DE4425741A1 - Heat recovery from flue gases - Google Patents

Heat recovery from flue gases

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Abstract

The first exchanger is arranged on the flue gas side and the second exchanger on the air side, using fresh air as specified in this case. Imported air is added to the cooled flue gas behind the second heat exchanger (4) so as to reduce the dewpoint of the flue gas and serve as an equalising vent to allow for the fresh air input. When the burner is off, the system can be switched over via flaps etc. to recover heat from the spent air. With the chimney etc. closed off (10), the flue gas can be diverted by a bypass so when this is stopped off by a flap (1') the flue gas is drawn (2) through the two exchangers, keeping the flap (1') open when the burner is on and the blower (2) off. The exchangers thermally combine flue gas and ambient and/or fresh air in the room being heated, designed as cooler (1) and aftercooler (4) served by a flap-closed (10) spent air line to remove this.

Description

Die Kondensationswärme des Abgases von Heizungsanlagen wird gegenwärtig nur "erzeugungsseitig" in Brennwertkesseln teilweise genutzt. Die Erfindung verlagert die Auskopplung der Restwärme des Rauchgases von der Seite des Wärmeerzeugers auf die Nutzungsseite, beispielsweise in das beheizte Dachgeschoß eines Hauses. Bei dieser "nutzungsseitigen Wärmerückgewinnung aus Abgas (NWA)" wird als Wärmeträger Luft in Form von Umluft bzw. von außen herangeführter Frischluft benutzt. Wegen der im Vergleich zum Rücklaufwasser der Heizung niedrigeren Temperatur des Kühlmediums Luft ergibt sich eine höhere Ausbeute an Kondensationswärme. Der vorhandene Kessel und der Kamin können weiterhin benutzt werden.The heat of condensation of the exhaust gas from heating systems is currently only partially used on the "generation side" in condensing boilers. The invention relocates the decoupling of the residual heat of the flue gas from the side of the heat generator to the use side, for example in the heated attic of a house. In this "usage side Heat recovery from exhaust gas (NWA) "is used as a heat carrier in air In the form of circulating air or fresh air brought in from outside. Because of the lower heating water compared to the return water Temperature of the cooling medium air results in a higher yield Heat of condensation. The existing boiler and the chimney can continue to be used.

Die Erfindung läßt sich durch Schaltung geeigneter Klappen in mehreren Betriebsarten sowohl zur Wärmerückgewinnung (WRG) aus dem Abgas als auch bei ausgeschaltetem Brenner zur WRG aus der Abluft betreiben. Bei einem Wärmeübertrag auf Frischluft werden die Funktionen der kontrollierten Lüftung und der Abgaswärmenutzung verbunden.The invention can be achieved by switching suitable flaps in several Operating modes both for heat recovery (heat recovery) from the exhaust gas as well as with the burner switched off to the heat recovery unit from the exhaust air. When heat is transferred to fresh air, the functions of the controlled ventilation and the use of exhaust gas heat.

1. Beschreibung1. Description

Neben der fühlbaren Wärme enthält Abgas aus fossilbefeuerten Kesseln noch im er­ heblichem Maße latente Wärme. Bei Erdgasabgas läßt sich unter idealen Bedingun­ gen noch einmal etwa 11% der Feuerungswärme aus Kondensationswärme gewin­ nen.In addition to the sensible heat, exhaust gas from fossil-fired boilers also contains it considerable latent warmth. Natural gas exhaust gas can be used under ideal conditions around 11% of the combustion heat from condensation heat nen.

Bisher wird die Nutzung eines Teiles dieser Kondensationswärme nur in soge­ nannten Brennwertkesseln durchgeführt. Bei diesen wird üblicherweise direkt hinter dem eigentlichen Kessel ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet, in dem das Rücklaufwasser der Warmwasserheizung das Rauchgas soweit abkühlt, daß der Kondensationspunkt an der Oberfläche des Wärmetauschers unterschritten wird.So far, the use of some of this heat of condensation is only in so-called called condensing boilers. These are usually directly behind an additional heat exchanger is arranged in the actual boiler, in which the Return water of the hot water heating cools the flue gas to such an extent that the The temperature drops below the condensation point on the surface of the heat exchanger.

