DE3041265A1

DE3041265A1 - Oel- und gasheizkessel mit integrierter abgas- und adsorptionswaermegewinnungsvorrichtung (waermetauscheradsorber)

Info

Publication number: DE3041265A1
Application number: DE19803041265
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 6902 Sandhausen Krämer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-11-03
Filing date: 1980-11-03
Publication date: 1982-09-30

Description

Sl- und Gasheizkessel mit integrierter Abgas- und Adsorptionswärme-
gewinnungsvorrichtung (Wärmetauscheradsorber) Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das aus heißen Rauchgasen von öl- und gasgefeuerten Heizkesseln Wärmeenergie gewinnt. Dabei wird nicht nur die Wärmeenergie, die durch Kühlung der Abgase von beispielsweise 2000 auf 600 C gewonnen wird entzogen, sondern zusätzlich die Latent- oder Kondensationswärme, die in Form von Wasserdampf im Abgas enthalten ist weitgehend entzogen.
Es sind eine Reihe von Abgaswärmegewinnungsvorrichtungen bekannt geworden, die aber folgende Nachteile aufweisen: I. Nur teilweise Nutzung der Wärmeenergie im Rauchgas oberhalb des Kondensationspunktes.
II.Kondensation des Dampfes, aber keine Übertragung der dabei freiwerdenden Wärmeenergie auf den Wärmetauscher. Offenlegungsschrift 26 00 974.
III. Gewinnung der Abgas- und Kondensationswärme z. B. K-F-A-Projekt (siehe Anlage) aber Anfall von säurehaltigem Kondensat.
IV. Abgaswärmegewinnungsvorrichtung z. 8. Patentanmeldung 29439245, die die unter III genannten Nachteile zwar vermeidet, die Kondensationswärme aber nicht gewinnt.
Die bei ölbefeuerten Heizkesseln anfallende Kondensatmenge in Form von Dampf oder Kondensat ist gewichtsmäßig in etwa gleich der Menge des verfeuerten Öles. Dies verdeutlicht die Problematik, die außer den Versottungsproblemen durch Taupunktunterschreitung bei der Gewinnung der Rauchgas- bezw. Latentwärmegewinnung zu überwinden ist.
Zu I.
Alle modernen 61- und Gasheizkessel reduzieren die Rauchgastemperatur von früher 250 - 3000 C auf ca. 170 - 2000 C. Dies wird erreicht z. B. durch Werkstoffe oder Oberflächenbeschichtungen, die kurzzeitige Kondensationsvorgänge bei niedrigen Kesseltemperaturen zulassen. Die Wärmeverluste sind aber dennoch beträchtlich. Ca. 15 % des Energieinhaltes des Brennstoffes + ca. 5 % nichtgenutzter Latentwärme.
Zu II.
In der OS wird ein Wärmetauscheraufgsführt, der die ihm übertragene Wärm dem Heizungskreislauf zuführt. Das dabei anfallende Kondensat soll durch Filtermatten, die z. B. aus Aktivkohle bestehen, entzogen werden.
Es ist offensichtlich, deß bei den großen Mengen von Kondensat erhebliche Mengen von riltermatten benötigt würden, um das anfellende Kondensat zu binden. Auger den Kosten, die dabei entstehen, hätte der Betreiber einer solchen Anlage unfengreiche Servicearbeiten zu leisten.
Die OS 28 11 586 befaßt sith ebenfalls mit der Nuttung der Rauchgaswärem.
Es wird vorgeschlagen, die Abgaswärme einer Heizquelle über den Wärmetauscher einer Wärmepumpe zu leiten und das Rauchgas dabei -zu "verdünnen".
Nachteil dieser Technik sind: die feinen Kondemsetionströpfchen werden auch unter Beimengung von Luft nicht in Dampf zurückverwandelt. Diese Vorgänge brauchen Zeiten die weit über der Abgesdurchsatzzeit des Kamins oder aber einer anderweitigen Austrittsstelle eines Gebäudes liegen.
