An den Innenflächen des Innen- und Außenmantels können axial angeordnete Stege vorgesehen sein, die den Wärmeübergang verbessern.

Der Wärmetauscher kann über kegelstumpfförmige Anschlußstücke mit dem Abgaskanal verbunden sein. Dadurch kann nicht nur der Wärmetauscher bequem mit dem Abgaskanal verbunden werden, sondern aufgrund der Querschnittserweiterung im Bereich des Wärmetauschers wird die Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase reduziert und dadurch die Wärmeausnutzung verbessert

Die Anschlußstücke und der Abgaskanai bestehen vorzugsweise aus einem Doppelmantel, wobei der Innenmantel als Lochblech ausgebildet und in dem Doppelmantel ein hochhitzebeständiges Dämmaterial angeordnet ist Dadurch wird nicht nur eine bessere Wärmeisolierung erreicht sondern es wird auch eine sehr gute Schalldämpfung erzielt

Die Umlenkklappe und die Drosselklappe können miteinander verbunden sein, so daß jeder Stellung der einen Klappe eine Stellung der anderen Klappe zugeordnet werden kann.

Beispielsweise im Anfahrzustand oder auch bei der Nachlüftung stehen beide Klappen in axialer Richtung zur Rauchgasströmung, um den Rauchgasen einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen. In der Feuerungsphase, in der ein geringerer Druck in der Brennkammer herrscht als beispielsweise bei der Brennstofffreigabe in der Anfahrphase (Anfahrstoß), steht die Umlenkklappe beispielsweise senkrecht zur

Rauchgasströmungsrichtung, so daß das gesamte Rauchgas durch den Wärmeaustauscher geleitet wird, während die Drosselklappe etwa in einem Winkel unter 45° im Rauchgasabzugsquerschnitt steht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise s veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch den Abgaskanal mit zwischengeschaltetem Wärmetauscher,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II aus Fig. 1.

Aus einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kesselanlage führt ein Abgaskanal 1 heraus, durch welchen die Rauchgase in Richtung des Pfeils 2 strömen. An das Ende dieses rohrförmigen Abgaskanals 1 ist ein kegelstumpfförmiges Anschlußstück 3 angeflanscht dessen erweitertes Ende mit der Eingangsseite 4 eines ringförmigen Wärmetauschers 5 verbunden ist. An die Ausgangsseite 6 des Wärmetauschers 5 schließt sich ein entgegengesetzt kegelstumpfförmiges weiteres Anschlußstück 7 an, dessen Ausgangsende 8 den gleichen Durchmesser aufweist wie der Abgaskanal 1. An das Ausgangsende 8 des Anschlußstücks 7 schließt sich ein kurzes zylindrisches Zwischenstück 9 an, in welchem eine Drosselklappe 10 gelagert ist. An das Zwischenstück 9 schließt sich dann ein weiterer Abgaskanal 11 an, durch welchen die Rauchgase in Richtung des Pfeils 12 in den in der Zeichnung nicht dargestellten Kamin gelangen.

Der ringförmige Wärmetauscher 5 weist ein Innenrohr 13 auf, dessen Durchmesser etwa so groß ist wie der Durchmesser der Abgaskanäle 1 und 11. In diesem Innenrohr 13 ist eine Umlenkklappe 14 gelagert, die den freien Durchgangsquerschnitt verschließen kann, so daß die Rauchgase durch den das Innenrohr 13 umgebenden Wärmetauscher 5 geleitet werden.