Die Erfindung verlagert die Auskopplung der Restwärme des Rauchgases von der Seite des Wärmeerzeugers auf die Nutzungsseite, beispielsweise in ein Obergeschoß oder praktischerweise in das beheizte Dachgeschoß eines Hauses. An der Nutzungsseite ist es aber naheliegend und zweckmäßig, als Wärmeträger nicht das Heizungswasser sondern Luft in Form von Umluft bzw. von außen heran­ geführter Frischluft zu benutzen. Bei einem Wärmeübertrag auf Frischluft werden die Funktionen der kontrollierten Lüftung und der Abgaswärmenutzung verbunden. Diese "Nutzungsseitige Wärmerückgewinnung aus dem Abgas" wollen wir im folgenden mit NWA abkürzen.The invention shifts the extraction of the residual heat of the flue gas from the Side of the heat generator on the usage side, for example in one Upstairs or conveniently in the heated attic of a house. At on the usage side, it is obvious and expedient, not as a heat transfer medium the heating water but air in the form of circulating air or from outside guided fresh air. When heat is transferred to fresh air, the Functions of controlled ventilation and the use of exhaust heat. We want this "user-side heat recovery from the exhaust gas" in the abbreviate the following with NWA.

In drei Bereichen ergeben sich Vorteile der NWA gegenüber der herkömmlichen "erzeugungsseitigen" Brennwertnutzung:There are advantages of the NWA over the conventional in three areas "Generation-side" condensing use:

  • 1. Weiterbenutzung und Ausnutzung des vorhandenen Kamins und des vorhan­ denen Kessels.1. Continued use and exploitation of the existing fireplace and the existing those kettles.
  • 2. Nutzung der Kondensationswärme vor Ort. Keine zusätzlichen Investitionen zur Wärmeverteilung. Die Abwärmenutzung des Abgases kann mit der kontrollierten Belüftung verbunden werden.2. Use of the heat of condensation on site. No additional investments Heat distribution. The waste heat utilization of the exhaust gas can be controlled Ventilation.
  • 3. Frischluft und Umluft als Wärmeträger für die Wärmerückgewinnung. Die Luft ist kälter als das Rücklaufwasser einer Warmwasserheizung. Umluft steht praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Dadurch läßt sich mehr Kondensationswärme auskoppeln.3. Fresh air and recirculated air as a heat carrier for heat recovery. The Air is colder than the return water from a hot water heater. Circulation is available practically unlimited available. This allows more Decouple heat of condensation.

In der Fig. 1 ist eine grundsätzliche Realisierung dieses Vorhabens skizziert.A basic realization of this project is outlined in FIG. 1.

Zur Vorbereitung wird gemäß Fig. 1 zunächst der Kamin (0) abgesperrt und das Rauchgas über einen Bypass umgeleitet. Der Bypass kann durch eine Bypass­ klappe (1′) abgesperrt werden, so daß das Abgas mittels Gebläse (2) durch den Abgas-Luftwärmetauscher (3) und (4) gesaugt wird. Die Bypassklappe (1′) muß aus Sicherheitsgründen so gesteuert werden, daß sie immer dann geöffnet ist, wenn der Brenner läuft und das Gebläse (2) außer Betrieb ist. So kann verhindert werden, daß bei nicht installierten Wärmetauscher die Abführung des Rauchgases behindert wird. Selbstverständlich kann alternativ die Funktion des Bypass auch in den Schornstein integriert werden, was sich beispielsweise durch eine einfache Zugklappe (1) im Innern des Kamins, wie sie ansonsten zur Regulierung des Schornsteinzuges benutzt wird, realisieren läßt. Diese Zugklappe erfüllt dann die Aufgabe der Absperrung des Kamines bei Normalbetrieb und des "Bypasses" bei Störung in der NWA.To prepare Figure 1 of the fireplace (0) in accordance with. Initially shut off and redirected the flue gas via a bypass. The bypass can be shut off by a bypass flap ( 1 '), so that the exhaust gas is sucked by the blower ( 2 ) through the exhaust gas air heat exchanger ( 3 ) and ( 4 ). For safety reasons, the bypass flap ( 1 ') must be controlled so that it is always open when the burner is running and the fan ( 2 ) is out of operation. This can prevent the removal of the flue gas from being prevented when the heat exchanger is not installed. Of course, the function of the bypass can of course also be integrated in the chimney, which can be achieved, for example, by a simple flap ( 1 ) inside the chimney, as is otherwise used to regulate the chimney draft. This flap then fulfills the task of shutting off the chimney in normal operation and "bypassing" in the event of a fault in the NWA.

