DE3519086C2 - Heizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekannt sind Heizkessel, welche die Rauchgase unter den Taupunkt abkühlen. Durch die Nutzung der Kondensations­ wärme, des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes, wird der Wärmeinhalt der Abgase besser genutzt. Mit sog. Brennwertkesseln sind Wirkungsgrade bis zu 108% (vom unteren Heizwert) möglich.

Voraussetzung ist, daß die Abgase möglichst weit unter 50°C abgekühlt werden, um einen größeren Wasserdampfan­ teil zu kondensieren. Brennwertkessel benötigen also ein entsprechend niedriges Temperaturniveau des Heizungs­ wassers. Die von Brennwertkesseln austretenden Rauch­ gase sind mit Wasserdampf gesättigt. Eine weitere Abküh­ lung im Kamin führt zu unerwünschter Kondensatbildung. Ein Wärmepumpeneffekt ist mit Brennwertkesseln nicht möglich.

In der Wärmepumpentechnik sind Adsorptionssysteme bekannt, die in diskontinuierlichen Verfahren die eingesetzte An­ triebsenergie durch Anhebung von Umgebungswärme vermehren.

Die DE 3 41 334 A1 beschreibt einen Adsorptionsapparat mit dem Stoffpaar Zeolith/Wasser im Einsatz als Nacht­ strom-Wärmespeicher. Ein mit Zeolith gefüllter Behälter wird mittels elektrischer Heizelemente auf Temperaturen bis 300°C erhitzt. Dabei entweicht aus dem Zeolith Was­ serdampf, der in einem Kondensator verflüssigt wird. Die Kondensationswärme wird an die Raumluft abgeführt. Das Kondensat tropft in einen Sammelbehälter. Tagsüber wird der Zeolithfüllung die gespeicherte Wärme entnommen. Der Zeolith kann wieder Wasserdampf adsorbieren. Das Kondensat im Sammeltank kühlt sich dadurch ab. Eine Kombination dieses Systems mit einem Heizkessel würde zu keiner besseren Nutzung der Rauchgase führen. Die hohen Zeolithtemperaturen erlauben es nicht, die Rauchgase unter 300°C abzukühlen. Während der Brennerlaufzeit ist der Sammeltank heiß; er kann von den Rauchgasen keine Wärme aufnehmen. Vom Kondensator muß Wärme abgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkes­ sel so mit einer Zeolith-Adsorptionswärmepumpe zu koppeln, daß der Wärmeinhalt der Rauchgase weit unter das Tempe­ raturniveau des Heizungswassers genutzt werden kann und zusätzlich Umgebungswärme hochtransformiert bzw. Nutz­ kälte entnommen werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß innerhalb eines Heizkessels ein Behälter mit dem Stoffpaar Zeolith/ Wasser angeordnet ist. An diesem Zeolithbehälter ist ein Kondensator angeschlossen, der die Kondensations­ wärme an das Heizungswasser überträgt. Der Kondensator steht mit einem Sammelbehälter in Verbindung. Ein Ab­ sperrorgan trennt den Sammelbehälter von einem Verdampfer. Die Rauchgasführung ist so gewählt, daß die heißen Rauch­ gase zunächst den Zeolithbehälter erwärmen, dann Wärme an das Heizungswasser abgeben und anschließend im Ver­ dampfer unter Heizungswassertemperatur abgekühlt werden. In nachgeschalteten Wärmetauschern können die Rauch­ gase, bevor sie in den Kamin geleitet werden, wieder erwärmt werden. Der Sammelbehälter vermag die gesamte Kondensatmenge aufzunehmen. Der Verdampfer ist für ein Mehrfaches dieser Kondensatmenge ausgelegt. Zeolith­ behälter, Kondensator, Sammeltank und Verdampfer sind evakuiert.

