DE102005038509B3

DE102005038509B3 - Rückgewinnung der Abgaswärme einer Feuerungsanlage mittels Kapillarrohren im Abgasrohr

Info

Publication number: DE102005038509B3
Application number: DE102005038509A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Luther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-13
Filing date: 2005-08-13
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur weitgehenden Nutzung der sensiblen und latenten Abgaswärme eines Wärmeerzeugers für die Beheizung eines Gebäudes, wobei der Wärmeübertrag vom Abgas (1b) auf den Wärmeträger Wasser (4a und 4b) im Innern des Abgasrohres (90) erfolgt und das ausfallende Kondensat durch das Abgasrohr (90) nach unten abgeleitet wird. DOLLAR A Der Wärmeübertrag vom Abgas auf das Kühlwasser (4b) erfolgt durch eine in das Abgasrohr eingepasste oder eingedrehte Kapillarrohrmatte. Diese besteht aus den beiden Sammelrohren (S1 und S2) und den Kapillar-Röhrchen (K1 bis Kn), durch welche die beiden Sammelrohre verbunden sind. Hierbei liegen die Sammelrohre in der Achse des Abgasrohres (90) und auch die Kapillar-Röhrchen (K1 bis Kn) verlaufen bis auf den Bereich ihrer Ein- bzw. Ausmündung in das Sammelrohr weitgehend parallel zur Achse des Abgasrohres (90). DOLLAR A Die Erfindung kann beispielsweise durch einen Kapillarrohr-Abgas-Wärmeübertrager (KAW) (44) realisiert werden, bei dem die Sammelrohre (S1 und S2) mit ihren hydraulisch getrennten Verbindungssträngen zum Heizkreis (4a und 4b) in einer Linie angeordnet werden und die gesamte Anordnung über ein Verlängerungsrohr (H1) an einer Haltevorrichtung am Kaminkopf befestigt wird. DOLLAR A Das Verfahren eignet sich insbesondere zur kostengünstigen Nachrüstung bei herkömmlichen Heizkesseln oder bei Brennwertanlagen mit unzureichendem Wirkungsgrad.

Description

Die Erfindung betrifft einen kostengünstigen Wärmetauscher für den Einbau in einen Schornstein oder ein Abgasrohr zur weitgehenden Nutzung der sensiblen und latenten Abgaswärme eines Wärmeerzeugers.

1.1 Herkömmliche Feuerungsanlagen mit Standardkesseln oder Niedertemperaturkesseln verlieren einen Teil des Wärmeinhaltes des Brennstoffes als sensible und latente Wärme des Abgases ungenutzt an die Atmosphäre. Bezüglich der korrekten Ermittlung dieser Nettoabgasverluste und der üblichen Denkfehler bei ihrer Bestimmung sei auf /1/ verwiesen.

Bei Feuerungsanlagen mit Brennwertkesseln wird der Anteil der Abgasverluste zwar deutlich verringert, doch beschränkt die Rücklauftemperatur der Heizungsanlage den im Kessel zurückgewinnbaren Anteil der Abgaswärme und insbesondere den Anteil des Wasserdampfes, der sich auskondensieren lässt.

Nach dem Stand der Technik können Abgasverluste bei Temperaturen, die oberhalb der Rücklauftemperatur der Heizungsanlage liegen, durch einen dem Kessel nachgeschalteten Abgas-Wasser – Wärmetauscher, der durch den Heizungsrücklauf gekühlt wird, zurückgewonnen werden.

Liegt die Rücklauftemperatur des bestehenden Heizkreises zu hoch, so kann die Restwärme des Abgases durch einen gesonderten kleinen Niedertemperatur- Heizkreis, der nur die Wärmemenge des Abgases aufnehmen soll und auf eine ausreichend niedrige Rücklauftemperatur ausgelegt ist, noch weitgehend zurückgewonnen werden (/2/,/10/). Dieser Niedertemperatur-Heizkreis lässt sich beispielsweise realisieren durch eine Warmwasserheizkreis

• mit einem (oder mehreren) „überdimensionierten" Heizkörper(n),
• mit einer herkömmlichen Fußboden-, Decken- oder Wandheizung,
• mit einer außenliegenden Wandheizung /3/, die durch eine besonders niedrige Rücklauftemperatur gekennzeichnet ist.

1.2 Die Wärmerückgewinnung aus dem Abgas ist ein besonders wichtiger Spezialfall der Wärmeübertragung aus einem Gas. Die vielfältigen Möglichkeiten der Luft-Wasser Wärmeübertrager wurden in jüngster Zeit wesentlich erweitert: B. Chahed hat zur Raumheizung einen durch Umluft-Konvektion durchströmten Schacht vorgeschlagen, in dessen Inneren die Luft durch frei aufgehängte und von Heizwasser durchströmte Kapillarrohrmatten erwärmt wird /4/. Diese Vorrichtung, zu der eine wissenschaftliche Analyse von B. Glück /5/ vorgelegt wurde, wird von der Firma Zehnder als „COS – Kühlschacht" vermarktet /6/. Kapillarrohrmatten /7/ sind aus ihrer üblichen Anwendung zur Bauteiltemperierung, welche in der Werbesprache häufig als Bauteil-„Aktivierung" bezeichnet wird, wohl bekannt und werden von der Firma Clina, Berlin, in großer Vielfalt produziert; sie sind ausführlich technisch dokumentiert /8/ worden.

