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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Kamin für Feuerungsanlagen, insbesondere
für gas- oder ölbeheizte Heizungsanlagen.
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2. Stand der Technik
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Gebäude
werden meistens durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wie Erdöl,
Erdgas oder Kohle geheizt. Das dabei entstehende Kohlendioxid ist
mitverantwortlich für den Treibhauseffekt. Das Zurückhalten
des Kohlendioxids würde aber einen derart großen
Energieaufwand erfordern, dass es sich von der Energiebilanz her
nicht mehr lohnte, die Kohlenwasserstoffe zu verbrennen. Um die
Luftverschmutzung möglichst niedrig zu halten und unsere
Ressourcen an fossilen Brennstoffen zu schonen, ist es wichtig,
den Verbrauch an Brennmaterial zu reduzieren.
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Da
die Kohlenwasserstoffe aus lebender Substanz entstanden, enthalten
sie eine große Menge an Kohlenstoff und in geringeren Mengen
eine Vielzahl weiterer Stoffe, wie zum Beispiel Schwefel und Stickstoff.
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Diese
Stoffe gelangen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in das
Verbrennungsgas. Das Verbrennungsgas enthält daher neben
Wasserdampf, Kohlendioxid, Russ, Schwefeloxiden und Stickoxiden
auch Schwefelsäure. Die Stickstoffoxide entstehen größtenteils
aus Stickstoff, welcher ebenfalls aus der Verbrennungsluft stammt.
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Im
Gegensatz zum Kohlendioxid und zu den Stickoxiden können
Wasserdampf, Russ, Schwefeloxide und Schwefelsäure mit
geeigneten Mitteln aber hohem technischen und energetischen Aufwand
zumindest teilweise zurückgehalten werden.
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Herkömmliche
Kamine sind entweder aus Schamotte gemauert oder bestehen aus Edelstahl. Diese
Materialien sind nicht genügend korrosionsfest und versotten,
wenn das Verbrennungsgas darin kondensieren würde, d. h.
sie über längere Zeit einem flüssigen,
sauren Kondensat mit pH-Werten von 1,5–3,7 ausgesetzt sind.
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Die
Temperaturen in solchen herkömmlichen Kaminen dürfen
daher nicht unter den Taupunkt des Verbrennungsgases fallen, um
eine Kondensation des Verbrennungsgases zu verhindern. Bei herkömmlichen
Kaminen wird daher die Temperatur des Verbrennungsgases am Kessel
so eingestellt, dass es im Kamin zu keiner Kondensation und daher
keiner Versottung kommt.
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Dies
hat zur Folge, dass die Verbrennungsgase vollständig in
die Atmosphäre geleitet werden, was eine hohe Verschmutzung
der Atmosphäre sowie ein hoher Energieverlust bedeutet.
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Seit
einiger Zeit werden daher Kamine aus hochwertigen Kunststoffen wie
PVDF (Polyvinylidenfluorid) eingesetzt, welche der Einwirkung des
Kondensats standzuhalten vermögen. Hier wird eine Kondensation
der Verbrennungsgase bewusst zugelassen und dabei ein großer
Teil der Energie, welche im Verbrennungsgas gebunden ist, zurück
gewonnen. Man spricht daher auch von sog. Kondensationskaminen.
Zusätzlich kann ein großer Teil der im Rauchgas
enthaltenen, umweltbelastenden Stoffe wie beispielsweise Schwefelsäure,
unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Wasserdampf und Russ im Kaminrohr
zurückgehalten werden.
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Die
Energieeinsparung, die sich durch einen geringeren Bedarf an Brennstoff
zeigt, dieser Technik beruht auf verschiedenen Faktoren. Zunächst
kann bei Kondensationskaminen die Heizkesselabgastemperatur auf
ein Minimum abgesenkt werden. Bei der sog. Brennwert-Technik kann
die Temperatur des Abgases beim Austritt aus dem Heizkessel nur
etwa 30–40°C und bei der Niedertemperatur-Technik
etwa 90–140°C betragen. Eine Absenkung der Rauchgastemperatur
bedeutet eine effizientere Nutzung der Verbrennungswärme
zum Aufheizen des Wärmeträgers (meist Wasser)
und eine Einsparung an teurem Brennstoff. Kondensationskamine erlauben
dabei erstmals die Heizkessel mit der vom Hersteller vorgeschriebenen
Mindestkesselwassertemperatur zu betreiben, aus der dann die tiefstmöglichste
Abgastemperatur und daraus wieder der höchstmögliche
Wirkungsgrad der Feuerungsanlage resultiert.
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Zusätzlich
findet eine weitere Abkühlung des Rauchgases im Kondensationskamin
statt, welches bei dieser Technik nicht wärmeisoliert ist
und von einströmender frischer Verbrennungsluft umströmt
wird. Dabei wird die am Kaminrohr des Kondensationskamins entlang
strömende frische und Umgebungstemperatur-kalte Verbrennungsluft
vorgewärmt. Durch die Abkühlung der Verbrennungsgase
gelangt ein großer Teil derselben zur Kondensation, wobei
die Kondensationswärme wiederum an die frische Verbrennungsluft
abgegeben wird.
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Die
derart vorgewärmte frische Verbrennungsluft wird dann zum
Betrieb des Heizkessels verwendet und somit die Wärme der
Verbrennungsgase wiederverwendet.
