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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der Art, das in dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart ist, das in Verbindung mit einer Anlage
z.B. der Art, wie sie im Anspruch 5 angegeben ist, ausgeübt werden kann.
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Es ist herkömmlich bekannt, den Wirkungsgrad einer Verbrennungsanlage,
z.B. einer entfernt liegenden Heizanlage oder einer Kesselanlage in einer
normalen, zentralen Heizstation, durch Inverbindungbringen eines
sogenannten Ekonomisers mit dem Kessel zu verbessern, so daß ein Teil der
thermischen Energie in den Rauchgasen hierdurch zurückgewonnen wird. Ein
Ekonomiser ist eine Art eines Wärmetauschers, der dazu verwendet wird,
einen Teil der thermischen Energie in dem Rauchgas zu dem Frischwasser
oder Rücklaufwasser zu übertragen, was zu dem Kessel zugeführt wird. Mit
bestimmten Ekonomiser-Konstruktionen tritt eine Kondensation eines Teils
des Rauchgases auf. Dies führt zu dem Entstehen eines Kondensats, das
eine Mischung aus Wasser, Schwefel, schwefliger Säure, Salzen,
Rußteilchen, usw. ist, die alle von der Art des Brennstoffes abhängen, mit dem
der Kessel befeuert wird. Das Kondensat wird normalerweise als Abwasser
auskondensiert und zur Beseitigung weggeführt. In bestimmten Fällen
allerdings wird die thermische Energie, die in dem Kondensat vorhanden ist,
in einem Wärmetauscher verwendet. Das Kondensat ist oftmals aggresiv und
lästig und teure Anordnungen müssen in Verbindung mit dessen
Neutralisation und Beseitigung erstellt werden.
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Es ist auch herkömmlich bekannt, die Menge an NOx in dem Rauchgas von
Gas- oder Ölbrennern durch Einspritzen von Feuchtigkeit an der
Flammenwurzel und auch durch die Verwendung verschiedener Additive in
Feststoffbrennern zu reduzieren. Es ist auch möglich, einen Teil des Rauchgases
mit Sauerstoffmangel zu der Verbrennungskammer zurückzuzirkulieren.
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Aus der EP-A-0305351 ist ein Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades
in einer Verbrennungsanlage mit einem Kessel mit Ekonomiser und einem
Rauchgassystem und zur Minimierung der Bildung von NOX in dem Rauchgas
aus der Anlage bekannt. Der Wärmegehalt des Rauchgases wird zur
Vorheizung der Verbrennungsluft für den Kessel durch eine Enthalpieübertragung,
d.h. einer gleichzeitigen Übertragung von thermischer Energie und
Wasserdampf von dem Rauchgas zu der Verbrennungsluft, benutzt. Das Rauchgas
wird von dem Kessel über einen Wärmetauscher, d.h. den Ekonomiser, direkt
zu dem Enthalpie-Wärmetauscher übertragen, in dem die Gase weiter gekühlt
werden, so daß Wasserdampf an der Rauchgasseite des Wärmetauschers
kondensiert und an der Luftverbrennungsseite davon wieder verdampft wird.
Dies führt zu einem verringerten, thermischen Wirkungsgrad und erhöht die
Möglichkeit der Bildung von Wassertröpfchen in der Verbrennungsluft.
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Es ist allgemein bekannt, einen sich drehenden, keramischen Wärmetauscher
zur Übertragung von thermischer Energie und Wasserdampf von einer
Luftströmung zu einer anderen in einer Ventilationsanlage zu verwenden,
vergleiche z.B. dasjenige, was aus der GB-A-2,092,732 bekannt ist. Es ist
auch bekannt, einen sich drehenden, keramischen Wärmetauscher für eine
Verbrennungsanlage mit einer sehr hohen Rauchgastemperatur, wo ein
gewöhnlicher Wärmetauscher nicht verwendet werden kann, und für die
Aufheizung der Verbrennungsluft, um den Wirkungsgrad der Verbrennungsanlage,
zu erhöhen, zu verwenden, vergleiche z.B. das, was aus der DE-A-2,944,818
bekannt ist.
