DE4032264A1 - Vorrichtung zur rueckgewinnung von waerme aus den abgasen aus feuerungsanlagen und produktionsprozessen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von trockener und latenter Wärme aus den Abgasen von Feuerungsanlagen und Produktionsprozessen durch Abkühlen der Abgase und nachfolgendem Wiederaufwärmen der Abgase zum Abführen über einen Kamin mit einem Wärmetauscher mit vertikal ausgerichteten Abgaskanälen zum Durchleiten der Abgase von oben nach unten und einer unterhalb des Wärmetauschers angeordneten Sammel- und Wendekammer mit Kondensatablauf und einem sich an die Sammel- und Wendekammer anschließenden aufwärts erstreckenden Abzugsrohr mit Kaminanschluß für das abgekühlte Abgas.

Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise aus der DE-PS 39 11 276, DE-PS 34 06 989, DE-OS 32 17 782 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme zu schaffen, die berechenbar ist, d. h. bei der nicht nur die Energiebilanz des Wärmetauschers berechenbar ist, sondern bei der auch die Nachwärmung der Abgase für eine ausreichende Thermik für den Kaminabzug, abgestimmt auf das jeweilige Kaminverhalten, berechenbar ist.

Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmerückgewinnungsanlage mit Wiedererwärmung der bis unter den Taupunkt abgekühlten Abgase, um für den Kamin einen ausreichenden thermischen Auftrieb zu gewährleisten, zu schaffen, die baukastenmäßig zusammenbaubar und damit an unterschiedliche Leistungen anpaßbar ist. Auf diese Weise soll die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen erhöht werden.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Wärmerückgewinnungsanlage mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die Erfindung ermöglicht den Zusammenbau des Wärmetauschers nach dem Baukastensystem aus Einzelmodulen, den Wärmetauschermodulen, die bevorzugt in Blockform, beispielsweise aus abgerundeten, mehreckigen Einzelmodulen. bestehen.

Die übliche Abgasführung über Wärmetauscher in großen Kanälen hat relativ undefinierbare Strömungsverhältnisse zur Folge, die erfahrungsgemäß auch auf die Verbrennung einen negativen Einfluß bis zur Rußbildung hin haben. Durch Einsatz von Wärmetauschermodulen, bei denen die Abgase durch Abgaskanäle geführt und das zu erwärmende Medium hierzu zu senkrecht verlaufenden Kanälen geführt wird - sogenannte Kreuzstromwärmetauscher - entstehen stabile Strömungsverhältnisse, die zudem besser berechenbar sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungsanlage sind den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10 entnehmbar.

Der aus einzelnen Wärmetauschermodulen bestehende Wärmetauscher ist mit einer übergeordneten Abgashaube verbunden, durch die Abgase zugeführt werden und der ein Verteilerblech angeordnet ist, das so ausgestattet ist, daß die ganze Wärmetauscherfläche möglichst gleichmäßig beaufschlagt wird. Des weiteren können in die Abgashaube schadstoffbindende Mittel eingedüst werden oder auch Reinigungseinrichtungen angeschlossen werden.

Das in der Sammel- und Wendekammer sich ansammelnde Kondensat kann von dort in eine extern zum Wärmetauscher angeordnete Neutralisationsstation geleitet werden.

Für die Wiedererwärmung des bis zum oder unter den Taupunkt abgekühlten Abgases, um danach eine ausreichende Thermik für den Abzug durch den Kamin zu erzielen, erfolgt durch zumindest teilweise doppelschalige Ausbildung des Abzugsrohres, das von unten nach oben geführt ist, wobei die dadurch gebildete Aufwärmkammer entweder ringförmig außenseitig das Abzugsrohr umgibt oder auch ggf. innerhalb des Abzugsrohres ausgebildet ist. Die Wärmeaustauschfläche kann hierbei variabel ausgebildet sein, die Aufwärmkammer kann unterteilt werden, so daß kleinere oder größere Austauschflächen zur Verfügung stehen. Damit ist es auch möglich, die notwendige Energiemenge zur Wiedererwärmung der abgekühlten Abgase für den Kaminabzug durch die Größe der Doppelschale bzw. Wärmeaustauschflächen der Aufwärmkammer gegenüber dem Abzugsrohr genau zu definieren. Damit ist die Aufwärmung der abgekühlten Abgase exakt auf das jeweilige Kaminverhalten im Einzelfall bestimmbar und es kann die ausreichende Thermik für den Kaminzug durch die Nachwärmung des Abgases hergestellt werden. Zusätzlich kann am Abzugsrohr ein Abgasventilator angeordnet werden, der die durch den Wärmetauscher aufgebauten Widerstände überwindet und gewährleistet, daß der für die Abgasführung durch den Kamin notwendige Unterdruck am Kamineintritt vorhanden ist.

Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Teilstrom des abgekühlten und gereinigten Abgases aus der Abgasleitung vor der Wiedererwärmung durch die Aufwärmkammer der Verbrennungsluft am Brenner zuzuführen, um die Stickoxydbildung bei der Verbrennung von Erdgas zu reduzieren.

Auch die abgeleitete Kondensatmenge kann durch eine Meßeinrichtung genau erfaßt werden, um auf diese Weise die Leistung des Wärmetauschers und der Wärmerückgewinnungsanlage möglichst genau zu definieren.

Für Abgase mit agressiven Schadstoffen sind Wärmetauscher aus metallischen Werkstoffen nicht geeignet. Daher war bisher die Kondensationstechnik bei mit Öl befeuerten Heizungsanlagen nicht einsetzbar. Ebenso war diese Technik in vielen Produktionsprozessen, z. B. Glashütten, nicht einsetzbar. Eine erfindungsgemäß mit Wärmetauschern aus Graphitmodulen aufgebaute Wärmerückgewinnungsanlage kann auch bei Ölheizungen eingesetzt werden. Wärmetauscher aus Graphit sind jedoch nur bis zu Abgastemperaturen von etwa 300°C einsetzbar. Für Wärmerückgewinnungsanlagen mit höheren Abgastemperaturen sind Wärmetauschermodule aus Keramik mit Vorteil einsetzbar. Derartig ausgerüstete Wärmerückgewinnungsanlagen sind sowohl für Öl befeuerte Heizungsanlagen als auch für Abgase aus Produktionsprozessen geeignet, selbst wenn die Temperatur der Abgase bis über 1000°C liegt.

Erfindungsgemäße Wärmerückgewinnungsanlagen können ohne Veränderung eines vorhandenen Kamins an bestehende Kamine angeschlossen werden. Die Erfindung ermöglicht vor Anschluß der Wärmerückgewinnungsanlage an den Kamin, das Kaminverhalten genau zu berechnen, insbesondere auch die vorherige Bestimmung, mit welcher Mindesttemperatur die Abgase in den Kamin geleitet werden können, um einen ausreichenden Abzug zu gewährleisten.

Die Erfindung ermöglicht, auch bei geringem Abgasvolumen und je nach Kesselgröße nur sehr wenige Wärmetauschermodule bis nur zu einem Wärmetauschermodul für ein oder mehrere Heizkreise vorzusehen. Die erfindungsgemäße Wärmerückgewinnungsanlage kann sehr raumsparend aufgebaut werden und zeichnet sich durch geringen Platzbedarf und Mobilität infolge des baukastenmäßigen Aufbaus aus.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Wärmerückgewinnungsanlage in schematischer Darstellung

Fig. 2 schematisch auszugsweise eine perspektivische Ansicht auf den Wärmetauscher.