Die Kapillarrohrmatten werden aus Polypropylen (PP) gefertigt und bestehen aus zwei Sammelrohren (auch als „Stammrohre" bezeichnet), die durch eine Vielzahl von Kapillarröhrchen miteinander verbunden sind; die flexiblen Kapillarröhrchen besitzen einen inneren Durchmesser von etwa 2 bis 3 mm und sind werksseitig mit einem gegenseitigen Abstand ab 10 mm in den Sammelrohren eingeschweißt.

1.3 Kritik des Standes der Technik:

Die nachträgliche Rückgewinnung der Abgaswärme ist bei kleineren Anlagen meist unwirtschaftlich. Auch neuere Vorschläge, wie beispielsweise das in /2/ mitgeteilte „Verfahren der inneren Abgaskühlung" rechnen sich nur unter günstigen Umständen. Bei diesem Verfahren findet der Wärmeübertrag im Innern des Abgasrohres durch direkten Kontakt von Kühlwasser und Abgas statt: In einem gesonderten Niedertemperatur (NT)-Heizkreis 4 (siehe Bild 1) wird das in einem Wärmetauscher 48 ausgekühlte Heizwasser als Kühlwasser 4b an einer oben gelegenen Einspeisestelle 96 in das Abgasrohr 90 eingeführt oder eingesprüht und läuft dann an der inneren Rohrwand des Abgasrohres 90, also im Gegenstrom und im direkten Kontakt zu dem zur Mündung des Abgasrohres strömenden Abgas 1b, als Flüssigkeitsfilm oder als Rinnsal hinunter. Das dadurch erwärmte Heizwasser 4a wird dann an einer unten gelegenen Auskoppel – Vorrichtung 7 aus dem Abgasrohr ausgeleitet und in einem Vorratsgefäß 41a zwischengespeichert. Danach wird es durch eine Pumpe 22 wieder nach oben zur Einspeisestelle 96 gedrückt, wobei es seine Wärme in dem zwischengeschalteten NT-Heizkörper 48 direkt als Nutzwärme abgibt (Bild 1 wurde aus /2/ entnommen).

Als Kosten treibende Faktoren dieses Verfahren der inneren Abgaskühlung ergeben sich:

(1) Der NT-Heizkreis wird als offener Kreis betrieben. Daher muss die Pumpe 22 den Druck für die volle Höhe zwischen Auskoppelstelle 7 und Einspeisestelle 96 aufbringen, da das frei durch das Abgasrohr 90 hinunter fließende Kühlwasser 4b keinen Gegendruck aufbauen kann. Leider sind die kostengünstigen Heizungs-Umlaufpumpen meist nur für kleinere Druckdifferenzen ausgelegt. Es ergeben sich also neben höheren Betriebskosten für den Pumpenstrom auch höhere Investitionskosten für die Pumpe selbst.

(2) Im Abgasrohr 90 nimmt das Kühlwasser Kondensat aus dem Abgas auf. Nach kurzer Betriebszeit besteht das Kühlwasser praktisch nur noch aus Kondensat und erreicht daher einen entsprechend niedrigen pH-Wert. Dieser niedrige pH-Wert stellt besondere Anforderungen an die Werkstoffe der Pumpen – was ebenfalls die Kosten der Pumpe erhöht.

(3) Durch das Ablaufen des Kühlwassers an der inneren Wand des Abgasrohres 90 lässt sich die durch die „Haut" des Kühlwasser gebildete, Wärme übertragende Oberfläche nur durch einen Übergang zu größeren Höhendifferenzen erweitern, sofern man von zusätzlichen aber schwer kalkulierbaren Oberflächen durch freien Tropfenfall absieht.

(4) Durch die weite räumliche Trennung von Einspeise- und Auskoppelstelle ergibt sich ein beträchtlicher baulicher Aufwand.

1.4 Problemstellung und Zielsetzung

Die oben genannten Kosten ließen sich vermeiden, wenn man den offenen durch einen geschlossen Kühlwasserkreis ersetzen könnte und das Kühlwasser an einer einzigen Stelle oder an zwei nahe beieinander liegenden Stellen zu- bzw. abführen könnte. Wegen des geringen Platzes im Innern des Abgasrohres sind hierfür jedoch besondere technische Anforderungen zu erfüllen.

Das Ziel der Erfindung besteht also darin, die Kosten für die Einrichtung und den Betrieb einer Anlage zur Wärmerückgewinnung innerhalb des Abgasrohres wesentlich zu reduzieren.

2. Lösungsansatz

Dieses Ziel wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 beschriebene Erfindung gelöst. Weitere zur Durchführung der Erfindung geeignete Vorrichtungen sind in den Patentansprüchen 3 bis 5 beschrieben. Im Patentanspruch 6 wird die Erfindung auf eine allgemeinere Klasse von Wärmetauschern übertragen.

