DE2929810A1

DE2929810A1 - Einrichtung zur waermerueckgewinnung aus abgas sowie waermetauschelement hierfuer

Info

Publication number: DE2929810A1
Application number: DE19792929810
Authority: DE
Inventors: Helmut Fuchs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-23
Filing date: 1979-07-23
Publication date: 1981-02-19
Also published as: EP0023317A1; JPS5653386A

Description

PATENTANWALTSBÜRO ■■

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Herr Patentanwälte

MoIm₁₁₊- BWfce R.-A. KÜHNEN*, DIPL.-ING.

neimut rucns W. LUDERSCHMIDT**, dr.. dipl.-ciiem

P.-A. WACKER*, DIPL.-ING.. DIPL.-WIRTSCH.-ING.

8391 Kellberg

11 FU07 02 2/ko

Herr

Dr. Franz Pree

8391 Kellberg

Herr
Klaus Zinn

6000 Frankfurt

Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Abgas sowie Wärmetauschelement hierfür

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Abgas, sowie ein für die Einrichtung besonders geeignetes Wärmetauschelement.

Heiße Abgase wie Rauchgase aus Haushaltungsbrennern oder dgl. entweichen durch den Kamin in die Umgebung. Dabei werden die Wände des Kamins aufgeheizt, jedoch verlieren die Abgase dabei nur einen gewissen Teil ihrer Wärmemenge, die überdies auch noch weitestgehend ungenutzt ist, da die Erwärmung des Kamins in der Regel kaum Nutzen bringt. Die Restenergie der Abgase geht in die Umgebung verloren.

• Dies ist in gewissem Umfange unvermeidlich, da die in der

BltROfcW OBERURSEL** BÜRO «050 FREISING* ZWEIGBÜRO 83« PASSAU

l.INPENSTRASSE 10 SCHNF.CCSTRASSE J-5 I.UPW1GSTRASSE 2

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Regel mit über 200 C in den Kamin eintretenden Abgase auch am oberen Kaminauslaß noch eine gewisse Ubertemperatur haben sollen, um einen einwandfreien Zug des Kamins zu gewährleisten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß hierfür eine Abgastemperatur von oft weit über 100⁰C, wie diese häufig am Kaminausgang vorliegt, nicht erforderlich ist, sondern an sich eine durchaus stärkere Absenkung der Austrittstemperatur der Abgase erfolgen könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus heißen Abgasen zu schaffen, die sich insbesondere für übliche Wohnhauskamine eignet und mit der ohne Beeinträchtigung eines einwandfreien Abgasabzuges ein erheblicher Teil der in den Abgasen enthaltenen Wärmeenergie zurückgewonnen werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Durch Verwendung eines Wärmetauschers mit einem Wärmetauschfluid gibt das Abgas Wärmeenergie an das Wärmetauschfluid ab, welches die Übernommene Wärmemenge an einen geeigneten Wärmeverbraucher insbesondere innerhalb des Hauses weitergeben kann. Auch bei vergleichsweise geringer Aufheizung des Wärmetauschfluides, wie sie zur Optimierung der Wärmeübergangsbedingungen anzustreben ist, kann etwa mittels einer Wärmepumpe eine durchaus erhebliche Energiemenge auf diese Weise rückgewonnen werden. Damit die Abgasströmung im Kamin oder dgl. durch den Wärmetauscher trotz optimaler Wärmeübergangsbedingungen nicht nachhaltig gestört wird und dennoch eine große Wärmeübergangsfläche zur Verfügung steht, ist der Wärmetauscher bevorzugt mit einem hohlzylindrischen Mantel ausgebildet und stellt somit gewissermaßen einen hohlzylindrischen Einsatzkörper im Inneren des Kamins dar, derart, daß der Innen-

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raum des Mantels für einen Abgasdurchtritt ohne störende Umlenkungen zur Verfügung steht. Das Wärmetauschfluid wird entweder im Gegenstrom oder im Gleichstrom an der Oberseite und der Unterseite des Mantels eingeführt bzw. abgezogen und kann beispielsweise nach Durchlauf durch eine Wärmepumpe wieder in den Kreislauf eingeführt werden. Selbstverständlich kann das umlaufende Wärmetauschfluid auch für einen Heizungskreislauf, £iiT Brauchwasser-Erwärmung, als Schwimmbadheizung oder dgl. verwendet werden.

Über die Größe der Wärmetauschfläche oder über die Steuerung der Menge, der Geschwindigkeit und der Durchlaufrichtung des Wärmetauschfluids kann die von den Abgasen auf das Wärmetauschfluid Übergehende Wärmemenge derart eingestellt werden, daß sich ein noch ausreichender Zug des Kamins ergibt; die Erfahrung zeigt, daß trotz erheblicher Wärmeabgabe an das Wärmetauschfluid ein ausreichender Kaminzug aufrechterhalten werden kann. Dieser Kaminzug kann unterstützt werden durch Luftleitelemente im Kamin bzw. im Mantel des Wärmetauschers, welche der Abgasströmung einen Drall erteilen, der sich widerstandsmindernd auf die Abgasströmung im Kamin auswirkt und die Austrittsgeschwindigkeit der Abgase erhöht. Derartige, flossenartige Luftleitelemente können zugleich zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche dienen, wenn sie selbst gut wärmeleitend und auf gut wärmeleitende Weise mit dem Mantel verbunden sind. So können Mantel und Luftleitelemente beispielsweise aus V2A-Stahl bestehen.