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Im
Kamin entsteht bei der Kondensation der Verbrennungsgase ein flüssiges,
stark säurehaltiges Kondensat, welches den Kaminwänden
entlang nach unten fließt. Am Fuß des Kaminrohrs
wird das Kondensat gefangen und in einen Neutralisationsbehälter
geleitet, der die Schadstoffe bindet und neutralisiert. Dieser Neutralisationsbehälter
enthält üblicherweise einem Aktivkohlefilter sowie
ein Neutralisationsgranulat, welches die Säuren des Kondensats neutralisiert.
Als Neutralisationsgranulat wird entweder chemisch hergestelltes
Kalziumkarbonat oder natürlicher Kalk verwendet. Nach der
Neutralisation entsteht aus dem Kondensat reines unbedenkliches Wasser,
das in die Kanalisation geleitet wird. Bei spielsweise entsteht so
aus einem Liter verbranntem Öl 0,8 Liter Kondensat, das
nicht als Abgas in die Umwelt abgegeben wird.
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Die
DE 3421 112 A1 beschreibt
einen Kondensationskamin, welcher für die Anwendung der Technik
des kalten, nassen, kondensierenden Kamins eingesetzt wird. Dieser
Kamin entfaltet seinen größten Wirkungsgrad hinsichtlich
Wärmerückgewinnung und Verbrennungsgasreinigung
bei Heizungssystemen für kleinere Gebäude. Bei
größeren Gebäuden mit entsprechend höherem
Energiebedarf und einer größeren Menge an Verbrennungsgas
ist die Effizienz dieses Kondensationskamins nicht optimal.
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Weiterhin
werden Heizungsanlagen auch bei Kondensationskaminen intermittierend
betrieben, d. h. im Laufe eines Tages wird der Brenner des Kessels
mehrmals gestartet und wenn genügend Wasser erwärmt
wurde wieder komplett abgeschaltet. Durch die Startphasen entstehen
bei diesem intermittierenden Betrieb vermehrte Emissionen und der
Gesamtwirkungsgrad ist verbesserungswürdig.
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Die
Erfindung stellt sich daher die Aufgabe die Energie- und Umwelteffizienz
eines Kondensationskamins insbesondere bei großen Heizungsanlagen
zu verbessern.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
der Patentansprüche 1, 16 und 17 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Insbesondere
wird das o. g. Problem durch ein Kaminsystem gelöst, aufweisend
ein äußeres Kaminrohr aus einem Kunststoffmaterial
mit einem ersten Durchmesser, ein inneres Kaminrohr aus einem Kunststoffmaterial
mit einem zweiten Durchmesser, wobei der zweite Durchmesser kleiner
ist als der erste Durchmesser; und das innere Kaminrohr innerhalb des äußeren
Kaminrohrs angeordnet ist; und das Kaminsystem so ausgestaltet ist,
dass im Bereich zwischen innerem Kaminrohr und äußerem
Kaminrohr Verbrennungsgase transportiert werden und innerhalb des
inneren Kaminrohrs Frischluft transportiert wird.
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Die
Anmelderin hat erkannt, dass bei Kaminen für große
Heizungsanlagen, die einen entsprechend großen Querschnitt
für die große Menge an Verbrennungsgas aufweisen
missen, oft nur eine unvollständige Kondensation am außen
gekühlten Kaminrohr eintritt, und ein großer Teil
der Verbrennungsgase als „heißer Kern" in die
Atmosphäre entweicht. Die Gase des heißen Kerns
kommen gar nicht mit dem Kaminrohr in Kontakt und kondensieren somit
nicht. Hierbei geht viel an Wärme verloren und es werden
immer noch viele Schadstoffe in die Umwelt abgegeben.
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Dadurch,
dass nun zusätzlich ein inneres Kaminrohr innerhalb eines äußeren
Kaminrohrs angeordnet wird, und die Verbrennungsgase in dem Ringspalt
zwischen den Kaminrohren geführt wird, vergrößert
sich einerseits die Kontaktfläche der Kaminrohre zu den
Verbrennungsgasen. Andererseits kann kein heißer Kern entstehen,
da der mögliche maximale Abstand der Verbrennungsgase zur
Kontaktfläche der Kaminrohre entscheidend verringert wird.
Bildlich gesprochen befindet sich an der Stelle des früheren
heißen Kerns nun das innere Kaminrohr, durch das zudem
kalte Frischluft zur Heizanlage geleitet wird. Es wird daher kalte
Frischluft inmitten der heißen oder warmen Abgase geleitet
und so vorgeheizt. Somit wird ein Großteil der Wärmeenergie der
Abgase zurückgewonnen. Gleichzeitig kondensieren durch
diese Anordnung der Kaminrohre die Verbrennungsgase besonders gut,
so dass die Umwelt noch besser geschont wird.
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Zudem
wird die Frischluft an der höchst möglichen Stelle
angesaugt, hat also gerade in Städten mit den wenigsten
Feinstaubpartikeln und somit der bestmöglichen Qualität.
Feinstaubpartikel sind im Heizkessel zusammen mit daran kondensierender Schwefelsäure
für Lochfraß verantwortlich. Durch die Ansaugung
der Frischluft an der höchst möglichen Stelle
am Gebäude oder Kamin, wird daher auch der Heizkessel geschont.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kaminsystem wie
ein Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet und die Wärme
der Verbrennungsgase wird zum Vorheizen der Frischluft verwendet, wobei
die warmen Verbrennungsgase durch das innere Kaminrohr hindurch
Wärme an die Frischluft übertragen und diese aufheizen.
