DE102004023026A1

DE102004023026A1 - Wärmetauschersystem für Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE102004023026A1
Application number: DE102004023026A
Authority: DE
Inventors: Florian Matschoss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2005-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschersystem (10) für einen beliebigen Wärmeerzeuger, der wenigstens eine Abgasleitung zur Ableitung heißer Gasströme aufweist, wobei die Abgasleitung mit einer Ummantelung versehen ist, die einen flüssigen Wärmeträger führt und mit einem Wärmenutzer in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein universell an verschiedensten Wärmeerzeugern einsetzbares Wärmetauschersystem zur Nutzbarmachung von Abwärme.
Heiße Abgase von in Gebäuden befindlichen Feuerstätten werden in der Regel über ein Rauchrohr und/oder einen Kamin nach außen geleitet, wobei eine erhebliche Menge an Energie in Form von Abgaswärme verloren geht. Beispielsweise werden beim Einsatz eines gewöhnlichen Schwedenofens zur Heizung eines 180 m² Wohnhauses zusätzlich zu 6 m³ Holz etwa 800 Liter Heizöl pro Heizperiode benötigt, um alle Räume auf Temperatur zu halten, obwohl auf Basis einer Wärmebedarfsrechnung die erwähnte Menge Holz als Energiequelle zur Heizung des gesamten Hauses ausreichen müsste. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades solcher ineffizienter Befeuerungsanlagen würde den Verbrauch nachwachsender sowie fossiler Brennstoffe vermindern, und somit einerseits Kosten sparen, andererseits den Ausstoß schädlicher Abgase mindern und damit einen deutlichen Beitrag zum Schutz unserer Umwelt liefern.
Zur Nutzung der Abwärme verschiedenster Öfen, z.B. Thermoölöfen, Kachelöfen oder Ölöfen, sind unterschiedliche Nachheizregister auf dem Markt. Diese sind jedoch unförmig und unästhetisch, benötigen viel Platz, lassen sich nur schwer reinigen und passen nicht für jeden Ofentyp. Auch ist ihr Einbau häufig aufwändig und teuer, beispielsweise bei Unterputz-Nachheizregistern für Kachelöfen. Für manche Ofentypen, z.B. die bereits erwähnten Schwedenöfen, sind keine Nachheizregister auf dem Markt.

Aus DE 201 03 124 U1 ist eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Rauchgasen eines Schornsteins bekannt, bei der ein flüssigkeitsdurchströmter Wärmetauscher innerhalb des Schornsteinzugs angebracht ist. Der Wärmetaucher hat hierbei entweder die Form einer im Zug verlegten gewendelten Rohrschlange, oder eines im Schornstein liegenden Doppelrohres. Die nachträgliche Ausstattung eines Schornsteinzuges mit einem derartigen Wärmeaustauscher-Systems ist mit relativ hohem Aufwand verbunden.

Die US 4 206 805 offenbart eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Wärmeerzeugern, beispielsweise einem Motor-Kompressor, bei der ein wassergefülltes Rohrsystem spangenförmig verbunden und mit einem Zu- und einem Ablauf versehen ist. Eine solche Spange kann im Prinzip um ein beliebiges heißes Rohr herum gelegt werden, um das hindurchfließende Wasser zu erwärmen. Zur Verminderung von Wärmeverlusten wird bei dieser Vorrichtung vorgeschlagen, eine Isolierungsschicht um die Rohrspange herum zu legen. Ein derartiges System ist einfach in der Anwendung und, so weit Spangengröße und Durchmesser des heißen Rohres miteinander kompatibel sind, universell einsetzbar. Es ist jederzeit schnell und unkompliziert anzubringen. Jedoch ist die Fertigung einer solche Spange relativ aufwändig, da viele einzelne Rohrteile miteinander verbunden werden müssen, beispielsweise durch verlöten. Auch ist sie in ihrer Größe und damit Wärmerückgewinnungs-Leistung limitiert.

Aus der DE 80 08 728 U1 ist eine Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer zentralen Gebäude-Heizkesselanlage bekannt, bei der ein Rauchrohr des zentralen Heizkessels als Fertigbauteil mit eingebautem Wärmetauscher in Form einer schraubenförmigen Rohrwindung ausgeführt ist. Auch hier wird eine Isolierummantelung vorgeschlagen, um Wärmeverluste zu minimieren. Der Anwendungsbereich derartiger Bauteile ist auf Heizkesselanlagen beschränkt. Zudem ist das Wärmetauschersystem sehr kurz und damit in seiner Wirksamkeit begrenzt.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein System zur Verfügung zu stellen, das auf möglichst einfache Weise ungenutzte Energie aus verschiedensten Wärmeerzeugern, insbesondere Feuerstätten jeglicher Art, optimal nutzbar macht, und dabei universell einsetzbar, preisgünstig und leicht nachrüstbar ist. Dieses System soll insbesondere in Privathaushalten Verwendung finden und daher platzsparend und formschön sein. Auch die Sicherheit soll jederzeit gewahrt sein.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Wärmetauschersystem nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Wärmetauschersystem bereitgestellt, das die thermische Energie aus verschiedensten Wärmeerzeugern nutzbar macht.