Insbesondere beim Betrieb eines Ölkessels für eine Haushaltsheizung ist der Brenner nur in bestimmten Intervallen in Betrieb. Wenn das Wärmetauschfluid nach Abschaltung des Brenners im Wärmetauscher verbleibt, so kühlt es insgesamt ab und muß bei erneutem Anlauf des Brenners wieder voll aufgeheizt werden, bevor nennenswert Nutzenergie entzogen werden

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kann. Um dies zu vermeiden, kann erfindungsgemäß eine vorzugsweise vom Brenner aus gesteuerte Entleerung des Wärmefiauschfluides im Wärmetauschkreis in einen möglichst gut wärmeisolierten Zwischenspeicher erfolgen, wenn der Brenner abschaltet, wobei das Wärmetauschfluid wieder in den Wärmetauschkreis zurückgepumpt wird, wenn der Brenner erneut in Betrieb genommen wird. Dadurch kann das noch warme Wärmetauschfluid beim Wegfall der Abgasströmung im Zwischenspeicher gewissermaßen wärmegeschützt auf Temperatur gehalten werden und mit nur geringem Temperaturrückgang wieder für den Wärmetausch zur Verfügung gestellt werden, wenn der Brenner erneut arbeitet. Durch entsprechende Ventilsteuerung bzw. Pumpenansteuerung vom Brenner her kann diese EntleeEung und erneute Befüllung des Wärmetauschkreises bedienungsfrei automatisiert werden.

Besonders vorteilhaft besteht der Wärmetauscher aus einzelnen Wärmetauschelementen, die baukastenartig zusammengesetzt und im Kamin übereinander gestapelt werden können, wobei eine Verbindung jedenfalls über die Anschlüsse für das Wärmetauschfluid erfolgt. Auf diese Weise kann eine weitestgehende Vorfertigung standardisierter Wärmetauschelemente erfolgen, die den jeweiligen Verhältnissen des Einzelfalles entsprechend in unterschiedlicher Anzahl in den Kamin eingesetzt werden können.

Neben der Wärmerückgewinnung hat die Absenkung der Temperatur der Abgase am Kaminaustritt den weiteren Vorteil, daß bei der verminderten Temperatur Schadstoffe wie etwa Kohlenoxide verstärkt ausfallen und so nicht erst in die Umgebung ausgetragen werden. Durch Einsatz des Wärmetauschers mit hohlzylindrischem Mantel beispielsweise aus V2A-Stahl erhält die Innenoberfläche des Kamins eine glatte Oberflächenbeschaffenheit, so daß aus den Abgasen ausfallende und sich an diesen Oberflächen niederschlagende Stoffe nach

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unten ablaufen und dort abgefangen werden können, oder aber jedenfalls sehr leicht durch Reinigung wieder zu beseitigen sind.

Ebenfalls besonders vorteilhaft kann jedoch der Wärmetauscher auch aus einem oder mehreren Spiralrohren bestehen, die mit ihren Windungen eng aneinanderliegend in der Form eines Spiralrohres gebogen sind. Durch die höhere Formstabilität solcher Spiralrohre können bei gegebenen Drücken des Wärmetauschfluids dünnere Wandstärken eingesetzt und damit die Wärmeübergangsbedingungen weiter verbessert werden. Wenn die einzelnen Windungen rechteckförmigen Querschnitt besitzen, so ergibt sich dadurch eine im wesentlichen fugenlose Innenflache des Spiralrohres mit guten Wärmeübergangsbedingungen. Eine Aufteilung des Wärmetauschers in einzelne Wärmetauschelemente kann entfallen, da das Spiralrohr "endlos" vorgefertigt und an Ort und Stelle auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden kann.

Für die Montage kann ein Spiralrohr mit einem gewissen Durchmesser im ungespannten Zustand durch Verdrehen der Windungen im Durchmesser verringert und in dieser verdrehten und gespannten Form in den Kamin eingeführt werden, um Unregelmäßigkeiten des Kaminschachtes wie vorspringende Steine oder dgl. passieren zu können. Nach dem Loslassen entspannt sich die Spirale solange, bis sie satt an den Innenwänden des Kamins anliegt. Diese Ausführungsform des Wärmetauschers kann ebenso wie die aus Wärmetauschelementen zusammengesetzte Bauform auch für von der Kreisforra abweichende Querschnitte des Innenraumes des Kaminschachtes eingesetzt werden. Hierzu kann entweder ein kreisförmiger Querschnitt des Wärmetauschers gewählt und können die dabei verbleibenden freien Ecken des Kaminquerschnittes an der Ober- und Unterseite des Wärmetauschers in geeigneter Weise abgedeckt werden, oder aber es kann das Wärmetauschelement in seinem Quer-

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schnitt der Querschnittsform des Kaminschachtes in der Weise angepaßt werden, daß der Wärmetauscher mit seiner Außenseite im wesentlichen fugenlos an der Innenwand des Kamins anliegt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 teilweise schematisch vereinfacht einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung in einem Kamin,

Fig. 1a eine abgewandelte Ausführungsform in einer Darstellung gemäß Fig. 1,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie A-B in Fig. 1,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform eines Wärmetauschelementes in schematisch vereinfachter perspektivischer Darstellung,

Fig. 3a eine Fig. 3 entsprechende Teildarstellung eines

Wärmetauschers gemäß Fig. 1a und 25

Fig. 3b eine Einzelansicht einer Rohrwindung des Wärmetauschers gemäß Fig. 3a.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 gelangen heiße Abgase gemäß den dort eingezeichneten Pfeilen 1 aus einem Brenner beliebiger Bauart in den Schacht eines Kamines 2. Wie in Fig. 1 auf der linken Seite des Kamines 2 gestrichelt angedeutet ist, können die Abgase auch aus einem Feuer in einen offenen Kamin, oder aber aus jeder beliebigen anderen Quelle herrühren. Im Inneren des Kamins sind teilweise im Schnitt dargestellte Wärmetauschelemente 3 angeordnet. Jedes Wärmetauschelement 3 besitzt eine nur vergleichsweise geringe Höhe von bei-