Das Kaminsystem nutzt somit das von der Wärmeübertragung
günstige Prinzip des Gegenstrom-Wärmetauschers,
so dass selbst bei schon weiter oben im Kamin vorgewärmter Frischluft
weiter unten immer noch Wärme an diese übertragen
werden kann und somit die erreichbare Temperatur der Frischluft
maximiert wird und die Abgastemperatur weiter sinkt.
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Bevorzugt
kondensieren die Verbrennungsgase durch die Wärmeübertragung
an die Frischluft an dem inneren Kaminrohr. Die dabei entstehende Kondensationswärme
wird dabei zusätzlich zum Erwärmen der Frischluft
verwendet. Gleichzeitig verbleiben durch die Kondensation der Verbrennungsgase
flüssige Komponenten wie Schwefelsäure, schwefelige
Säure oder Wasserdampf im Kamin, binden dort zusätzlich
Ruß und können aufgefangen und neutralisiert werden.
Sie gelangen somit nicht in die Umwelt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das innere
Kaminrohr Abschnitte aus flexiblem Rohr auf. Durch Abschnitte aus
flexiblem Rohr weist das innere Kaminrohr eine wesentlich größere Oberfläche
auf, als wenn es nur aus einem glatten Rohr bestehen würde.
Weiterhin weisen flexible Rohre verglichen mit Glattrohren eine
dünnere Wandstärke auf. Daher ist der Wärmeübertragung
und Kondensation an flexiblem Rohr wesentlich besser als an einem
glatten Rohr. Daneben sorgt ein flexibles Rohr mit seiner welligen
Oberfläche für Verwirbelungen der entlang streichenden
Verbrennungsgase was nachteiligen Randeffekten entgegenwirkt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das innere
Kaminrohr mittels Abstandshaltern aus Kunststoff im äußeren
Kaminrohr angeordnet, wobei die Ab standshalter an Abschnitten aus Glattrohr
des inneren Kaminrohrs befestigt sind. Um das innere Kaminrohr im äußeren
Kaminrohr anzuordnen sind am inneren Kaminrohr Abstandshalter angebracht,
die das innere Kaminrohr im äußeren Kaminrohr
zentrieren. Um ein Verkippen des inneren Kaminrohrs zu verhindern
und um die Befestigung der Abstandshalter zu erleichtern, sind sie
bevorzugt an Abschnitten aus Glattrohr und nicht an den Abschnitten
aus flexiblem Rohr angebracht. Da die Abstandshalter sich im Bereich
der kondensierenden Verbrennungsgase befinden, sind sie ebenfalls
aus entsprechendem Kunststoff hergestellt. Als zusätzlicher
Effekt verwirbeln die Abstandshalter die Verbrennungsgase, was wiederum
eine verbesserte Wärmeübertragung zur Folge hat.
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Bevorzugt
weist auch das äußere Kaminrohr Abschnitte aus
flexiblem Rohr und/oder an seiner Außenwandung Rillen zur
Oberflächenvergrößerung auf. Auch dies
trägt zu einer verbesserten Wärmeübertragung
und Kondensation bei.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das äußere
Kaminrohr aus einem Profilband gewickelt. Gewickelte Kaminrohre
können in jedem beliebigen Durchmesser hergestellt werden
und weisen eine für die Wärmeübertragung
günstige, mit Rillen versehene äußere
Oberfläche auf.
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Bevorzugt
ist das äußere Kaminrohr in einem Stützschacht
oder Stützrohr angeordnet und im Bereich zwischen Stützschacht
oder Stützrohr und äußerem Kaminrohr
wird ebenfalls Frischluft transportiert. Damit werden die Verbrennungsgase
auch von außen gekühlt, bzw. Frischluft auch am äußeren
Kaminrohr aufgeheizt und somit viel Verbrennungsenergie zurück
gewonnen.
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Dabei übertragen
die warmen Abgase bevorzugt weiterhin durch das äußere
Kaminrohr hindurch Wärme an die Frischluft und heizen diese
auf.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwischen
dem Stützschacht oder Stützrohr und dem äußeren
Kaminrohr Abstandshalter angeordnet. Diese Abstandshalter zentrieren
das äußere Kaminrohr in dem Stützschacht
oder Stützrohr und sogen für einen Bereich in
dem Frischluft angesaugt und aufgeheizt werden kann. Gleichzeitig
wird eine direkte Wärmeleitung zwischen äußerem
Kaminrohr und Stützschacht oder Stützrohr vermieden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial
des inneren und äußeren Kaminrohres und der Abstandshalter
ein säurebeständiger Kunststoff, bevorzugt PVDF.
PVDF ist dauerhaft säurebeständig und als Kunststoffmaterial für
Kaminrohre für einen Temperaturbereich bis 160°C
zugelassen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kaminsystem
einen Kaminabschluss auf, wobei das innere Kaminrohr in ein Querrohr übergeht,
das sich durch die Wand des äußeren Kaminrohrs
hindurch erstreckt. Durch den bevorzugten Kaminabschluss wird sichergestellt,
dass durch das innere Kaminrohr lediglich Frischluft angesaugt wird
und keine Verbrennungsgase angesaugt werden.
