DE3839540A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewaehrleistung des kondensationsfreien betriebszustandes von rauchgasableitungssystemen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur gewaehrleistung des kondensationsfreien betriebszustandes von rauchgasableitungssystemenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Gewährleistung des stabilen Betriebszustandes von
an Feuerungsanlagen angeschlossenen Rauchgasableitungs
systemen (Schornsteine, Rauchgaskanäle) zu Beginn der
Feuerung und beim Auftreten von störenden Einflüssen,
insbesondere bei der Kondensationsbetriebsweise von Gas
feuerungsanlagen, ohne daß im Schornstein bzw. im
Rauchgasableitungssystem mit dem Abscheiden von Kondensat
rechnen müßte.
Die Aufgabe der Schornsteine, der Rauchgaskanäle und
anderer, an die Feuerungsanlagen angeschlossenen
Rauchgasableitungssysteme (im weiteren Schornsteine)
besteht darin, daß sie das in der Feuerungsanlage
entstandene Verbrennungsprodukt (Abgas) in die Umgebung
abführen und gleichzeitig mit Hilfe der entstehenden Saug
wirkung ("Zug") die zur Verbrennung notwendige Luft in
die Feuerungsanlage einführen. Diese Aufgabe wird durch die
Schornsteine aufgrund der Druckdifferenz gelöst, die
infolge des sich aus der unterschiedlichen Temperatur
des Verbrennungsproduktes im Schornstein und der den
Schornstein umgebenden Luft ergebenden Dichteunterschieds
entsteht.
Die Temperatur der aus den herkömmlichen Feuerungsanlagen
austretenden Verbrennungsprodukte (Rauchgase, Abgase) ist
hoch und übersteigt häufig 150°C, deren Ursache über die
Erzeugung der erforderlichen Druckdifferenz hinaus darin
besteht, daß der aus dem Brennstoff während der Verbrennung
entstehende Wasserdampf im Schornstein während seiner un
vermeidbaren Abkühlung nicht kondensieren darf. Dieser
warme Verbrennungsprodukt enthält in dieser Weise noch
einen bedeutenden Energiegehalt, dessen einer Teil in
Form von fühlbarer Wärme anwesend ist, während sich sein
anderer Teil in Form von Verdampfungswärme im entstandenen
Wasserdampf befindet. Bei den herkömmlichen Feuerungsanlagen
beträgt die mit dem Verbrennungsprodukt verloren gehende
Energiemenge etwa 20% der Verbrennungswärme des Brenn
stoffes.
Zur Nutzung dieser bedeutenden Energiemenge wurden in den
letzten Jahren solche Wärmenutzungsanlagen hergestellt,
die die Verbrennungsprodukte besser abkühlen. Wenn diese
Abkühlung den Taupunkt des sich im Verbrennungsprodukt
befindlichen Wasserdampfes übersteigt, d.h. die Temperatur
des aus dem Wärmebenutzer austretenden Verbrennungsproduktes
kleiner als der Taupunkt ist, wird dann außer der fühlbaren
Wärme auch ein Teil der Verdampfungswärme (=Kondensations
wärme) des Wasserdampfes nutzbar gemacht. In diesem Fall
handelt es sich um eine sogenannte Kondensationsanlage
(oder anders genannt "Brennwertkessel"). Aus den über den
Taupunkt abgekühlten Verbrennungsprodukten in manchen Fällen,
während aus den unter den Taupunkt abgekühlten kondensiert
immer Wasser, wenn die Verbrennungsprodukte während ihrer
Ableitung unverdünnt weiter abgekühlt werden. Das
kondensierte Wasser durchnäßt schon an sich den Schornstein,
während das sich mit der Auflösung der in den Ver
brennungsprodukten vorhandenen gasförmigen Komponenten
(Kohlendioxyd, Schwefeloxyde, Stickstoffoxyde usw.)
herausbildende säurige Kondensat die Wandung der herkömm
lichen Schornsteine auch chemisch angreift und ihre
alsbaldige Zerstörung verursachen kann.
Zur Verbesserung des Betriebes der Schornsteine und zur
Behebung der schädlichen Auswirkungen der Kondensation gab
es zahlreiche Versuche und verschiedene Lösungen, die das
Problem durch die Erhöhung der Feuchtigkeits- und Korrosions
beständigkeit der inneren Flächen des Rauchgasableitungs
systems beseitigen wollten. Es wurden verschiedene Ver
putzmaterialien, Verkleidungsmethoden, nachträglich ein
satzbare Futterrohre erarbeitet, von denen einige aus
verschiedenen Gründen zu keinem befriedigenden technischen
Ergebnis geführt haben, während andere wegen der Verwendung
von rostfreien Stahlmaterialen zu teuer sind.