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spielsweise etwa 1 m, und der gesamte Stapel an Wärmetauschelementen 3 bilden insgesamt einen Wärmetauscher 4. Hierzu sind die Wärmetauschelemente 3 an ihren mit 5 und 6 bezeichneten unteren und oberen Anschlüssen miteinander verbunden, so daß Wärmetauschfluid die Wärmetauschelemente 3 des Wärmetauschers 4 der Reihe nach durchströmen kann. Selbstverständlich können die Wärmetauschelemente 3 dabei auch so miteinander verbunden sein, daß ihre hohlzylindrischen Mäntel 7 eine durchgehende Innenwand bilden, die insbesondere bei einer Herstellung aus V2A-Stahl oder einem ähnlichen Werkstoff mit besonders glatter Oberfläche ein selbstätiges Ablaufen von niedergeschlagenen Schadstoffen od. dgl. ermöglicht.

Wie aus den Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Wärmetauschelemente 3 im Beispielsfalle in einem Doppelkamin 2 zu beiden Seiten eines Lüftungsschachtes 8 angeordnet. Der mit 9 bezeichnete Innenraum innerhalb des Mantels 7 ist dabei mit radial angeordneten Wärmeleitelementen 10 versehen, welche die Wärmetauschoberfläche vergrößern, ohne die Strömung der Abgase wesentlich zu behindern. Die Wärmetauschelemente 10 können beispielsweise als angeschweißte Flossen aus V2A-Stahl ausgebildet sein. Selbstverständlich kommen auch andere Möglichkeiten der Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche wie beispielsweise eine wellige Ausbildung der Innenwand des Mantels 7 od. dgl. in Betracht. Jedoch ergibt die dargestellte Anordnung dünner, flossenartiger, sich radial erstreckender Wärmeleitelemente den zusätzlichen Vorteil, daß die Wärmeleitelemente 10 zugleich auch als Luftleitelemente für die Abgase dienen können. Es hat sich gezeigt, daß der Zug im Kamin 2 und gleichzeitig der Wärmeübergang zum Wärmetauschfluid dadurch verbessert werden können, daß der Abgasströmung ein gewisser Drall um die Kaminlängsachse mitgeteilt wird. Ein solcher Drall kann dadurch erzielt werden, daß die flossenartigen Luft- bzw. Wärmeleitelemente 10 spiralförmig mit hoher Steigung an der Innenwand des Mantels 8 angeordnet

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sind, so daß sich ein ähnlicher Effekt wie bei einem sogenannten gezogenen Gewehrlauf ergibt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist anstelle der Luft- bzw. Wärmeleitelemente 10 ein einzelnes Wärmebzw. Luftleitelement 10a vorgesehen, welches als dünnes, die gesamte Öffnungsbreite des Innenraums des Mantels überspannendes Blech insbesondere ebenfalls aus V2A-Stahl ausgebildet ist und spiralförmig verwunden ist, so daß sich eine entsprechende geführte Drallströmung für die Abgase ergibt.

Wie insbesondere anhand der Darstellung in Fig. 2 klar wird, können die V/ärmetauschelemente 3 ohne weiteres eine solche Form erhalten, daß sie die herkömmlichen Stein- oder Schamotteinsätze in Kaminen ersetzen können, so daß sich eine entsprechende Kostensenkung beim

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Kaminbau und infolge der glatten Oberfläche eine weitgehende Wartungsfreiheit der Kamine ergibt, obwohl bereits im Kamin verschiedene Schadstoffe infolge der abgesenkten Austrittstemperatur neutralisiert oder gebunden und gegebenenfalls an den Innenflächen des Kamins niedergeschlagen werden. Durch den Aufbau des Wärmetauschers 4 aus einzelnen Wärmetauschelementen 3 ergibt sich die Möglichkeit einer weitestgehenden Vorfertigung jeweils gleicher Wärmetauschelemente 3 unabhängig von der Höhe des für den jeweiligen Kamin möglichen Einsatzkörpers. Die Wärmetauschelemente 3 können beispielsweise mit Autokranen auch in Kamine von Altbauten problemlos eingesetzt und dort montiert werden. Die Anschlüsse 5 und 6 können so gestaltet werden, daß etwa infolge der Verwendung von Automatikkupplungen oder dgl. ohne große Montagearbeiten lediglich ein Einsetzen der Wärmetauschelemente 3 übereinander für die Montage erforderlich ist, und nur das unterste Wärmetauschelement 3 in geeigneter Weise im Kamin unmittel bar verankert wird.

Im Falle einer Arbeit des Wärmetauschers 4 im Gleichstrom wird an den unteren Anschluß 5 des untersten Wärmetauschelementes 3 eine Zuflußleitung 12 und an den oberen Anschluß 6 des obersten Wärmetauschelementes 3 eine Abflußleitung 13 angeschlossen, die zu jedem geeigneten Wärmeverbraucher führen kann. Zum Durchpumpen des Wärmetauschfluides durch den Wärmetauscher 4 bzw. im Umlauf durch den Wärmetauschkreis ist eine Fluidpumpe 14 vorgesehen, durch die beispielsweise über ein Rückschlagventil 15 das Wärmetauschfluid wie Wasser über die Zuflußleitung 12 in das unterste Wärmetauschelement 3 eingepumpt werden kann.