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Bevorzugt
geht das Querrohr in einen Ansaugstutzen über, der nach
unten in Richtung Boden gerichtet ist. Da der Ansaugstutzen nach
unten in Richtung Boden gerichtet ist kann kein Regenwasser in das
innere Kaminrohr eindringen und auch keine Vögel hineinfallen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Frischluft
mittels eines Ventilators mindestens durch das innere Kaminrohr
einem Heizraum zugeführt. Wenn das Kaminsystem sehr lang ist,
wie beispielsweise bei Hochhäusern, muss die Frischluft
mittels eines Ventilators durch das Kaminsystem gesaugt werden.
Durch die lange Wärmetauscherstrecke wird dabei die Wärme
der Verbrennungsgase zu einem sehr hohen Grad genutzt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind im Bereich
zwischen innerem Kaminrohr und äußerem Kaminrohre
Kondensationskörper angeordnet, die eine Kondensation und
Wärmeübertragung der Verbrennungsgase erleichtern.
Die Kondensationskörper werden von den Verbrennungsgasen
durchströmt und dienen als Kondensationskeime. Sie nehmen
bei der Kondensation Wärme auf, die sie durch Wärmeleitung
an die beiden Kaminrohre zur Erwärmung der Frischluft abgeben.
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Die
oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Großkaminsystem
aufweisend mehrere Kaminsysteme, wie sie vorstehend beschrieben
wurden, wobei die Kaminsysteme gemeinsam in einem einzigen Stützschacht
und/oder in einem einzigen Stützrohr angeordnet sind. Damit
können auch Großkamine beispielsweise für
die Industrie, Kraftwerke oder Müllverbrennungsanlagen
als Gegenstrom-Wärmetauscher eingesetzt werden und somit der
Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage wesentlich verbessert werden.
Möglich ist auch eine Umrüstung schon bestehender
Großkamine zu diesem Zeck.
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Die
oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren
zum Betrieb einer Heizungsanlage bestehend aus Kessel mit Brenner
und Kaminsystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- a. Betreiben eines Kaminsystems nach dem Prinzip
eines Gegenstrom-Wärmetauschers zum Vorwärmen
der zum Betrieb der Heizungsanlage verwendeten Frischluft durch
die warmen Verbrennungsgase der Heizungsanlage;
- b. Ansaugen der zum Betrieb der Heizungsanlage verwendeten Frischluft
durch das Kaminsystem; und
- c. Betreiben des Brenners in einer kontinuierlichen, modulierenden
Betriebsart, so dass der Brenner aber die gesamte Heizperiode im
Dauerbetrieb arbeitet.
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Ein
Kondensationskamin, der nach dem Prinzip eines Gegenstrom-Wärmetauschers
die Frischluft für die Verbrennung des Brennstoffs vorwärmt,
kann besonders effektiv zusammen mit einem Kessel und Brenner eingesetzt
werden, wenn der Brenner nicht dauernd an- und abgeschaltet wird.
Zur Regulierung der Leistung der Heizungsanlage wird der Kessel
stattdessen in einer kontinuierlichen modulierenden Betriebsart
betrieben, also lediglich die momentane Leistung des Brenners erhöht
oder erniedrigt aber im Betrieb nie abgeschaltet. Der Brenner läuft
mit niedriger Leistung im Dauerbetrieb, wird also in der Heizperiode,
ca. von September bis ca. März, über mehrere Monate
im Regelfall nicht abgeschaltet. Eine Nachtabsenkung, bei der der
Brenner ausgeschaltet wird, findet nicht statt. Dies sorgt dafür, dass
das Kaminsystem, sowie der Heizraum nie auskühlt und dadurch
stets vorgewärmte Frischluft verbrannt wird. Da keine großen
Temperaturschwankungen oder -sprünge gegeben sind, steigt
die Effektivität der Heizungsanlage stark an. Auskühl-
und Stillstandswärmeverluste der Anlage werden vermieden, wodurch
Anfahrtsphasen unter Volllast des Brenners entfallen. Wegen des
mit großen Vorteilen behafteten Dauerbetriebs des Brenners,
wurden in Versuchen mit Testanlagen Brennstoffeinsparungen von bis
zu 25% erzielt.
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Selbstverständlich
braucht die absolute Leistung des Brenners in der erfindungsgemäßen
kontinuierlichen modulierenden Betriebsart auch nur viel geringer
zu sein, als bei konventionellen intermittierenden Systemen.
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Durch
den Wegfall der Startphasen des Brenners entstehen zudem viel weniger
Schadstoffe, als während des intermittierenden Start-Stop-Betriebs
des Standes der Technik, der in den üblichen Betriebsweisen
zum Teil nur etwa 5–10 Minuten dauert.
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Bevorzugt
ist das Kaminsystem ein erfindungsgemäßes Kaminsystem,
wie es oben beschrieben wurde.
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Bevorzugt
wird Frischluft zum Betreiben der Heizungsanlage innerhalb des zweiten
Kaminrohrs angesaugt. Dies verbessert, wie oben beschrieben, besonders
bei großen Kaminquerschnitten für große Heizungsanlagen
die Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen
zur Frischluft.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird weitere
Frischluft zum Betreiben der Heizungsanlage zusätzlich
unmittelbar außerhalb des ersten Kaminrohrs angesaugt.
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Bevorzugt
enthält der Brenner Düsen, die 20%–30%
kleiner sind, als Düsen, die nach konventioneller Auslegung
der Heizungsanlage verwendet werden würden. Damit kann
der Brenner im Dauerbetrieb betrieben werden, ohne dass zu viel
Wärme erzeugt wird, die nicht abgeführt werden
kann.