Im Umkreis der Au-etrittestelle würde das feinnebelige Kondensat auch in stark verdünnter Form nach wie vor säurshaltigs Niederschläge bilden. Ein Nachteil ist ferner die Tatsache, daß eine Wärmepumpe mit einem speziellen säurefesten Wärmetauscher benötigt wird. D9e vorstehend aufgeführten Nachteile der Umwandlung der Kondensationströpfchen zurück in Dampf ist auch bei einer Art Gegenetrommischung in der "Demande de brevet dtinvention N°. 79 11819" nicht, möglich, Zu III.
Hier sind die vor genannten Nachteile weitgehend vermieden. Der Anfall von großen Mengen Kondensat bedeutet, deß entweder das Kondensat in einem zw@iton Tank gesammelt werden muß und als chemischer Abfall beseitigt werden müßte, oder aber eine aufwendige %eutralisierunge- und Ölabscheidevorrichtung der Heizungsanlage zugeordnet werden müßte, um den Wasseranteil in die Kanalisation zu leiten.
Zu IV.
Bei diesem Erfindungsvorschlag wird die Kondensationsproblematik und die Beseitigung mittels Desorption eines Feuchtabscheiders (Verdunstung) zwar eliminiert. Die Kondensationswärme, auch Latentwärme genannnt, aber nicht gewonnen. Dies liegt daran, daß die freiwerdende Wärmeenergie bei der Bildung kleiner Kondensationskerne von herkömmlichen Austauschersystemen nicht erfaßt wird weil die Abstände der Lamellen oder aber die Fläche, die angeboten wird, zu klein ist.
Aufhabe der Erfindung ist es, alle diese Nachteile zu vermeiden, die Rauchgas- und Latentwärme in hohem MaBe nutzbar zu machen, ohne daß Kondensat anfällt oder der Kamin mit Kondensationsnebel belastet wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein oder mehrere Wärmetauscher mit einem Adsorber zu einer Einheit, wie in Fig. 1, zusammengefaßt wird. Der Adsorber, welcher die Rauchgaswärme aufnimmt, trocknet das Rauchgas so, daß keine Kondensatbildung im Kamin stattfinden kann.
Die Funktion wird im einzelnen nachstehend beschrieben: die heißen Rauchgase gelangen vom Heizkessel 1 (nicht gezeichnet) über die Rückschlagklappe 2 in den Wärmetauscheradsorber 5, in dem sich eine Wärmetauscharachlenge 3,4 und ein Brauchwasservorwärmer 8 befinden.
Beim Durchströmen der Rauchgase wird an den Kontaktflächen 3 bis 4 bezw. wenn vorhanden, an einem Behälter 8 aber vor allem an den sehr großen Adsorptionsflächen des Granulates 5 die Rauchgaswärme übertragen und der weitaus größte Teil des im Rauchgas enthaltenen Dampfes adsorbiert.
Dabei wird die sogenannte Adsorptionswärme frei in einer Größenordnung von 500 - 750 Kcal./dcm3 H20. Diese beiden Formen von Wärme (Wärmeentzug aus dem Rauchgas bei einer Abkühlung bis ca. 600 C und die Adsorptionswärme) werden teilweise sofort auf den Heizungsrücklauf 3,4 bezw. 8 übertragen, der größte Teil aber wird im Granulat 5 gespeichert und bei Stillstand des Brenners vom Wärmetauscher 3,4 bezw. vom Vorwärmbehälter 8 entzogen.
Das Abgas das den Wärmetauscheradsorber verläßt, hat einen um ca.
15 - 200 C niedrigeren Taupunkt als die jeweils niedrigste Arbeitstemperatur des Wärmetauscheradsorbers.
Gegenüber modernen Heizkesseln wird eine Steigerung des heiztechnischen Wirkungsgrades von 13 bis 15 % erwartet.
Der Wärmetauscheradsorber ist regen@@@bar d. h. es sind Vorrichtungen vorgesehen, die Zurückverwandlung der aufgenommenen Feuchtigkeit in Dampf, mit Luft vermischt vorsehen. Anhand von 2 Ausführungsbeispielen in Fig. 1 und 2 wird die Regeneration aufgezeigt.
Zunächst Fig. 1: Nachdem das Granulat 5 vom Rauchgas bei Betrieb mit Wasserdampf beladen wurde und durch eine nicht näher beschriebene Anlauftaktzählvorrichtung oder eine Zeitsummierung im Aufladegrad begrenzt wurde, setzt die Regeneration ein.