Wenn beispielsweise der ölbrenner der Feuerung ausschaltet, so kommt die Abgasströmung zum Stillstand und wird keine nennenswerte Wärme mehr an das Wärmetauschf luid im Wärmetauscher 4 abgegeben. Im Gegenteil

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kühlt im Laufe der Zeit der Kamin 2 und damit auch der Wärmetauscher 4 mit dem Wärmetauschfluid aus. Wird sodann der Brenner wieder in Betrieb gesetzt, so muß zunächst das gesamte Wärmetauschfluid wieder auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt werden, was nicht nur zusätzliche Energie kostet, sondern auch funktionell insofern nachteilig ist, als das kalte Wärmetauschfluid vermehrt Wärmeenergie aufnimmt und somit die Abgasaustritts temperatur absenkt. Ist diese im quasi-stationären Betrieb auf einen gerade noch ausreichenden Zug des Kamins ausgelegt, so würde damit der ausreichende Zug des Kamins in der Anlaufphase gefährdet. Während nach längeren Stillständen des Brenners beispielsweise bei längerer Abwesenheit dieser Nachteil durch einen geeigneten Eingriff wie etwa eine Vorwärmung des Wärmetauschfluids, eine Änderung der Klappeneinstellung des Rauchgasabzugs oder dgl. ausgeglichen werden kann, ist dies für einen automatisierten Betrieb mit regelmäßiger An- und Abschaltung des Brenners nicht möglich.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Wärmetauschfluid im Wärmespeicher 4 bei Stillstand des Brenners in einen zwischenspeicher 16, der wärmeisoliert ist, abzulassen und beim erneuten Anlaufen des Brenners wieder in den Wärmetauschkreis zurückzupumpen. Hierzu zweigt von der Zuflußleitung 12 eine Ablaufleitung 17 ab, die über ein vom Brenner aus schaltbares Ventil 18 in den Zwischenspeieher 16 führt. Parallel zum Ventil 18 ist eine Nebenschlußleitung 19 angeordnet, in der eine weitere Fluidpumpe 20 zum erneuten Zurückpumpen des Wärmetauschfluids aus dem Zwischenspeicher in den Wärmetauschkreis mit einem nachgeschalteten Rückschlagventil 21 angeordnet ist, welches ein Rücklaufen des Wärmetauschfluids über die Pumpe 20 in den Speicher 16 verhindert. Beim Abschalten des Brenners wird ein Steuersignal erzeugt, welches die Fluidpumpe 14 stillsetzt, wobei das

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Rückschlagventil 15 verhindert, daß Wärmetauschfluid aus dem Wärmetauscher 4 unter Schwerkrafteinwirkung die Pumpe 14 in Gegenrichtung durchströmt. Gleichzeitig kann mit dem Stillsetzen des Brenners das Ventil 18 aufgesehaltet werden, so daß statt dessen unter der Schwerkrafteinwirkung ein Ablaufen des Inhalts des Wärmetauschers 4 in den wärmeisolierten Zwischenspeicher 16 erfolgt. Bei erneutem Anlauf des Brenners wird ein Steuerbefehl für die Fluidpumpe 20 zur Förderung gegeben und gleichzeitig das Ventil 18 wieder abgesperrt. Dann wird erneut Wärmetauschfluid mittels der Pumpe 20 in den Wärmetauscher 4 und damit in den Wärme tauschkreis eingepumpt. Die Fluidpumpen 14 und 20 können problemlos so geschaltet werden, daß sie sich gegenseitig nicht stören. So kann beispielsweise die Auslegung der Fluidpumpen 14 und 20 bzw. deren Anord-. nung und die Ausbildung der dazwischengeschalteten Leitungen so gewählt werden, daß bei gleichzeitigem Betrieb der Fluidpumpen 14 und 20' mit voller Fluidförderung der Förderdruck von der Fluidpumpe 14 dazu führt, daß das Rückschlagventil 21 der Fluidpumpe 20 geschlossen und dabei gleichzeitig die Fluidpumpe 20 stillgesetzt wird; dann können beim erneuten Anlaufen des Brenners beide Fluidpumpen 14 und 20 gleichzeitig eingeschaltet werden. Selbstverständlich kann statt dessen auch eine Inbetriebsetzung der Fluidpumpen 14 und 20 beim Brenneranlauf in zeitlicher Folge vorgesehen werden, beispielsweise derart, daß zunächst vom Brennersignal her die Fluidpumpe 20 eingeschaltet wird und entweder beim Erreichen eines Minimalfüllstandes im Zwischenspeicher 16 oder beim Erreichen eines gewissen Überdruckes in den Leitungen 12 und 17 ein Umschalten von der Fluidpumpe 20 auf die Fluidpumpe 14

erfolgt.
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Sofern das Wärmetauschfluid für einen einwandreien Betrieb des Brenners durch entsprechenden Zug des Kamins eine gewisse Minimaltemperatur nicht unterschreiten

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soll, kann im Zwischenspeicher 16 eine geeignete Vorheizung beispielsweise elektrisch erfolgen. Weiterhin kann vorgesehen werden, daß das Fluid bei Unterschreiten einer gewissen Minimaltemperatur mittels der Pumpe 20 nur sehr langsam oder intermittierend in den Wärmetauscher 4 eingepumpt wird, so daß ohne übermäßigen Temperaturabfall der Abgase eine allmähliche Aufheizung des kalten Fluids auf die gewünschte Betriebstemperatur erfolgt, und die Fluidpumpe 14 erst dann den normalen Wärmetauschkreis aktiviert, wenn der gefüllte Wärmetauscher 4 eine gewisse Mindesttemperatür erreicht hat. Diese Steuerungen lassen sich ohne weiteres durch entsprechende Temperaturfühler im Zwischenspeicher 16 und/oder im Wärmetauscher 4 und/oder am Kaminaustritt ausführen. Im Falle einer Fremdvorheizung des Zwischenspeichers 16 genügt ein dortiger Temperaturfühler, der beim Unterschreiten einer Minimaltemperatur das Anlaufen der Pumpe 20 blockiert und gleichzeitig die Fremdheizung einschaltet, sowie beim Erreichen der gewünschten Minimaltemperatur die Fremd-'heizung abschaltet und die Fluidpumpe 20 freigibt.

