DE3607356A1 - Heizvorrichtung mit rauchgaswaescher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung bestehend aus einer Verbrennungsvorrichtung, die ein Heizregister beaufschlagt, das, vorzugsweise steuerbar, mit einem Heizkreislauf verbunden ist und deren Rauchgas einer Abgaswaschvorrichtung, in der ein Gegenstrom das Rauchgas eine Waschflüssigkeit in Form von Wasserstrahlen oder eines Wasserschirmes passiert, das im unteren Bereich der Abgaswaschvorrichtung in einem Sammler aufgefangen wird und von einer Pumpe in die Waschvorrichtung zurückgepumpt wird.

Es sind Rauchgaswaschvorrichtung aus DE-PS 16 71 393 bekannt, bei denen in eine Durchströmkammer Düsen angeordnet sind, mit denen vorwiegend schräg entgegen der Rauchgasströmungsrichtung Waschflüssigkeit in Form eines Wasserschleiers oder Nebels versprüht wird, der im Gegenstrom durch das Rauchgas in eine Sammelvorrichtung strömt, von wo die Waschflüssigkeit zu den Düsen zurückgepumpt wird. Die Rauchgaswärme geht dabei als Verdampfungswärme verloren, und der entstehende Dampf muß durch Förderluft in die Atmosphäre abgeführt werden, was Lüfterenergie benötigt.

Weiterhin sind Wärmepumpen-Heizvorrichtungen bekannt, bei denen Außenluft und bei erhöhtem Wärmebedarf Rauchgase einer Verbrennungsanlage einen ersten Wärmetauscher beaufschlagen, der als Verdampfer eines Kühlmittelkreislaufes geschaltet ist, der über einen Kompressor und weiter über einen Kondensator führt, der als zweiter Wärmetauscher von einem Heizkreislauf einer Warmwasserheizung durchflossen ist. Der Verdampfer ist wegen des relativ geringen Wärmeüberganges zwischen einem gasförmigen Medium, d. h. Luft bzw. Rauchgas, mit großen Flächen zu versehen und intensiver Ventilation, die zu starker Geräuschbelästigung führt, auszusetzen, damit eine vorgegebene Wärmemenge bei einem üblichen Wirkungsgrad ausgetauscht wird. Weiterhin ist es aus sicherheitstechnischen Gründen nicht gestattet, den Wärmetauscher mit Rauchgasen, die über der kritischen Verdampfungstemperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf liegen, zu beaufschlagen, weshalb diese stets mit einer mehrfachen Menge Beiluft vermischt werden müssen, was den Wirkungsgrad vermindert, da Entropie bei dem Mischvorgang verloren geht.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Heizvorrichtung mit einer Rauchgaswaschvorrichtung zu offenbaren, bei der die Rauchgaswärme dem Heizprozeß zugeführt und somit nutzbar gemacht wird und der Dampfgehalt in dem gereinigten Abgas relativ niedrig ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß ein Rücklauf des Heizkreises durch einen Rücklaufwärmetauscher geführt ist, der andererseits von der Waschflüssigkeit durchströmt wird und vorzugsweise in dem Sammler angeordnet ist.

Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, daß dem Rauchgas nicht nur durch den Waschprozeß Schadstoffe in der umlaufenden Flüssigkeit adsorbiert oder bei geeigneter Zusammensetzung auch chemisch gebunden werden, sondern diesen zusätzlich durch die Abkühlung kondensierende Schadstoffe entzogen werden. Zusätzlich wird die Rauchgas- und Kondensationswärme der Rauchgasfeuchtigkeit genutzt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung ist zwischen der Waschflüssigkeit und dem Vorlauf des Heizkreises eine Wärmepumpe angeordnet, indem deren Verdampfer in der Waschflüssigkeit und der Kondensator in dem Vorlauf liegt. Dadurch wird eine noch weitergehende Abkühlung der Rauchgase erreicht, was den gewünschten Effekt noch steigert.

Zusätzlich hat diese Anordnung den Vorteil, das sie als Wärmepumpenheizvorrichtung zur Entnahme von Wärme aus der Außerluft genutzt werden kann. Diese Anordnung erbringt den Vorteil, daß der Wärmetauscher nur relativ klein zu sein braucht und daß er keine Vereisung zeigt, da es vorgesehen ist mit einer Waschflüssigkeit zu arbeiten, die einen so hohen Salzgehalt hat, daß sie auch bei den Betriebstemperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers, die üblicher Weise auftreten, nicht friert.