Der Wärmetauscher W ist nach dem Baukastensystem aus einzelnen Wärmetauschermodulen 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6 usw., siehe Fig. 2, aufgebaut. Die Wärmetauschermodule sind etagenweise, siehe auch Fig. 2, in z. B. vier Etagen I, II, III, IV übereinander zusammengebaut. In dem gezeigten Beispiel mit Fig. 1 und 2 sind in jeder Etage vier Wärmetauschermodule 10 vorgesehen, das sind bei vier Etagen insgesamt sechzehn Wärmetauschermodule. Die Wärmetauschermodule sind als Kreuzstromwärmetauscher aufgebaut mit senkrecht von oben nach unten verlaufenden Abgaskanälen 11 und waagerecht hierzu verlaufenden Kanälen 12 für die Durchleitung des zu erwärmenden Mediums. Die Wärmetauschermodule sind bevorzugt entweder aus Graphit oder auf Basis Keramik erstellt. Es kann jeweils eine Etage I mit einer Zuleitung 13.1 und Ableitung 14.1 für das durch die Kanäle 12 durchzuleitende zu erwärmende Medium angeschlossen sein, so daß jede Etage I, II, III, IV einen separaten Heizkreis bildet. Es ist aber auch möglich, beispielsweise zwei Etagen, hier die Etagen III und IV, zu einem Heizkreis mit einer Zuleitung 13.3 und einer Ableitung 14.3 zusammenzufassen. Die Etage II hat dann die Zuleitung 13.2 und Ableitung 14.2.

Der aus den einzelnen Wärmetauschermodulen bestehende Wärmetauscher W ist mit der oberseitig angeordneten Abgashaube 2 verbunden, durch die die Abgase in Pfeilrichtung A senkrecht in die Kanäle 11 der Wärmetauschermodule von oben nach unten geführt werden. Um die gesamte Oberfläche des Wärmetauschers bei dem Abgaseintritt mit den heißen Gasen möglichst gleichzeitig zu beaufschlagen, befindet sich in der Abgashaube 2 ein Verteilerblech 4, das horizontal angeordnet ist und das Löcher 40 aufweist, deren Größe von der Menge des Abgasvolumens bestimmt wird und wobei die Größe der Löcher von der Mitte des Verteilerbleches nach außen hin zunimmt, d. h. zum Rand hin größere Löcher als in der Mitte des Verteilerbleches ausgebildet sind.

Des weiteren sind an der Abgashaube 2 Anschlußstutzen 23, 24 zum Anschluß einer Vorrichtung zum Eindüsen von schadstoffbindenden Mitteln in den Abgasstrom und zum Anschluß von Abreinigungseinrichtungen vorgesehen.

Die Wärmetauschermodule 10 werden waagerecht von den zu erwärmenden Medien durch die Kanäle 12 durchströmt, wobei die Wärme aus den durch die Abgaskanäle geleiteten Abgasen aufgenommen wird und die Abgase abkühlen. Die abgekühlten Abgase treten in die unterhalb des Wärmetauschers W angeordnete und ausgebildete Sammel- und Wendekammer 3 ein, die an ein zum Kamin führendes Abzugsrohr 6 angeschlossen ist. Die abgekühlten Abgase A1 werden dann wieder von unten nach oben in Richtung Kamin geführt. Das anfallende Kondensat K wird in der Sammel- und Wendekammer 3 gesammelt und von dort in extern zum Wärmetauscher angeordnete Neutralisationsstation in Pfeilrichtung K geleitet. In die Kondensatleitung vor Eintritt in die Neutralisationsstation ist eine Meßeinrichtung 20 zur genauen Erfassung der Kondensatmenge eingebaut.

Die Nachwärmung des bis mindestens zum Taupunkt abgekühlten Abgases A1, um eine ausreichende Thermik für den Kaminzug zu gewährleisten, wird mittels der am Abzugsrohr 6 ausgebildeten Aufwärmkammer 8 erreicht. Hierzu ist das Abzugsrohr 6 zumindest über einen Teil seiner Länge doppelschalig ausgebildet, wie in dem Beispiel gezeigt mit der einen größeren Außendurchmesser als das Abzugsrohr 6 aufweisenden Schale 7. Mit der Schale 7 wird eine ringförmig das Abzugsrohr 6 umgebende Aufwärmkammer 8 gebildet, die das Abzugsrohr 6 über eine entsprechend berechenbare Länge hin umgibt. Diese Aufwärmkammer 8 könnte auch innerhalb oder teilweise innerhalb des Abzugsrohres 6 ausgebildet sein. Dem verjüngten Querschnitt des Abzugsrohres 6 könnte beispielsweise durch entsprechende düsenförmige Ausbildung des Abzugskanals entgegengewirkt werden.