Soll zur Vermeidung eines zusätzlichen Energiebedarfes für eine Fremdheizung des Zwischenspeichers 16 für die Vorheizung des Wärmetauschfluids ausschließlich auf die Abgasenergie zurückgegriffen werden, so könnte ein entsprechender Temperaturfühler am Austritt des Kamines 2 vorgesehen werden, der beim Unterschreiten einer kritischen Austrittstemperatur die Fluidpumpe 20 blockiert. Dann wird beim Anlaufen des ölbrenners über die Fluidpumpe 20 zunächst mit entsprechend geringer Förderleistung eine gewisse Menge an Wärmetauschfluid in den Wärmetauscher eingepumpt, so daß bei besonders niedriger Temperatur des Wärmetauschfluides die Abgastemperatur unter den kritischen Wert sinkt; dann wird sofort die Fluidpumpe 20 abgeschaltet, bis durch die vorbeiströmenden Abgase das bereits im Wärmetauscher 4 befindliche, stehende Wärmetauschfluid soweit

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vorgeheizt ist, daß die Abgastemperatur wieder über den kritischen Wert ansteigt. Erst dann wird die Fluidpumpe 20 erneut freigegeben und pumpt solange Wärmetaus chfluid in den Wärmetauscher 4 nach, bis entweder erneut eine Absenkung der Abgastemperatur am Austritt unter den kritischen Wert und damit eine Stillsetzung der Fluidpumpe 20 erfolgt, oder aber auf Normalbetrieb des Wärmetauschkreises umgeschaltet wird.

Die gewünschte Abgastemperatür im Normalbetrieb des Wärmetauschkreises kann zunächst vorab konstruktiv durch Wahl der Anzahl und der Ausbildung der Wärmetauschelemente 3 voreingestellt werden. Sodann kann an Ort und Stelle durch Versuche eine optimale Feineinstellung durch Einstellung der Förderleistung der Fluidpumpe 14 vorgenommen werden. Im Bedarfsfalle kann dabei auch eine Umschaltung von Gegenstrom auf Gleichstrom oder umgekehrt vorgenommen werden, so daß in jedem Falle sichergestellt ist, daß den Abgasen zwar eine im Einzelfall maximal erreichbare Wärmemenge entzogen wird, andererseits aber auch nicht soviel Wärme, daß unter Berücksichtigung der Umstände des Einzelfalles die Austrittstemperatur soweit absinkt, daß ein ausreichender Zug des Kamins 2 gefährdet ist.

Mittels eines Temperaturfühlers am Kaminaustritt kann schließlich nicht nur in der instationären Anlaufphase ein zu starker Wärmeentzug durch plötzliche Einfüllung von zu kaltem Wärmetauschfluid in den Wärmetauscher 4 vermieden werden, sondern auch die Haupt-Fluidpumpe 14 in ihrer Leistung über einen Regelkreis dauernd so eingestellt werden, daß stets optimale Arbeitsbedingungen im Einzelfall vorliegen, also die Austrittstemperatur des Abgases stets auf dem geringst zuläs- sigen Wert gehalten und damit eine maximale Wärmemenge ohne Beeinträchtigung eines ausreichenden Zuges entzogen wird. Damit läßt sich bei allen primärenergieorientierten Feuerungssystemen, gleichgültig ob sie mit

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Holz, Kohle, öl oder dgl. arbeiten, eine Reduzierung des Primärenergieaufwandes um bis zu etwa 50 % erzielen.

Die grundsätzlich gleichen Vorteile lassen sich auch mit einem Wärmetauscher 4a erreichen, wie er in den Fig. la, 3a und 3b näher veranschaulicht ist. Der hohlzylindrische Mantel ist bei dieser Ausführungsform durch ein spiralförmig gebogenes Wärmetauschrohr 7a gebildet, wie dies insbesondere aus Fig. 1a ersichtlich ist, bei der jedoch die Wandstärke des Rohres zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt ist. Statt eines einzelnen Rohres kann selbstverständlich wie bei mehrgängigen Gewinden auch eine Mehrzahl parallel gewickelter Rohre verwendet werden. Die einzelnen Windungen der Wärmetauschrohre 7a liegen im wesentlichen fugenlos aneinander an und decken so die Innenseite des Schachtes des Kamines 2 praktisch vollständig ab. Am unteren Ende des Wärmetauschrohres 7a ist in nicht näher dargestellter Weise ein entsprechender Anschluß 5 und am oberen Ende in der aus Fig. 3a ersichtlichen Weise ein Anschluß 6 für die Beschickung des Wärmetauschfluids vorgesehen, welches das Wärmetauschrohr 7a axial durchströmt und dadurch entlang der Innenwand des Kamins 2 spiralförmig nach oben geführt wird. Ein erhöhter Strömungswiderstand infolge der Führung in einem vergleichsweise engen und langen Kanal im Wärmetauschrohr 7a kann durch entsprechende Dimensionierung der Pumpen 14 und problemlos ausgeglichen werden. Durch geeignete Bemessung des Querschnitts des Wärmetauschrohres 7a läßt sich in jedem Falle erreichen, daß bei einer gegebenen, gewünschten Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauschrohr 7a ein optimaler Wärmeübergang auf das Wärmetauschfluid erfolgt.