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Die stark befeuchtete, primäre Luft, die zu dem Brenner geführt wird,
führt zu niedrigeren Flammenwurzeltemperaturen, d.h. zu einer niedrigeren
NOx-Bildung. Da sich der gesamte Wasserdampf in der Verbrennungsluft in
dem Rauchgas aufarbeitet, setzt dies andere Charakteristiken verglichen
mit den bekannten Verfahren und Anlagen voraus. Für denselben
Brennstoffverbrauch setzt das Rauchgas eine größere spezifische Wärme voraus, d.h.
eine größere Kapazität, und die Taupunkttemperatur wird so angehoben, daß
mehr Wärmeenergie sowohl in dem Ekonomiser als auch dem (den)
darauffolgenden Enthalpie-Wärmetauscher(n) herausgezogen (zurückgewonnen) werden
kann. Aus dem Grund, daß die Flammenwurzeltemperatur zur gleichen Zeit
verringert wird, wird ein Ansteigen der Energieausnutzung des Brennstoffs
und eine niedrigere Bildung von NOx erreicht.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad in einer
Verbrennungsanlage mit einer Enthalpie-Wärmeübertragung von dem Rauchgas zu der
Verbrennungsluft zu optimieren, ohne daß hierdurch Anlaß zu anderen
Nachteilen gegeben wird.
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Durch eine Verfahrensweise, wie sie in dem Anspruch 1 angegeben ist, z.B.
während der Verwendung einer Anlage, wie sie in Anspruch 5 gekennzeichnet
ist, wird das gewöhnliche, wasserdampfgesättigte Rauchgas so erhitzt, daß
es "getrocknet" wird, wodurch eine Kondensation in dem
Enthalpie-Wärmetauscher vermieden wird und eine optimale Wärmeübertragung erreicht wird.
Die gesamte Energie, die auf diese Art und Weise weiterhin zu dem
Rauchgas hinzugefügt wird, wird wiederverwendet, und demzufolge geht sie nicht
verloren oder verschwendet, sondern trägt dahingehend bei, eine optimale
Übertragung des Wasserdampfs zu der Verbrennungsluft ohne Verringerung
des thermischen Wirkungsgrades zu erzielen. Auf der anderen Seite ist
nachgewiesen worden, daß der Wirkungsgrad erhöht wird, und, was sehr
wichtig ist, eine Anlage erzielt wird, die relativ einfach zu steuern und
einzustellen ist. Praktische Experimente haben bestätigt, daß Heizanlagen
mit Kondensation in dem sich drehenden Wärmetauscher schwierig zu steuern
sind und deshalb haben sie oftmals einen niedrigen Wirkungsgrad. Anlagen
mit Kondensation geben weiterhin oftmals Anlaß zu Problemen, die sich auf
einen Kondensatüberschuß beziehen, der entfernt werden muß.
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Durch eine Verfahrensweise, wie sie im Anspruch 2 gekennzeichnet ist,
z.B. während der Verwendung einer Anlage, wie sie im Anspruch 6
gekennzeichnet ist, kann eine Kondensation in dem Kamin vollständig vermieden
werden. Bei einigen Anlagen ist dies nicht notwendig, allerdings ist ein
häufiges Erfordernis vorhanden, den Kamin vollständig trocken zu halten
und die Emission von Dampf aus dem Kaminrohr zu vermeiden, was als
Verunreinigung durch die örtlichen Bewohner angesehen werden könnte. Die
Energie,
die möglicherweise hinzugefügt wird, stellt einen Verlust dar,
allerdings muß dies natürlich in Relation zu einer längeren Lebensdauer des
Kamins angesehen werden.