Der Leitgedanke des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, das Kühlwasser im Innern des Abgasrohres 90 in Röhrchen mit kleinem Querschnitt und daher großer relativer Oberfläche zu führen und dadurch eine vom Abgas abgetrennte Leitung des Kühlwassers im Innern des Ab gasrohres zu ermöglichen. Das Kühlwasser 4b wird in einem zuführenden Rohr oder Schlauch in das Abgasrohr eingeführt, dort in einem geeigneten oberen Verteiler auf viele Kapillarröhrchen mit kleinem Querschnitt, die dadurch auch insgesamt den freien Querschnitt für das nach oben strömende Abgas nur wenig verringern, verteilt. Beim Herunterfließen durch die Kapillarröhrchen erwärmt sich das Kühlwasser durch Wärmeaufnahme aus dem im Gegenstrom strömenden Abgas und wird danach in einem unteren Verteiler wieder eingesammelt und auf ein abführendes Rohr übertragen. Das bei der Auskühlung des feuchten Abgases frei werdende Kondenswasser läuft oder tropft im Abgasrohr 90 nach unten ab und wird dann im Keller nach den für Feuchte resistente Abgasanlagen oder für Brennwertkessel üblichen Verfahren ausgekoppelt oder durchgeleitet und in die Kanalisation abgeleitet.

3. Der Kapillarrohr – Abgas Wärmeübertrager (KAW)
3.1 Aufbau des KAW
Dieser Lösungsansatz lässt sich durch den Einsatz von fertig konfektionierten Kapillarrohrmatten technisch elegant und kostengünstig verwirklichen. Hierzu wird (Bild 2) zunächst an einer Einspeisestelle 96 ein Revisionsstück 96a als Zugang zum Abgasrohr 90 eingefügt, wobei anzumerken ist, dass diese Öffnung als „Obere Reinigungsklappe" in den meisten Abgasrohren sowieso bereits vorhanden ist oder leicht herzustellen ist, da die notwendigen Formstücke verfügbar sind. Das Kühlwasser 4b als ausgekühltes Rücklaufwasser eines äußeren NT-Heizkreis 4 wird über ein T-Stück T1 an einen Kapillarrohr – Abgas Wärmeübertrager (KAW) 44 angeschlossen, der sich im Innern des Abgasrohres befindet. An der gleichen Stelle, oder bei Platzmangel auch an einer zusätzlichen Öffnung des Abgasrohres 90, wird das im KAW 44 erwärmte Vorlaufwasser 4a aus dem KAW 44 ausgekoppelt und dem NT-Heizkreis 4 zugeführt.
Der Kapillarrohr- Abgas Wärmeübertrager (KAW) 44 ragt mit einer Rohrverlängerung H1 oben aus dem Abgasrohr 90 heraus und kann daher durch eine am Kaminkopf solide befestigte Haltevorrichtung 45, beispielsweise einem Winkelstück (wie in Bild 2 angedeutet) oder einem Bügel gehalten und fixiert werden. Zusätzlich Fixierungen sind, falls erforderlich, auch im Bereich der Einspeisestelle 96 möglich.
Der eigentliche Kapillarrohr- Abgas Wärmeübertrager (KAW) kann als Doppelstrang mit getrenntem Zuleitungs- und Ableitungsstrang oder mechanisch gekoppelt als Einzelstrang ausgeführt werden. Wir beschreiben die Erfindung als Muster zunächst am Beispiel des Einzelstrang-KAW; der Doppelstrang- KAW und weitere Modifikationen werden im Abschnitt 4 behandelt.
Der Einzelstrang- KAW 44 (Bild 3), der sich bei einer Anwendung in einem engen Abgasrohr empfiehlt, setzt sich aus mehreren in einer Achse liegenden Zuleitungs-, Verteilungs- und Halterohren einerseits und den Röhrchen der Kapillarrohrmatte andererseits zusammen. Im Einzelnen besteht sein Aufbau aus:

• einer räumlich in das Abgasrohr eingepassten und „eingedrehten" Kapillarrohrmatte, welche sich aus den beiden als Verteiler dienenden Sammelrohren S1 und S2 sowie den diese miteinander verbindenden Kapillarröhrchen K1 bis Kn zusammensetzt. (In Bild 3 sind nur die randständigen Kapillarröhrchen K1 und Kn vollständig eingezeichnet, die dazwischenliegenden Röhrchen sind nur durch Pfeile angedeutet).
• je einem Verbindungsrohr R1 bzw. R2, welche die Sammelrohre S1 bzw. S2 mit den Verbindungs- T-Stücken, T1 bzw. T2, zum NT-Heizkreis 4 verbinden und vor allem dazu dienen die Kapillarröhrchen K1 bis Kn so zu spannen, dass sie innerhalb des Abgasrohres 90 weitgehend geradlinig verlaufen. Die Gesamtlänge der Verbindungsrohre R1 und R2 ergibt sich im wesentlichen aus der Länge der Kapillarröhrchen. Der Abstand zwischen dem Abgang eines bestimmten Kapillarröhrchens vom oberen Sammelrohr S1 und seiner Aufnahme im unteren Sammelrohr S2 ist für alle Kapillarröhrchen gleich.
• einem Stopfen 11, der den KAW 44 hydraulisch zwischen den beiden T-Stücken T1 und T2 unterbricht und dadurch einerseits den aus dem NT-Heizkreis 4 in das T-Stück T1 einfließenden Strom des Kühlwassers 4b zum oberen Verteiler, dem Sammelrohr S1, leitet und ihn andererseits als einen nun in den Kapillarröhrchen K1 bis Kn erwärmten Heizwasserstrom 4a wieder als Vorlauf über das T-Stück T2 in den NT-Heizkreis 4 zurückführt.
• einem oberen Verlängerungsrohr als Halterohr H1, das den KAW 44 mit der Haltevorrichtung 45 verbindet.
• einem Stopfen innerhalb des Verlängerungsrohres H1, oder – wie in Bild 3 eingezeichnet- eine Kappe 10 an seinem Ende, die den Kühlwasserkreis nach außen abschließt. Die Kappe 10 kann mit einem Entlüftungsventil (hier nicht eingezeichnet) versehen werden. Nach unten wird der KAW 44 durch eine Kappe 12 abgeschlossen.