Das Ziel der Erfindung ist die Behebung der Nachteile
der verschiedenen Schornsteinschutzlösungen und die
Schaffung eines solchen Verfahrens und einer solchen
Vorrichtung, die den relativen Feuchtigkeitsgehalt des
in den Schornstein gelangenden Verbrennungsproduktes
verringern.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Schutz
der Schornsteinkonstruktion gegen die ungünstigen Aus
wirkungen der Feuchtigkeitsausscheidung nicht nur durch
den Schutz der Innenfläche des Schornsteins und durch
Ableitung der abgeschiedenen Feuchtigkeit erreicht werden
kann, sondern auch die Feuchtigkeitsabscheidung selbst
kann in der Weise verhindert werden, daß der physikalische
Zustand des in den Schornstein gelangenden Verbrennungs
produktes derart verändert wird, daß das Verbrennungs
produkt während seiner weiteren Abkühlung im Schornstein
nicht in einen mit Wasserdampf gesättigten Zustand gerät.
Der gesättigte Zustand, d.h. ein relativer Feuchtigkeits
gehalt von 100% kann in zweierlei Weise verändert werden.
Ein relativer Feuchtigkeitsgehalt von kleiner als 100%
kann erfindungsgemäß einerseits durch die Erwärmung des
Mediums (des Verbrennungsproduktes) und andererseits durch
Zumischung von einem anderen (Vordünnenden) Medium mit
entsprechendem Zustand erreicht werden.
Die zur Erreichung des gestellten Ziels bzw. zur Durch
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Vorrichtung enthält eine mit Hilfe eines Fühlers über
eine Steuereinheit betätigte Wärmezuführungseinheit
und/oder eine ebenfalls gesteuerte Luftzuführungseinheit,
wobei die Vorrichtung in Abhängigkeit von dem physikalischen
Zustand des sich im Schornstein befindlichen Mediums entweder
keinen Eingriff vornimmt oder unabhängig von der eigent
lichen Feuerungsanlage aus einer anderen Wärmequelle Wärme
in den Schornstein zuführt oder gegebenenfalls ein ver
dünnendes Medium, z.B. Luft zuführt und das Verbrennungsprodukt
mit diesem vermischt wird.
Bei der einfachsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird also dem Schornstein aus einer von der
Feuerungsanlage unabhängigen Wärmequelle Wärme zugeführt
und die Menge der zugeführten Wärme wird aufgrund der sich
im Schornstein ausbildenden Werte gesteuert.
Nachdem jedoch diese Wärmezufuhr normalerweise die Wirt
schaftlichkeit der Feuerungsanlage als Ganzes vermindert,
ist es zweckmäßig, den relativen Feuchtigkeitsgehalt durch
Zumischung eines anderen Mediums zu verringern. Als dem
Verbrennungsprodukt zumischbares anderes Medium steht
meistens Luft zur Verfügung, deren Zustand (Temperatur,
relativer Feuchtigkeitsgehalt) jedoch in der Praxis nicht
in jedem Fall die gewünschte Feuchtigkeitsgehaltver
minderung ermöglicht, weil gegebenenfalls eine zu große
Menge davon zugemischt werden sollte. Einer derartigen
Zumischung wird jedoch unter anderem durch die Wirtshaft
lichkeitsbedingungen Grenzen gesetzt. Mit der Abnahme
der Temperatur des Verbrennungsproduktes und so auch mit
der Verminderung des absoluten Feuchtigkeitsgehalts kann
jedoch in Abhängigkeit von den örtlichen Bedingungen eine
Grenztemperatur gefunden werden, wo die Zumischung der
Luft dem Verbrennungsprodukt wirtschaftlich verwirklicht
und der relative Feuchtigkeitsgehalt der Mischung verrin
gert werden kann.