Wie insbesondere aus Fig. 3b ersichtlich ist, ist der Querschnitt des Wärmetauschrohres 7a als hochgestelltes

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Rechteck ausgebildet, welches mit den Schmalseiten an den benachbarten Windungen des Wärmetauschrohres 7a anliegt und mit einer Längsseite an der Innenwand des Kamines 2 anliegt sowie mit der anderen Längsseite einen neuen Abgaskanal im Inneren des durch den Wärmetauscher 4a gebildeten Einsatzkörpers begrenzt. Selbstverständlich kann der Querschnitt auch entsprechend den gewünschten Wärmeübergangsbedingungen gewählt werden, im Bedarfsfalle also beispielsweise dasselbe Rechteck in liegender Anordnung verwendet werden, um bei ausreichend großem Strömungsquerschnitt den Wärmeübergang auf das Wärmetauschfluid in jeder Windung des Wärmetauschrohres 7a durch Verminderung der Berührungsfläche mit den Abgasen zu vermindern. Besonders bevorzugt ist jedoch in jedem Falle eine ebenflächige Ausbildung derjenigen Seite des Querschnittes jeder Windung des Wärmetauschrohres 7a, welche die Innenwand des Abgasströmungskanales in dem durch den Wärmetauscher 4a gebildeten Einsatzkörper bildet, um dort eine im wesentlichen fugenlos glatte Wand zu erhalten, die einer problemlosen Reingigung zugänglich ist und ein einfaches Ablaufen fließfähiger, niedergeschlagener Schadstoffe von der Oberfläche aus beispielsweise V2A-Stahl gestattet. Selbstverständlich kann anstelle von V2A-Stahl auch ein beliebiger anderer Werkstoff zur Bildung des Wärmetauschers 4a oder auch des Wärmetauschers 4 verwendet werden, der entsprechend hitzefest und säurebeständig ist sowie die gewünschten Wärmeübergangsbedingungen bietet.

Ein wesentlicher Vorteil der Ausbildung des Wärmetauschers 4a aus einem spiralförmig gebogenen Wärmetauschrohr 7a besteht darin, daß diese spiralförmige Wicklung gewissermaßen endlos vorgefertigt und so angeliefert werden kann. An Ort und Stelle kann der Zuschnitt auf eine für den jeweiligen Kamin 2 gewünschte Länge erfolgen, ohne daß einzelne Wärmetauschelemente 3 hierzu aneinander montiert werden müßten. Für die Montage ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß eine solche

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spiralförmige Wicklung aus dem spannungsfreien Zustand durch "Zudrehen" der Spirale um einige Drehungen in ihrem Außenquerschnitt vermindert werden kann, wodurch sich für den häufigen Fall, daß die Ausbildung der Innenwand des Kamins 2 etwa durch vorspringende Steine unregelmäßig ist, eine erhebliche Montagehilfe ergibt, da die gesamte Wicklung in derart gespanntem Zustand mit vermindertem Außendurchmesser in den Schacht des Kamines 2 eingeführt werden kann und sich nach Entspannung selbst ätig so gut als eben möglich an die Innenwand des Kamins 2 anschmiegt. Somit kann der Nenndurchmesser der Spiralwicklung im ungespannten Zustand stets mit etwa Übermaß gegenüber dem Durchmesser des Schachtes des Kamins 2 gewählt werden, um selbst ätig ein anschmiegendes Einspreizen der Spiralwicklung in den Kaminschacht zu bewirken.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil eines spiralförmig gewickelten Wärmetauschrohres 7a gegenüber einem beispielsweise zylindrischen Mantel 7 eines Wärmetauschelementes 3 besteht darin, daß die freie Beullänge der Wand des Ringkanales des Wärmetauschfluides erheblich vermindert ist. Da insbesondere bei stärkerer Aufheizung des Wärmetauschfluides nicht unerhebliche Überdrücke im System auftreten können, ergibt sich für den Mantel 7 des Wärmetauschelementes 3 eine nicht unerhebliche minimale Wandstärke von beispielsweise 2mm im Falle einer Verwendung von V2A-Stahl. Diese Wandstärke d gemäß Fig. 3b könnte unter festigkeitstechnischen Gesichtspunkten für das Wärmetauschrohr 7a erheblich herabgesetzt werden, da dieses durch seine Querschnittsausbildung eine erheblich höhere konstruktive Festigkeit besitzt, so daß dort mit einer Wandstärke von statt dessen z. B. 0,5 mm gearbeitet werden könnte, was den Wärmeübergang bei Bedarf verbessert. Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn anstelle von V2A-Stahl ein schlechter wärmeleitendes Material verwendet wird, dessen Wandstärke zur Erzielung eines ausreichenden Wärmeübergangs

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so gering als möglich gehalten werden muß.

Bei einem Kamin 2 mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt läßt sich im Falle der Vervendung eines gewickelten Wärmetauschers 4a darüber hinaus leichter eine Anpassung an dessen Innenquerschnitt erzielen, da problemlos eine Abkantung der einzelnen Windungen 7a herstellerseitig in der gewünschten Querschnittsform erfolgen kann, so daß die gesamte Wicklung nicht kreisförmigen, sondern vielmehr rechteckigen Querschnitt besitzt. Auch dann können die einzelnen Wicklungen des Wärmetausehrohres 7a immer noch flexibel unregelmäßigen Vorsprüngen an der Innenseite des Kaminschachtes ausweichen und erleichtern so die Montage. Demgegenüber ist eine Ausbildung eines Wärmetauschelementes 3 in rechteckigem Querschnitt konstruktiv schwieriger und gibt auch keine Möglichkeiten einer Anpassung an Unregelmäßigkeiten des Kaminschachtes.