Erfindungsgemäß wird eine heiße Gase führende Leitung mit einer flüssigkeitsführenden Ummantelung versehen, die mit wenigstens einer Vorlauf- und wenigstens einer Rücklaufleitung in Verbindung steht. Gemäß den Grundsätzen der Thermodynamik findet ein Wärmeübergang von den heißen Gasen (bei Abgasen von Holzöfen beispielsweise bis ca. 270°C) auf die zunächst sehr viel kältere Flüssigkeit in der Ummantelung statt. Die von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme kann über die wenigstens eine Rücklaufleitung einem Wärmenutzer, beispielsweise einem Heizkreislauf, zugeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt als Wärmeerzeuger eine beliebige Feuerstätte zum Einsatz. Erfindungsgemäß findet ein haushaltsüblicher Verbrennungsofen, besonders bevorzugt ein schwer regulierbarer Holzofen (Schwedenofen) Verwendung, da bei einem solchen die Abgastemperaturen besonders hoch liegen. Daneben ist auch die Verwendung jeder anderen Art von Ofen denkbar, beispielsweise von Gas-, Öl-, Thermoöl- oder Kachelöfen. Erfindungsgemäß ist die Größe der Feuerstätte beliebig, so dass auch eine Industrieanlage mit beliebiger Befeuerungsart als Wärmeerzeuger zum Einsatz kommen kann.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann Erdwärme in Form von geothermer Heißluft als Wärmequelle genutzt werden. Das Wärmetauschersystem kann hierbei ein bereits vorhandenes System ergänzen, um dessen Wirkungsgrad zu erhöhen.

In jedem Fall werden heiße Gase, im folgenden als Abgase bezeichnet, über wenigstens eine Abgasleitung geschickt, üblicherweise zur Ableitung der Abgase an die Umgebung. Erfindungsgemäß kommt hierbei bevorzugt ein ein- oder doppelwandiges Rauchrohr und/oder ein Kamin zum Einsatz. Diese können in handelsüblichen Formen und Dimensionen ausgeführt sein. Das Rauchrohr stellt eine Verbindung zwischen Feuerstätte und Kamin dar. Es hat dabei üblicherweise einen Durchmesser von 100 bis 200 mm und eine Länge von etwa 1500 mm. Als Kamin eignet sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders ein handelsübliches, doppelwandiges, isoliertes Kaminsystem, bevorzugt aus Edelstahl.

Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass das Rauchrohr bzw. das innere Rauchrohr des Kamins mit einer flüssigkeitsführenden Ummantelung versehen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Ummantelung um ein Metallrohr, das um die Abgasleitung gewickelt ist. Dieses Metallrohr besteht bevorzugt aus einem sehr gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer, Messing oder Aluminium bzw. einer entsprechenden Legierung. Es hat typischerweise einen Durchmesser von 10 bis 15 mm und eine Länge von etwa 50 bis 200 Meter.

Die Wicklung kann in der Weise erfolgen, dass sowohl der vor- als auch der rücklaufende Teil des flüssigkeitsführenden Metallrohres um die Abgasleitung gewickelt ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist nur der rücklaufende Teil des flüssigkeitsführenden Metallrohres um die Abgasleitung gewickelt, während der vorlaufende Teil seitlich neben der Abgasleitung entlang geführt ist, ohne an der Wärmeübertragung beteiligt zu sein. In diesem alternativen Fall wird eine bessere Wärmeübertragung durch Nutzung des Gegenstromprinzips erreicht, wobei die wärmeaufnehmende Flüssigkeit entgegen der Gasstromrichtung durch das Metallrohr geleitet wird. Bevorzugt sollten die Wicklungen des Metallrohres so eng geführt werden, dass sie miteinander in Verbindung stehen, um Wärmeverluste zu vermeiden.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Rauchrohr zusammen mit dem flüssigkeitsführenden Metallrohr aus kleineren Einheiten (Modulen) zusammengesetzt sein. Diese können erfindungsgemäß in die Abgasführung integriert sein. Dieses System kann einem handelsüblichen doppelwandigen isolierten Kaminsystem entsprechen, wobei das innere Rauchrohr mit einem flüssigkeitsführenden Metallrohr umwickelt ist. Bevorzugt ist das Kaminsystem aus Edelstahl gefertigt. Grundsätzlich besteht ein erfindungsgemäßes Wärmetauschersystem in Modulbauweise zumindest aus einem Anfangsmodul mit Rücklaufleitung, die den erwärmten Wärmeträger zum Wärmenutzer hin leitet, und einem Endmodul mit Entlüftung und Vorlaufleitung, die den noch kalten Wärmeträger führt. Hinzu können beliebig viele Zwischenmodule kommen. Durch die Länge der Einzelmodule sowie die Anzahl der verwendeten Module ist dieses System in seiner Gesamtlänge variabel. In der Folge kann neben der Eingangs- auch die Ausgangstemperatur des Systems gesteuert werden. Hierdurch sind die Leistung des Systems sowie der Kaminzug beeinflussbar. Das Modulsystem kann daher in besonderer Weise auch bei Industrieanlagen zum Einsatz kommen. Auch erlaubt es die Modulbauweise, die Länge des Systems so zu wählen, dass es vollständig im frostsicheren Bereich des Hauses liegt und damit eine Systemtrennung unnötig ist. Die Verbindung der Module erfolgt durch Zusammenstecken und Verschrauben. An der Verbindungsstelle ist die Kaminwandung verstärkt, um der Windlast standzuhalten, und über den Verschraubungsteilen wird eine Blende, beispielsweise eine Edelstahlblende, angebracht, die durch die Verbindungsschelle der Module gehalten wird.