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Im
Regelfall, reicht bei richtiger Dimensionierung der Düsen
die Regelung der Brennstoffzufuhr, also die modulierende Betriebsart
des Brenners aus, um während der Heizperiode auf den schwankenden Wärmebedarf
zu reagieren. Der Brenner wird in der Heizperiode lediglich in seltenen
Extremfällen abgeschaltet, beispielsweise, wenn bei sehr
milder Witterung keine Wärme mehr abgeführt werden
kann, also wenn alle Wärmespeicher aufgefüllt
sind und alle Wohnungen entsprechen ihrer Thermostate voll geheizt
sind.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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4. Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
mit Hilfe der Zeichnung beschrieben. In denen zeigt:
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1:
eine schematische Querschnittsansicht durch ein erfindungsgemäßes
Kaminsystem;
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2:
einen schematischen Längsschnitt durch einen oberen Kaminabschluss
eines erfindungsgemäßen Kaminsystems;
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3:
einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kaminsystem;
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4:
eine prinzipielle Darstellung einer Heizungsanlage mit erfindungsgemäßem
Kaminsystem; und
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5:
eine schematische Querschnittsansicht eines Großkaminsystems
mit mehreren eingebrachten erfindungsgemäßen Kaminsystemen.
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5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht durch ein erfindungsgemäßes
Kaminsystem 1. Das Kaminsystem 1 besteht aus einem äußeren Kaminrohr 10,
in dem in etwa konzentrisch ein inneres Kaminrohr 20 eingebracht
ist. Am inneren Kaminrohr 20 sind Abstandshalter 26 befestigt,
die das innere Kaminrohr 20 im äußeren
Kaminrohr 10 zentrieren. Das äußere Kaminrohr 10 selbst
ist wiederum über Abstandshalter 12 in einem Stützschacht 50 oder
in einem vorhandenen isolierten Edelstahl-Kaminrohr 52 zentriert.
Durch diese Anordnung ergeben sich Bereiche 30, 32, 34,
in denen Gase transportiert werden können. In dem Bereich 30,
der als Ringspalt zwischen äußerem Kaminrohr 10 und
innerem Kaminrohr 20 ausgebildet ist, werden die heißen Verbrennungsgase
von einem Kessel 110 nach oben transportiert. Im Bereich 32,
der sich innerhalb des inneren Kaminrohrs 20 befindet,
wird Frischluft nach unten zum Brenner 120 transportiert.
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Bevorzugt,
kann auch im Bereich 34, der sich zwischen dem äußeren
Kaminrohr 10 und dem Stützschacht 50 oder
dem Edelstahl-Kaminrohr 52 befindet, Frischluft zum Brenner 120 transportiert
werden. Der Transport der Frischluft ist in 2 durch
die Pfeile 42 angeordnet. Der Transport der heißen
Verbrennungsgase ist in 2 durch die Pfeile 40 dargestellt.
Damit findet eine Kondensation an der Innenwand des äußeren
Kaminrohrs 10 statt, wobei die außen am äußeren
Kaminrohr 10 vorbeiströmende Luft 42 erwärmt
wird.
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Das
erfindungsgemäße Kaminsystem 1 eignet
sich damit sehr gut zur Umrüstung bestehender Kaminsysteme.
Bei bestehenden Kaminsystem nach dem Stand der Technik ist in vielen
Fällen in den in 1 dargestellten
oft gemauerten Stützschacht 50 bereits ein nach
außen isoliertes Edelstahlrohr 52 eingezogen worden.
In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Kaminsystem 1 in
dieses schon vorhandene Edelstahlrohr 52 eingezogen, das
dann als ein Stützrohr 52 fungiert. Das äußere
Kaminrohr 10 ist dann mittels der Abstandshalter 12 in
dem Stützrohr 52 zentriert.
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Eine
solche Nachrüstung innerhalb eines schon bestehenden Kamins
ist auch deshalb möglich, weil sich durch die Absenkung
der Temperatur der Verbrennungsgase 40 am Kessel und durch
die weitere Abkühlung der der Verbrennungsgase 40 im Kaminsystem 1 sich
verglichen mit konventionellen Systemen wesentlich geringere Volumenströme
an Verbrennungsgasen 40 ergeben. Der Querschnitt des Ringspalts 30,
in dem die Verbrennungsgase 42 transportiert werden, kann
und muss daher viel geringer sein, als beispielsweise der Querschnitt
eines konventionellen Edelstahl-Kaminrohrs 52.
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Insgesamt
ergibt sich durch eine derartige Anordnung der Kaminrohre 10, 20 und
die gegenläufige Führung von Frischluft 42 und
Verbrennungsgasen 40 ein Gegenstromwärmetauscher,
in welchem die Frischluft 42 von den entgegenströmenden
Verbrennungsgasen 40 aufgeheizt wird. Dabei werden den
heißen Verbrennungsgasen 40 Wärme entzogen,
die der zur Verbrennung des Brennstoffs not wendigen Frischluft 42 zugeführt
wird. Insgesamt wird die üblicherweise in die Umgebung
abgegebene und damit verlorene Wärme der Verbrennungsgase durch
ein derartiges Kaminsystem nutzbar gemacht, wodurch beträchtliche
Energieeinsparungen erzielt werden.
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Versuche
haben gezeigt, dass auf diese Weise eine Temperaturerhöhung
der Frischluft 42 um 30°K möglich ist.
