Einrichtung eines Abgaswärmetauschers für den taupunktsicheren Betrieb

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für einen Abgaswärmetauscher zur Erwärmung eines von einer externen Pumpe getriebenen Wärmefluids, meist Wasser, für einen taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30%.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für einen Abgaswärmetauscher zur Erwärmung eines von einer externen Pumpe getriebenen Wärmefluids, meist Wasser, für einen taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30%.

[0002] Ein Abgaswärmetauscher gefüllt mit einem von einer externen Pumpe getriebenen Wärmefluid, meist Wasser, ist üblicherweise zwischen einem Brenner und einem Abgassammler angeordnet. Die heißen Verbrennungsgase des Brenners geben Wärme an das Wärmefluid ab und werden über den Abgassammler eventuell getrieben durch ein Gebläse meist in einen Kamin abgeleitet.

[0003] Solche Abgaswärmetauscher werden in gängigen Heizkesseln für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe verwendet und in den verschiedensten geometrischen Ausführungen und aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt.

[0004] Will man den Heizkessel mit gleitender Vorlauftemperatur bis in niedrige Temperaturbereiche, z.B. 30°C betreiben, so stellt sich im Abgaswärmetauscher das Problem der Taupunktsunterschreitung.
Der in den meisten Brennstoffen vorhandene Wasserstoff wird bei vollkommener Verbrennung mit dem Luftsauerstoff zu Wasserdampf. Je nach Wasserdampfkonzentration im Abgas ergibt sich aus der Dampfdruckkurve des Wassers bei gegebenem Umgebungsdruck der Taupunkt, d.h. jene Temperatur des Abgases, bei der der gasförmige Wasserdampf zu kondensieren beginnt. Das Problem dabei ist, dass die im Abgas vorhandenen Gase mit dem Kondensationswasser Säuren bilden, denen der gewöhnlich verwendete Stahl wie z.B. S235JRG2 nicht auf Dauer standhält und teure, rostfreie Stähle oder Kunststoffe verwendet werden müssen.

[0005] Es existieren Konzepte mit deutlich größerer abgasseitiger Oberfläche als wasserseitiger Oberfläche und/oder Einbau von Wärmewiderständen auf der Wasserseite. Damit wird die um ein mehrfaches niedrigere Wärmeübergangszahl Gas-Wand als Wand-Wasser kompensiert und die gasseitige Wandtemperatur liegt damit über dem Taupunkt. Bei gleitender Leistungsregelung bis unter 30% der Nennleistung scheint dieser Weg nicht möglich. Auch gibt es andere Gründe wie etwa fertigungstechnischer Art oder die schwer automatisierbare Reinigung von Rippenrohren, die andere Lösungen bevorzugen.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen taupunktsicheren Betrieb eines Abgaswärmetauschers bis 30°C Vorlauftemperatur und darunter (gleitende Vorlauftemperatur) bei gleitender Leistungsregelung (mitunter bezeichnet als "modulierender Betrieb") zwischen 30 und 100% zu gewährleisten.

[0007] Gegenstand der Erfindung ist daher eine Einrichtung eines Abgaswärmetauschers für taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30%, dadurch gekennzeichnet, dass vom oben angeordneten Rücklaufstutzen (7) beginnend ein Fluidwärmetauscher (5) angeordnet ist, der im oberen Bereich mit vom Abgaswärmetauscher (1) wegweisenden Öffnungen (6) versehen ist, im unteren Bereich in einen vorzugsweise thermisch betätigten Mischer (10) mit Bypass (11) und Mischerventil (12) endet und daran der unten angeordnete Vorlaufstutzen (8) anschließt.

[0008] Fig 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung eines Abgaswärmetauscher.

[0009] Fig. 2 stellt einen Schnitt durch die Ebene A-A der Fig. 1 dar.

[0010] Fig. 3 zeigt das zu einer Einrichtung gemäß Fig 1 und 2 gehörige Schaltschema.

[0011] Fig. 4, Fig. 6 und Fig.8 stellen Abwandlungen des Wärmetauschers der Fig. 1 dar, wobei die Fig. 5, 7 und 9 die zugehörigen Schaltschemen zeigen.