Der Gaswärmetauscher (3) und (4) verbindet den Abgasstrom thermisch mit der Umluft und/oder Frischluft des zu beheizenden Raumes ( meist Dachgeschoß oder Speicher). Er besteht aus dem Kühler (3) und dem Nachkühler (4). Am Eingang des Kühlers befindet sich "rauchgasseitig" zusätzlich eine durch die "Abluft"-Klappe (10) verschließbare Leitung zur Zuführung von Abluft aus dem Raum. Der Wärmetau­ scher (3) und (4) kann also auch "rauchgasseitig" mit Abluft gefahren werden. Dies ist wichtig für einen Betrieb als Abluft-Frischluft -Wärmetauscher außerhalb der Ein­ schaltzeiten des Brenners. Am Ende des Nachkühlers (4) befindet sich eine durch die "Fremdluft"-Klappe (5) absperrbare Zuführung von Fremdluft aus dem Raum; hiermit kann dem abgekühlten Abgas in dosierter Form Raumabluft zur Verdünnung und Heraufsetzung des Taupunktes des Abgases zugefügt werden.The gas heat exchanger ( 3 ) and ( 4 ) thermally connects the exhaust gas flow with the circulating air and / or fresh air of the room to be heated (usually the top floor or storage). It consists of the cooler ( 3 ) and the aftercooler ( 4 ). At the entrance to the cooler there is an additional "duct on the flue gas side" which can be closed by the "exhaust air" flap ( 10 ) for supplying exhaust air from the room. The Wärmetau shear ( 3 ) and ( 4 ) can also be operated "exhaust gas side" with exhaust air. This is important for operation as an exhaust air / fresh air heat exchanger outside the burner's switch-on times. At the end of the aftercooler ( 4 ) there is a supply of external air from the room which can be shut off by the "external air" flap ( 5 ); With this, room-exhaust air can be added to the cooled exhaust gas in a metered form to dilute and raise the dew point of the exhaust gas.

Die zweite "luftseitige" Seite des Wärmetauschers ((3) und (4)) kann sowohl mit Frischluft als auch mit Umluft gefahren werden. Am Ausgang des Nachkühlers (4) befindet sich eine durch die "Frischluft-" Klappe (7) absperrbare Zufuhr von Frischluft, die mit der Außenluft durch Leitung in Verbindung steht. An derselben Stelle befindet sich darüber hinaus eine durch die "totale Umluft-" Klappe (8) abschaltbare Zufuhr von Umluft. Eine weitere durch die "partielle Umluft-" Klappe (9) abschaltbare Zufuhr von Umluft befindet sich zwischen Kühler (3) und Nachkühler (4). Je nach Schaltzustand kann das Gebläse (6) sowohl Frischluft als auch Umluft zum Wärmetausch benutzen. In einem optimierten Betrieb wird der Wärmetauscher so ausgelegt und der Umluftbetrieb an der "partiellen Umluft-" Klappe (9) so ein­ gestellt, daß die durch den Eingang (7) angesaugte Frischluft (bei geschlossener Klappe (8) der oberen Umluft) durch den Nachkühler (4) etwa auf Raumtemperatur vorgewärmt wird. Dann läßt sich nämlich die Kühlkapazität der Frischluft optimal aus­ nutzen. Die Menge der Frischluft ist selbstverständlich durch den Bedarf an Frischluft vorgegeben. Es ist sinnlos, sie aus Gründen der Wärmerückgewinnung darüber hinaus zu steigern. Zur Nutzwärme führt nämlich nur die Wärme, die auf die für notwendig erachtete Menge von Frischluft übertragen wird. Die Menge der Umluft läßt sich jedoch beliebig steigern und ist im praktischen Betrieb nur durch die höheren Betriebskosten des Gebläses (6) einerseits und dem schrumpfenden Grenzertrag der WRG andererseits beschränkt.The second "air side" side of the heat exchanger (( 3 ) and ( 4 )) can be operated with fresh air as well as with circulating air. At the outlet of the aftercooler ( 4 ) there is a supply of fresh air which can be shut off by the "fresh air" flap ( 7 ) and is connected to the outside air through a line. In the same place there is also a supply of circulating air that can be switched off by the "total circulating air" flap ( 8 ). Another supply of circulating air that can be switched off by the "partial circulating air" flap ( 9 ) is located between the cooler ( 3 ) and the aftercooler ( 4 ). Depending on the switching status, the fan ( 6 ) can use both fresh air and recirculated air for heat exchange. In an optimized operation, the heat exchanger is designed and the recirculation mode on the "partial recirculation" flap ( 9 ) is set such that the fresh air sucked in through the inlet ( 7 ) (with the flap ( 8 ) of the upper recirculation air closed) through the After cooler ( 4 ) is preheated to about room temperature. Then the cooling capacity of the fresh air can be optimally used. The amount of fresh air is of course determined by the need for fresh air. There is no point in increasing them for heat recovery purposes. Only the heat that is transferred to the amount of fresh air deemed necessary leads to useful heat. However, the amount of circulating air can be increased as desired and is only limited in practical operation by the higher operating costs of the blower ( 6 ) on the one hand and the shrinking marginal yield of the heat recovery system on the other.