Bei der Auslegung des KAW als Wärmetauscher müssen die geometrischen Verhältnisse und die Forderung nach einer noch akzeptablen Beeinträchtigung des freien Querschnittes des Abgasrohres berücksichtigt werden:
3.2. Geometrische Funktionsbeschreibung
Die wirksame Oberfläche A_K des Wärmetauschers ergibt sich aus AK = n·(n·dKa)·LK, (1)und die Querschnittssumme der Kapillarröhrchen und des Sammelrohres im Abgasrohr beträgt. Aq = π/4·(n·dKa 2 + dRa 2), (2)wobei gilt:

n: = Anzahl der Kapillarröhrchen
d: _Ka und d_Ki = Außen- und Innendurchmesser eines Kapillarröhrchens
d: _Ra und d_Ri = Außen- und Innendurchmesser der Sammelrohre und der Verbindungsrohre
L: _K = Länge eines Kapillarröhrchens.

Der Transport des Kühlmittels erfolgt durch den lichten Querschnitt; dieser beträgt bei der Summe der Kapillarröhrchen insgesamt AqKi = π/4·(n·dKi 2). (3)
Der zum Transport des Kühlmittels genutzte Anteil des äußeren Querschnittes eines Kapillarröhrchen beträgt (d_Ki/d_Ka)², der Rest entfällt auf die Wandung des Röhrchens.
Weiterhin interessiert uns noch die ungestörte innere freie Querschnittsfläche A_qAR des Abgasrohres 90 mit dem inneren Durchmesser D_AR: AqAR = π/4·DAR 2 (4)
Als eine Bezugsgröße zum Vergleich mit dem innengekühlten Abgasrohr nach /2/ ziehen wir die innere Mantelfläche A_AR des Abgasrohres 90 mit der gestreckten Höhe H zwischen Einspeisestelle 96 und Auskoppelstelle 7 (siehe Bild 1) heran: AAR = π·DAR·H. (5)
3.3 Akzeptable Beeinträchtigung des freien Querschnitts des Abgasrohres
Beim Einbiegen der Kapillarröhrchen in das Sammelrohr verläuft ein Kapillarröhrchen über eine kurze Strecke nicht mehr parallel zur Achse des Abgasrohres sondern beschreibt einen gestreckten 90° Bogen. Sieht man von diesen besonderen lokal begrenzten Störungen ab, so lässt sich die Verringerung des freien Strömungsquerschnitts für das Abgas durch das Verhältnis A_q/A_qAR beschreiben. Aus (2) und (4) ergibt sich: Aq/AqAR = (n·dKa 2 + dRa 2)/DAR 2 (6)
Eine Freistellung von n aus (6) ergibt: n = (Aq/AqAR·DAR 2 – dRa 2)/dKa 2 (7)
Durch die Nutzung der Abgaswärme ergibt sich etwa eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Feuerungsanlage um ca. 10%. Dann kann bei gleicher Nutzleistung die Feuerungsleistung ebenfalls um ca. 10% gedrosselt werden, was eine ebenfalls um ca. 10% niedrigere Abgasmenge ergibt. Verringern wir jetzt die freie Querschnittsfläche um ebenfalls 10% so erhalten wir bei gleicher Nutzleistung etwa die gleiche Abgasgeschwindigkeit wie zuvor. Setzen wir also in Gl. (7) Aq/AqAR <= 0.1 (gesetzt) (8)und verwenden im übrigen die Daten einer üblichen 80 mm Abgasleitung (also D_AR = 0.080 m) und der Kapillarohrmatte Orimat der Firma Clina /8/, also d_Ka = 0,0034 m und d_Ra = 0,020 m, so erhalten wir aus (7) die für die gesetzte Bedingung (8) gerade noch tolerierbare Anzahl n der Kapillarröhrchen zu: n = (0,1·6400 – 400)/11,6 = ca. 240/12 = 20 (8a)
3.4 Grob geschätzte Leistungsfähigkeit
Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit des KAW vergleichen wir seine wärmeübertragende Oberfläche mit derjenigen des innen gekühlten Abgasrohres nach /2/. Das Verhältnis dieser beiden Wärmetauscherflächen erhalten wir aus (1) und (5) zu: AK/AAR = (n·dKa)/DAR·LK/H (9)
Das Sammelrohr S1 kann innerhalb des Kamins weit oberhalb der Einspeisestelle 96a angeordnet werden, es sollte allerdings im frostfreien Bereich also beispielsweise innerhalb der thermischen Hülle des Gebäudes verbleiben. Verrechnen wir diese „obere" Länge des KAW mit der Länge zwischen Kaminfuß 91 (in Bild 1) und Auskoppelstelle 7 so wird der zweite Faktor in (9) gleich 1. Setzt man nun die oben genannten Zahlenwerte für Abgasrohr und Kapillarrohmatte ein und entnimmt n = 20 der Gl. (8a) so erhält man AK/AAR = 20·3,4/80·1 = 0,85
Nun besitzen jedoch die meisten Abgasanlagen noch Reserven und die meisten Feuerungsanlagen sind eh überdimensioniert so dass man in vielen Anwendungen über den neutralen Fall hinausgehen kann und eine größeren Einengung des freien Abgasquerschnittes in Kauf nehmen kann. Bei n = 24 erhält der KAW etwa die gleiche Leistungsfähigkeit wie das innen gekühlten Abgasrohr nach /2/.
4. Weiterführende Modifikationen
Der Kapillarrohr- Abgas- Wärmeübertrager (KAW) stellt eine besondere Ausformung des in /2/ ausführlich behandelten Prinzips des „innen gekühlten Abgasrohres" dar. Ein großer Teil der im Kapitel 3 von /2/ ausführlich behandelten „weiteren Ausgestaltungen und Beispiele" lassen sich daher auf den KAW übertragen. Im folgenden seien hierfür einige Beispiele, aber auch eigenständige Modifikationen der Erfindung genannt.
4.1 Verbreitertes Endstück des Abgasrohres