Zur Erreichung eines unter den jeweils gegebenen Umständen, d. h. Wärmebedarfs- und Außenlufttemperaturverhältnissen, günstigsten Wirkungsgrades im Wärmepumpenbetrieb wird vorteilhaft die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator so gering wie möglich gehalten und die Vorlauftemperatur des Heizkreises dem Wärmebedarf gemäß in bekannter Weise vorgegeben. Sofern die Leistung der Wärmepumpe für einen angeorderten Wärmebedarf zur Entnahme aus der Umgebungsluft nicht ausreicht, wird, wie bei sogenannten bivalenten Heizvorrichtungen üblich, die VerbrennungsVorrichtung zugeschaltet. Diese ist zweckmäßig mit einem direkten Wärmetauscher ausgestattet, durch den der Heizungskreislauf aufgeheizt wird, und diesem vorgeschaltet werden der Vorlaufwärmetauscher der Waschflüssigkeit und davor der Verdampferwärmetauscher bei Wärmepumpe angeordnet. Der Waschvorrichtung wird dann vorteilhaft nur noch Rauchgas und keine Außenluft zugeführt, und die Temperatur der Waschflüssigkeit wird vorzugsweise so weit abgesenkt, daß auch die schweflige Säure im Rauchgas weitgehend kondensiert.

In vorteilhafter Weise ist es auch möglich, den einen Teil der Rauchgaswärme mit einem zweiten Waschflüssigkeitskreislauf, der auf der Rauchgaszustromseite der Waschvorrichtung angeordnet ist, durch den Rücklaufwärmetauscher zu entziehen. Auf der Rauchgasabstromseite wird dann der andere Waschflüssigkeitskreislauf betrieben. der über den Verdampferwärmetauscher der Wärmepumpenanlage geführt ist und mit niedrigerer Temperatur betrieben wird. Auf diese Weise ist eine noch günstigere Entropienutzung gegeben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt.

Sie zeigt eine Heizvorrichtung in Seitenansicht, teilweise geschnitten und schematisiert, sowie die Kreisläufe, Meß- und Steuerorgane und die Steuervorrichtung.

Eine turmförmig dargestellte Rauchgaswaschvorrichtung (1) ist obenseitig mit einem Düsenstock (2) zum Versprühen der Waschflüssigkeit in Form von Wasserschirmen (WS) oder Sprühregen bestückt. Im unteren Teil befindet sich ein Auffangbecken (21) für die Waschflüssigkeit, dessen Abfluß (22) über eine Solepumpe (23) durch eine Zuleitung (23 B) zur Düse (2) zurückgeführt ist. Die Rauchgase (RG) einer Verbrennungsvorrichtung (3) werden durch einen Stutzen (13) der Waschvorrichtung (1) oberhalb des Auffangbeckens (21) zugeführt, und sie treten, nachdem sie die Rieselstrecke der Waschflüssigkeit im Gegenstrom durchlaufen haben, oben am Abgasstutzen (AG) des Waschturmgehäuses (11) gereinigt und gekühlt aus, von wo sie einem Kamin zugeführt werden können.

Die Verbrennungsvorrichtung (3) ist in bekannter Weise mit einem steuerbaren Brenner (31) ausgerüstet, dem Brennstoff (BS) und Zuluft (ZL) zugeführt wird. Die Flamm- und Rauchgase (RG) durchlaufen ein Heizregister (32), dessen Ab- und Zuleitung (32 A, 32 B) mit einem steuerbaren Kreuzweg- Mischventil (33) verbunden sind, das andererseits mit einem Heizkreis von Heizkörpern (35), der durch eine Heizkreispumpe (34) betrieben wird, mit der Heizkreisvor- und -rücklauf- Leitung (34 A, 34 B) verbunden ist. Dieser Heizkreis ist abstromseitig der Heizkörper (35), die auch durch ein Rohrnetz einer Fußbodenheizung gebildet sein können, mit dem Rücklauf (35 A) durch einen Rücklaufwärmetauscher (16) geführt, wo er von der durch die Rauchgase, z. B. auf 80 Grad C, aufgeheizten Waschsole vorgewärmt wird und diese, z. B. auf 30 Grad C, abkühlt, so daß sie erneut den Düsen (2) zugeführt werden kann.

Der Kreuzwegmischer (33) kann in bekannter Weise von Hand oder über einen Vorlauftemperatursensor (33 c) mit einem Steuerantrieb (33 D) zur Regelung einer bestimmten Temperatur an der Vorlaufleitung (34 B) des Heizkreises verbunden werden (gestrichelt gezeichnet).

Der Brenner (31) wird durch einen Temperaturmelder (32 C) am Rauchgaswärmetauscher (32) zwischen vorgegebenen Grenztemperaturen im Betrieb gesteuert.

