DE3839540C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewährleistung des kondensationsfreien Betriebszustandes von Rauchgasableitungssystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewährleistung des kondensatfreien 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" genannt) 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, was über die Erzeugung der erforderlichen Druckdifferenz hinaus dazu notwendig ist, daß der aus dem Brennstoff während der Verbrennung entstehende Wasserdampf im Schornstein während seiner un­ vermeidbaren Abkühlung nicht kondensieren darf. Dieses warme Verbrennungsprodukt enthält in dieser Weise noch einen bedeutenden Energiegehalt, dessen einer Teil in Form von fühlbarer Wärme vorliegt, während sein anderer Teil in Form von Verdampfungswärme im entstandenen Wasserdampf vorliegt. 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 bei dieser Abkühlung der Taupunkt des sich im Verbrennungsprodukt befindlichen Wasserdampfes überschritten wird, d. h., daß die Temperatur des aus dem Wärmebenutzer austretenden Verbrennungsproduktes kleiner als der Taupunkt ist, dann wird 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 kondensiert in manchen Fällen, 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 bei der Auflösung der in den Ver­ brennungsprodukten vorhandenen gasförmigen Komponenten (Kohlendioxyd, Schwefeloxyde, Stickstoffoxyde usw.) herausbildende saure 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 setzbare 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.

Der Erfindung liegt hiernach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die den relativen Feuchtigkeitsgehalt des in den Schornstein gelangenden Verbrennungsproduktes verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst mit deren Merkmalen im kennzeichnenden Teil.

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 (verdünnenden) 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 Wirtschaft­ 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 zeigt

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 mit einem Schornstein 1 eine Verbrennungsproduktzuführung 2 verbunden. An der Innen­ wand des Schornsteins 1, an dessen oberem 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 ein elektri­ sches Signal abgebendes Thermometer. Das Ausgangssignal der Steuereinheit 5 wird 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 welcher ein Rohrverschluß 15, bei­ spielsweise 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.

Voraussetzung für das Funktionieren 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 andere 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:

Wenn bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 der Fühler 3 eine gegenüber dem eingestellten Sollwert niedrigere Temperatur oder einen größeren Feuchtigkeitsgehalt erfaßt, dann veranlaßt sein über die Signalleitung 4 weitergeleitetes Signal die Steuereinheit 5 zum Starten der Wärmeerzeugungs­ vorrichtung 6. Das durch die Wärmeerzeugungsvorrichtung 6, z. B. einen Gasbrenner in den Schornstein 1 eingebrachte 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 hin durch die Steuereinheit 5 abgestellt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 strömt in der Rohr­ leitung 7 das Wärmeträgermedium einer gesonderten Wärmequelle. Dieses Wärmeträgermedium kann das Heizmedium (Warmwasser oder Dampf) eines von der Feuerungs­ anlage unabhängig betriebenen Heizsystems (z. B. Fernheizversorgung) sein, aber auch ein Wärmeträger-Medium aus dem zur Verwertung der Abfallwärme von irgendwelcher technologischer Anlage ver­ wendeten Wärmeaustauscher.

Die Luftströmung kann mit Hilfe des Luftreglers 11 einge­ stellt werden. Die durch diesen 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 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 abgesaugte Luft der Ventilation 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 eine 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, daß 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 noch so hoch ist, 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 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 des Obigen ausgeführte und betriebene Vorrichtung ist dazu 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 zustande kommen, während sie bei einer Kondensations­ feuerung die kontinuierliche, von weiterer Kondensation freie, intensive Abführung der Verbrennungsprodukte niedriger Temperatur ermöglicht.

Durch entsprechende Dimensionierung des Schornsteins 1, der Feuerungsanlage sowie der Wärmeerzeugungsvorrichtung 6 kann es gewährleistet werden, daß die Energiemenge, die im durch die Wärmeerzeugungsvorrichtung 6 verbrauchten Brennstoff enthalten ist, wesentlich geringer ist als die Energiemenge, die durch den besseren Wirkungsgrad der Kondensationsfeuerungsanlage erspart werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zur Gewährleistung des kondensationsfreien Betriebszustandes eines an eine Feuerungsanlage angeschlossenen Rauchgasableitungssystems (1, 2), das in diesem System einen Fühler (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Aufheizen des Rauchgases durch Wärmeaustausch- Wechselwirkung mit einem von der Feuerungsanlage unabhängigen, wärmeren Medium veranlaßt wird, wenn das vom Fühler (16) abgegebene Signal einen ersten Sollwert erreicht; und
• - das Aufheizen des Rauchgases beendet wird und das Rauchgas mit einem Verdünnungsmedium vermischt wird, wenn das vom Fühler (16) abgegebene Signal einen zweiten Sollwert erreicht.

2. Vorrichtung zur Gewährleistung des kondensationsfreien Beriebszustandes von Rauchgasableitungssystemen, gekennzeichnet durch

• - eine Wärmezuführungseinheit (6, 9, 14), die von einer mit einem im Rauchgasableitungssystem, zweckmäßigerweise in der Nähe der Mündung des Schornsteins (1) angeordneten Fühler (3) verbundenen Steuereinheit (5) gesteuert wird und die in den Schornstein (1) unabhängig von der Verbrennungsproduktzuführung (2) eingebunden ist; und
• - ein Mittel (20) für die Zuführung eines Verdünnungsmediums.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Wärmezuführungseinheit eine vom Fühler (3) über die Steuereinheit (5) gesteuerte Wärmeerzeugungsvorrichtung (6) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 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.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Wärmeaustauscher (9) eine Luftzuführungsöffnung (12) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 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.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie außer dem in der Nähe der Mündung des Schornsteins (1) angeordneten Fühler (3) auch einen an einer anderen Stelle angeordneten, an die Steuereinheit (5) angeschlossenen Fühler (16) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Steuereinheit (5) angeschlossene Fühler (16) vor dem zu schützenden Schornstein (1) in der Verbrennungsproduktzuführung (2) angeordnet ist.