Die Erfindung wird ausführlicher anhand von Ausführungs
beispielen, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine mit einer gesonderten Wärmeerzeugungs
vorrichtung versehene erfindungsgemäße Vorrichtung,
in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine mit einem aus einer gesonderten Wärmequelle
stammenden Wärmeträgermedium und einem Wärmeaus
tauscher betriebene Vorrichtung, in schematischer
Darstellung,
Fig. 3 eine mit einem aus einer gesonderten Wärmequelle
stammenden Wärmeträgermedium und unmittelbaren
Wärmeaustausch betriebene Vorrichtung, in
schematischer Darstellung
und
Fig. 4 eine mit einer gesonderten Wärmeerzeugungs
vorrichtung und einem Mittel für die Zuführung
von Verdünnungsmedium (Luftzuführungseinheit)
versehene Vorrichtung, in schematischer Darstellung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Rauchgasableitungssystems ist in einen Schornstein 1 eine
Verbrennungsproduktzuführung 2 eingebunden. An der Innen
wand des Schornsteins 1, an dessen oberen Ende ist ein
Fühler 3 angeordnet, der über eine Signalleitung 4 an
eine Steuereinheit 5 angeschlossen ist. Der Fühler 3 ist
beispielsweise ein Temperaturfühler, d.h. ein elektri
sches Signal abgebendes Thermometer. Das Ausgangssignal
der Steuereinheit 5 ist einer Wärmezuführungseinheit zu
geleitet, die in der Figur in Form einer Wärmeerzeugungs
vorrichtung 6, z.B. eines Gasbrenners ausgeführt ist, der
mit an sich bekannten Zündvorrichtungen und Flammenwächter
versehen ist und unabhängig von der Verbrennungsprodukt
zuführung 2 mit dem Innenraum des Schornsteins 1 verbunden
ist.
In Fig. 2 ist die Wärmezuführungseinheit in Form eines
Wärmeaustauschers 9 ausgeführt, der an eine Rohrleitung 7
über einen Rohrverschluß 8 angeschlossen ist, wobei eine
Rohrleitung 10 als Rücklaufleitung dient. Der Rohrverschluß
8 ist beispielsweise ein gesteuertes Ventil, das mit dem
Fühler 3 verbunden ist.
Der Schornstein 1 ist mit einer Luftzuführungsöffnung 12
versehen, wobei vor der Luftzuführungsöffnung 12 ein Luft
regler 11 und nach der Luftzuführungsöffnung 12 ein Luft
verteiler 13 angeordnet ist. Der Luftverteiler 13 kann
beispielsweise in Form einer gestanzten oder einer mit
Bohrungen versehenen Metallplatte ausgeführt sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht die Wärme
zuführungseinheit aus einer in den Schornstein 1 mündenden
Rohrleitung 14, in welchem ein Rohrverschluß 15, beis
pielsweise eine Klappe angeordnet ist. In der Ver
brennungsproduktzuführung 2 ist ein zusätzlicher Fühler
16 angeordnet, der über eine Signalleitung 17, ähnlich wie
der Fühler 3, mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, wobei
die Steuereinheit 5 mit dem Rohrverschluß 15 in Verbindung
steht.
Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung enthält eine Wärme
erzeugungsvorrichtung 6 und auch ein Mittel 20 für die
Zuführung eines Verdünnungsmediums, die über Signal
leitungen 18 und 19 von der Steuereinheit 5 gesteuert
werden, die ihrerseits über eine Signalleitung 17 mit
einem in der Verbrennungsproduktzuführung 2 angeordneten
Fühler 16 verbunden ist.
Die Bedingung der Funktionierung einer beliebigen erfin
dungsgemäßen Vorrichtung kann gegebenenfalls der Betrieb
der an den Schornstein angeschlossenen und das Ver
brennungsprodukt auslassenden Feuerungsanlage sein,
aber es können auch andere Bedingungen gestellt werden.
Eine solche Bedingung könnte es sein, daß vor dem Be
ginn der Feuerung die Wärmequelle der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eingeschaltet werden muß.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
wie folgt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, wenn der Fühler 3
eine dem eingestellten Sollwert niedrigere Temperatur
oder einen größeren Feuchtigkeitsgehalt erfaßt, dann
veranlaßt sein über die Signalleitung 4 weitergeleitete
Signal die Steuereinheit 5 zum Starten der Wärmeerzeugungs
vorrichtung 6. Das durch die Wärmeerzeugungsvorrichtung 6,
z.B. einen Gasbrenner in den Schornstein 1 herbeförderte
Verbrennungsprodukt erwärmt das sich im Schornstein 1
befindliche Medium und bringt die dem stabilen Betriebszustand
des Schornsteins entsprechende Temperaturverhältnisse zu
stande. Wenn die Temperatur oder der Feuchtigkeitsgehalt
den gewünschten Wert (Sollwert) erreicht, wird die Wärme
erzeugungsvorrichtung 6 auf das Signal des Fühlers 3 durch
die Steuereinheit 5 abgestellt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 strömt in der Rohr
leitung 7 das Wärmeträgermedium einer konstruktionell
gesonderten Wärmequelle. Dieses Wärmeträgermedium kann das
Heizmedium (Warmwasser oder Dampf) eines von der Feuerungs
anlage unabhängig betriebenen Heizsystems (z.B. Fern
heizversorgung), aber auch ein aus dem zur Verwertung der
Abfallwärme von irgendwelcher technologischer Anlage ver
wendeten Wärmeaustauscher ankommendes Wärmeträgermedium
sein.