Die Anordnung nach Fig. 1, die NWA, läßt sich in folgenden Moden fahren:The arrangement according to FIG. 1, the NWA, can be operated in the following modes:

  • - Bei eingeschaltetem Brenner ("Brenner ON") wird Frischluft und/oder Umluft zur Erwärmung des Raumes und zum notwendigen Luftaustausch genutzt. Die NWA läßt sich jedoch auch im reinen Umluftbetrieb fahren.- When the burner is switched on ("burner ON"), fresh air and / or recirculated air becomes Heating the room and used for the necessary air exchange. The However, NWA can also be operated in pure air recirculation mode.
  • - Bei ausgeschaltetem Brenner ("Brenner OFF") wird der Wärmetauscher als nor­ maler Abluftwärmetauscher genutzt. Hierbei ergibt sich durch die zusätzliche Nutzung des Endstückes des Schornsteins ein zusätzlicher Vorteil.- When the burner is switched off ("burner OFF"), the heat exchanger is called nor Painter exhaust air heat exchanger used. This results from the additional Use of the chimney end piece is an additional advantage.
  • - Selbstverständlich läßt sich die NWA auch als bloße Be- oder Entlüftung einset­ zen.- Of course, the NWA can also be used as a mere ventilation Zen.

Mit den Bezeichnungen:
{ON; OFF} = ein- bzw. ausgeschalteter Brenner oder Gebläse
{AUF; ZU} = auf- bzw. zugesperrte Klappe für Frischluf, Abluft, Umluft
ergeben sich die in Tabelle 1 dargestellten Betriebszustände und Schalterstellungen der Klappen.With the designations:
{ON; OFF} = burner or blower switched on or off
{ON; ZU} = open or closed flap for fresh air, exhaust air, recirculated air
the operating states and switch positions of the flaps are shown in Table 1.

Tabelle 1: Betriebsmoden der NWA mit Abluftnutzung (gemäß Fig. 1) Table 1: Operating modes of the NWA with exhaust air use (according to Fig. 1)

Weitere Betriebszustände sind möglich und können im Einzelfall sinnvoll sein. So läßt sich beispielsweise die NWA auch ohne Umluft fahren, was zur kurzzeitigen Steigerung der Frischluftzufuhr erwünscht sein kann.Other operating states are possible and can be useful in individual cases. So For example, the NWA can also be driven without recirculation, which is temporary Increase in fresh air supply may be desirable.

Als Verfahrensalternative kann es gemäß Fig. 2 sinnvoll sein, den Nachkühler (4) luftseitig vom Kühler (3) zu trennen und mit einem eigenen Gebläse (12) zu betreiben. Dadurch lassen sich Umluft- und Frischluftanteile entkoppeln und damit einfacher einstellen. Die Abtrennung kann auch durch eine steuerbare Klappe (11) ersetzt werden und dadurch reversibel gemacht werden.As a process alternative, it may be useful to separate the aftercooler (4) on the air side of the radiator (3) and to operate with its own blower (12) in FIG. 2. This makes it possible to decouple the circulating air and fresh air components and thus adjust them more easily. The partition can also be replaced by a controllable flap ( 11 ) and thereby made reversible.