Das Regenerationsprogramm beginnt zunächt mit einem 10 bi l5minütirDn Lauf des Brenners, bei dem die Umwälzpumpe 13 abgeschaltet wird, dit der Rauchgaswärmeentzug unterbunden ist. Das Granulat 5 und mit ihm die adsorbierte Feuchtigkeit werden von der Abgaswärme auf ca. 80 - 1000 C aufgeheizt. Nach Abschaltung des Brenners wird über einen Ventilator 9, 10 bei Schließung der Rückschlagklappe 2 atmosphärische Luft durch den Wärmeteuscheradsorber 3 bis 5,8 ungefähr 15 Min. durchgolason.
Bei diesem Vorgang wird ein Teil der in dom Wärmetauscheradsorbr gespeicherten Wärmeenergie aufgezehrt.
Dadurch, daß im wesentlichen das Partialdruckgefälle zwischen dem Rauchgas bezw. der atmosphärischen Luft bei geeigneter Wahl des Granulats und einem Adsorptions/Desorptionsbetrieb im oberen Sättigkeitsbereich betrieben wird, ist der Bedarf an Energie, die dem Heizungssystem entzogen wird, relativ gering. Diese Energie, die mit ca. 10 % der im Rauchgas enthaltenen Energie angesetzt ist, und bei konventionellen Heizkesseln sowieso verloren geht, dient in Verbindung mit einem Gebläse, das ungefähr die 10fach Luftfördermenge als das Brennergebläse als technische Mittel zur schnellen Beseitigung der aufgenommenen Feuchteim Wärmetauscheredsorber. Fig. 1 stellt im wesentlichen ein Aggregat dar, das herkömmlichen Öl/Gasheizkesseln such nachträglich nachgeschaltet werden kann.
In Fig. 2 wird eine technische Konfiguration aufgezeigt, welche die erfindungsgemäße Aufgabe voll in einem neuartigen Öl/Gasheizkessel integriert und die Anzahl der technischen Komponenten auf ein Minimum reduziert. Des weiteren wird die hydraulische Schaltung des Gesamtsystems gezeigt. Diese Ausführung ist mit einer Vorwärmung der Verbrennungsluft gekoppelt, die den Wirkungsgrad weiter steigert.
Die Funktion ist wie folgt: die Kesselsteuerung 45 steuert in bekannter Weise Start und Abschaltung der Brennereinrichtung 20. Bei diesem Heizkessel ist der Brenner in 2 Komponenten das Zerstäuber- und Zündsystem bezw. das Gebläse und die Ölpumpe gesplittet. Das Gebläse 18 ist als Saugdruckgebläse ausgeführt. Zwischen dem eigentlichen Heizkessel und dem Wärmetauscheradsorber ist ein 2/1 Wegeventil geschaltet, dessen Funktion nachstehend beschrieben wird. Die Zwischenschaltung des Gebläses 18 bewirkt, daß der Heizkessel mit Unterdruck betrieben wird und ein zusätzliches Gebläse für die Regeneration des Wärmetauscheradsorbers sich erübrigt.
Rei Octricb wird die atmerphrische Luft über einen Staubfilter 38 dir Rückschlagklappc 17, 18 angesaugt. Über die Drossel gelangt die Verbrennungsluft zum Brenner 20, wo sie mit dem Brennstoff vermischt wird.
Vor dem Anlauf des Saugdruckgebläses 18 bezw. dem Zünden des Brenners 20 wird das Umschaltwentil 15 in die Pos. 16 gestellt. Das noch heiße Rauchgas wird vom Saugdruckgebläse 18 aus dem Brennraum des Heizkessels 13 angesaugt und durch den W-rmetauscheradsorber 3 bis 5,8 hindurchgefördert.
Der Mechanismus des Wärmeentzuges wurde anhand der Fig. 1 beschrieben.
Die Regeneration erfolgt wie unter Fig. 1 beschrieben mit dem Unterschied, daß das dem Heizkessel nachgeschaltete Saugdruckgebläse auch zum Regenerieren des Wärmetauscheradsorbergranulates 5 benutzt wird. Zu diesem Zweck wird das Umschaltventil in die Pos. 15 gebracht und die Regenerationsluft über die Öffnung 42, die RücKscnlagklappe 18, das Filter 38 angesaugt und durch den Wärmetauscheradsorber 5 geblasen. Die Ansaugöffnung 42 ist erheblich größer als der Drosselquerschnitt 21. Dadurch wird beim Regenerieren ein Vielfaches, wie in Fig. 1 beschrieben, an Regenerationsluft, bezogen auf die Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit mit dem gleichen Gebläse gefördert (Zuluft-uuerschnittssteuerung).