Die Luftströmung kann mit Hilfe des Luftreglers 11 einge
stellt werden. Die durch dieses bzw. die Luftzuführungs
öffnung 12 in den Schornstein 1 hineinströmende Luft wird
durch den Luftverteiler 13 im vollen Querschnittsbereich
des Schornsteins 1 in den Luftraum des Schornsteins 1
geleitet, wo sie durch den Wärmeaustauscher 9 hin
durchströmend erwärmt wird. Der Vorgang läuft im weiteren
so ab, wie es anhand von Fig. 1 erläutert wurde, wobei
der Rohrverschluß 8 vom Fühler 3 aus gesteuert wird,
wodurch die in den Schornstein 1 gelangende Wärmemenge
durch die Steuerung der Menge des in der Rohrleitung 7
ankommenden Wärmeträgermediums und/oder durch die Ab
stellung der Strömung eingestellt wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird durch die
Rohrleitung 14 ebenfalls das Wärmeträgermedium einer
konstruktionell unabhängigen Wärmequelle geleitet.
Dieses Wärmeträgermedium erwärmt im dargestellten Beispiel
unmittelbar den inneren Luftraum des Schornsteins 1, ähnlich
zum Verbrennungsprodukt der Wärmeerzeugungsvorrichtung
6 in Fig. 1, aber abweichend von der in Fig. 2 dargestellten
und über einen Wärmeaustauscher 9 verwirklichten Wärmeüber
tragung. Das Wärmeträgermedium kann ein beliebiges, über den
Schornstein in die Umgebung abführbares gasförmiges
Mediums sein, das einen ausreichenden Wärmeinhalt auf
weist. Das Wärmeträgermedium kann z.B. die abgesogene
Luft der Ventillation oder ein aus einer technologischen
Anlage oder Wärmeerzeugungsanlage stammendes Verbrennungs
produkt sein. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform
stimmt im weiteren mit der Arbeitsweise der Ausführungs
formen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 überein, mit der Er
gänzung, daß die den Rohrverschluß 15 steuerende Steuer
einheit 5 hier nicht von einem, sondern von zwei Fühlern
3 und 16 über die Signalleitungen 4 und 17 Signale erhält.
Der zusätzliche Fühler 16 hat dann eine Bedeutung wenn in
der Verbrennungsproduktzuführung 2 Rauchgasströmung vor
handen ist, also die eigentliche Feuerungsanlage des
Schornsteins 1 schon im Betrieb ist. Die Fühler 3 und
16 sind beispielsweise Thermometer, wobei die Wärmezufuhr,
d.h. in Fig. 3 der Rohrverschluß 15 (Klappe) durch die
Steuereinheit 5 derart geregelt wird, damit im Schornstein
1 ein stabiler, kondensationsfreier Betriebszustand erzielt
wird. Dementsprechend darf die durch den Fühler 3 erfaßte
Temperatur nicht niedriger sein als die durch den Fühler
16 erfaßte Temperatur.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird durch die
Steuereinheit 5 sowohl eine Wärmeerzeugungsvorrichtung
6 als auch ein Mittel 20 zur Zuführung eines Verdünnungs
mediums (z.B. Luftklappe) gesteuert. Wenn das in den
Schornstein 1 durch die Verbrennungsproduktzuführung 2
gelangende Rauchgas eine genügend hohe Temperatur aufweist,
dann wird dieser Umstand mit Hilfe des Fühlers 16 durch
die Steuereinheit 5 erfaßt, wonach sie über die Signal
leitung 18 die Wärmeerzeugungsvorrichtung 6 abschaltet
und über die Signalleitung 19 das zweckmäßig als eine
Klappe ausgeführte Mittel 20 für die Zuführung eines
Verdünnungsmediums verschließt.
Wenn die Temperatur des Rauchgases niedriger als der
(eingestellte) Sollwert ist, und im Schornstein 1 mit
einer Kondensation gerechnet werden muß, doch diese
Temperatur ist noch so hoch, daß die Kondensation durch
Luftzumischung nicht wirtschaftlich verhindert werden
kann, dann wird dieser Umstand durch die Steuereinheit
5 mit Hilfe des Fühlers 16 erfaßt, und die Steuereinheit
5 startet die Wärmeerzeugungsvorrichtung 6, wobei das
Mittel 20 für die Zuführung eines Verdünnungsmediums
weiterhin geschlossen gehalten wird.