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Durch eine Verfahrensweise, wie sie im Anspruch 3 gekennzeichnet ist,
z.B. während der Verwendung einer Anlage, wie sie im Anspruch 7
gekennzeichnet ist, wird eine volle Sicherheit gegen die Bildung von Tröpfchen
in der Verbrennungsluft erreicht. Wassertröpfchen in der Verbrennungsluft
geben Anlaß zu einem Klopfen, was in höchstem Maß unerwünscht ist. Die
mögliche Hinzufügung thermischer Energie geht nicht verloren, sondern
verbindet sich vollständig mit der Verbrennungsluft und wird demzufolge
vollständig wiederverwendet.
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Schließlich kann man so verfahren, wie dies in dem Anspruch 4
gekennzeichnet ist, z.B. während der Verwendung einer Anlage, wie sie im
Anspruch 8 gekennzeichnet ist, indem dies zu einem optimierten Gehalt an
Wasserdampf in der Verbrennungsluft und einer verringerten Menge an
Kondensat, oder möglicherweise keines Kondensats, was auch immer, führt.
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Die Erfindung wird nun in weiterem Detail unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beschrieben, in der
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Fig. 1 ein prinzipielles Diagramm des Verfahrens gemäß der Erfindung
darstellt;
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Fig. 2 ein Beispiel eines Enthalpie-Wärmetauschers zur Verwendung in
Verbindung mit der Erfindung darstellt;
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Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer Anlage gemäß der Erfindung
darstellt und
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer Anlage gemäß der Erfindung
darstellt.
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In Figur 1 ist ein prinzipielles Diagramm in der Form eines Flußdiagramms
zu sehen, das das Verfahren darstellt, das in der Anlage gemäß der
Erfindung verwendet wird. Ein Kessel K, z.B. ein gasbefeuerter oder ein
ölbefeuerter Kessel, gibt Rauchgas 1 ab, das in einer normalen oder
herkömmlich bekannten Weise durch einen Ekonomiser A führt, in dem ein Teil der
thermischen Energie in einer traditionellen Art und Weise zurückgewonnen
wird. Das Rauchgas wird von dem Ekonomiser A zu einem
Enthalpie-Wärmetauscher D geführt, der später in weiterem Detail in Verbindung mit
Fig. 2 erläutert wird. In dem Rauchgasrohr 2, 3 ist eine
Zwischenheizeinrichtung B plaziert, die, zum Beispiel, ein Wasser/Luft- oder ein
Luft/Luft-Wärmetauscher sein kann. Die Temperatur des Rauchgases wird
demzufolge leicht so erhöht, daß keine Kondensation in der Lage sein
wird, daß sie in dem Wärmetauscher D auftritt. Jede mögliche Kondensation
in dem Wärmetauscher D wird seinen Wirkungsgrad herabsetzen. In dem
Wärmetauscher D wird der Hauptteil der thermischen Energie in dem Rauchgas
und auch der Hauptteil seines Gehalts an Wasserdampf weggenommen, so daß
danach das Rauchgas direkt zu einem Kamin 5 geführt werden kann. Im
Rauchgasrohr 4, 5 ist es möglich, eine Nachheizeinrichtung C zu
plazieren, die ein Luft/Luft- oder Wasser/Luft-Wärmetauscher sein kann, so daß
die Temperatur des Rauchgases so stark angehoben werden kann, daß keine
Kondensation in dem Kamin 5 stattfindet.
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Wenn der Kessel K nicht ein ölbefeuerter Kessel ist, kann ein Filter
zwischen dem Ekonomiser A und dem Wärmetauscher D eingesetzt werden, um
mögliche Rußteilchen oder dergleichen herauszufiltern, bevor sie den
Wärmetauscher erreichen, und demzufolge wird das Blockieren des
Wärmetauschers durch mögliche Rußteilchen in dem Rauchgas vermieden.