[0012] In den Figuren bedeuten 1 den Abgaswärmetauscher, 2 das Wärmefluid, 3 den Brenner, 4 den Abgassammler, 5 den Fluidwärmetauscher, 6 Öffnungen, 7 den Rücklaufstutzen, 8 den Vorlaufstutzen, 9 einen Lochblechzylinder, 10 den Mischer, 11 den Bypass, 12 das Mischerventil, 13 den Mischerantrieb, vorzugsweise einen thermischen Antrieb, 14 eine Beschleunigungsdüse mit Drosselwirkung, 15 ein Rückschlagventil.
Dabei ist vom oben angeordneten Rücklaufstutzen (8) beginnend ein im oberen Bereich mit vom Abgaswärmetauscher (1) wegweisenden Öffnungen (6) versehener Fluidwärmetauscher (5) angeordnet, welcher unten in einen Mischer (10) mit Bypass (11), Mischerventil (12) und Mischerantrieb (13) mündet, an den wiederum der Vorlaufstutzen (8) anschließt. Der Mischerantrieb (13) schließt bei niedriger Vorlauftemperatur den Bypass (11), das Wärmefluid (2) muss gänzlich durch den Fluidwärmetauscher (5) strömen, wodurch außerhalb des Fluidwärmetauschers (5) eine höhere Temperatur über dem Taupunkt des Abgases herrscht. Der Mischerantrieb (13) öffnet bei hoher Vorlauftemperatur den Bypass (11), ein großer Teilstrom des Wärmefluids kann durch die im oberen Bereich des Fluidwärmetauschers (5) angeordneten Öffnungen (6) austreten und am Fluidwärmetauscher (5) vorbei in der Fallströmung zwischen Abgaswärmetauscheraußenwand und Fluidwärmetaucher (5) durch den Bypass (11) zum Vorlaufstutzen (8) gelangen. Bei mittlerer Vorlauftemperatur ist der Bypass (11) halb offen und obige Zustände werden proportional überlagert. Bei Verwendung eines 3-WegeMischers (Fig.4) anstatt des Mischers (10) mit Bypass (11) kann der Fluidwärmetauscher gänzlich weggeschaltet und somit eine höhere Vorlauftemperatur erreicht werden. Ebenfalls kann der einfache Mischer (10) mit Bypass (11) mit einer Beschleunigungsdüse (Fig. 6) oder einer federbelasteten Rückschlagklappe (Fig. 8) ausgestattet werden.

[0013] Alle Anordnungen (Fig. 1, 4, 6, 8) können mit einem Lochblechzylinder (6) zur kontrollierten Strömung im oberen Bereich zwischen Abgaswärmetauscher (1) und Fluidwärmetauscher (5) ausgestattet sein.

[0014] Dazu ist zusätzlich ein Fluidwärmetauscher (5) integriert, welcher vom Rücklaufstutzen (7) beginnend von oben nach unten durchströmt wird, im oberen Bereich Öffnungen (6) aufweist und unten in einen Mischer (10) mündet, der mit einem Bypass (11) und dem Mischerventil (12) versehen ist, bevor der Vorlaufstutzen (8) anschließt.

[0015] Diese Anordnung erfüllt nun folgende Aufgaben:

[0016] Bei niedriger Vorlauftemperatur bleibt der Bypass (11) im Mischer geschlossen, das Mischervenil (12) steht ganz rechts und das Wärmefluid muss gänzlich durch den Fluidwärmetauscher (5) strömen. Der Fluidwärmetauscher ist dabei so dimensioniert, dass bei der gewünschten niedrigsten Vorlauftemperatur von z.B. 30°C die Temperatur des Wärmefluids (2) und damit in etwa auch die Wandtemperatur an jeder Stelle des Abgaswärmetauschers (1) über dem Taupunkt von z.B. 50 bis 60°C liegt.

[0017] Bei hoher Vorlauftemperatur bleibt der Bypass (11) im Mischer offen und durch den Fluidwärmetauscher (5) fließt aufgrund des größeren Strömungswiderstandes nur mehr ein kleiner Teilstrom, das Mischerventil (12) steht ganz links und das Wärmefluid muss großteils durch die im oberen Bereich des Fluidwärmetauschers (5) angeordneten, den Abgaswärmetauscherflächen (1) abgewendeten Öffnungen (6) strömen. Dieser "kalte" Rücklauf bewirkt am Außenrand des Abgaswärmetauschers (1) eine Fallströmung, welche sich mit der im inneren Bereich des Abgaswärmetauschers (1) entstehenden, heißen Steigströmung vermischt und damit gewährleistet, dass die Temperatur der Heizflächen des Abgaswärmetauschers (1) an keiner Stelle unterhalb des Taupunktes des Abgases ist. Zur genauen Dosierung dieser Mischströmung des Wärmefluids (2) von der inneren Steigströmung zur äußeren Fallströmung kann ein Lochblechzylinder (9) angeordnet sein.