Anstelle einer entsprechenden Formgebung der Außenseite des Wärmetauschers 4 oder 4a kann jedoch auch bei von der Kreisform abweichenden Querschnitten des Kaminschachtes für den Wärmetauscher 4 oder 4a der kreisförmige Querschnitt beibehalten werden, wobei sich dann Ecken des Kaminschachtes ergeben, die im Totraum liegen. Diese zylindrischen Ecken mit grob dreieckförmigem Querschnitt lassen sich bei Bedarf, um eine Ansammlung von Schmutz an dieser schwer zugänglichen Stelle zu vermeiden, an der Ober- und Unterseite des Wärmetauschers abdecken, gehen also zwar dem Strömungsquerschnitt verloren, ergeben aber sonst weiter keine Nachteile. Auch hier bietet die Verwendung eines spiralförmig gewickelten Wärmetauschrohres 7a den Vorteil, daß eine solche Abdeckung nur einmal an der Oberseite und der Unterseite des Wärmetauschers 4a erfolgen muß, während im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mehrfache Abdeckungen zwischen den Wärmetauschelementen 3 und zusätzlich natürlich eine Mehrzahl von Zwischen-

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anschlüssen erforderlich wären.

Für das Wärmetauschfluid kommt infolge seiner hohen Wärmekapazität und Ungefährlichkeit vor allem Wasser in Frage, dem entsprechende Frost- oder Rostschutzmittel beigefügt werden können. Bei einer Verwendung von Wasser ohne jegliche Beimischungen kann unmittelbar der Kreislauf sogar des Brauchwassers für eine Durchströmung des Wärmetauschers 4 oder 4a angezapft werden. In diesem Falle - und genauso im Falle einer einfachen Abzweigschaltung am Heizwasserkreis-fällt kaum steuerungstechnischer Zusatzaufwand auf, da der Wärmetauscher 4 bzw. 4a einfach als Nachwärmer des entsprechenden Wasserkessels angesehen werden kann und dessen Steuerung unmittelbar mitverwendet wird, so daß also bei - dann entsprechend beschleunigtem - Erreichen der Grenztemperatur im Kessel der Brenner ausgeschaltet wird.

Vielfach empfiehlt es sich jedoch, den Wärmetauscher oder 4a in einem geschlossenen Kreis vorzusehen, der über einen nicht näher dargestellten eigenen Wärmetauscher Wärmeenergie ohne Stoffübertragung an einen Nutzkreis abgibt. Hierdurch kann eine den Erfordernissen des Kaminbetriebes, wie dies weiter oben näher erläutert ist, optimal angepaßte Betriebsweise des Wärmetauschers 4 bzw. 4a und eine den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend gesteuerte Wärmeentnahme aus diesem zusätzlichen geschlossenen Wärmetauschkreis erzielt werden. Weiterhin ermöglicht ein geschlossener Wärmetauschkreis für den Wärmetauscher 4 bzw. 4a auch die Verwendung von Wasser als Wärmetauschfluid mit geeigneten chemischen Zusätzen, sowie auch den Ersatz des Wassers bei Bedarf durch ein anderes Wärmetauschfluid wie etwa Äthylenglykol, Biphenyl oder Glycerin, vorzugsweise in einer auf chemischem Wege, beispielsweise durch Chlorierung, nicht oder schwer entflammbar gemachten Form.

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Im Falle der Ausbildung des Wärmetauschers 4a aus Spiralwicklungen eines Wärmetausehröhres 7a ergeben sich gewisse Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Verwendung von Luft- bzw. Wärmeleitelementen 10 oder 10a. Es könnte daran gedacht werden, die den Innenraum des Wärmetauschers 4a begrenzende Wand des Wärmetauschrohres 7a mit stummelartigen, schräg zur Abgasströmung angestellten Luft- bzw. Wärmeleitelementen 10 zu versehen, ähnlich wie sie in Fig. 2 für ein Wärmetauschelement 3 angedeutet sind. Dies bedeutet jedoch nicht unerheblichen herstellungstechnischen Zusatzaufwand. Ein Luftleitelement 10a gemäß Fig. 3, welches an der Innenwand des Mantels beispielsweise angeschweißt ist, würde jedoch die Vorteile der Flexibilität bei der Montage usw. bezüglich des Wärmetauschers 4a weitgehend zunichte machen. Statt dessen kann jedoch unter weitgehendem Verzicht auf die Wärmeleitfunktion, die häufig ohnehin nicht erforderlich sein wird, ein Luftleitelement 10a gemäß Fig. 3a nach der Montage des Wärmetauschers 4a lose in dessen Innenraum eingehängt werden, wozu an seiner Oberseite ein Haltestab 22 vorgesehen werden kann, der auf der obersten Windung der Wicklung des Wärmetausehrohres 7a anliegt. Auch durch Verwendung eines solchen Luftleitelementes 10a, welches zur Reinigung bei Bedarf einfach herausgezogen werden kann, und zur Erzielung dieses Vorteils in dieser Form auch bei der Ausführung gemäß Fig. 3 verwendbar ist, ergibt sich ebenfalls eine mit spiralförmigem Drall behaftete Strömung der Abgase, was nicht nur den Zug des Kamines verbessert, sondern insbesondere auch eine intensive Anströmung der Wärmetauschflächen des Wärmetauschers 4 bzw. 4a auf verlängertem Strömungsweg und somit eine Verbesserung des Wärmeübergangs ergibt.

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Claims

KÜHNEN & WACKER 2923810

-PATENTANWALTSBÜRO

REGISTERED REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROFFAN PATENT OFFICE

PATENTANWÄLTF.

Herr R-A. KÜHNEN*, mn -i\v.

W. LUDERSCHMIPT**, νκ Din. oilm Helmut Fuchs P.-A. WACKER*, im.-inc.; . im..-wirt>vh i\i

8391 Kellberg ^ _{FU0? Q2 2/ko}

Herr Dr. Franz Pree

8391 Kellberg

Herr Klaus Zinn

6000 Frankfurt

x Patentansprüche

(1.^Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Abgas, da-

durch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (4; 4a) § für einen Einbau in einen Abgaskanal, insbesondere

einen lotrechten Kamin (2), vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

£ daß der Wärmetauscher (4; 4a) einen hohlzylindrischen

Mantel (7; 7a) zur Aufnahme eines Wärmetauschfluids aufweist, dessen Außenkontur der Innenkontur des Abgaskanals (Kamin 2) angepaßt ist und dessen Innenraum (9) für den Abgasdurchtritt vorgesehen ist, und daß der Mantel (7; 7a) des Wärmetauschers (4? 4a) an seiner Ober- und an seiner Unterseite Anschlüsse

(5, 6) für das Wärmetauschfluid besitzt.