In einer weiteren Aufbaustufe wird die Vorrichtung durch eine Wärmepumpe (4) ergänzt, deren Kondensator (41) als erster Wärmetauscher Wärme dem Rücklauf (35 A) des Heizkreises zuführt und deren Verdampfer (43) als zweiter Wärmetauscher der Waschflüssigkeit vor deren Rückführung zu den Düsen (2) Wärme entzieht. Zwischen dem Kondensator (41) und der Zuleitung des Verdampfers (43) liegt vorteilhaft eine steuerbare Drossel (42), die zur Erreichung eines günstigen Wirkungsgrades mit dem Signal des Temperatursensors (42 C) an der Kühlmittel-Ableitung (43 A) des Verdampfers (43) auf Einhaltung einer bestimmten Temperatur geregelt wird. Die Steuerverbindung des Temperatursensors zum Stellglied (42 D) der Drossel (42) ist gestrichelt gezeichnet.

Alternativ kann auch die Temperatur der Waschflüssigkeit in der Ableitung (23 A) hinter dem Verdampfer (43) gemessen und zur Regelung genutzt werden. Damit die Wärmepumpe einen hohen Wirkungsgrad hat, ist dem Kondensator (41) in den Rücklauf (35 A) des Heizkreises, also dort wo die niedrigste Temperatur in ihm herrscht, angeordnet, und danach ist der Rücklaufwärmetauscher (16) in der Waschflüssigkeit, der bei höherer Temperatur betrieben wird, strömungsmäßig angeordnet, der zum Heizkreismischer (33) weitergeschaltet ist.

Diese Anordnung mit der Wärmepumpe hat einerseits den Vorteil, daß die Rauchgasenergie noch weiter ausgenutzt wird und daß durch die niedrigere Temperatur der Waschflüssigkeit die Schadstoffe, insbes. schweflige Säure und Kohlenwasserstoffe, noch weitergehend ausgefällt werden. Es ist im Rahmen des fachmännischen Könnens, geeignete Mittel in Suspension oder gelöst der Waschflüssigkeit beizugeben, die eine chemische Bindung oder Fällung der Schadstoffe bewirken und so eine noch weitergehende Reinugung der Abluft erbringen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird diese als sogenannte bivalente Heizeinrichtung genutzt, wobei die Wärmepumpe bei geringem Heizwärmebedarf, z. B. in der sogenannten Übergangszeit, aus der Außenluft (AL) die Wärme entzieht und die Verbrennungsvorrichtung (3) abgeschaltet wird. Hierzu ist an dem Waschturm (1) ein Ventilator (50) angeordnet, der die Außenluft (AL) über ein Luftzufuhrrohr (51) untenseitig über den Stutzen (13) dem Waschturm (1) zuführt. Eine Pendelklappe (52) schließt wechselseitig den Rauchgasanschluß oder den Außenluftanschluß ab. Weiterhin wird parallel zu der Ventilatoransteuerung mit einem Stellglied (45 D) ein Umwegventil (45) parallel zum Rücklaufwärmetauscher (16) geschaltet und dieser über ein Rücksperrventil abgeschaltet. Der Kreislauf der Waschflüssigkeit entzieht der zugeführten Außenluft im Gegenstrom Wärme, die der Waschflüssigkeit durch die Wärmepumpe entzogen wird. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher (43), verglichen zu einem üblichen Luftwärmetauscher, klein gehalten werden, und der Ventilator (50) kann mit einer niedrigen Leistung wegen des geringen Druckabfalles im Waschturm (1) betrieben werden. Es entstehen dadurch nur sehr geringe Luftströmungsgeräusche.

Die Steuerung der Gesamtvorrichtung erfolgt zweckmäßig über eine Steuervorrichtung (ST), die eingangsseitig mit einem Zeitgeber (CL), einer Eingabevorrichtung für eine Vorgabe von Vergleichstemperaturwerten und mit Temperatursignalgebern für die Außenlufttemperatur (ALC), die Abgastemperatur (AGC), sowie den bereits genannten Temperaturmeldern (33 C, 42 C, 32 C) verbunden sit. Ausgangsseitig steuert sie den Brenner (31) und die Betätigungsvorrichtungen (33 D, 42 D, 45 D) des Mischers (33) der Drossel (42) bzw. des Umwegventils (45) sowie den Ventilator (50), die Wärmepumpe (4), die Heizkreispumpe (34) und die Solepumpe (23). Die Steuerung erfolgt zweckmäßig so, daß, solange im Wärmepumpen-Ventilatorbereich die Abgastemperatur (AGC) einen vorgegebenen unteren Wert nicht unterschreitet und die Vorlauftemperatur (33 C) einen gewissen Wert nicht unterschreitet, der Ventilator, die Wärmepumpe und die Solepumpe betrieben werden und das Umwegventil geöffnet ist, bis jeweils eine vorgegebene obere Vorlauftemperatur erreicht ist. Dann wird die Wärmepumpe ausgeschaltet und der Ventilator und die Solepumpe noch eine vorgegebenen Zeit oder so lange betrieben, bis die Abgastemperatur (AGC) annähernd der Außenlufttemperatur (ALC) entspricht, also einen vorgegebene Differenz zu ihr unterschreitet, worauf auch diese abgeschaltet werden.