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Die Verbrennungsluft, z.B. in der Form von gewöhnlicher Außenluft 6, wird
über den Wärmetauscher D zu dem Brenner in dem Kessel K geführt. In dem
Wärmetauscher D wird die Luft erwärmt und befeuchtet und demzufolge ist
die Verbrennungsluft, die schließlich zu dem Brenner in dem Kessel
zugeführt wird, sehr energiereich. Aufgrund des hohen Gehalts an Feuchtigkeit
in der Verbrennungsluft wird die Temperatur der Flammenwurzel reduziert
und demzufolge wird die Bildung von NOx beträchtlich verringert. Die
große Hinzufügung von Feuchtigkeit wird auch zu einem Ansteigen einer
etwas größeren spezifisichen Energie und eines Massenflusses als in
normalen Heizanlagen führen, was zu einem größeren Grad der Nutzung des
Kessels und, darüberhinaus, zu einem beträchtlich höheren Taupunkt führt.
Um Durchbrucheffekte an dem Brenner in dem Kessel zu vermeiden, kann eine
Sicherheitsheizeinrichtung E mit der Aufgabe einer Sicherstellung
eingeführt werden, daß die Verbrennungsluft keine Wassertröpfchen enthält. Die
thermische Energie, die möglicherweise in der Sicherheitsheizeinrichtung
verwendet wird, wird vollständig auf die Verbrennungsluft übertragen und
wird total zurückgewonnen. Das Bezugszeichen 8 zeigt die abschließende
Verbrennungsluft an, die zu dem Brenner in dem Kessel K geführt wird. Die
Sicherheitsheizeinrichtung E kann ein Wasser/Luft- oder
Luft/Luft-Wärmetauscher sein.
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Falls Wasser/Luft-Wärmetauscher verwendet werden, werden die
Heizgeräte D, C und E mit Energie von dem Kesselwasser oder Wasser von dem
Ekonomiser oder mit Rauchgas, falls Luft/Luft-Wärmetauscher verwendet werden,
gespeist.
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In Figur 2 ist ein Rotations-Enthalpie-Wärmetauscher zu sehen, der eine
motorangetriebene, sich drehende Wärmetauschermasse in der Form eines
Rotors 15 aufweist. Diese Wärmetauschermasse kann aus keramischem
Material oder einem anderen Material mit einem ähnlichen Effekt sein, so daß
es während einer Drehung sowohl thermische Energie als auch Wasserdampf
aus dem Rauchgas 3 absorbiert, so daß das austretende Rauchgas 4 von
einer beträchtlich niedrigeren Temperatur ist und einen beträchtlich
niedrigeren Gehalt an Wasser als das eintretende Rauchgas 3 besitzt.
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Die Eintrittsluft 6 führt durch die Rotationsmasse des Wärmetauschers
hindurch und verläßt diesen als Verbrennungsluft 7, die energiereich ist,
sowohl in der Form einer erhöhten Temperatur als auch in der Form eines
erhöhten Wasserdampfgehalts.
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Die gesamte Luft/Rauchgaszirkulation zwischen dem Kessel und dem
Wärmetauscher D findet demzufolge mit einem beträchtlich höheren Gehalt an
Wasserdampf statt, was den Hauptgrund für die erhöhte Möglichkeit
darstellt, daß man in der Lage ist, maximale Bedingungen zu erreichen,
sowohl hinsichtlich der Energieausnutzung als auch der Reduzierung von NOx
in den Kaminausstoß als auch optimierter Betriebsbedingungen für die
Anlage.
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In Figur 3, in der dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet sind,
ist eine Anlage zu sehen, die so aufgebaut ist, daß die
Wärmezurückgewinnung durch das Verfahren gemäß der Erfindung bewirkt wird. Ein
gasbefeuerter Kessel K mit einem Gasbrenneraggregat BA ist mit einem
Ekonomiser A und einer Zwischenheizeinrichtung B, von der aus das Rauchgas zu
einem Enthalpie-Wärmetauscher D geführt ist, verbunden. Bevor das
Rauchgas zu dem Kamin 5 geführt wird, wird es in dem Wärmetauscher C erhitzt,
so daß sichergestellt wird, daß der Kamin trocken bis zu der Kaminspitze
verbleibt. Der Wärmetauscher C ist ein Luft/Luft-Wärmetauscher, der mit
Energie direkt von dem Rauchgas gespeist wird. Die Verbrennungsluft 6, 7,
8 wird zu dem Gasbrenner BA in der Form von erhitzter Luft mit einem
hohen Gehalt an Feuchtigkeit zugeführt, so daß der Brenner BA eine
niedrige flammenwurzeltemperatur und hiermit eine niedrige NOx-Bildung
besitzt.