Dabei verlassen die verbleibenden Verbrennungsgase das Kaminsystem 1 mit
lediglich ca. 10–30°C und nicht mit 160–180°C
wie bei einem konventionellen trockenen Kaminsystem.
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Daneben
ist das Kaminsystem 1 so ausgebildet, dass die Verbrennungsgase 40 im
Ringspalt 30 zwischen innerem Kaminrohr 20 und äußerem
Kaminrohr 10 kondensieren, so dass die kondensierenden
Bestandteile nicht mehr in die Umwelt gelangen, sondern aufgefangen
und neutralisiert werden können. Daher trägt das
erfindungsgemäße Kaminsystem 1 auch zu
einer erheblichen Verringerung der Emissionen der Heizungsanlage 100 bei.
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Das
innere Kaminrohr 20, das äußere Kaminrohr 10 sowie
die Abstandshalter 26, die das innere Kaminrohr 20 im äußeren
Kaminrohr 10 beabstanden, müssen dem stark säurehaltigen
Kondensat (Schwefelsäure bzw. schweflige Säure)
dauerhaft widerstehend können. Sie sind daher bevorzugt
aus Polyvinylidenflourid (PVDF) einem hoch säurebeständigen
und temperaturbeständigen Kunststoff hergestellt. Da die
Abstandshalter 12 zwischen äußerem Kaminrohr 10 und
Stützschacht 50 oder Stützrohr 52 dieser
Säurebelastung nicht ausgesetzt sind, kann hierfür
ein kostengünstigerer Kunststoff oder Edelstahl verwendet
werden.
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2 zeigt
einen schematischen Längsschnitt durch einen oberen Kaminabschluss 60 eines Kaminsystems 1.
Wie dargestellt, geht das innere Kaminrohr 20 in ein Querrohr 62 über,
das hier bevorzugt bogenförmig ausgebildet ist. Das Querrohr 62 durchdringt
das äußere Kaminrohr 10 und gegebenenfalls
den Stützschacht 50 oder ein zusätzliches Stützrohr 52 und
erstreckt sich ins Freie. Am Ende geht das Querrohr 62 in
einen Ansaugstutzen 64 über, der nach unten in
Richtung Boden gerichtet ist. Dadurch wird verhindert, dass Regenwasser
oder Vögel in das innere Kaminrohr 20 eindringen
können. Gleichzeitig wird durch diese Anordnung sichergestellt,
dass keine Verbrennungsgase als Frischluft angesaugt werden.
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In 2 sind
die Durchmesser D1 des äußeren Kaminrohrs 10 sowie
der Durchmesser D2 des inneren Kaminrohrs 20 lediglich
schematisch dargestellt. Je nach Größe der Heizungsanlage,
Länge des Kamins, verwendetem Brennstoff, etc. müssen
die Durchmesser anhand der benötigten Querschnitte individuell
berechnet werden. Bei großen Heizungsanlagen für
Hochhäuser mit Kaminlängen von beispielsweise
50 Metern kann das äußere Kaminrohr einen Durchmesser
D1 von beispielsweise 315 mm aufweisen, wobei das innere Kaminrohr
in solch einem Fall einen Durchmesser von 80–100 mm aufweisen
kann. Damit verringert sich die maximal mögliche Entfernung
der Verbrennungsgase 40 zu den Kondensationsoberflächen
des inneren 20 und äußeren Kaminrohrs 10 auf
ein Maß, das eine zuverlässige Wärmeübertragung
und Kondensation ermöglicht. Ein im Kamin aufsteigender
Abgasstrom mit einem „heißen Kern" von Verbrennungsgasen 40 wird
somit ausgeschlossen.
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Wie
in 3 zu sehen, kann zur Vergrößerung
der zur Kondensation und Wärmeübertragung zur
Verfügung stehenden Oberfläche das innere Kaminrohr 20 aus
Abschnitten aus flexiblem Rohr 22 gebildet sein, die durch
Abschnitte aus Glattrohr 24 getrennt sind. Das flexible
Rohr 22 hat den Vorteil, dass durch seine wellige Oberfläche
die Größe der Oberfläche im Vergleich
zu einem Glattrohr stark erhöht ist, was die Wärmeübertragung
und Kondensation begünstigt. Übliche flexible
Rohre weisen eine etwa 3-mal größere Oberfläche
verglichen mit gleichlangen Glattrohren auf. Daneben haben flexible
Rohre verglichen mit Glattrohren eine geringere Wandstärke,
die bevorzugt lediglich 1/3 der Wandstärke von entsprechenden
Glattrohren beträgt. Weiterhin entstehen durch die wellige
Oberfläche kleine Turbulenzen der entlangstreichenden Gase,
die eine laminare Strömung aufbrechen und somit zusätzlich
die Wärmeübertragung zwischen heißen
Verbrennungsgasen 40 und kalter Frischluft 42 begünstigen.
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Die
Abstandshalter 26 zwischen innerem Kaminrohr 20 und äußerem
Kaminrohr 10 sind an Abschnitten aus Glattrohr 24 des
inneren Kaminrohrs 20 befestigt. Die Abstandshalter 26 bestehen
bevorzugt aus kurzen Rohrabschnitten, die hochkant an die Abschnitte
aus Glattrohr 24 angeschweißt werden. Der ursprüngliche
Durchmesser der Abstandshalter 26 wird so gewählt,
dass sie das innere Kaminrohr 20 unter Spannung im äußeren
Kaminrohr 20 zentrieren. Bevorzugt werden jeweils drei
Abstandshalter 26 an einem Abschnitt aus Glattrohr 24 befestigt.