Auf diese Weise kann die Wärmepumpe beim Wiederanlaufen, wenn die Vorlauftemperatur ihren unteren vorgegebenen Wert wieder erreicht hat, mit hohen Wirkungsgrad laufen.

Reicht ein Wärmepumpenbetrieb vorgegebener Zeit nicht aus, um die Vorlauftemperatur über einen Mindestwert anzuheben, so schaltet die Steuervorrichtung den Ventilator aus und den Brenner ein, und sie schließt das Umwegventil (45). Abhängig von der Vorlauftemperatur wird dann der Mischer (33) auf den Kreislauf des Heizregisters (32) zu einem Teil umgesteuert. Die Wärmepumpe und Solepumpe werden immer parallel zum Brenner betrieben und nach dessen Abschaltung, die jeweils abhängig von dem Erreichen einer vorgegebenen Heizregistertemperatur (32 C) vorgenommen wird, werden diese so lange weiterbetrieben, bis jeweils die Abgastemperatur einen bestimmten untern Grenzwert erreicht hat. Dabei wird der Ventilator wieder eingeschaltet, falls die Außenlufttemperatur (ALC) über der Abgastemperatur liegt, wobei die Wärmepumpenbetriebssteuerung wieder einsetzt.

Eine zuverlässige Methode einen Kurzschluß des Wärmetransportes zwischen den Wärmetauschern (41, 16, 43) über den Heizkreislauf bzw. den Solekreislauf zu verhindern, besteht darin, das Umwegventil (45) dann zu schließen, wenn die Temperatur an der Zuleitung (16 B) höher als die der Sole im Sammler (21) ist. Dort sind dazu Sensoren (16 C, 21 C) angeordnet, die mit der Steuervorrichtung verbunden sind.

Die Ökonomie des Betriebes der Vorrichtung ist u. a. von den Strom- und Brennstoffkosten und der Auslegung der einzelnen Wärmetauscher, sowie der Solemenge, die unter Umständen vorteilhaft durch einen Tank vergrößert werden kann, bestimmt. Durch die Wahl der vorgegebenen Temperaturgrenzwerte, bei denen die Steuerung der verschiedenen Zustände vorgenommen wird, sowie die Bestimmung der vorgegebenen Zeiten können diese Verhältnisse berücksichtigt werden. Zur Gewinnung geeigneter Daten werden die Temperaturverläufe an den verschiedenen Temperaturmeldern auf einer Ausgabevorrichtung (AG) von der Steuervorrichtung (ST) laufend ausgegeben. Zum leichteren Verständnis wurde bei Temperaturbezeichnungen das Bezugszeichen des Melders hinzugefügt.

Vom Fachmann kann die Vorrichtung durch weitere Teile, z. B. Warmwasseraufbereitung und -speicherung ergänzt werden, oder er kann die Verbrennungsvorrichtung durch eine andere Heizvorrichtung ersetzen oder auf diese ganz verzichten, wobei die Vorrichtung als neuartige Wärmepumpenvorrichtung der Außenluft zwecks Wärmeentzug vorgeordnet ist.

Claims (9)

