-
-
Brennwertheizgerät, insbesondere für Niedertemperatur-
-
heizungsanlagen Die Erfindung bezieht sich auf eine als Brennwertheizgerät
ausgestaltete Heizanlage mit einem Brenner, vorzugsweise einem katalytischen Vergasungsbrenner,
und einem in oder nach dem Heizanlagen-Brennraum eingebauten Wärmetauscher, in dem
die Abgase bis unter ihren Taupunkt abgekühlt werden und zumindest ein Teil des
vorhandenen Wasserdampfes zu Wasser kondensiert wird und die Konzentration der sauren
Bestandteile (Schwefeldioxid S02 und Stickoxide NOx) im Abgas gesenkt wird.
-
Ölbrenner mittlerer Leistung, die bekanntlich in Hausheizkesseln eingesetzt
werden können, zerstäuben das Heizöl mit Hilfe einer Düse und verbrennen es bei
Luftüberschuß, um die Rußbildung niedrig zu halten. Da die Leistung solcher Zerstäubungsbrenner
praktisch nicht gesteuert werden kann, werden diese Brenner in Heizanlagen intermittierend
betrieben, so daß der Leistung mittelwert dem Wärmeleistungsbedarf entspricht. Infolge
des Intervallbetriebes schwanken aber die Kesselwasserurd auch die Gastemperatur
im Heizkessel und ebenfalls die Abgastemperatur im Kamin. Größere Schwankungen in
der Abgastemperatur sollen aber vermieden werden, weil bei hohen Temperaturen entsprechende
Energieverluste auftreten und bei tiefen Temperaturen die Gefahr besteht, daß der
Schwefelsäuretaupunkt unterschritten wird und damit Korrosionserscheinungen und
Kaminschäden zu erwarten sind. Im allgemeinen werden bei Ölheizanlagen dieser Art
Abgastemperaturen angestrebt, die
oberhalb 180°C liegen und 230"C
nicht wesentlich überschreiten. Werden 1800C unterschritten, so beginnt eine teilweise
Kondensation; das Kondensat enthält Schwefelsäure H2S04, schweflige Säure H2S03
und Salpetersäure HNO3. Da bei der Verbrennung mit Zerstäubungsbrennern mit Luftüberschuß
gearbeitet werden muß, wird der im Heizöl enthaltene Schwefel überwiegend zu SO3
oxidiert; die Folge ist ein hoher Schwefelsäuretaupunkt der Abgase, der etwa 120
bis 130°C beträgt. Wird der Schwefelsäuretaupunkt unterschritten, so kondensiert
aus den Abgasen wäßrige Schwefelsäure; die Folge sind Schäden durch Schwefelsäure
H2S04 im Kamin und Korrosionsschäden im Kessel.
-
Ein bekannter Heizölvergasungsbrenner arbeitet nach dem Prinzip der
zweistufigen Verbrennung. Die erste Stufe bildet ein Gasgenerator, der durch katalytische
partielle Oxidation von Heizöldampf mit Luft bei einer Luftzahl zwischen 0,05 und
0,2, vorzugsweise bei etwa 0,1, ein Brenngas erzeugt. Das Einsatzstoffgemisch bei
der partiellen Oxidation enthält somit nur etwa 10 % der für die vollständige Verbrennung
nötigen Mindestluftmenge. In der zweiten Stufe wird dieses Brenngas stöchiometrisch,
d.h. mit der für die vollständige Verbrennung nötigen Mindestluftmenge verbrannt.
Man erhält eine rußfreie Verbrennung bei hoher Temperatur von etwa 17500C. Es entfallen
die durch Luftüberschuß bedingten Abgasverluste und die abgasseitige Heizkesseloberfläche
bleibt frei von kohlenstoffhaltigen Ablagerungen. Dieser Heizölvergasungsbrenner
kann kontinuierlich betrieben werden. Durch die nahstöchiometrische Verbrennung
ist die Konzentration von Schwefeltrioxid S03 im Abgas so gering, daß der Schwefelsäuretaupunkt
bei etwa 75"C liegt. Dieser niedrige Säuretaupunkt ermöglicht einen Betrieb der
Kesselanlage bei
geringer Abgastemperatur von etwa 120°C, ohne daß
die Schwefelsäure-Kondensation beginnt; die Abgasverluste verringern sich durch
Absenken der Abgastemperatur von üblicherweise etwa 1800C auf etwa 120°C entsprechend
(DE-OS 3 006 048).