Die hydraulische Schaltung dieses neuartigen Heizkessels entspricht dem üblichen Stand der Technik. Im Heizungsvorlauf 28 ist die Umwälzpumpe 13 eingebaut. Über die Heizkörper 31 gelangt das Wasser in den Heizungsrücklauf 24. Uon dort geht die Wasserführung mittels einer Kühlschlange 43 in bekannter Weise durch den kreisförmigen Wärmetauscheradsorber 5, weiter in den Vierwegemischer 30. Der Kesselvorlauf 27 bzw. Kesselrücklauf 26 ist ebenfalls in bekannter Weise ausgeführt. Die Schaltung ermöglicht über die niedrigen Rücklauftemperaturen und der enorm großen Oberfläche der Granulatfüllung 5 (1 g Granulat hat ungefähr 400 m innere und äußere Oberfläche) beine intensive Abkühlung auf wenig über die Heizungsrücklauftemperatur. Verglichen mit konventionellen Wärmetauschern wird der vorstehend beschriebene bei für diese Verhältnisse geringem Temperaturgefälls sehr klein.
In einer weiteron Ausgestaltung der Erfindung wird der Wärmetauscheradsurbor mit ainom Brauchwasswevorwärmbehälter 33 versehe. Mit diesem wird vornehmlich im Sommerhalbjahr, wenn die Umwälzpumpe 13 abgeschaltet is weiterhin Wärmeenergi dem Rauchgas entzogen. Die niedrigeren Temperaturen des Kaltwassers; vom Druckmindererventil 32 kommend, ergeben, wenn auch nur temporär, günstine Tomperaturgefällo zum Entzug der Wärmeenerais und der Latentwärme aus dem Rauchgas. Das vorgewärmte Brauchwasser gelangt über die Verbindungsleitung 34 in den Brauchwasserbohälter 35, Durch die Vorwärmung des Brauchwassers ist der Wärmeentzug aus dem Kessel 36 geringer. Die Laufzeiten des Brenners 20 werden gegenüber herkömmlichen Heizkesseln kürzer, die Energieausnutzung des ürennstoffes steigt somit auch bei decn sonst sehr ungünstigen Brauchwassererwärmungs/ Wirkungsgrades. Oie Erhöhung des heiztechnischen Wirkungsgrades über das Dahr wird im Zusammenhang mit der Vorwärmung der Verbrennungsluft auf zusätzlich ca. 3 - 4 % geschätzt. Ergänzend sei noch bemerkt, daß der Heizkessel und der Adsorptionswärmetauscher inclusive der genannten Aggregate von einer gemeinsamen Isolierhülle und untereinander durch die Isolierwand 37 voneinander getrennt sind. Die Trennwand 37 dient der wärmetechnischen Abschirmung des Heizkessels, wenn die Verbrennungs-und Regenerationsluft über 38 angesaugt und von der dem Heizungskessel nachgeschalteten Komponenten erwärmt wird.
Die vorstehend beschriebene konstruktive Ausbildunq eines l/Gasheizkusse verhindert mit dem 2/1 Wegeventil und dem Luftwiderstand des Wärmetausche adsorbers 3/5 bezw. der Rückschlagklappe 17 Durchzugsverluste durch inner Auskühlung.
Alle die vor beschriebenen WaZnahmen steigern den heiztechnischen Wirkungsgrad gegenüber derzeitigen modernen Heizkesseln um ca. 16 - 18 %.