Die Aufwärmkammer 8 wird mittels eines heißen Mediums F, beispielsweise Vorlauf- oder Rücklaufwasser, aus dem Heizsystem beaufschlagt, wodurch das Abgas A1 entlang der Austauschflächen T der Aufwärmkammer beim Durchströmen aufgewärmt wird bis auf eine für die Thermik ausreichende Temperatur, so daß das aufgewärmte Abgas in Pfeilrichtung C in den Kamin abströmen kann. Das Medium F wird dann am oberen Ende der Aufwärmkammer 8 abgeleitet und beispielsweise in den Wärmetauscher in den ersten Heizkreis über die Zuleitung 13.1 in die Kanäle 12 weitergeleitet.

Die Einzelheit "Z" zeigt den Anschluß 21 für einen in das Abzugsrohr 6 einzubauenden Abgasventilator oberhalb der Nachwärmeeinrichtung in Gestalt der ringförmigen Aufwärmkammer 8.

Die heißen Abgase A werden also durch Abgashaube 2 von oben nach unten durch die zusammengebauten Wärmetauschermodule 10 des Wärmetauschers hindurchgeführt. In der unterhalb des Wärmetauschers angeordneten Sammel- und Wendekammer 3 werden die Abgase umgelenkt und über das Abzugsrohr 6 herausgeführt. Des weiteren wird das aus den Kanälen 11 nach unten fließende Kondensat über die Kondensatleitungen in Pfeilrichtung K abgeführt.

Die waagerecht zum Abgasstrom in den Wärmetauschermodulen ausgebildeten Kanäle 12 dienen dem Durchfluß der aufzuwärmenden Medien. Da diese Medien für die einzurichtenden oder vorhandenen Heizkreise auf unterschiedlich hohem Temperaturniveau stehen, werden die wärmeren Heizkreise oben an den Wärmetauscher angeschlossen und die den gegenüber kühleren Heizkreise nachgeordnet, so daß der kälteste Heizkreis, beispielsweise Frischwasser oder Solekreis, zuunterst an den Wärmetauscher angeschlossen wird. Entsprechend der Anordnung dieser Heizkreise kühlen sich die heißen Abgase jeweils bis höchstens auf deren Temperaturniveau ab und gleichzeitig erwärmen sie diese. Bei Durchschreiten des Taupunktes der Abgase bildet sich das Kondensat.

Die Nachwärmung mittels der doppelschaligen Ausbildung des Abgasrohres mit einer Aufwärmkammer ermöglicht, die Wärmerückgewinnungsanlage ohne Kaminveränderung an bestehende Kamine anzuschließen. Hierbei ist die Mindesttemperatur der Abgase, die in den Kamin geleitet werden können, vorher zu berechnen. Die Ausbildung des Abzugsrohres mit der Aufwärmkammer durch doppelschalige Ausführung ermöglicht, die Fläche zur Übertragung der Wärme auf die abgekühlten Abgase je nach Erfordernis zu bestimmen. Der Umfang der Doppelwendigkeit ist dann individuell bei jeder Vorrichtung festlegbar. Die für die Wiedererwärmung eingesetzte und benötigte Energie ist im Vergleich zu gesamten zurückgewonnenen Wärmemenge gering, da das Kondensat zum größten Teil bereits dem Abgas beim Durchströmen des Wärmetauschers entzogen worden ist und daher das getrocknete abgekühlte Abgas A1 sich schnell wieder erwärmt.

Die Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnungsanlage wird durch Bestimmung und Messung der eingesetzten Energien und durch Messung der anfallenden Kondensatmenge ermittelt. Insbesondere die bei der Verbrennung von Erdgas entstehenden Stickoxyde können beachtlich reduziert werden, indem ein Teilstrom des ausgekühlten und durch Kondensation gereinigten Abgases wieder zur Rückverbrennung durch den Anschlußstutzen 22 zum Brenner geführt wird, und nur das restliche Teil des Abgases durch die Nachwärmzone der Aufwärmkammer 8 in den Kamin abgeleitet wird.