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In Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Anlage gemäß der
Erfindung zu sehen, nämlich eine Anlage, in der eine Anzahl sich
regenerierender Wärmetauscher D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;, D&sub4; und D&sub5; verwendet wird.
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Das Rauchgas 1 wird über den Ekonomiser A und die
Zwischenheizeinrichtung B zu den in Reihe verbundenen, sich regenerierenden
Wärmetauschern D&sub1; - D&sub5;, die miteinander durch Kanäle 9&sub1; - 9&sub4; verbunden
sind, und heraus in den Rauchgaskanal 7 und über einen
Luft/Luft-Wärmetauscher C zu dem Kamin 5 geführt. Der Wärmetauscher C wird mit Energie
direkt von dem Rauchgas gespeist. Das Kondensat von dem Rauchgas wird in
einem Kessel 14 gesammelt, von dem es über Rohre 13 und Pumpen 12 in die
Verbrennungsluft durch Strahldüsen 11 eingesprüht wird, wobei das
Ergebnis eine Verbrennungsluft 7, 8 mit einem sehr hohen Gehalt an Wasserdampf
ist. Alle Wärmetauscher sind miteinander über Kanäle 61 - 64
verbunden. Der hohe Gehalt an Wasserdampf in der Verbrennungsluft führt über
das Rauchgas 1 zurück und trägt zu einer sehr großen Kondensatbildung
bei, wodurch eine extreme Übertragung ermöglicht ist, die durch Wärme von
dem Rauchgas zu der Verbrennungsluft erreicht wird, wobei das Ergebnis
eine Wärmezurückgewinnung ist, die immer vollständig ist, und demzufolge
befindet sich das Rauchgas zu dem Kamin 5 hin nahe der normalen
Außentemperatur. Insgesamt gesehen wird die Menge an Rauchgas größer mit dem
Ansteigen des Wasserdampfs sein, so daß die erhöhte, spezifische Energie
des Rauchgases sowohl eine größere Kesselausnutzung als auch eine größere
Wärmezurückgewinnung in dem Wärmezurückgewinnungsteil bedeutet.
Demzufolge besitzt das Rauchgas, das aus dem Kessel herauskommt und zu dem
Ekonomiser A geführt wird, einen höheren Taupunkt, was bedeutet, daß der
Ekonomiser eine beträchtich höhere Leistung besitzt.
BEISPIEL
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Ein 2,0 MW Gaskessel in einer Heizungsanlage mit einem Kesselwirkungsgrad
von 0,92% wird mit 100% belastet, d.h. die Anlage wird mit 2,0 MW
abgegebener Leistung belastet.
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Die Kesselanlage besitzt die nachfolgenden Eingabegrößen:
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- 120.00ºC Rauchgas vor ECO (A)
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- 2579,87 kg/h trockenes Rauchgas
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- 52,00ºC nach ECO (A)
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- 97,00 g/kg nach ECO (A)
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- 90,00ºC nach der Vorwärmeinrichtung (B)
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- 2792,80 kg/h trockene Luft (Primärluft)
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- 4,00ºC Luft vor D
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- 4,00 g/kg vor D
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- 2000,00 kW abgegebene Leistung
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- 0,92% Kesselwirkungsgrad
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- 11815,00 kcal/kg unterer Wärmewert
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- 13120,00 kcal/kg oberer Wärmewert
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- 158,24 kg/h Speicherwert
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- 1,06 Luftüberschuß
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- 11,33% CO&sub2;
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- 12,21 Nm³/kg trockenes Rauchgas
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- 16,30 kg/kg trockenes Rauchgas
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- 17,65 kg/kg trockene Primärluft
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- 100,00% Belastung
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Das Rauchgas von dem Kessel wird über einen Ekonomiser (A) zu einer
Rauchgasanlage zugeführt, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 erläutert
ist, und zwar unter drei unterschiedlichen Arbeitsverfahren, d.h.