Die Leistung des Systems kann durch die Einführung von Rauchgasturbulatoren im Abgasrohr verbessert werden. Auch eine Vergrößerung des Rauchrohrquerschnitts und/oder eine Verlängerung des Rauchrohres wirken leistungssteigernd, da die Gesamtlänge des um die Abgasleitung gewickelten Anteils des flüssigkeitsführenden Metallrohres die mögliche Menge an übergehender thermischer Energie bestimmt.

Typische Leitungslängen des flüssigkeitsführenden Metallrohres in einfacher Ausführung beim erfindungsgemäßen Einsatz des Systems im Privathaushalt betragen bis zu 200 Meter. Bei einem Durchmesser von 10 bis 15 mm kommt es bei solchen Distanzen zu merklichen Druckverlusten. Beim Einsatz in Industrieanlagen sind die Druckverluste noch größer, da in der Regel die Leitungslängen zunehmen. Eine Optimierung der Wärmeübertragung ermöglicht bei gleichem Energiegewinn eine Verkürzung der Rohrleitung, was die Rohrreibungsverluste senkt und außerdem Rohrmaterial spart.

Erfindungsgemäß kann der Wärmeübergang optimiert werden, indem das flüssigkeitsführende Metallrohr wenigstens an der dem Rauchrohr zugewandten Seite abgeflacht ist, um die Kontaktfläche zum Rauchrohr zu vergrößern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das flüssigkeitsführende Metallrohr in ein Wärmeleitelement eingebettet. Dieses Wärmeleitelement zeigt im Querschnitt auf der dem flüssigkeitsführenden Metallrohr zugewandten Seite eine mit der Kontur des Metallrohres korrespondierende Mulde, und ist auf der dem Rauchrohr zugewandten Seite abgeflacht. Das Wärmeleitelement ist bevorzugt in einem gut wärmeleitfähigen Metall wie Kupfer oder Aluminium ausgeführt. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Wärmeleitdecke, die das Rauchrohr umgibt und in die das flüssigkeitsführende Metallrohr gebettet ist. Die Wärmeleitdecke weist bevorzugt eine Metallgewebe- oder Metallschaumstruktur auf, wobei das Metall bevorzugt gut wärmeleitfähig ist, wie dies beispielsweise bei Kupfer oder Aluminium der Fall ist.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Verkleidung, die das Rauchrohr und das flüssigkeitsführende Metallrohr umgibt. Diese Verkleidung dient der optischen Aufwertung. Bei Verwendung einer geschlossenen Edelstahlverkleidung dient diese zudem als Verbrennungsschutz, da sie selbst bei einer Innentemperatur im Rauchrohr von 270 °C kaum heißer als 30 °C wird. Die Verkleidung kann somit problemlos berührt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Zwischenraum eines doppelwandigen, druckfesten Rauchrohres als flüssigkeitsführende Ummantelung realisiert ist. Hierzu wird beispielsweise ein druckfestes Rauchrohr doppelwandig verschweißt und mit einer Vor- und einer Rücklaufleitung versehen. Dieses System ist besonders effizient, da die wärmetragende Flüssigkeit direkt mit dem Rauchrohr in Verbindung steht und somit eine optimale Wärmeübertragung stattfindet. Eine weitere Steigerung der Effizienz kann dadurch erreicht werden, dass die innere Wand des doppelwandigen Rauchrohres eine Lamellenstruktur und damit eine vergrößerte Oberfläche aufweist. Zur Nutzung des Gegenstromprinzips in der druckfesten Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Systems können spiralförmig angeordnete Führungen in den Druckkörper eingeführt werden, die das schnelle Herabfallen des zugeführten kalten Wärmeträgers verhindern, und diesen stattdessen langsam in Windungen nach unten führen.