(1) Das Abgasrohr (90) kann nach oben verlängert werden und bis zu 1 oder 2 m als Kaminaufsatz aus dem gemauerten Schornstein herausragen. Das Verlängerungsstück kann einen wesentlich größeren Durchmesser erhalten und dadurch ausreichend Platz für einen oder auch mehrere kurze KAW's mit vielen Kapillarröhrchen bieten. Die Kapillarrohrmatten können sich dann auf den Bereich des Kaminaufsatzes beschränken: die Zu- und Ableitungsrohre verlaufen entweder im engen Abgasrohr oder werden beide (oder auch nur eines von beiden) bereits am unteren Ende des Kaminaufsatzes aus dem Abgasrohr herausgeführt und gesondert (beispielsweise in einem stillgelegten Kaminzug) zum NT-Heizkreis 4 geführt.
(2) Das Abgasrohr 90 kann auch in seinem letzten Teilstück innerhalb des gemauerten Kamines verbreitert werden. Beispielsweise lässt sich ein 80 mm Abgasrohr, das sich in einem Schornsteinschacht von 150 mm Durchmesser befindet, direkt oberhalb der obere Reinigungsklappe auf 100 mm oder gar auf 125 mm erweitern. In diesem Endstück lässt sich dann ein „gestauchter" KAW unterbringen. Ebenso ist es möglich, das Abgasrohr 90 bereits vor dem oberen Revisionsstück 96a zu erweitern und das eigentliche Revisionsstück 96a bereits in größerer Nennweite auszuführen. Da das Revisionsstück 96a mehr Platz erfordert als ein Rohrstück gleicher Nennweite ist es optimal, beispielsweise von einem vorhandenen 80 mm Abgasrohr innerhalb eines ausreichend großen Kaminschachtes zunächst auf ein Revisionsstück mit 100 mm Nennweite und danach auf ein Endstück mit 125 mm überzugehen. Man mag einwenden, dass dann das freie Ansaugen der Verbrennungsluft im Ringspalt zwischen Abgasrohr und Kaminschacht behindert würde. In /2/ wurde im Abschnitt 3.1 „Abluft aus dem Gebäude als Zuluft für den Brenner" eine vorteilhafte Lösung dieses nur vordergründigen Problemes angegeben.
(3) Die Nutzung des großen Bauvolumens, dass sich bei einem mehrzügigen Kamin durch Entfernung der Trennwände im Schornsteinkopf ergibt, wurde im Abschnitt 3.2 Punkt 6 (entspricht dem Absatz „0035") von /2/ behandelt.

4.2 Doppelstrang- KAW

(4) Wie bei jedem Wärmetauscher wird auch beim KAW die Leistungsfähigkeit wesentlich durch die Größe der Wärme austauschenden Fläche bestimmt. Bei einem schmalen Abgasrohr ist man auf schmale und lange Kapillarrohrmatten angewiesen, bei einem aufgeweiteten Endstück des Abgasrohres gemäß Abschnitt 4.1 kann man hingegen breite und kurze Kapillarrohrmatten einsetzen. Erfolgt die Ankoppelung des Kühlmittels in einem Revisionsstück 96a mit kleinerer Nennweite so ist es günstig den Einsatz der Kapillarröhrchen nur auf den oberhalb liegenden aufgeweiteten Bereich des Abgasrohres zu beschränken. Dann müssen Zuleitung und Ableitung der Kapillarrohrmatte in zwei abgesonderten parallelen Rohrstücken erfolgen (Doppelstrang- KAW, Bild 4). Im engen Bereich des Abgasrohres stört diese parallele Rohrführung nicht, da dort noch keine Kapillarröhrchen verlaufen.
(5) Parallele Stränge können wie in Bild 4 ausgeführt über eigene Halterohre (H1, H2..) nach oben zur Haltevorrichtung 45 verlängert werden. Sie können jedoch auch seitlich miteinander verklammert werden, so dass sie über ein einziges Verlängerungsrohr als Halterohr an der Haltevorrichtung 45 befestigt werden.
(6) Generell möchte man möglichst ideale Gegenstromverhältnisse realisieren. Daher ist es vorteilhaft, den Verteilungsbereich möglichst kurz zu machen und – soweit dies die Platzverhältnisse zulassen- eher viele parallele Stränge einzusetzen. Kritisch ist besonders der obere Verteilungsbereich, da das Ziel besteht, die niedrige Temperatur des Rücklaufwassers 4b zu eine möglichst tiefen Abkühlung des Abgases 1b auszunutzen.