Der erfindungsgemäße aus einzelnen Modulen aufgebaute Wärmetauscher W kann raumsparend zusammengebaut werden, so daß er auch bei engen Platzverhältnissen in einer Heizzentrale und auch durch normale Türöffnungen in die Heizzentralen eingebracht werden kann. Die Abgaskanäle 11 in den Wärmetauschermodulen ermöglichen beruhigte Strömungsverhältnisse für das Abgas, um die Verbrennung nicht negativ zu beeinflussen. Es können je nach Abgasvolumen und Menge des erwärmenden Mediums verschiedene Heizkreise mit unterschiedlichem Temperaturniveau nacheinander an ein Wärmetauschermodul angeschlossen werden.

Die Materialien für die Wärmetauschermodule können abhängig von dem Temperaturniveau der vorhandenen Abgase und auch von den in den Abgasen vorhandenen Schadstoffen gewählt werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Rückgewinnung von trockener und latenter Wärme aus den Abgasen von Feuerungsanlagen und Produktionsprozessen durch Abkühlen der Abgase und nachfolgendem Wiederaufwärmen der Abgase zum Abführen über einen Kamin mit einem Wärmetauscher mit vertikal ausgerichteten Abgaskanälen zum Durchleiten der Abgase von oben nach unten und einer unterhalb des Wärmetauschers angeordneten Sammel- und Wendekammer mit Kondensatablauf und einem sich an die Sammel- und Wendekammer anschließenden aufwärts erstreckenden Abzugsrohr mit Kaminanschluß für das abgekühlte Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus n Wärmetauschermodulen (10) in Blockform im Baukastensystem zu x übereinander angeordneten Etagen (I, II, III) aufgebaut ist und die Wärmetauschermodule waagerecht verlaufende Kanäle (12) zum Durchströmen der zu erwärmenden Medien aufweisen und die Wärmetauschermodule (10) in einem oder mehreren Heizkreisen, vorzugsweise etagenweise, zusammengefaßt und betreibbar sind und das Abzugsrohr (6) zumindest in einem Teilbereich doppelschalig unter Bildung einer das Abzugsrohr (6) ringförmig außen oder innen umgebenden Aufwärmkammer (8) ausgebildet ist, wobei die Aufwärmkammer (8) mit einem Zulauf und Ablauf zum Durchströmen eines heißen Mediums ausgerüstet ist, so daß das an der Aufwärmkammer (8) vorbeiströmende abgekühlte Abgas (A1) aus der Sammel- und Wendekammer (5) aufgewärmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Etage (I, II, III) des Wärmetauschers n : x Wärmetauschermodule (10), mindestens jedoch ein Wärmetauschermodul (10) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der neben und/oder übereinander angeordneten und zusammengebauten Wärmetauschermodule (10) entsprechend dem Volumen des von einem Heizkessel oder aus der Produktion erzeugten Abgases und der gewünschten Wärmerückgewinnungsleistung gewählt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend dem anfallenden Volumen des Abgases und der Menge des zu erwärmenden Mediums die Wärmetauschermodule in mehrere Heizkreise mit Zu- und Ablauf unterteilt sind, die mit unterschiedlichem Temperaturniveau des zu erwärmenden Heizmediums betrieben werden, wobei im Wärmetauscher von oben nach unten mit abfallenden Temperaturniveau gearbeitet wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für hohe Abgastemperaturen, insbesondere von über 300°C, Wärmetauschermodule aus keramischen Werkstoffen oder Keramik ähnlichen oder Keramik vergleichbaren Materialien vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abgastemperaturen bis zu etwa 300°C Wärmetauschermodule aus Graphit verwendet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der den Wärmetauscher nach oben abdeckenden und den Abgasstrom zuführenden Abgashaube ein Verteilerblech angeordnet ist, das mit Löchern ausgestattet ist, deren Größe von der Mitte nach außen hin im Durchmesser zunimmt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmetauscher nach oben abdeckende Abgashaube mit Anschlußstützen zum Einführen von schadstoffbindenden Mitteln und/oder Abreinigungseinrichtungen ausgestattet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Abzugsrohr (6) oberhalb der Aufwärmkammer ein stufenlos regelbarer Abgasventilator angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus der Sammel- und Wendekammer (5) vorgesehenen Ableitung für das Kondensat eine Meßeinrichtung (20) zur Erfassung der Kondensatmenge eingebaut ist.