Typische Temperaturen im Rauchrohr betragen bei holzbefeuerten Öfen 130 bis 270 °C; im Rücklauf des Wärmetauschersystems ergeben sich daraus Temperaturen bis zu 40 °C. Als Wärmeträger eignet sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Flüssigkeit, die in der Lage ist, im gegebenen Temperaturbereich Wärme aufzunehmen und abzugeben und dabei den flüssigen Aggregatszustand beibehält. Insbesondere kommt hierbei erfindungsgemäß Wasser oder eine wässrige Frostschutzmittel-Lösung zum Einsatz.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die erwärmte Flüssigkeit in den Heizkreislauf integriert. Insbesondere Heizungsanlagen mit niedrigen Vorlauftemperaturen, z.B. Fußboden- oder Wandstrahlheizungen, können direkt oder indirekt mit Systemtrennung über das erfindungsgemäße Nachheizregister versorgt werden. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die rückgeführte Energie in einem Wärmespeicher, beispielsweise einem in den Wintermonaten kaum genutzten Solarspeicher, zwischengespeichert wird. Eine Systemtrennung kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn Teile des Nachheizregisters innerhalb des Kamins bei kalter Witterung frostgefährdet sind. Hier kann dann die Flüssigkeit im primären Kreislauf mit einem Frostschutzmittel angereichert sein, während im sekundären (Heiz-) Kreislauf reines Wasser zirkuliert. Diese Aufteilung wird üblicherweise als Systemtrennung bezeichnet.

Aus sicherheitstechnischen Gründen sollte vor allem bei der Nutzung schwer regulierbarer Feuerstätten wie Holzöfen als Wärmeerzeuger ein Überhitzungsschutz in das Wärmetauschersystem integriert werden. Erfindungsgemäß kann hierzu eine thermische Ablaufsicherung in einer zweiten Metallrohrwicklung eingesetzt werden. Alternativ kann eine zweite Umwälzpumpe, die mittels Notstromaggregat betrieben wird und mit einer optischen oder akustischen Signaleinrichtung ausgestattet ist, an den Wärmekreislauf angeschlossen werden. Ebenso kann eine optische oder akustische Signaleinrichtung über einen Strömungswächter geschaltet werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommt ein Ausblasesystem zum Einsatz. Dieses ist eine einfache und platzsparende Alternative, bevorzugt zum Einsatz im Privathaushalt. Es besteht aus einem Druckluftspeicher, der beispielsweise eine Taucherflasche mit 200 bar Fülldruck sein kann, und einem Druckminderer, der erfindungsgemäß auf 10 bar eingestellt ist. Bei zu hoher Temperatur, beispielsweise bei 110 °C, öffnet sich ein temperaturgesteuertes Ventil (Magnetventil) nach dem Druckregler, wodurch Luft in den Wärmekreislauf gepresst wird. Die Temperatursteuerung erfolgt über einen Temperatursensor an der Vorlaufleitung des Wärmetauschersystems (Vorlauffühler). Die Druckluft tritt nach Pumpe und Schwerkraftbremse bzw. Rückschlagventil in den Wärmetauscherkreislauf. Stehen die Wärmetauscher- und Wärmenutzer-Kreisläufe nicht in direkter Verbindung miteinander, liegt also eine Systemtrennung vor (beispielsweise bei Verwendung von Frostschutzmittel im Wärmetauschersystem), wird somit die überhitzte Flüssigkeit aus dem Wärmetauschersystem über ein Sicherheitsventil in einen Entspannungstopf ausgeblasen. Liegt keine Systemtrennung vor, ist erfindungsgemäß sowohl die Vor- als auch die Rücklaufleitung mit jeweils einem temperaturgesteuerten Ventil (Magnetventil) versehen, die bei Überhitzung die Verbindungen zum Heizkreislauf schließen und damit gewährleisten, dass keine Luft in den Heizkreislauf gepresst wird, während die überhitzte Flüssigkeit aus dem Wärmetauschersystem über ein Sicherheitsventil in einen Entspannungstopf ausgeblasen wird.