[0018] Bei mittlerer Vorlauftemperatur bleibt der Bypass (11) im Mischer halb offen, das Mischerventil (12) steht etwa in der Mitte und die beiden oben beschriebenen Zustände überlagern sich. Der Mischer (10) ist vorzugsweise als thermischer Mischer ausgeführt und sollte proportionales Verhalten zeigen. Je größer die Temperatur des Wärmefluids (2) an der Stelle ist, wo der Mischerantrieb (13) angeordnet ist, umso weiter nach links bewegt sich das Mischerventil (12), d.h. umso mehr öffnet der Bypass (11).

[0019] Abgewandelte Varianten werden in Fig. 4, Fig. 6 und Fig. 8 dargestellt.

[0020] In Fig. 4 ist anstelle des Mischers (10) mit Bypass (11) von Fig. 1 ein 3-Wege-Mischer angeordnet. Je mehr Mischerventil (12) den Bypass (11) öffnet, desto mehr wird der Volumenstrom durch den Fluidwärmetauscher (5) verringert. Dadurch kann der Fluidwärmetauscher (5) vollkommen weggeschaltet werden, sodass kein Teilstrom des Wärmefluids (2) mehr durch diesen fließt und die erreichbare Vorlauftemperatur etwa der Temperatur am Punkt (13) entspricht.

[0021] In Fig. 6 wird zusätzlich von Fig. 1 eine Düse (14) zur Beschleunigung des Fluids angeordnet. Diese erzeugt in der Kammer des Mischers (10) aufgrund der höheren Geschwindigkeit einen relativen Unterdruck und verbessert so die Wirkung der Einrichtung gemäß Fig.1

[0022] In Fig. 8 wird zusätzlich von Fig. 1 ein federbelastetes Rückschlagventil (15) als Strömungsbremse des Fluids angeordnet. Diese sperrt bis zu einem bestimmten Druck den Fluidwärmetauscher weg und verbessert so die Wirkung der Einrichtung gemäß fig.1

Ansprüche

1. Einrichtung eines Abgaswärmetauschers für taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30%, dadurch gekennzeichnet, dass vom oben angeordneten Rücklaufstutzen (7) beginnend ein Fluidwärmetauscher (5) angeordnet ist, der im oberen Bereich mit vom Abgaswärmetauscher (1) wegweisenden Öffnungen (6) versehen ist, im unteren Bereich in einen vorzugsweise thermisch betätigten Mischer (10) mit Bypass (11) und Mischerventil (12) endet und daran der unten angeordnete Vorlaufstutzen (8) anschließt .

2. Einrichtung eines Abgaswärmetauschers für taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30% nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (10) mit Bypass (11) als 3-Wege-Mischer ausgeführt ist, sodass der Fluidwärmetauscher (5) bei Betrieb mit höherer Vorlauftemperatur gänzlich weggeschaltet ist.

3. Einrichtung eines Abgaswärmetauschers für taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30% nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (10) mit Bypass (11) bei der Einmündung des Fluidwärmetauschers (5) mit einer Beschleunigungsdüse (14) ausgestattet ist.

4. Einrichtung eines Abgaswärmetauschers für taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30% nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (10) mit Bypass (11) bei der Einmündung des Fluidwärmetauschers (5) mit einem federbelasteten Rückschlagventil (15) ausgestattet ist.

5. Einrichtung eines Abgaswärmetauschers für taupunktsicheren Betrieb bei gleitender Vorlauftemperatur bis unter 30°C und gleitender Leistungsregelung bis unter 30% nach einem der Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abgaswärmetauscher (1) und dem Fluidwärmetauscher (5) ein nicht notwendigerweise kreisrunder Lochblechzylinder (9) angeordnet ist.

Zeichnung