4.3 KAW bei noch heißem Abgas im Edelstahlkamin

(7) Es gibt herkömmliche Feuerungsanlagen, die dank ihres Kamines aus Edelstahl noch mit hoher Abgastemperatur betrieben werden können. In diesen Fällen muss das Abgas zunächst in einem Heißgaskühler (HGK) möglichst bis in die Nähe des Taupunktes heruntergekühlt werden. Wenn sich der KAW auf den oberen Bereich des Kamines beschränkt (siehe oben und Abschnitt 3.32 Punkte 16 und 17 (Absatz 0046 bis 0050) von /2/) dürfte in den meisten Fällen ein konstruktiv eigenständiger HGK entbehrlich sein, da der untere Teil des Abgasrohres und auch das Zwischenstück zwischen Kessel und Kamin bereits als HGK wirken. In diesen Fällen ist ein freies Kaminstück als Heißgaskühler fest einzuplanen.

4.4 KAW zur Umrüstung herkömmlicher Feuerungsanlagen auf Brennwertbetrieb.

(8) Der Einsatz eines innen gekühlten Abgasrohres zur Umrüstung herkömmlicher Feuerungsanlagen auf Brennwertbetrieb wird in /2/ im Abschnitt 4 „Anwendung auf herkömmliche Feuerungsanlagen" dargestellt und diskutiert. Der KAW eignet sich besonders gut zu einer derartigen Umrüstung, da in einem verbreiterten Endstück des Abgasrohres (siehe obigen Abschnitt 4.1 und 4.2) sich eine wesentlich größere Wärmetauscherfläche unterbringen lässt als im Falle des frei an der Wand des Abgasrohes herunter laufenden Kühlwassers.

4.5 Kompakte NT-Heizungsanlage

(9) Bei der Auswahl des NT-Heizsystems ist darauf zu achten, dass alle Wasser führenden Teile korrosionsfest sind, da die Kapillarrohrmatten aus Polypropylen (PP) gegenüber Sauerstoff nicht diffusionsdicht sind. Ansonsten müsste ein zusätzlicher Wärmetauscher, der nicht nur Kosten verursacht sondern auch die Temperaturspreizung verringert, vorgesehen werden.
(10) Beim Ausbau eines Dachgeschosses lässt sich ein kompaktes NT-Heizsystem durch den Einsatz eines KAW im Abgasrohr in Verbindung mit einer Wandheizung oder einem Heizschacht an bzw. direkt vor dem Kaminwangen 99 errichten. Durch eine Optimierung der beim Ausbau „sowieso" anfallenden Wärmeisolierung des Dachgeschosses lässt sich eine ausreichende Beheizung sicherstellen. Eine gesonderte Anbindung des Dachgeschosses an die bestehende Warmwasserheizung kann dann entfallen, – sofern man seinen Berechnungen vertrauen kann.

4.6 Allgemeiner rohrförmiger Wärmeübertrager mit Kapillarrohrmatten

(11) Der Einsatz des in ein Rohr gezwängten Kapillarrohr-Wärmetauscher ist nicht nur auf die Wärmerückgewinnung aus dem Abgas beschränkt, sondern kann allgemein als Luft-Wasser oder Wasser-Wasser Wärmeübertrager eingesetzt werden. Für kostengünstige Wärmetauscher ist die Rohrgeometrie besonders angenehm, da preiswerte Rohre und preiswerte Rohrventilatoren verfügbar sind. Der kleine Durchmesser der Kapillarröhrchen ergibt bereits bei laminarer Strömung und beliebig kleinen Geschwindigkeiten alleine durch Wärmeleitung hohe Wärmeübergangswerte. Bei entsprechend angepasster Geometrie der Röhrchen ließen sich auch Abluft- Zuluft Wärmetauscher bauen.