Der Wärmetauscher 5 besteht im wesentlichen aus einem Doppelmantel, an dessen Innenmantel 15 und Außenmante! 16 sich je ein Ringkanal 17 bzw. 18 anschließt, durch den das vorzuwärmende Wasser strömt. Das vorzuwärmende Wasser wird durch einen oberen Einlaßstutzen 19 in den äußeren Ringkana! 18 eingeleitet und durch einen unteren Auslaßstutzen 20 abgeführt Der innere Ringkanal 17 ist mit dem äußeren Ringkanal 18 über radiale Kanäle 31 verbunden, so daß das vorzuwärmende Wasser beide Ringkanäle durchströmt

Der Doppelmantel 15,16 wird von den Rauchgasen in axialer Richtung durchströmt Zur Erhöhung des Wärmeübergangs sind an der Außenfläche des Innenmantels 15 und an der Innenfläche des Außenmantels 16 radial vorspringende, sich gegenseitig überlappende Stege 21 vorgesehen, die sich in axialer Richtung durch den Ringraum 22 zwischen dem Doppelmantel 15, 16 erstrecken.

Die kegelstumpfförmigen Anschlußstücke 3 und 7 sowie die Abgaskanalabschnitte 1,9 und 11 bestehen aus Doppelmänteln, wobei der Innenmantel als Lochblech 23 ausgebildet und der Innenraum zwischen den beiden Mänteln mit hochhitzebeständigem Dämmaterial 24 gefüllt ist, so daß eine gute Wärme- und Schallisolierung gewährleistet ist

Die Umlenkklappe 14 und die Drosselklappe 10 sind über ein Gestänge 25 zwangsgeführt, das gelenkig mit einem an der Drosselklappe 10 befestigten längeren Hebel 26 und einem an der Umlenkklappe 14 befestigten kürzeren Hebel 27 verbunden ist Jeder Stellung der Drosselklappe 10 ist also eine bestimmte Stellung der Umlenkklappe 14 zugeordnet

Im Betrieb werden die gemessenen Druckwerte aus der Brennkammer einem Steuergerät 28 zugeführt, über welches der Antrieb 29 der Drosselklappe 10 betätigt wird. Bei steigendem Brennkammerdruck wird die Drosselklappe 10 weiter aufgefahren, während bei fallendem Brennkammerdruck die Drosselklappe mehr und mehr zugefahren wird. Beim Zufahren der Drosselklappe wird gleichzeitig die Umlenkklappe 14 mehr und mehr zugefahren, so daß dadurch eine immer größere Rauchgasmenge durch den Wärmetauscher 5 gelenkt wird. Bei sehr geringem Brennkammerdruck wird die Drosselklappe 10 in eine Stellung von etwa 45° zur Abgaskanalachse gefahren. Dieser Arbeitsstellung der Drosselklappe 10 entspricht eine Arbeitsstellung der Umlenkklappe 14, in welcher diese etwa senkrecht zur Durchlaufachse steht und den freien Querschnitt des Innenrohrs 13 versperrt. Bei dieser Klappenstellung wird nahezu die gesamte Rauchgasmenge durch den Wärmetauscher 5 geleitet. Wenn der Druck in der Brennkammer, aus welchen Gründen auch immer, dann wieder ansteigt, wird die Drosselklappe 10 wieder weiter aufgefahren, wodurch auch zwangsläufig das Innenrohr 13 wieder teilweise freigegeben wird, so daß ein größerer Teil der Rauchgase nicht durch den Wärmetauscher 5 zu strömen braucht, wodurch den Rauchgasen folglich ein geringerer Widerstand entgegengesetzt wird.

Beim Anfahren des Brenners oder beispielsweise auch beim Nachlüften werden beide Klappen 10 und 14 in eine horizontale Stellung gefahren, bei der die Rauchgase mit geringstmöglichem Widerstand abströmen können.

Bei Brennerstillstand wird die Drosselklappe 10 völlig zugefahren, wobei sie in einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Ebene steht.