Die starke Abkühlung der Abgase durch das erfindungsgemäße Wärmetauschersystem kann zu einer deutlichen Beeinträchtgung des Kaminzugs führen. Daher kann es sinnvoll sein, einen Kaminzugverstärker anzubringen. Gemäß vorliegender Erfindung kann dieser aus einer oder mehreren nach oben bzw. aussen gerichteten Düsen bestehen, die im oberen Mündungsbereich des Kamins angeordnet sind. Die Düsen werden beispielsweise mittels eines seitlich am Kamin angebrachten Lüfters oder Kompressors mit Luft durchblasen und erhöhen deren Strömungsgeschwindigkeit derart, dass innerhalb des Kamins ein Unterdruck erzeugt wird. Eine Abschrägung der Kaminwandung im Bereich direkt unterhalb der Düsen verstärkt diese Sogwirkung. Durch die Befestigung der Düsen im Randbereich des Kamins bleibt dieser beispielsweise für die Reinigung zugänglich. Bewegliche Deckel auf den einzelnen Düsen, die sich bei Luftzufuhr selbständig öffnen, schützen die Düsen bei Nichtbetrieb vor Schmutz und Wasser.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Universal-Wärmetauschersystem für einen Verbrennungsofen mit Rauchrohr, das in einen Kamin mündet.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Universal-Wärmetauschersystem in Modulbauweise, integriert in den Kamin.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Universal-Wärmetauschersystem für einen Verbrennungsofen in druckfester, doppelwandiger Ausführung.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Universal-Wärmetauschersystem für einen Brenner in einer Kombination von druckfester, doppelwandiger Ausführung und Modulbauweise, beide in den Kamin integriert.
5 veranschaulicht erfindungsgemäße Möglichkeiten zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Rauchrohr und flüssigkeitsführender Ummantelung.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausblasesystem als Überhitzungsschutz von Universal-Wärmetauschersystemen, dargestellt an der Ausführungsform in Modulbauweise.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Düsenvorrichtung zur Erhaltung der Zugleistung des Kamins.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Universal-Wärmetauschersystem 10 für einen Verbrennungsofen 12 mit Rauchrohr 14, bevorzugt einen Holzofen, das in einen Kamin 17 mündet, über den die heißen Abgase durch das Dach 18 in die Atmosphäre geleitet werden. Das Rauchrohr 14 ist mit einem flüssigkeitsführenden Metallrohr 20 umwickelt und steht über eine Vor- und eine Rücklaufleitung 22, 24 mit einem Heizkreislauf 26 in Verbindung. Das flüssigkeitsführende Metallrohr 20 besteht bevorzugt aus Kupfer und ist so gewickelt, dass sowohl der Vor- als auch der Rücklauf der Flüssigkeit in einer Wicklung um das Rauchrohr 14 herum erfolgt. Das Rauchrohr 14 und das flüssigkeitsführende Metallrohr 20 sind von einer Verkleidung 28 umgeben, die bevorzugt aus Edelstahl besteht.
Das Wärmetauschersystem gemäß vorliegender Erfindung eignet sich bspw. für ein Wohnhaus mit einer Wohnfläche von ca. 180 m². Es ist über ein Rauchgasthermostat an die Umwälzpumpe mit Durchflussmengenregler direkt an das Fußbodenheizungssystem angeschlossen. Bei einem 1,50 m langen Rauchrohr mit 150 mm Durchmesser, das mit 50 m Kupferrohr mit einem Durchmesser von 12 mm umwickelt ist wurde eine Leistung von 1,5 – 4 KW je nach Befeuerungsintensität ermittelt. Die Verbrennung von 6 m³ Holz reicht aus, um über das Wärmetauschersystem die gesamte Fußbodenheizung des Hauses zu betreiben. Somit werden 800 l Heizöl pro Heizperiode eingespart.
Der gute Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems lässt sich auch durch Lasertemperaturmessung am Abgasrohr vor und nach dem Wärmetauschersystem feststellen. Bei einer Temperatur von etwa 133 °C vor dem Wärmeübergang bei Normalbetrieb liegt die Temperatur nach dem Wärmeübergang bei etwa 48 °C. Bei hoher Heizleistung des Ofens (8 KW) steigt die Temperatur am Abgasrohr vor dem Wärmeaustausch auf bis zu 270 °C. In diesem Fall beträgt die Temperatur am Abgasrohr nach dem Wärmetausch noch etwa 85 °C.