Während der Brennerlaufzeit wird die Zeolithfüllung im Zeolithbehälter erhitzt. Der aus dem Zeolith entweichende Wasserdampf kondensiert währenddessen im Kondensator. Das Kondensat sammelt sich im Sammelbehälter. Das Absperr­ organ zum Verdampfer ist dabei geschlossen. Das Heizungs­ wasser wird vom Kondensator und den Rauchgasen, die den Hauptteil ihres Wärmeinhaltes bereits an den Zeolithbe­ hälter übertragen haben, erwärmt. Im Verdampfer befindet sich Eis. Die Rauchgase werden über den Verdampfer gelei­ tet und unter die Temperatur des Heizungswassers abge­ kühlt. Da die Eistemperatur im Verdampfer weit unter 0°C sinken kann, läßt sich der im Rauchgas enthaltene Wasserdampf auch ausfrieren. Im Verdampfer schmilzt durch die Wärmeaufnahme ein Teil der enthaltenen Eis­ füllung. Um auch bei extrem kalten Außentemperaturen eine Taupunktunterschreitung im Schornstein zu vermei­ den, können die Rauchgase nach Passieren des Verdampfers wieder erwärmt werden. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch Aufnahme der Kesselverluste oder durch Abkühlen des Sammelbehälters. Sobald die Zeolithfüllung im Zeo­ lithbehälter regeneriert ist und der Wasserdampf im Sammelbehälter als Kondensat vorliegt, wird der Brenner abgestellt. Das Heizungswasser wird nunmehr durch die im Zeolithbehälter gespeicherte bzw. freigesetzte Wärme erwärmt. Dies kann durch Wärmebrücken, durch einen separa­ ten Wärmeträgerkreislauf oder durch Umlenkung des Hei­ zungswassers über den Zeolithbehälter erfolgen. Eine Abkühlung der Zeolithfüllung führt zur erneuten Ad­ sorption des ausgetriebenen Wasserdampfes. Der Inhalt des Sammelbehälters kühlt sich dadurch ab. Bevor das Kondensat gefriert, wird das Absperrorgan zum Verdampfer geöffnet. Das kalte Kondensat fließt in den Verdampfer ab und vermischt sich mit der Eisfüllung. Eine fortge­ setzte Wärmeentnahme aus dem Zeolithbehälter führt jetzt zu einer Vergrößerung des Eisanteils im Verdampfer. Der Eisanteil im Eis-Wassergemisch schwankt somit je nach Betriebspunkt des Heizkessels. Am Ende der Adsorptions­ phase ist der Eisanteil am höchsten. Die während dieser Phase erzeugte Eismenge ist größer, als die während der anschließenden Aufheizphase des Zeolithbehälters vom Rauhgas abgeschmolzen wird. Die überschüssige Eis­ menge kann entweder im Verdampfer verbleiben, für externe Kühlzwecke oder zur Aufnahme von Umgebungswärme genutzt werden. Der erfindungsgemäße Heizkessel arbeitet in diesem Fall als Sorptionswärmepumpe mit Eisspeicher. Im Sommer­ betrieb läßt sich der Verdampfer für Kühl- oder Klimatisie­ rungsaufgaben nutzen. Die dabei im Heizungswasser anfal­ lende Wärme dient zur Erwärmung von Brauchwasser. Der Zeolithbehälter dient in diesem Fall als zusätzliches Wärmereservoir. In diesen Fällen ist es von Vorteil, die Kälte im Verdampfer erst bei Bedarf zu erzeugen. Das Ab­ sperrorgan bleibt in diesem Fall während der Adsorptions­ phase geschlossen und wird nur bei Bedarf von Nutzkälte geöffnet. Um den Wasserinhalt im Verdampfer klein zu hal­ ten, kann ein Teil der Wasserfüllung in einem separaten Wasserbehälter abgespeichert werden.

Der erfindungsgemäße Heizkessel wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung, die einen Querschnitt durch den Heizkessel zeigt, erläutert.