Ferner kann ein Temperaturfühler 32 vor dem Wärmetauscher 5 und ein Temperaturfühler 30 hinter dem Wärmetauscher zur Überwachung der Stauwärme bzw. des Taupunktes im Kamin vorgesehen sein. Wenn die Stauwärme zu hoch bzw. die Temperatur im Kamin zu niedrig vird und sich allmählich dem Taupunkt nähert, wird die Drosselklappe HO unabhängig vom Druck in der Brennkammer bzw. einem sonstigen Regelprogramm aufgefahren.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, bei der Vorrichtung anstelle des Steuergerätes 28, das die Stellung der Umlenkklappe 14 und der Drosselklappe 10 in Abhängigkeit vom Brennkammerdruck beeinflußt einen anderen Steuermechanismus vorzusehen, der eine gleiche oder ähnliche Wirkung zeigt Beispielsweise könnte ein Programmsteuerungsschaltwerk verwendet werden, in welches ein errechnetes oder durch Versuchsmessungen ermitteltes Programm eingegeben wird. Alternativ kann auch ein Steuergerät verwendet werden, das auf Werte anspricht, die durch eine Restsauerstoffmessung in der Brennkammer ermittelt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wassererhitzung durch Wärmerückgewinnung aus den Abgasen eines gas- oder ölbefeuerten Heizungskessels, bei dem mindestens ein Teil des zulaufenden Wassers durch Wärmetausch in einem im Abgaskanal des Heizungskessels angeordneten Wärmetauscher mit den Abgasen vorgewärmt wird, und bei dem der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Abgaskanals hinter dem Wärmetauscher und der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases zumindest während des Brennerbetriebes in Abhängigkeit von der Druckiiöhe in der Brennkammer so gesteuert werden, daß bei steigender Druckhöhe der Abgasquerschnitt hinter dem Wärmetauscher größer und der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases kleiner wird, während bei fallender Druckhöhe der Abgasquerschnitt hinter dem Wärmetauscher kleiner und der Anteil der den Wärmetauscher durchströmenden Abgase größer wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anfahrphase und bei Heizkesseln mit Nachlüftung auch in der Abschaltphase des Brenners der Abgasquerschnitt hinter dem Wärmetauscher voll geöffnet und der Anteil des durch den Wärmetauscher strömenden Abgases soweit wie möglich verkleinert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stillstand des Brenners der Abgasquerschnitt geschlossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte des Abgaskanals hinter dem Wärmetauscher und durch den Wärmetauscher zumindest während des Brennerbetriebs in Abhängigkeit von der Restsauerstoffmenge in der Brennkammer gesteuert werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Heizkessel, mit einem diesem nachgeschalteten, von Wasser durchflossenen und von den Abgasen durchströmten Wärmetauscher, der einen Bypasskanal mit einer in ihm angeordneten, steuerbaren Umlenkklappe und einen Durchgangskanal durch seine wärmetauschenden Flächen zum Umlenken der Abgase bzw. eines Teils der Abgase durch die wärmetauschenden Flächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Wärmetauscher (5) eine einstellbare Drosselklappe (10) angeordnet ist und daß ein die Umlenkklappe (14) und die Drosselklappe (10) in Abhängigkeit von der Druckhöhe in der Brennkammer beeinflussendes Steuergerät (28) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) ringförmig und konzentrisch zum Abgaskanal (1) ausgebildet ist und einen in axialer Richtung liegenden Innenmantel (15) und Außenmantel (16) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel (15) und der Außenmantel (16) auf seinen Außenflächen von je einem inneren und äußeren Ringkanal (17, 18) umgeben sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ringkanal (17) von einem Innenrohr (13) begrenzt ist, dessen Querschnitt etwa dem Abgaskanal (1, 11) entspricht und daß die Umlenkklappe (14) im Innenrohr (13) angeordnet ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß an den Innenflächen des Innen- und Außenmantels (15,16) axial angeordnete Stege (21) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) über kegelstumpfförmige Anschlußstücke (3, 7) mit dem Abgaskanal (1,11) verbunden ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstücke (3, 7) und der Abgaskanal (1, 11) aus einem Doppelmantel bestehen, wobei der Innenmantel als Lochblech (23) ausgebildet und in dem Doppelmantel ein hochhitzcbeständiges Dämmaterial (24) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis U, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkklappe (14) und die Drosselklappe (10) miteinander verbunden sind.