Wenn sich die Temperatur des Rauchgases weiter abnimmt
und eine andere eingestellte Temperatur erreicht, unter
welcher die Kondensation im Schornstein 1 durch Luft
zumischung wirtschaftlich verhindert werden kann, dann
wird die Wärmeerzeugungsvorrichtung 6 durch die Steuer
einheit 5 abgeschaltet, während das Mittel 20 für die
Zuführung eines Verdünnungsmediums geöffnet wird. Für
das Öffnungsmaß des Mittels 20 könnte als Bedingung
gestellt werden, daß der Druck an der Innenseite des
Mittels 20 seitens des Schornsteins 1 größer sein muß
als der Druck an der Außenseite.
Die entsprechend der Obigen ausgeführte und betriebene
Vorrichtung ist dafür geeignet, bei den nach den her
kömmlichen Prinzipien konstruierten Feuerungsanlagen,
wo die Temperatur des austretenden Verbrennungsproduktes
zur Aufrechterhaltung des stabilen, kondensationsfreien
Betriebszustandes des Schornsteins ausreichend ist, diesen
stabilen Betriebszustand des Schornsteins noch vor dem
Beginn der Feuerung derart zu gewährleisten, daß zu
Beginn der Feuerung sofort optimale Rauchgasableitungs
verhältnisse zustandekommen, während bei einer Kondensations
feuerung die kontinuierliche, von weiterer Kondensation
freie, intensive Abführung der Verbrennungsprodukte niedriger
Temperatur zu ermöglichen.
Durch entsprechende Dimensionierung des Schornsteins 1,
der Feuerungsanlage sowie der Wärmeerzeugungsvorrichtung
6 kann es gewährleistet werden, daß die im durch die
Wärmeerzeugungsvorrichtung 6 verbrauchten Brennstoff
enthaltene Energiemenge wesentlich geringer ist als die
Energiemenge, die durch den besseren Wirkungsgrad der
Kondensationsfeuerungsanlage erspart werden kann.
Claims (10)
1. Verfahren zur Gewährleistung des kondensationsfreien
Betriebszustandes von Rauchgasableitungssystemen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungs
produkt mit einem wärmeren Medium in Wärmeaustausch-Wech
selwirkung gebracht wird und diese Wechselwirkung mit
Hilfe eines im Rauchgasableitungssystem angeordneten
Fühlers gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verbrennungsprodukt mit einem
Verdünnungsmedium vermischt wird, und diese Vermischung
mit Hilfe eines im Rauchgasableitungssystem angeordneten
Fühlers gesteuert wird.
3. Vorrichtung zur Gewährleistung des kondensationsfreien
Betriebszustandes von Rauchgasableitungssystemen, dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine von einer mit einem
im Rauchgasableitungssystem, zweckmäßigerweise in der
Nähe der Mündung des Schornsteins (1) angeordneten Fühler
(3) verbundenen Steuereinheit (5) gesteuerte, in den
Schornstein (1) unabhängig von der Verbrennungsprodukt
zuführung (2) eingebundene Wärmezuführungseinheit (6, 9,
14) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie als Wärmezuführungseinheit eine vom
Fühler (3) über die Steuereinheit (5) gesteuerte Wärme
erzeugungsvorrichtung (6) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie als Wärmezuführungseinheit einen
an eine Rohrleitung (7) für die Zuführung eines Wärmeträgermediums
angeschlossenen Wärmeaustauscher (9) aufweist, wobei die
Rohrleitung (7) mit einem von dem Fühler (3) über die
Steuereinheit (5) gesteuerten Rohrverschluß (8) versehen
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß unter dem Wärmeaustauscher (9) eine
Luftzuführungsöffnung (12) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie als Wärmezuführungseinheit eine
mit einem von dem Fühler (3) über die Steuereinheit (5)
gesteuerten Rohrverschluß (15) versehene, unmittelbar in
den Schornstein (1) eingebundene Rohrleitung (14) für die
Zuführung eines Wärmeträgermediums aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie neben der Wärmezuführungseinheit
(6, 9, 14) ein Mittel (20) für die Zuführung eines Ver
dünnungsmediums aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß sie außer
dem in der Nähe der Mündung Schornsteins (1) ange
ordneten Fühler (3) auch einen an einer anderen Stelle
angeordneten, an die Steuereinheit (5) angeschlossenen
Fühler (16) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der an die
Steuereinheit (5) angeschlossene Fühler (16) vor dem
zu schützenden Schornstein (1), in der Verbrennungs
produktzuführung (2) angeordnet ist.
Applications Claiming Priority (1)
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ID=10969840
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