Innerhalb eines Heizungswasserbehälters (1) befindet sich ein Zeolithbehälter (2) um eine Brennkammer (13). Über Wärmeleitbleche (3) ist der Zeolithbehälter (2) an den Heizungswasserbehälter (1) gekoppelt. Vom Zeolith­ behälter (2) führt eine Dampfleitung (4) zu einem Kon­ densator (5) und einem Sammelbehälter (6). Der Zeolith­ behälter (2) ist mit Zeolith (7) gefüllt. Der Sammel­ behälter (6) kann die Kondensatmenge (8) aufnehmen. Ein Absperrorgan (9) ist in die Leitung (10) zwischen Sam­ melbehälter (6) und Verdampfer (11) eingebaut. Unter dem Verdampfer (11) befindet sich eine Wanne (12) zur Ableitung und Neutralisation des Rauchgaskondensates. Die Rauchgase werden von der Brennkammer (13) kommend über die Wärmeleitbleche (3), vorbei am Zeolithbehälter (2) und Heizungswasserbehälter (1) in den Verdampfer (11) geführt und von dort am Sammelbehälter (6) vorbei in den Kamin. Der Verdampfer (11) enthält Anschlüsse (15) für einen zusätzlichen Umgebungswärmetauscher zur Aufnahme von Niedertemperaturwärme bzw. zur Bereit­ stellung von Kälte. Über ein Absperrorgan (16) ist am Verdampfer (11) ein Wasserbehälter (17) zur Zwischenspeicherung von Wasser angebaut.

Claims (10)

1. Heizkessel zur Erwärmung von Heizungswasser durch die Verbrennung von flüssigen, gasförmigen oder festen Brennstoffen unter Verwendung eines Zeolith/ Wasser-Adsorptionsapparates, bestehend aus einem Zeolithbehälter (2) gefüllt mit Zeolith (7), einem Kondensator (5) und einem Verdampfer (11), dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen Kondensator (5) und Verdampfer (11) ein Sammelbehälter (6) zur Zwischenspeicherung von Kondensat (8) und ein Absperrorgan (9) ge­ schaltet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Sammelbehälter (6) die gesamte Konden­ satmenge (8) aufnehmen kann und der Verdampfer (11) eine größere Wassermenge enthält, die an der Verdampfung nicht beteiligt ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Rauchgasführung so ausgelegt ist, daß die heißen Rauchgase nach der Brennkammer (13) zuerst Wärme an den Zeolithbehälter (2) dann an den Heizungsbehälter (1) und erst dann an den Verdampfer (11) übertragen.

4. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß an dem Verdampfer (11) über ein Absperrorgan (16) ein Wasserbehälter (17) zur Aufnahme von Wasser an­ geschlossen ist.

5. Verfahren zur Nutzung des Wärmeinhaltes von Rauch­ gasen unterhalb der Heizungswassertemperatur von Heizkesseln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß durch den Zeolith-Adsorptionsprozeß im Ver­ dampfer (11) Eis erzeugt wird und die heißen Rauchgase zuerst Wärme an den Zeolithbehälter (2) dann an den Heizungsbehälter (1) und dann an­ schließend an den Verdampfer (11) abgeben.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die im Verdampfer (11) abgekühlten Rauchgase vor dem Einleiten in einen Kamin wieder erwärmt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Rauchgase durch Wärme aus dem Sammelbe­ hälter (6) wieder erwärmt werden.

8. Verfahren zur Nutzung des Wärmeinhaltes von Rauch­ gasen unterhalb der Heizungswassertemperatur von Heizkesseln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Absperrorgan (9) das Kondensat (8) aus dem Sammelbehälter (6) erst im abgekühlten Zu­ stand in den Verdampfer (11) fließen läßt.

9. Verfahren zur Bereitstellung von Nutzkälte mit Heizkesseln nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zur Verringerung der Wasserfüllung im Ver­ dampfer (11) im Wasserbehälter (17) Wasser abge­ speichert wird.

10. Verfahren zur Bereitstellung von Nutzkälte mit Heizkesseln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß während der Adsorptionsphase das Absperrorgan (9) geschlossen ist und nur bei Bedarf von Nutzkälte geöffnet wird.