1. Heizvorrichtung bestehend aus einer Verbrennungsvorrichtung (3), die ein Heizregister (32) beaufschlagt, das, vorzugsweise steuerbar, mit einem Heizkreislauf (34, 35) verbunden ist und deren Rauchgas (RG) einer Abgaswaschvorrichtung (1) in der im Gegenstrom das Rauchgas (RG) eine Waschflüssigkeit in Form von Wasserstrahlen oder eines Wasserschirmes (WS) passiert, das im unteren Bereich der Abgaswaschvorrichtung (1) in einen Sammler (21) aufgefangen wird und von einer Pumpe (23) in einem Sammler (21) aufgefangen wird und von einer Pumpe (23) in die Waschvorrichtung (1) zurückgepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rücklauf (35 A) des Heizkreises (35) durch einen Rücklaufwärmetauscher (16) geführt ist, der andererseits von der Waschflüssigkeit durchströmt wird und vorzugsweise in dem Sammler (21) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschflüssigkeit durch einen Wärmetauscher (43) geführt ist, der andererseits ein Verdampfer eines Kühlmittelkreislaufes einer Wärmepumpe (4) ist, in dem weiterhin eine Drossel (42) und ein Kondensator (41) angeordnet sind, der andererseits von dem Vorlauf (35 A) des Heizkreislaufes durchflossen ist, der austrittsseitig mit dem Rücklaufwärmetauscher (16) eintrittsseitig verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Waschvorrichtung (1) ein Außenluftstrom (AL) über einen Ventilator (50) alternativ zu dem Rauchgas (RG) zuführbar ist und parallel zu dem Rücklaufwärmetauscher (16) ein steuerbares Umwegventil (45) und in Serie zu dem Wärmetauscher (16) eine Rücklaufsperre (44) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschvorrichtung (1) ein trumförmiges Gehäuse (11) hat, in dem obenseitig ein Düsenstock (2) und in dessen unteren Bereich nach unten gerichtet ein Auslaßstutzen (11) für das Rauchgas (RG) bzw. die Außenluft (AL) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Rauchgaszuführung und der Außenluftzuführung eine Pendelklappe (52) angeordnet ist, die die Zuführungen wechselseitig öffnet bzw. schließt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Waschvorrichtung (1) zwei getrennte Waschflüssigkeitskreisläufe angeordnet sind, von denen die eine rauchgaszustromseitig liegt und mit dem Rücklauf- Wärmetauscher (16) in Verbindung steht und die andere rauchgasabstromseitig liegt und mit dem Verdampfer- Wärmetauscher (41) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Heizregister (32), einer Vorlaufleitung (34 B) des Heizkreislaufes (35), einer Verdampferausgangsleitung (43 A), in der Außenluft (AL), in dem Abgas (AG), der Waschvorrichtung (1) in dem Sammler (21) und an der Zuleitung (16 B) des Rücklaufwärmetauschers (16), Temperaturmelder (32 C, 33 C, 42 C, ALC, AGC, 21 C, 16 C) angeordnet sind, die mit einer Steuervorrichtung (ST) eingangsseitig verbunden sind, der weiterhin von einem Zeitgeber (CL) Taktimpulse und von einer Eingabevorrichtung (EG) Grenztemperaturen und Vergleichszeiten vorgebbar sind und die ausgangsseitig mit den Steuereingängen bzw. Stellgliedern des Brenners (31), der Wärmepumpe (4), dser Pumpen (34, 23) im Heiz- bzw. Waschflüssigkeitskreislauf, des Umwegventils (45), der Drossel (42) und eines Misches (33) der zwischen dem Heizregister (32) und dem Heizkreislauf (35) angeordnet ist, verbunden ist.

8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Temperatur in der Vorlaufleitung (34 B) einen vorgegebenen Wert erreicht, die Wärmepumpe (4), der Ventilator (50) und die Waschflüssigkeitspumpe (23) eingeschaltet und das Umwegventil (45) geöffnet werden und, wenn die Temperatur in der Vorlaufleitung (34 B) einen vorgegebenen oberen Wert erreicht, die Wärmepumpe (4) abgeschaltet wird und, wenn die Temperatur des Abgases (AG) eine vorgegebene Differenz zur Temperatur der Außenluft (AL) unterschreitet oder nach einer vorgegebenen Zeit der Ventilator (50) und die Pumpe (23) abgeschaltet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn nach dem Einschalten der Wärmepumpe (4) eine vorbestimmte Zeit vergangen ist und eine vorgegebene Temperatur an der Vorlaufleitung (34 A) nicht erreicht ist, der Ventilator (50) abgeschaltet, der Brenner (31) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Temperatur am Heizregister (32) eingeschaltet, und der Mischer (33) geregelt werden und, wenn danach die Abgastemperatur einen vorgegebenen Wert unterschritten hat, die Wärmepumpe abgeschaltet wird und, wenn der Brenner (31) ausgeschaltet ist und die Abgastemperatur die Außenlufttemperatur unterschreitet, der Ventilator (50) eingeschaltet wird bis die Abgastemperatur die vorgegebene Differenz zur Temperatur der Außenluft (AL) unterschreitet, und daß immer dann, wenn die Temperatur an der Zuleitung (16 B) des Rücklaufwärmetauschers (16) über der Temperatur der Waschflüssigkeit im Sammler (21) liegt, das Umwegventil (45) geschlossen wird.