-
Die rußfreie Verbrennung des Brenngas-Luftgemisches läuft an keramischen
Flammhalteplatten zu nichtleuchtendem Abgas ab, d.h. ohne sichtbare Flamme. Die
Flammhalteplatten haben eine hohe Strahlungsleistung (etwa 20 % der Brennerleistung).
Es ist möglich, mit diesem Vergasungsbrenner sehr kleine Heizanlagen und kompakte
Brennwertheizgeräte mit hohem Energienutzungsgrad zu bauen.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennwertheizgerät
an-zugeben, vorzugsweise mit integriertem katalytischen Heizölvergasungsbrenner,
mit dem die Abgastemperatur weiter gesenkt, der Wirkungsgrad entsprechend erhöht
und die Schadstoffemission in die Atmosphäre verringert werden kann.
-
Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von Brennwertgeräten bekannt
(z.B. GWF-Gas/Erdgas, H. 2, 124, Seiten 97 bis 103 (1983)), die sich aber vorwiegend
auf Erdgas als Brennstoff beziehen. Das Erdgas enthält nur sehr geringe Mengen schwefelhaltiger
Verunreinigungen.
-
Die bei der Verbrennung von Erdgas durch Abkühlung anfallenden Kondensate
enthalten daher praktisch keine Schwefelsäure und dementsprechend treten kaum Korrosions-
und Entsorgungsprobleme auf.
-
Weiter ist eine Verbrennungsvorrichtung für Antriebs-oder Heizungsanlagen
bekannt, deren Verbrennungsraum von einer keramischen Brennkammerwand umgeben ist.
Die-
se Brennkammerwand ist ein integrierter Bestandteil eines keramischen
Wärmetauschers mit ein- oder mehrgängigen Strömungskanälen für das Oxidationsmittel.
-
In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung kann noch ein
zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen sein. Die beiden hohlzylindrischen Wärmetauscher
bestehen aus Keramik. Sie sind koaxial zueinander angeordnet und in ihrer Achsrichtung
relativ zueinander verschiebbar. Durch den zusätzlichen Wärmetauscher kann man die
Größe des Brennraumes und die Zufuhr des Oxidationsmittels verändern (DE-OS 31 36
252) und somit eine Teilkondensation des Verbrennungswassers erreichen.
-
Es ist ferner bekannt, daß in einer Verbrennungs- und Heizeinrichtung
das in einer Brennkammer erzeugte Verbrennungsabgas in einem Wärmeaustauscher unter
den Taupunkt des Verbrennungsgases abgekühlt werden kann und vor Eintritt des Verbrennungsabgases
in die Abgasleitung das Kondensat einem Abscheider zugeführt werden kann. In dieser
Ausführungsform der Heizeinrichtung muß jedoch der gesamte Heizkessel aus korrosionsbeständigem
Material hergestellt sein (DE-OS 31 08 272).
-
In den bekannten Brennwertgeräten ist am Eintritt der Abgase in den
Kamin ein Ventilator angeordnet, mit dessen Hilfe das Abgas durch den Kamin in die
Atmosphäre gedrückt wird, da sonst wegen der niedrigen Abgastemperatur im Kamin
kein ausreichender Zug.herrscht.
-
Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Der dem Brennraum nachgeschaltete Wärmetauscher, der
sowohl im Heizkessel selbst als auch im Kamin oder zwischen beiden angeordnet sein
kann, ermöglicht eine Abkühlung der Abgase auf weniger als 100°, insbesondere unter
50"C.
Man erhält eine entsprechende Erhöhung des Wirkungsgrades der Heizanlage. Die Feuchtigkeit
des in den Kamin strömenden Abgases ist nur noch gering. Eine feuchtigkeitsdichte
Ausführung des Kamins entfällt ebenso wie Einrichtungen zur Verdünnung der Rauchgase
mit Nebenluft. Da der katalytische Vergasungsbrenner in seinem Betriebssystem einen
Verdichter für Vergasungs-und Verbrennungsluft enthält, im Brennraum der Vergasungsbrenneranlage
also immer ein gewisser Überdruck herrscht, wird zum Transport des Abgases durch
den Kamin kein Ventilator benötigt.