Gegenüber älteren Anlagen um ca. 30 - 40 %.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung aus den noch heißen Rauchgasen, V Snehmlich von Öl- und Gasheizkesseln mittels einem regenerierbaren Wärmetauscheradsorber 3 bis 5, bei dem der Wärmeenergiegehalt des Rauchgases oberhalb der Rücklauftemperatur von Heizungseinrichtungen und die Latentwärme des überwiegenden Teiles des Dampfgehaltes, welches im Rauchgas enthalten ist, entzieht, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmetauscher 3 bis 4, 43 und ein Wasserdampfadsorber zu einer Einheit integriert sind, dem Heizungskessel nachgeschaltet sind und dem Rauchgas mittels der sehr großen Oberfläöhe der Granulatfüllung 5 sowie dem Wärmetauscher 3, 4, 43 die in ihm enthaltene Wärmemenge aufnimmt, speichert und in den Stillstandszeiten des Brenners dem Heizungsrücklauf 25 zuführt und das Rauchgas dabei trocknet, daß der Taupunkt des Rauchgases deutlich unter die Heizungsrücklauftemperatur abgesenkt wird.
2. Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung aus dem noch heißen Rauchgas, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionswärmetauscher 3 - 5 in dimensionierten Zeiträumen, die mit einer Steuervorrichtung 45 gesteuert werden, in seiner Feuchtebeladung begrenzt wird.
3. Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung aus dem noch heißen Rauchgas, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Regenerationsvorganges durch Abschaltung der Umwälzpumpe 13 die Auskühlung des Wärmetauscheradsorbers kurzzeitig unterbrochen wird, der Brenner zum gleichen Zeitpunkt in Betrieb ist und das heiße Rauchgas den WWrmetauscheradsorber impulsartig aufheizt und danach die Regeneration mit atmosphärischor Luft mittels einem Ventilator 9, 18 bewirkt wird.
4. Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung aus heißen Rauchgasen, nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierluftmenge ein Vielfaches der Verbrennungsluftmenge beträgt.
5. Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung aus heißen Rauchgasen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Adsorptionswärmetauscher 3 - 5 ein Vorwärmbehälter 8, 33 für die Brauchwassererwärmung 35 mit integriert bezw. vorgeschaltet ist.
6. Heizkessel mit Adsorptionswärmetauscher, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilatoren zwischen Heizkessel und Adsorptionswärmetauscher ein Staudruck-Rückschlagventil 2 oder ein 2/1 Wegeventil 16, 16 zwischengeschaltet sind? die eine Rückströmung der Regenerationsluft in den Heizungskessel 13 vermeiden.
7. Heizkessel mit Adsorptionswärmetauscher, nach Anspruch 6,4 dadurch gekennzeichnet, daß der Zuluftquerschnitt bei 42 ein Vielfaches des Drosselquerschnittes von 21 beträgt und daß damit deutlich unterschiedliche Luftmengen für den Brenner und die Regeneration gefördert werden.
8. Heizkessel mit Adsorptionswärmetauschern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Saugdruckgebläse mit direkt gekuppelter Ölpumpe dem Heizkessel nachgeschaltet ist und räumlich von der Brennstoffzerstäubung/ Gasdüse und der Zündvorrichtung getrennt ist.
9. Heizkessel mit Adsorptionswarmetauscher, nach Anspruch 6 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft außerhalb der Isolierzwischenwand 37 an den dem Heizkessel nachgeschalteten Komponenten vorgewärmt wird.
10. Heizkessel mit Adsorptionswärmetauscher, nach Anspruch 6 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungs- und Regenerationsluft über einen Filter 38 und eine Rückschlagklappe 17 ansaugt.
11. Heizkessel mit Adsorptionswärmetauscher, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentrales Steuergerät 45 Wärmetauscherbeladung durch Kondensatfeuchte über eine Zeib-oder Anlauftaktsteuerunn hrnrenzt, Impulsaufheizvorgänge stouert, dabei den Wärmeentzug durch den Warmetauscher 3, 4 durch Abschaltung der Pumpc 13 oder ein Hypassventil zwischen 3 und 4, bezw. 24 und 25 unterbricht, sowie die Regeneration mit den Lüftern 9, 18 und das 2/1 Wegeventil 15/16 steuert.
12. Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung aus dem noch heißen Rauchgas, nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Partialdruck differenz des Rauchgases zur Atmosphärenluft d. h. der stark unterschiedliche Dampfdruck im Wesentlichen zur Regeneration des Wärmetauscheradsorbers 3 - 5 genutzt wird.
13. Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung aus dem noch heißen Rauchgas, nach Anspruch 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscheradsorber bei Maximalleistung bezw. hoher Einschaltdauer nur wenig Nale am Tag regeneriert wird.