4.7 Bemerkung zu einem KAW mit Luft als Wärmeträger
Der Einsatz von Außenluft als Kühlmittel ist wegen ihrer niedrigen Temperatur thermodynamisch sehr vorteilhaft. Dies könnte jemanden auf die Idee bringen, den KAW auch als Luft-Abgas – Wärmetauscher im Sinne eines Luftkondensationskühles (LKK, siehe /2/) betreiben zu wollen, wobei als „Luft" Verbrennungsluft oder Frischluft zu verstehen wäre. Allerdings ergeben sich für den Luftbetrieb wegen der geringen volumenbezogenen Wärmekapazität der Luft völlig andere Parameterwerte zur Optimierung des KAW. In einem verbreiterten Endstück des Abgasrohres wäre zwar genügend Platz für den benötigten Gesamtquerschnitt der vielen erforderlichen Röhrchen, aber aus wirtschaftlichen Gründen würde man doch besser zu Luftröhren mit größerem Durchmesser übergehen, beispielsweise zu flexiblen Wellrohren (siehe /9/).
Von außen angesaugte Verbrennungsluft kann in einem verbreiterten Endstück des Abgasrohres in mehreren Wellrohren vorgewärmt werden und anschließend in den Zwischenraum zwischen Abgasrohr und Kaminschacht weiter geleitet werden. Ein KAW als „Wasserkondensationskühler" (WKK, siehe /2/) kann einem derartigen LKK vorgeschaltet werden. Auf die diesbezügliche Abwägung in /2/, Abschnitt 3.4 „LKK und/oder WKK" (Absatz 0052 ff.) sei verwiesen.
5. Die besonderen Vorteile der Verfahrens
Der erfindungsgemäße Kapillarrohr- Abgas- Wärmeübertrager (KAW) kann in einem weiten Anwendungsgebiet eingesetzt werden und besitzt sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:

• Die Verteilung von einem Zuleitungsrohr in Kapillarröhrchen muss im Innern eines Abgasrohres sehr platzsparend erfolgen. Eine Verteilung „über Kopf" wie beim Kühlschacht kommt daher nicht in Frage. Sie lässt sich wegen der hohen Flexibilität der dünnen und dünnwandigen Kapillarröhrchen auch vermeiden, indem erfindungsgemäß die Verteilung von einem in der Achse des Abgasrohres liegenden Verteilerrohr aus erfolgt und die Kapillarröhrchen einen 90° Bogen in die Richtung der Kaminachse beschreiben.
• Kapillarrohrmatten als Wärmetauscher zeichnen sich dadurch aus, dass die wärmeübertragende Fläche dünnwandig sein kann: Kapillarröhrchen mit ihrem kleinen Durchmessers halten eben schon bei relativ niedriger Wandstärke den geforderten Überdruck aus. Pro Einheit der wärmeüberfragenden Fläche fallen daher relativ niedrige Materialkosten an, was sich bei einer Massenproduktion günstig auf die Preise auswirkt.
• Im Vergleich zur direkten Kühlung im Innern des Abgasrohres nach /2/ zeigt sich, dass die neu entstandenen Kosten für die Kapillarrohrmatte geringer sind als der vermiedene Zusatzaufwand für die Pumpe, die nun mit einem niedrigeren Förderdruck auskommt und nicht mehr auf Verträglichkeit gegenüber niedrigem pH-Wert ausgelegt werden muss. Die Erfindung ist daher sowohl in den Investitionskosten als auch in den Betriebskosten preisgünstiger als jenes Verfahren /2/.
• Die Erfindung ist besonders zur Nachrüstung bestehender Feuerungsanlagen geeignet. Sie kann daher dazu beitragen, eine kostengünstige Energieeinsparung ohne Kapitalvernichtung zu erreichen. (siehe hierzu auch /2/, Abschnitt 5.2 „Wirtschaftliche und energiepolitische Vorteile").
• Ein großer Vorteil des Verfahrens besteht auch darin, dass die Kapillarrohrmatten und das entsprechende Zubehör nicht extra für diese Erfindung angefertigt werden müssen, sondern für andere Einsatzzwecke bereits am Markte eingeführt sind.

Schrifttum

/1/ Luther, Gerhard: „Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation", DE 10 2004 058 520 (Anmeldetag 17.11.2004)
/2/ Luther, Gerhard: „Nutzung der Restwärme des Abgases eines Wärmeerzeugers", DE 10 2004 005 194 (Anmeldetag 3.2.2004)
/3/ Luther, G. und Altgeld, H.: „Die außen liegende Wandheizung", GesundheitsIngenieur 123 (2002), S. 8-15
/4/ Chahed, B.: „Vorrichtung zur Kühlung oder Heizung von Räumen", DE 198 06 207 C2 (Anmeldetag 16.2.1998)
/5/ Glück, Bernd.: „Kühlschacht mit Entfeuchtung bei vertikal angeordneten Kunststoff-Kapillarrohrmatten und Schwerkraftbetrieb", GesundheitsIngenieur 124 (2003), S.68-75
/6/ Zehnder/:Fa. Zehnder Heizkörper AG, CH-5722 Gränichen: Technischer Prospekt „Zehnder – COS Kühlschacht", erhältlich über: http://www.zehnder-heizkoerper.ch/pdf/medienservice/cos-d.pdf
/7/ A. Bauke, B. Chahed, H.-E. Schmidt und R. Sobczyk: „Kunststoffrohrmatte zur Kühlung, Heizung und/oder zum Wärmeaustausch", DE 44 33 392 A1 (Anmeldetag 12.9.1994)
/8/ Homepage der Firma Clina, Berlin: http://www.clina.de
/9/ Luther, Gerhard : "Wärmetauscher und Solarabsorber mit Zwangskonvektion" DE 195 00 807 C2 (Anmeldetag 13.1.95)
/10/ Höfer, Hendrik : "Wärmeaustauschende Vorrichtung für heiße Abgase von Feuerungsanlagen" ; DE 297 08 140 U1 (Anmeldetag 06.05.97)

Im folgenden gilt:

Index 1: Zuleitungsstrang
Index 2: Ableitungstrang
H1, H2: Verlängerungsstück, Halterohr i
R1, R2: Verbindungsrohr
S1, S2: Sammelrohr, Stammrohr der Kapillarrohrmatte, Rohrverteiler
T1, T2: Anbindung an NT-Heizkreis, T-Stück

Bildunterschriften

Bild 1: Verfahren der „inneren Abgaskühlung" aus dem Abgas 1b eines Kessels 1 als Stand der Technik. Abgekühltes Heizwasser 4b eines gesonderten NT-Heizkreises 4 wird an einer oberen Einspeisestelle 96 des Kamines 9 über ein Reduktionsstück 96a in das Abgasrohr 90 eingespritzt und läuft an der Innenwand des Abgasrohres 90 herunter, wobei es das entgegenströmenden Abgas 1b abkühlt und auskondensiert. Das derart erwärmte Heizwasser 4a wird an der Auskoppel-Vorrichtung 7 aus dem Abgasrohr 90 ausgeleitet und über einen Zwischenspeicher 41a von der Pumpe 22 angesaugt. und zur Wärmeabgabe einem Niedertemperatur (NT-) Heizkörper 48 zugeführt. (Stand der Technik. Das Bild entspricht dem Bild 8 von /2/)
Bild 2: NT-Heizkreis 4 mit einem Kapillarrohr- Abgas- Wärmetauscher (KAW) 44 als Heizquelle. Der KAW 44 (Details siehe Bild 3) befindet sich im Innern eines Abgasrohres 90 und wird durch eine Haltevorrichtung 45 am Kaminkopf befestigt. In einem geschlossenen Heizkreis 4 mit Pumpe 22 und Druckausgleichsbehälter 49 wird das im NT-Heizkörper 48 abgekühlte Heizwasser 4b an einer Einspeisestelle 96 über ein Revisionsstück 96a zu der Kapillarrohrmatte des KAW 44 geführt. Die Unterbrechung der Kaminwangen 99 durch die Einspeisestelle 96 ist in den meisten Kaminen 9 standardmäßig als „Obere Reinigungsklappe" bereits vorhanden.
Bild 3: Kapillarrohr- Abgas Wärmeübertrager (KAW) 44 in der Ausführung als Einzelstrang. Zuleitungsleitung, bestehend aus Anbindung T1 zum Heizkreis 4 und Verbindungsrohr R1 zum oberen Verteilerrohr („Sammelrohr") S1, und Ableitungsleitung mit Anbindung T2 und Verbindungsrohr R2 zum unteren Sammelrohr S2 befinden sich – nur hydraulisch durch den Stopfen 11 voneinander getrennt – in einer Achse. Das Abgas 1b erwärmt das Rücklaufwasser 4b des externen Heizkreises in den Kapillarröhrchen K1 bis Kn, die S1 mit S2 verbinden.
Bild 4: Kapillarrohr- Abgas Wärmeübertrager (KAW) 44 in der Ausführung als Doppelstrang. Zuleitungsleitung (mit Anbindung T1 und Verbindungsrohr R1 zum oberen Sammelrohr S1) und Ableitungsleitung (mit Anbindung T2 und Verbindungsrohr R2 zum unteren Sammelrohr S2) sind als parallele Stränge ausgeführt. Das Abgas 1b erwärmt das ausgekühlte Heizwasser 4b in den Kapillarröhrchen K1 bis Kn, die die beiden Sammelrohre S1 und S2 miteinander verbinden. Das so erwärmte Heizwasser 4a dient als Vorlauf für den NT-Heizkreis 4.
Bild 5: für Zusammenfassung Bild 5 entspricht dem Bild 3, wurde jedoch verkleinert und für die Zwecke der Zusammenfassung etwas vereinfacht

Claims

Vorrichtung zur Nutzung der Abgaswärme eines Wärmeerzeugers (1), wobei der Wärmeübertrag vom Abgas auf den Wärmeträger Wasser im Innern des Abgasrohres (90) erfolgt und das ausfallende Kondensat durch das Abgasrohr nach unten abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrag vom Abgas auf das Kühlwasser durch eine in das Abgasrohr eingepasste oder eingedrehte Kapillarrohrmatte, deren Kapillarröhrchen in Sammelrohre münden erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelrohre (S1 und S2) der Kapillarrohrmatte in der Richtung der Achse des Abgasrohres liegen und auch die Kapillarröhrchen (K1 bis Kn) der Kapillarrohrmatte bis auf den Bereich der Ein- und Ausmündung in das Sammelrohr weitgehend parallel zur Achse des Abgasrohres (90) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück des Abgasrohres (90) verbreitert ist und/oder das Abgasrohr über den gemauerten Kaminschacht hinaus verlängert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Sammelrohr (S1) mit Kühlwasser (4b) versorgt wird und das erwärmte Heizwasser (4a) von einem zweiten Sammelrohr (S2) aufgenommen wird, wobei das nach oben weisende Ende eines Sammelrohres durch ein Halterohr (H1 bzw. H2) an einer am Schornsteinkopf befestigten Haltevorrichtung (45) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sammelrohre (S1 und S2) auf einer gemeinsamen Achse liegen und einerseits mechanisch starr miteinander verbunden sind und andererseits hydraulisch durch einen Stopfen (11) getrennt sind.
Luft-Wasser Wärmeübertrager nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche
Wasser-Wasser Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5.