2 stellt ein erfindungsgemäßes Universal-Wärmetauschersystem in Modulbauweise 10, das in den Kamin 17 integriert ist, dar. Die heißen Abgase aus einem Verbrennungsofen 12, insbesondere einem Holzofen, werden über den Kamin 17 durch das Dach 18 in die Atmosphäre geleitet. Der Kamin 17 entspricht einem handelsüblichen, doppelwandigen, isolierten Kaminsystem, vorzugsweise aus Edelstahl, bei dem das innere Rauchrohr 14 mit einem flüssigkeitsführenden Metallrohr 20 umwickelt ist. Im gezeigten Beispiel besteht das Wärmetauschersystem 10 aus einem Anfangsmodul 32, das mit der Rücklaufleitung 24 in Verbindung steht, und einem Endmodul 34 mit Entlüftung 36, das mit der Vorlaufleitung 22 verbunden ist. Zur Verlängerung des Systems können beliebig viele Zwischenmodule eingefügt werden. Die Verbindung der Module 38 erfolgt durch Zusammenstecken und Verschrauben.
Durch die Länge der Einzelmodule sowie die Anzahl der verwendeten Module ist dieses System in Gesamtlänge und Leistung variabel und auch für Industrieanlagen einsetzbar.
Als Wärmeträger ist in dieser Ausführungsform eine wässrige Frostschutzmittel-Lösung zu empfehlen.
3 verdeutlicht eine alternative Ausführungsform des Wärmetauschersystems 10, bei der die Ummantelung des Rauchrohres 14 als geschlossener Behälter 21 ausgebildet ist. Dieser ergibt sich durch Verschweißung eines doppelwandigen, druckfesten Rauchrohres 14. Der Behälter steht über eine Vor- und eine Rücklaufleitung 22, 24 mit einem Heizkreislauf 26 in Verbindung.
In dieser Ausführungsvariante ist der Wärmegewinn besonders groß, da das Wasser im Zwischenraum 21 der beiden Rohrwandungen 15, 16 in direktem Kontakt mit dem Abgase führenden Rauchrohr 14 steht und somit eine optimale Wärmeübertragung stattfindet.
4 verdeutlicht eine weitere Variante des Universal-Wärmetauschersystems 10, bei dem der Wärmeerzeuger ein Brenner 66 ist, der eine Flammenfront direkt in den Kamin 17 erzeugt. Es gibt hierbei keinen herkömmlichen Heizkessel mehr, sondern es wird im Wesentlichen nur das Rauchrohr 14 erhitzt, dessen Wärme mit dem erfindungsgemäßen Nachheizregister 10 zur Erwärmung von Brauchwasser genutzt wird.
Gezeigt ist eine Kombination der Variante des Wärmetauschers 10 in Modulbauweise, bestehend aus Anfangs- und Endmodul 32, 34 (wie in 2 dargestellt) und der Variante in doppelwandiger Ausführung mit einer Ummantelung in Form eines Druckkörpers 21 (ähnlich 3). Die druckfeste, doppelwandige Ausführung ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in den Kamin 17 integriert.
Zusätzlich ist sie mit einem flexiblen, herausnehmbaren Rauchgasturbulator 68 und mit spiralförmig angeordneten Führungen 70 innerhalb des Druckkörpers 21 zur Nutzung des Gegenstromprinzips ausgestattet. Die Wartung der Vorrichtung wird über eine Revisionsöffnung 72 sowie eine Öffnung zur Abgasmessung 74 und eine elektronische Abgastemperatur-Anzeige 76 ermöglicht. Kondensat kann über einen Ablauf 78 abfließen.
Die 5a und 5b zeigen verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Wärmeübertragung von den heißen Abgasen im Rauchrohr 14 auf die Flüssigkeit in der Ummantelung 20, 21 des Wärmetauschers.
5a zeigt Varianten von Rohrquerschnitten des flüssigkeitsführenden Metallrohres 20 in schematischen Querschnittdarstellungen.
In der obersten Variante ist der Querschnitt des Metallrohres 20 flachgedrückt, so dass die Kontaktfläche zwischen dem Metallrohr 20 und dem Rauchrohr 14 vergrößert ist.
Die Variante darunter weist ein Wärmeleitelement 80 auf, das der teilweisen Einbettung des Metallrohres 20 dient. Das Wärmeleitelement 80 weist im Querschnitt auf der dem Metallrohr 20 zugewandten Seite eine mit der runden Kontur des Metallrohres 20 korrespondierende Mulde auf. Auf der dem Rauchrohr 14 zugewandten Seite liegt das Wärmeleitelement 80 plan auf der Mantelfläche des Rauchrohres 14 auf.