Arbeitsverfahren 1, 2 und 3. Derselbe Kessel und Gasbrenner werden in allen
Arbeitsverfahren verwendet.
Arbeitsverfahren 1:
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Der Enthalpie-Wärmetauscher (D) wird entkoppelt (entfernt) und eine
leichte Nacherwärmung (B) wird durchgeführt, bevor das Rauchgas zu dem
Kamin gelassen wird, wobei diese Nacherwärmung gerade genug ist, um eine
Kondensation in dem Kamin zu verhindern.
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Das Nachfolgende ist die Ausgangsleistung, die mit der Heizanlage
erhalten wird:
kg/h trocken
kg/h naß
Element Nr.
Kapazität kW
Kondensat kg/h
Wasser ein ºC
Wasser aus ºC
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Systemwirkungsgrad = 99,60
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Die Positionszahlen und Elementenzahlen beziehen sich auf Fig. 1.
Arbeitsverfahren 2:
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Der Enthalpie-Wärmetauscher (D) wird verbunden (eingesetzt) und dieselbe
Nacherwärmung nach dem Ekonomiser wird wie in dem Arbeitsverfahren 1
ausgeführt.
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Das Nachfolgende ist die Ausgangsleistung, die mit der Heizanlage
erhalten wird:
kg/h trocken
kg/h naß
Element Nr.
Kapazität kW
Kondensat kg/h
Wasser ein ºC
Wasser aus ºC
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Systemwirkungsgrad = 107,93
Arbeitsverfahren 3:
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Im wesentlichen dasselbe wie das Arbeitsverfahren 2, allerdings mit einem
Wärmetauscher D mit einem geringfügig größeren Wirkungsgrad.
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Das Nachfolgende ist die Ausgangsleistung, die mit der Heizanlage
erhalten wird:
kg/h trocken
kg/h naßElement Nr.
Kapazität kW
Kondensat kg/h
Wasser ein ºC
Wasser aus ºC
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Systemwirkungsgrad = 109,11
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Die drei Arbeitsverfahren sind alle EDP-Simulationen, die mit einem
zugelassenen EDP-Programm für thermische Berechnungen und einer Berechnung
des Systemwirkungsgrads von Anlagensystemen derart, die in Fig. 1 der
Zeichnung dargestellt sind, durchgeführt sind.
SCHLUßFOLGERUNG
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Eine Verbesserung in der Tat durch Vergleich zwischen Arbeitsverfahren 1
und 2:
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Wirkungsgrad 2/Wirkungsgrad 1 = 107,93/99,60 = 1,08 entsprechend zu + 8%
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Wirkungsgrad/Wirkungsgrad 1 = 109,11/99,60 = 1,09 entsprechend zu + 9%
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Beide Beispiele zeigen demzufolge eine positive Verbesserung durch
Verwendung der Erfindung an, wobei die Verbesserung ungewöhnlich groß ist,
da das, was hier verwirklicht wird, eine kontinuierliche Verbesserung
ist. In einer großen Anlage wird eine Verbesserung im Wirkungsgrad von
ein paar wenigen Prozent zu beträchtlichen finanziellen Einsparungen aus
Gründen der hohen Brennstoffkosten und Energiesteuern führen. Zusätzlich
zu den Einsparungen beim Brennstoff führt die Verwendung der Erfindung zu
einer Verringerung der Bildung von NOx und führt zu einer Sicherheit
gegenüber Kaminkondensation.