-
Für den zusätzlichen Wärmetauscher kann ein teilweise getrennter Wasserkreislauf
vorgesehen sein.
-
In einer Ausführungsform des Brennwertheizgerätes ist der zusätzliche
Wärmetauscher mit dem Kesselwasserkreislauf direkt verbunden.
-
Die Verweilzeit der Gase wird im zusätzlichen Wärmetauscher durch
Mittel zur Erhöhung des Strömungswiderstandes erhöht. Durch die längere Verweilzeit
der Abgase ergibt sich ein längerer Kontakt zwischen dem im Abgas enthaltenen Schwefeldioxid
SO2 und Schwefeltrioxid 503 mit den feuchten Oberflächen des Wärmetauschers. Daraus
resultiert eine stärkere Absorption der Schwefelo-xide im Wasser.
-
Durch das katalytisch aktive Material der Oberfläche des zusätzlichen
Wärmetauschers wird erreicht, daß im Kondensat eine größere Menge Schwefeldioxid
S02 aus dem Rauchgas aufgefangen wird.
-
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der verschiedene Aus-
führungsformen eines Brennwertheizgerätes
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht werden.
-
In der Ausführungsform eines Brennwertheizgerätes lo nach Figur 1
sind ein Vorlaufrohr für das Warmwasser mit 11 und ein Rücklaufrohr mit 12 bezeichnet,
zwischen denen ein Verbraucher angedeutet ist, der beispielsweise ein Heizkörper
23 in einem beheizten Objekt sein kann. Ferner ist ein Feuerraum mit 13, ein Wärmetauscher
mit 14 und ein Brenner, der vorzugsweise ein katalytischer Vergasungsbrenner sein
kann, mit 15 bezeichnet. Für den Brenner 15 ist eine Ölzuführung 16 sowie eine Luftzuführung
17 vorgesehen. Der Brenner 15 ist im Feuerraum 13 eines Heizkessels 18 angeordnet.
Zur lastabhängigen Regelung der Abgastemperatur im Heizkessel -auch bei veränderlichem
Wärmeleistungsbedarf und bedarfsproportionaler Brennerleistung - ist ein Wärmetauscher
14 mit regelbarer Wärmetaucherfläche vorgesehen.
-
Der Wärmeaustauscher 14, der beispielsweise als Rohrbündelwärmetauscher
ausgeführt sein kann, dessen Rohre 19 konzentrisch zum Feuerraum 13 angeordnet sind,
kann beispielsweise eine Stelleinrichtung enthalten, die in Abhängigkeit von der
Heizleistung die Anzahl der zum Wärmeaustausch wirksamen Rohre 19 des Wärmeaustauschers
14 verändert. Diese Verstelleinrichtung kann in an sich bekannter Weise eine als
Trennwand ausgebildete feste Abgassperre 20 und einen Drehschieber 21 enthalten,
der in Abhängigkeit von der Brennerleistung durch einen Antrieb (36) betätigt wird
und nacheinander die Öffnungen der Rohre 19 freigibt. Durch diese offenen Rohre
19, die gleichmäßig um den Feuerraum 13 angeordnet sind, wird die Abgastemperatur
praktisch konstant auf Temperaturen oberhalb des Taupunktes gehalten. Danach strömt
das Abgas durch den zusätzlichen Wärmetauscher 22, in dem zumindest ein Teil des
vorhandenen
Wasserdampfes zu Wasser kondensiert wird, und strömt weiter in den Kamin 24.
-
Zur Steuerung des Brenners 15 sowie zur Regelung des Wärmetauschers
14 mit dem Drehschieber 21 ist eine Regeleinrichtung 30 vorgesehen, der ein Abgastemperaturfühler
31 und eine )-Sonde 32, die im Kamin 24 angeordnet sind, sowie ein Außentemperaturfühler
33 zugeordnet sind. Die Regeleinrichtung 30 regelt mit Hilfe einer Pumpe 34 die
Ölzuführung und mit Hilfe eines Kompressors 35 die Luftzuführung zum Brenner 15
und mit Hilfe eines Antriebs 36 die effektive Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers
14.