Die Abschnitte aus Glattrohr 24 können eine Länge
von ca. 10 cm aufweisen, wobei die Abschnitte aus flexiblem Rohr 22 eine
Länge von ca. 2 Metern aufweisen können.
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Um
das äußere Kaminrohr 10 ebenfalls im Stützschacht 50 oder
einem zusätzlichen Stützrohr (nicht dargestellt)
zu zentrieren und einen Bereich 34 zu schaffen, in dem
zusätzlich Frischluft 42 angesaugt werden kann,
sind am äußeren Kaminrohr 10 Abstandshalter 12 vorgesehen,
die das äußere Kaminrohr im Stützschacht 50 zentrieren.
Die Abstandshalter 12 bestehen ebenfalls aus geeigneten Rohrabschnitten
oder Metallringen.
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Wie
in 3 dargestellt, können im Ringspalt 30 zwischen äußerem
Kaminrohr 10 und innerem Kaminrohr 20 zusätzlich
Kondensationskörper 70 angeordnet sein, die üblicherweise
gitterförmige oder hohle Füllkörper aus
PDVF Kunststoff sind, und die als Kondensationskeime für
die Verbrennungsgase 40 dienen. Die Kondensationskörper 70 leiten
die Kondensationswärme der Verbrennungsgase 40 per Wärmeleitung
sowohl an das innere als auch an das äußere Kaminrohr 10, 20.
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Je
nach Durchmesser der verwendeten Kaminrohre 10, 20,
können diese auf unterschiedliche Weise hergestellt sein.
Kleinere Durchmesser werden üblicherweise durch Extrusion
hergestellt, wobei größere Durchmesser – ab
ca. 400 mm – aus einem Profilband gewickelt werden können,
das spiralförmig aufeinandergeschweißt wird und
somit ein beliebig großes und beliebig langes Kaminrohr
ergibt. Diese Wickeltechnik hat für die vorliegende Anwendung als
Kaminrohr weiterhin den Vorteil, dass dadurch unter Umständen
eine nicht glatte Oberfläche entsteht, die ähnlich
einem flexiblen Rohr die Kondensation der Verbrennungsgase sowie
den Wärmeübergang auf die Frischluft 42 verbessert.
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4 zeigt
schematisch eine Heizungsanlage 100, die an ein Kaminsystem 1 angeschlossen
ist. In einem Heizraum 150, der als Puffer für
die zur Verbrennung notwendigen Frischluft 42 dient befindet sich
ein Heizkessel 110, üblicherweise zum Erwärmen
von Wasser, der mit einem Brenner 120 beheizt wird. Bei
der Verbrennung des Brennmaterials, beispielsweise Gas, Öl
oder Holzpellets entstehen heiße Verbrennungsgase 40,
die innerhalb des äußeren Kaminrohrs 10 in
Richtung Umwelt geleitet werden. Beim Durchströmen des
Kaminsystems 1 kondensieren die heißen Verbrennungsgase 40 insbesondere an
der Außenwand des inneren Kaminrohrs 20 und wärmen
dabei Frischluft 42 auf, die durch das innere Kaminrohr 20 transportiert
wird. Das dabei entstehende Kondensat wird im unteren Bereich des
Kaminrohrs 10 aufgefangen und in eine Neutralisationsbox 140 geleitet,
die einen Aktivkohlefilter sowie ein Neutralisationsgranulat (Kalkstein)
enthält. Durch die Neutralisationsbox 140 wird
das schwefelsäurehaltige Kondensat gereinigt und neutralisiert,
so dass reines Wasser entsteht, das in die Kanalisation geleitet werden
kann.
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Je
nach verwendeten Rohrquerschnitten D1, D2 und der Länge
des Kaminsystems 1 ist es notwendig, einen Ventilator 30 vorzusehen,
der mindestens die Frischluft durch das innere Kaminrohr 20 ansaugt
und dem Heizraum 150 zuführt. Daneben kann der
Ventilator 130 auch Frischluft außerhalb des Kaminrohrs 10 im
Bereich 34 ansaugen und dem Heizraum 150 zuführen
(in 4 nicht dargestellt).
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Wichtig
für eine effektive Wärmerückgewinnung
aus den Verbrennungsgasen 40 ist, dass zum Betrieb der
Heizungsanlage nur vorgewärmte Frischluft 42 verwendet
wird, die durch das Kaminsystem 1 zugeführt wird.
Daher wird der Heizraum 150 im Wesentlichen über
das Kaminsystem 1 belüftet. Zum Druckausgleich
kann der Heizraum 150 aus Sicherheitsgründen aber
auch weitere Belüftungsöffnungen aufweisen, die
allerdings lediglich Kleinstmengen an Frischluft in den Heizraum 150 hereinlassen.
Bevorzugt sind solche Belüftungsöffnungen mit
beweglichen Vorhängen verschlossen, die zwar für
den erwünschten Druckausgleich sorgen, aber die Wärmeabstrahlverluste
des Heizraums 150 minimieren.
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Daneben
ist es vorteilhaft, den Brenner 120 in einer kontinuierlichen,
modulierenden Betriebsart zu betreiben, so dass der Brenner 120 während
der Heizperiode, also ca. von September bis März, im Regelfall
nicht abgeschaltet wird. Eine Nachtabsenkung, bei der der Brenner üblicherweise über
mehrere Stunden abgeschaltet wird, findet ebenfalls nicht statt.