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BÜRO o37U OBERURSEL" BÜRO «050 FRHSING* ZWEIGBÜRO 83*0 PAS¹S

LINPINSTRASSE 10 SCHNEGGSTRASSE 3-5 LUDWlC'.STUASSn

TEL 0617l·5684* TEL. 08161/620« TEL. 0S5I 3t*16

TELEX 4 KJ6343 real d TELEX 526S47 pawa d

-TELEGRAMMADRESSE I¹AWAMUC - POSTSCHECK MÜNCHEN 13*0 52-802 ·
3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4; 4a) aus Metall, insbesondere aus V2A-Stahl, besteht.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (9) des Mantels (7; 7a) des Wärmetauschers (4; 4a) Wärmeleitelemente (1O; 10a) aufweist, die gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und mit dem Mantel (7; 7a) des Wärmetauschers (4; 4a) gut wärmeleitend verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet sind.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (9) des Mantels (7; 7a) des Wärmetauschers (4; 4a) Luftleitelemente (10; 10a) aufweist, welche der Abgasströmung einen Drall erteilen.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch

gekennzeichnet, daß die Wärmeleitelemente (10; 10a) zugleich als die Luftleitelemente (1O; 1Oa) ausgebildet sind.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4; 4a) aus Wärmetauschelementen (3) mit einer vergleichsweise geringen Höhe von z.B. 1 m aufgebaut ist, die über ihre Anschlüsse (5, 6) für das Wärmetauschfluid im Abgaskanal (Kamin 2) miteinander verbunden sind.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenspeicher (16) für das Wärmetauschfluid für Zeitintervalle ohne Abgasanfall vorgesehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (16) im Höhenniveau unter

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dem Wärmetauscher (4; 4a) angeordnet ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stillsetzung des Abgaserzeugers ein Ventil

(18) in einer Ablaufleitung (17) zwischen dem Wärmetauscher (4; 4a) und dem Zwischenspeicher (16) in seine Öffnungssteilung schaltbar ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere rückschlagventilgeschützte Fluidpumpen (14, 20) bei Inbetriebnahme des Abgaserzeugers zur Förderung von Wärmetauschfluid aus dem Zwischenspeicher (16) und/oder im Umlauf durch den Wärmetauscher (4; 4a) einschaltbar sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung wenigstens einer der Fluidpumpen (14, 20) mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmetauschfluids und/oder der Austrittstemperatur des Abgases regelbar ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4a) aus wenigstens einem spiralförmig gewickelten Wärmetauschrohr (7a) besteht.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Wärmetauschrohres (7a) im wesentlichen fugenlos aneinander anliegen.
15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Innenraum (9) benachbarte Seite des Wärmetauschrohres (7a) in Richtung der Achse (11) des Kamins eben ausgebildet ist, so daß die Innenfläche des Wärmetauschrohres (7a) im Mantel eines gedachten Zylinders liegt.

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16. Einrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauschrohr (7a) rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Wärmetauschrohres (7a) im spannungsfreien Zustand Breitenabmessungen aufweist, welche die Breitenabmessungen

des Schachtes des Kamins (2) übersteigen. 10
18. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Luftleitelement (iOa) ein den Innenraum (9) im wesentlichen radial unterteilendes, spiralförmiges Blech vorgesehen ist, welches koaxial zum Wärmetauscher (4; 4a) angeordnet ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftleitelement (iOa) in den Innenraum (9)

herausnehmbar eingesetzt ist.
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20. Wärmetauschelement für eine Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch einen wenigstens annähernd hohlzylindrischen Mantel (7) mit einem Innenraum (9) für den Abgasdurchtritt, durch Anschlußstutzen (5, 6) für die Zu- und Ableitung von Wärmetauschfluid an der Oberseite und der Unterseite des Mantels (7), durch eine der Innenkontur eines Kaminschachtes angepaßte Außenkontur des Mantels (7), und durch eine vergleichsweise geringe Höhe des Mantels (7) von beispielsweise in der Größenordnung von 1 m.
21. Wärmetausehelernent nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (5, 6) für das

Wärmetauschfluid mit insbesondere automatisch arbeitenden Schnellschlußkupplungen versehen sind.
22. Wärmetausehelernent nach Anspruch 20 oder 21, da-

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durch gekennzeichnet, daß die Unterseite eines Wärmetauschelementes (3) derart auf die Oberseite eines anderen Wärmetauschelementes (3) paßt, daß die den Innenraum (9) begrenzende Wand des Mantels (7; 7a) im wesentlichen fugenlos anschließt.
23. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 20 bis

22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Wärmetauschoberfläche im Innenraum (9) des Mantels (7; 7a) insbesondere flossenartige Wärmeleitelemente (10; 10a) angeordnet sind.
24. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 20 bis

23, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (9) des Mantels (7; 7a) Luft1eitelemente (1O; 10a) aufweist, welche der Abgasströmung einen Drall erteilen.
25. Wärmetauschelement nach den Ansprüchen 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitelemente (10; 10a) zugleich als die Luftleitelemente (1OJ 10a) ausgebildet sind.
26. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Mantels (7; 7a) und/oder die Wärme- bzw. Luftleitelemente (1O; 10a) aus Metall, insbesondere aus V2A-Stahl bestehen.

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