-
Die Regelung der effektiven Wärmeaustauscherfläche des Wärmeaustauschers
14 ist so ausgelegt, daß die Temperatur des Abgases am Ausgang aus dem Wärmetauscher
14 nur noch verhältnismäßig gering ist und im allgemeinen etwa 1300C nicht wesentlich
überschreitet. Der nachgeordnete zusätzliche Wärmeaustauscher 22 arbeitet somit
nur noch in einem verhältnismäßig geringen Temperaturbereich von etwa 130 bis 50vC,
während die Temperatur im Wärmeaustauscher 14 noch so hoch ist, daß sie über dem
Schwefelsäuretaupunkt des Abgases liegt und somit Korrosionserscheinungen nicht
auftreten können.
-
Zur Erhöhung der Verweilzeit der Abgase im zusätzlichen Wärmetauscher
22 kann dessen Wärmetauscheroberfläche vorzugsweise wenigstens zum Teil aus Rippen
bestehen, die zweckmäßig aus Aluminiumoxid Al203 oder auch aus kalziumhaltigen Stoffen
bestehen können. Mit diesen den Strömungswiderstand erhöhenden und somit den Wärmeaustausch
vergrößernden Mitteln erhält man ein entsprechend stärkeres Ausscheiden des Schwefeldioxids
SO2 aus dem Abgas. Die gleiche Wirkung erhält man, wenn diese
Rippen
wenigstens teilweise aus katalytischem Material bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform
des Brennwertheizgerätes kann die Wärmetauscheroberfläche des zusätzlichen Wärmetauschers
22 sowohl mit Mitteln zur Erhöhung des Strömungswiderstandes versehen sein als auch
aus katalytischem Material bestehen. Durch die zusätzliche Wärmefreisetzung im Wärmetauscher
22 erhält man eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage um wenigstens 8 bis 10
%.
-
In der Ausführungsform eines Brennwertheizgerätes nach Figur 2 ist
ebenfalls ein Heizkessel 18 mit regelbarer effektiver Wärmeaustauscherfläche des
in der Figur zur Vereinfachung nicht dargestellten Wärmeaustauschers vorgesehen
und der zusätzliche Wärmetauscher 22 ist zwischen der Abgassperre 20 und dem Kamin
24 angeordnet. Vom Heizkörper 23 ist jedoch ein Rücklauf 12a zum zusätzlichen Wärmetauscher
22 und dann ein Rücklauf 12b zum Kessel 18 vorgesehen. Durch diesen Rücklauf über
den zusätzlichen Wärmetauscher 22 erhält man eine zusätzliche Kühlung der Abgase
und zugleich eine Vorwärmung des rücklaufenden Wassers mit entsprechender Verbesserung
des Wirkungsgrades.
-
In der Ausführungsform nach Figur 3 ist der zusätzliche Wärmetauscher
22 derart angeordnet, daß der Drehschieber für die Regelung der effektiven Wärmetauscherfläche
zugleich die Anzahl der wirksamen Rohre des zusätzlichen Wärmetauschers 22 regelt.
Dadurch wird die Temperatur des in den Kamin austretenden Abgases konstant gehalten
und der Anteil des auskondensierten Wassers geregelt.
-
In einer besonders einfachen Anordnung nach Figur 4 ist ein Heizkessel
18 ohne Regelung der effektiven Wärme-
tauscherfläche durch Änderung
der Anzahl der wirksamen Rohre 19 vorgesehen. Der zusätzliche Wärmetauscher 22 ist
dem Heizkessel 18 unmittelbar nachgeordnet. Diese Anordnung ist für eine Heizanlage
geeignet, in der ein Heizöl- oder Gasbrenner im Taktbetrieb arbeitet und die Abgastemperatur
und auch die Temperatur der Wasserkondensation schwanken dürfen.
-
Im Ausführungsbeispiel ist ein Heizöl-Vergasungsbrenner 15 für zweistufige
Verbrennung vorgesehen, der vorzugsweise verwendet werden kann. Es sind jedoch auch
andere Brenner, beispielsweise Zerstäubungsbrenner, Verdampfungsbrenner oder Schalenbrenner,
für Heizöl oder Gasbrenner geeignet, denen ein Wärmeaustauscher zugeordnet ist.
-
3 Patentansprüche 4 Figuren
- Leerseite -