Die unterste Variante zeigt eine zusätzliche Wärmeleitdecke 82, die am Rauchrohr 14 anliegt und die zur Einbettung des Metallrohres 20 dient. Hierdurch wird ebenfalls die Wärmeübertragung zwischen den beiden Teilen verbessert. Die Wärmeleitdecke 82 kann beispielsweise eine metallische Gewebe- oder Schaumstruktur aufweisen.
5b zeigt den schematischen Querschnitt einer verbesserten doppelwandigen Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems 10 (vgl. 2). Die innere Wandung 15 des Druckkörpers 21 weist hierbei eine Lamellenstruktur 84 auf. Die Oberfläche, über die der Wärmeaustausch zwischen heißen Abgasen 13 und kalter Flüssigkeit im Druckkörper 21 stattfindet, ist damit deutlich vergrößert.
6 stellt ein erfindungsgemäßes Ausblasesystem 40 als Überhitzungsschutz von Universal-Wärmetauschersystemen am Beispiel der Ausführungsform in Modulbauweise 10 dar. Es besteht aus einem Druckluftspeicher 42, der beispielsweise eine Taucherflasche mit 200 bar Fülldruck sein kann, und einem Druckminderer 44, der beispielsweise auf ca. 10 bar eingestellt sein kann. Bei zu hoher Temperatur, beispielsweise 110 °C, öffnet sich ein temperaturgesteuertes Ventil (Magnetventil) nach dem Druckregler 46, wodurch Luft in den Wärmekreislauf 48 gepresst wird. Die Temperatursteuerung erfolgt über einen Temperatursensor 50 an der Vorlaufleitung 22 des Wärmetauschersystems (Vorlauffühler). Die Druckluft tritt nach Pumpe 52 und Schwerkraftbremse bzw. Rückschlagventil 54 in den Wärmetauscherkreislauf 48. Stehen die Wärmetauscher- und Wärmenutzer-Kreisläufe 48, 26 nicht in direkter Verbindung miteinander, liegt also eine Systemtrennung vor (beispielsweise bei Verwendung von Frostschutzmittel im Wärmetauschersystem), wird somit die überhitzte Flüssigkeit aus dem Wärmetauschersystem 48 über ein Sicherheitsventil 58 in einen Entspannungstopf 60 ausgeblasen und von dort in den Abfluss 61 geleitet. Liegt keine Systemtrennung vor, ist erfindungsgemäß sowohl die Vor- als auch die Rücklaufleitung 22, 24 mit jeweils einem temperaturgesteuerten Ventil (Magnetventil) 62, 64 versehen, die bei Überhitzung die Verbindungen zum Heizkreislauf 26 schließen und damit gewährleisten, dass keine Luft in den Heizkreislauf 26 gepresst wird, während die überhitzte Flüssigkeit aus dem Wärmetauschersystem 48 über ein Sicherheitsventil 58 in einen Entspannungstopf 60 ausgeblasen wird.
Die 7a bis 7c verdeutlichen einen erfindungsgemäßen Kaminzugverstärker. Dieser kann, falls durch eine starke Abkühlung der Abgase der Kaminzug beeinträchtigt ist, die Ableitung der Abgase unterstützen.
7a zeigt die Anordnung im seitlichen Querschnitt, 7b in der Draufsicht. Ein seitlich am Kamin 17 angebrachtes Gebläse 86 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer ringförmigen Luftleitung 88 im oberen Mündungsbereich 90 des Kamins 17 verbunden. Die Luftleitung 88 führt die Luft zu nach oben gerichteten Düsen 92. Der Kamin 17 weist in diesem Bereich einen verbreiterten Querschnitt auf, so dass die eigentliche Kaminöffnung 91 beispielsweise für Reinigungsarbeiten zugänglich bleibt. Der Luftstrom aus den Düsen 92 erzeugt im oberen Mündungsbereich 90 des Kamins 17 einen Unterdruck. Die so erzeugte Sogwirkung nach oben wird durch die Abschrägung der inneren Kaminwandung 94 im Bereich direkt unterhalb der Düsen 92 verstärkt.
Wie in 7c dargestellt, können die einzelnen Düsen 92 mit beweglichen Deckeln 96 versehen sein, welche die Düsen 92 vor Schmutz und Wasser schützen und bei Gebläsebetrieb selbstständig öffnen.
Je nach Gebläseleistung kann der Kaminzug mit dieser Anordnung deutlich verbessert bzw. aufrechterhalten werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims

Wärmetauschersystem (10) für einen beliebigen Wärmeerzeuger, der wenigstens eine Abgasleitung zur Ableitung heißer Gasströme aufweist, wobei die Abgasleitung mit einer Ummantelung versehen ist, die einen flüssigen Wärmeträger führt und mit einem Wärmenutzer in Verbindung steht.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 1, bei dem der Wärmeerzeuger ein Verbrennungsofen (12), insbesondere ein Holzofen ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abgasleitung ein einwandiges Rauchrohr (14) ist, das mit einem flüssigkeitsführenden Metallrohr (20), insbesondere einem flüssigkeitsführenden Kupferrohr umwickelt ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 3, bei dem das Rauchrohr (14) mit einer Verkleidung (28), insbesondere einer geschlossenen Edelstahlverkleidung versehen ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abgasleitung ein doppelwandiger isolierter Kamin (17) ist, wobei das innere Rauchrohr (14) mit einem flüssigkeitsführenden Metallrohr (20), insbesondere einem flüssigkeitsführenden Kupferrohr umwickelt ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 5, bei dem die Abgasleitung in Modulbauweise mit Anfangsmodul (32), beliebig vielen Zwischenmodulen und Endmodul (34) mit Entlüftung (36) ausgeführt ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das flüssigkeitsführende Metallrohr (20) zur Vergrößerung der Kontaktfläche wenigstens an der dem Rauchrohr (14) zugewandten Seite abgeflacht ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das flüssigkeitsführende Metallrohr (20) in ein Wärmeleitelement (80) gebettet ist, wobei das Wärmeleitelement (80) im Querschnitt auf der dem Metallrohr (20) zugewandten Seite eine mit der Kontur des Metallrohres (20) korrespondierende Mulde aufweist und auf der dem Rauchrohr (14) zugewandten Seite plan abschließt oder mit der Kontur des Rauchrohres (14) korrespondiert.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das flüssigkeitsführende Metallrohr (20) in eine metallische Wärmeleitdecke (82), die das Rauchrohr (14) umgibt, eingebettet ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 9, bei dem die Wärmeleitdecke (82) eine metallische Gewebestruktur aufweist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 9, bei dem die Wärmeleitdecke (82) eine Metallschaumstruktur aufweist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abgasleitung ein doppelwandiges, druckfestes Rauchrohr (14) ist, wobei sich der flüssige Wärmeträger im Zwischenraum (21) der beiden Rauchrohrwandungen (15, 16) befindet.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 12, bei dem die innere Rauchrohrwandung (15) eine Lamellenstruktur (84) aufweist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 12 oder 13, bei dem spiralförmig angeordnete Führungen (70) in den Druckkörper (21) eingeführt sind.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der flüssige Wärmeträger Wasser aufweist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Wärmenutzer ein Heizkreislauf (26) ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Wärmenutzer bzw. der Heizkreislauf (26) einen Wärmespeicher aufweist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der Wärmeaustausch und die Wärmenutzung in zwei voneinander getrennten Kreisläufen statt findet (Systemtrennung).
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem das System mit einem Überhitzungsschutz versehen ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 19, bei dem der Überhitzungsschutz eine thermische Ablaufsicherung in einer zweiten Metallrohrwicklung ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 19 oder 20, bei dem der Überhitzungsschutz eine zweite Umwälzpumpe mit Notstromaggregat und Pumpenstörlampe ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem der Überhitzungsschutz eine optische und/oder akustische Signaleinrichtung ist, die über einen Strömungswächter geschaltet wird.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem der Überhitzungsschutz ein Ausblasesystem (40) ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 23, bei dem die Vorlaufleitung (22) über ein temperaturgesteuertes Ventil (46) mit einem Druckspeicher (42) verbindbar ist und die Rücklaufleitung (44) über ein Sicherheitsventil (58) verfügt.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 24, bei dem das temperaturgesteuerte Ventil (46) mit einem Temperatursensor an der Vorlaufleitung (50) in Verbindung steht.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 24 oder 25, bei dem der Druckspeicher (42) ein Druckluftbehälter ist, der einen Luftdruck zwischen 50 und 200 bar aufweist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem ein Druckminderer (44) zwischen Druckspeicher (42) und Vorlaufleitung (22) eingebaut ist, der auf 10 bar eingestellt ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei dem der Wärmetauschersystem (48) nicht in direkter Verbindung mit dem Wärmenutzer (26) steht (Systemtrennung) und die Verbindung zwischen Druckspeicher (42) und Vorlaufleitung (22) nach der Pumpe (52) und einer Schwerkraftbremse bzw. einem Rückschlagventil (54) erfolgt.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei dem das Wärmetauschersystem (48) in direkter Verbindung mit dem Wärmenutzer (26) steht und an der Verbindungsstelle sowohl die Vorlauf- als auch die Rücklaufleitung (22, 24) jeweils über ein temperaturgesteuertes Ventil (62, 64) verfügt.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem eines oder mehrere der beteiligten Ventile Magnetventile sind.
Wärmetauschersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Kamin (17) mit einem Kaminzugverstärker ausgestattet ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 31, bei dem der Kaminzugverstärker aus wenigstens einer innerhalb des Kamins (17) angeordneten Düse (92) zur Einblasung von Luft in den Kamin (17) besteht.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 32, bei dem die innere Kaminwandung unterhalb der wenigstens einen Düse (92) nach oben hin abgeschrägt ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 32 oder 33, bei dem die wenigstens eine Düse (92) mit einem beweglichen Deckel (96) versehen ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 32 bis 34, bei dem die Öffnungen der Düsen (92) in Richtung zur Zugrichtung der Abgase oder in einem spitzen Winkel zu dieser weisen.