Insbesondere soll der Brenner 120 durch eine Regelung der
Brennstoffzufuhr lediglich in seiner Leistung variiert, also moduliert
werden und nicht dauernd an- oder abgeschaltet werden, wie dies
bei konventionellen Heizungsanlagen der Fall ist. Zu diesem Zweck
werden in den Brenner um ca. 20%–30% kleinere Düsen
eingesetzt, verglichen mit Düsen, die bei konventioneller
Auslegung der Heizungsanlage verwendet würden, um im Betrieb
eine wesentlich geringere Leistung zu erzeugen. So wird beispielsweise ein Ölkessel
mit einer Nennleistung von 1250 kW durch kleinere Düsen
auf eine Nennleistung von 800 kW reduziert. Damit kann der Ölkessel
modulierend in einem Leistungsbereich von beispielsweise 200–800
kW betrieben werden, wodurch Abschaltungen des Brenners während
der Heizperiode im Regelfall nicht vorkommen. Der Brenner wird somit
im Wesentlichen im Dauerbetrieb gefahren.
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Bei
der Verwendung eines Kaminsystem 1, das nach dem Prinzip
eines Gegenstromwärmetauschers funktioniert und welches
die verwendete Frischluft 42 vorwärmt, ist es
in Summe betrachtet energetisch günstiger, den Brenner 120 im
Dauerbetrieb, wenngleich auch mit sehr geringer Leistung, zu betreiben.
Dadurch kühlt weder der Heizraum 150 noch das
entsprechend dimensionierte Kaminsystem 1 aus.
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In 5 ist
ein Großkaminsystem 2 schematisch im Querschnitt
dargestellt. Es umfasst ein Stützrohr 52 oder
alternativ einen Stützschacht, welches ein schon vorhandenes
umzurüstendes Großkamin üblicher Bauart
sein kann. Großkamine werden beispielsweise in der Industrie,
bei Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen eingesetzt
und können Kaminhöhen von 100 m und mehr erreichen. Üblicherweise
ist der Kaminzug mit einem isolierten Edelstahl-Kaminrohr ausgekleidet.
Auch ein derartiges Großkamin kann zu einem erfindungsgemäßen
Kaminsystem umgerüstet werden und zur Wärmerückgewinnung
verwendet werden.
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Zu
diesem Zweck werden in das ggf. schon vorhandene Edelstahl-Kaminrohr 52,
das als Stützrohr 52 verwendet wird, mehrere erfindungsgemäße Kaminsysteme 1 eingezogen,
die jeweils ein äußeres Kaminrohr 10 und
ein inneres Kaminrohr 20 umfassen. Das Stützrohr 52 kann
beispielsweise einen Durchmesser von 3 m aufweisen, wobei die sieben äußeren
Kaminrohre 10 jeweils beispielsweise einen Durchmesser
von 315 mm oder mehr aufweisen können. Die eingezogenen
Kaminsysteme 1 werden als Pakete zusammengefasst und entsprechend
innerhalb des Stützrohrs 52 befestigt.
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Die
Verbrennungsgase 40 werden in den jeweiligen Ringspalten 30 zwischen äußerem 10 und innerem
Kaminrohr 20 geführt, wobei innerhalb der inneren
Kaminrohre 20 und außerhalb der äußeren Kaminrohre 10 zu
erwärmende Frischluft 42 transportiert wird, die
der Heiz- oder Verbrennungsanlage zugeführt wird. Die Verringerung
des Gesamtquerschnitts für den Transport der Verbrennungsgase 40 wird
wiederum durch eine stark verringerte Abgastemperatur sowie durch
eine Massenstromreduktion durch Kondensation möglich, vorteilhafterweise
sowohl beim Eintritt in das Großkamin 2 als auch
durch die weitere Abkühlung der Verbrennungsgase 42 im Großkamin 2.
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In 5 sind
beispielhaft sieben Kaminsysteme 1 dargestellt, die als
Kaminrohr-Paket innerhalb eines einzelnen Stützrohres 52 angeordnet
sind. Selbstverständlich kann die Anzahl, Anordnung und Größe
der mehreren Kaminsysteme 1 in einem Großkamin 2 je
nach Anwendung und Volumen der Verbrennungsgase 40 variiert
werden.
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- 1
- Kaminsystem
- 2
- Großkamin
- 10
- äußeres
Kaminrohr
- 12
- Abstandshalter
- 20
- inneres
Kaminrohr
- 22
- Abschnitte
aus flexiblem Rohr
- 24
- Abschnitte
aus Glattrohr
- 26
- Abstandshalter
- 30
- Bereich
zwischen innerem Kaminrohr und äußerem Kaminrohr,
Ringspalt
- 32
- Bereich
innerhalb des inneren Kaminrohrs
- 34
- Bereich
zwischen äußerem Kaminrohr und Stützschacht
- 40
- Verbrennungsgase
- 42
- Frischluft
- 50
- Stützschacht
- 52
- Edelstahl-Kaminrohr/Stützrohr
- 60
- Kaminabschluss
- 62
- Querrohr
- 64
- Ansaugstutzen
- 70
- Kondensationskörper
- 100
- Heizungsanlage
- 110
- Kessel
- 120
- Bremer
- 130
- Ventilator
- 140
- Neutralisationsbox
- 150
- Heizungsraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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