Zur technischen Realisierung läßt sich sagen, daß Abluftsysteme bereits auf dem Markt existieren. Sie müssen nur werkstoffmäßig auf den Betrieb mit Abgas niedriger Temperatur angepaßt werden. Hier ergeben sich jedoch keine besonderen Probleme, da sich die Benutzung von Kunststoff anbietet.Regarding the technical implementation, it can be said that exhaust air systems are already on the Market exist. You just have to lower the material to operate with exhaust gas Temperature to be adjusted. However, there are no special ones here Problems, because the use of plastic offers itself.

Zum Potential der nutzungsseitigen Wärmerückgewinnung aus Abgas kann gesagt werden, daß bei einem Haus mit herkömmlichem Kamin man davon ausgehen kann, daß etwa 10% der Feuerungswärme durch Rückgewinnung der fühlbaren Wärme durch Kamin und Wärmetauscher gewonnen wird und zusätzlich bis zu 10% Kondensationsabwärme in der NWA wiedergewonnen werden kann.We can say about the potential of user-side heat recovery from exhaust gas that in a house with a traditional fireplace you can assume that about 10% of the furnace heat by recovering the sensible heat is obtained from the chimney and heat exchanger and additionally up to 10% Heat from condensation can be recovered in the NWA.

Claims (3)

Verfahren zur nutzungsseitigen (also beispielsweise in zu beheizenden Räumen erfolgender) Rückgewinnung fühlbarer und latenter Wärme aus dem Abgas einer Verbrennungsanlage, vornehmlich einer Gas- oder Ölheizungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die Wärmerückgewinnung (WRG) mit Umluft als Kühlmedium bewerkstelligt wird
  • 2. die WRG mit von außen herangeführter Frischluft als Kühlmedium bewerkstelligt wird
  • 3. die WRG in einem ersten Wärmetauscher mit Umluft und in einem in Serie geschalteten weiteren Wärmetauscher bei niedrigerer Temperatur mit Frischluft als Kühlmedium bewerkstelligt wird
  • 4. die WRG in einem ersten Wärmetauscher mit Umluft und in einem rauchgasseitig in Serie geschalteten und luftseitig getrennten weiteren Wärmetauscher bei niedri­ gerer Temperatur mit Frischluft als Kühlmedium bewerkstelligt wird.
Method for recovering sensible and latent heat from the exhaust gas of an incineration plant, primarily a gas or oil heating plant, on the usage side (that is to say, for example, in rooms to be heated), characterized in that
  • 1. the heat recovery (heat recovery) is accomplished with circulating air as the cooling medium
  • 2. the heat recovery unit is produced with fresh air brought in from the outside as a cooling medium
  • 3. the heat recovery is accomplished in a first heat exchanger with circulating air and in a further heat exchanger connected in series at a lower temperature with fresh air as the cooling medium
  • 4. the heat recovery is accomplished in a first heat exchanger with circulating air and in a flue gas side connected in series and air side separate further heat exchanger at a lower temperature with fresh air as the cooling medium.
5. Nutzungsseitige WRG aus dem Abgas (NWA) nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß dem abgekühlten Abgas hinter dem letzten Wärmetauscher Fremdluft zur Herabsetzung des Taupunktes des Abgases und als Entlüftung zum Ausgleich für die Frischluftzufuhr zugeführt wird.5. User-side heat recovery from the exhaust gas (NWA) according to claims 1-4, thereby characterized in that the cooled exhaust gas behind the last heat exchanger External air to reduce the dew point of the exhaust gas and as ventilation for Compensation for the fresh air supply is supplied. 6. Gerät nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage bei Brennerstillstand durch Schaltung geeigneter Klappen (beispielsweise wie in Fig. 1) als WRG aus der Abluft genutzt werden kann.6. Device according to claims 1-4, characterized in that the system can be used as heat recovery from the exhaust air when the burner is stopped by switching suitable flaps (for example as in Fig. 1).
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