EP1598627A2 - Wärmetauschervorrichtung - Google Patents

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EP1598627A2
EP1598627A2 EP05010612A EP05010612A EP1598627A2 EP 1598627 A2 EP1598627 A2 EP 1598627A2 EP 05010612 A EP05010612 A EP 05010612A EP 05010612 A EP05010612 A EP 05010612A EP 1598627 A2 EP1598627 A2 EP 1598627A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
condensate
container
plastic
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05010612A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1598627A3 (de
Inventor
Horst Wunsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technaflon AG
Original Assignee
Technaflon AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technaflon AG filed Critical Technaflon AG
Publication of EP1598627A2 publication Critical patent/EP1598627A2/de
Publication of EP1598627A3 publication Critical patent/EP1598627A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings
    • F28F19/04—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings of rubber; of plastics material; of varnish
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange device according to the preamble of the main claim.
  • Such heat exchangers utilize the hot exhaust gases of a Boiler or a motor for preheating, for example, heating or boiler water, so that in this way the in The energy contained in the exhaust gases makes sense to improve the overall efficiency of a plant can be used.
  • combustion gases are in otherwise known manner introduced into the heat exchanger, spread out there and pour out cooled at an outlet end in an exhaust pipe.
  • a fluid such as heating water, heated, which in suitable line structures in the container the heat exchanger is guided.
  • Object of the present invention is therefore to provide a generic To improve heat exchanger device to that this e.g. a (oil or solid) heating burner or internal combustion engine with aggressive condensates can be followed downstream exhaust gases containing without the heat exchanger device itself or the provided therein lines within a short time by aggressive, precipitating in a tank of the heat exchanger Condensate can be damaged or destroyed.
  • a heat exchanger device which is easy to handle (and therefore also in cleaning), is suitable for retrofit purposes (and thus also integrated into existing burner systems later can be) and further preferred for an effective Exhaust gas cleaning ensures soot.
  • the container at least in its lower part, d. H. the one Range, up to which the aggressive condensate of the exhaust gas on the inside of the container precipitates, from one against Made of condensate resistant plastic.
  • the plastic material which is only one for the exhaust gas temperature range of the incoming exhaust gas sufficient Must have temperature resistance (which about given in PVDF problem-free) that made of it (or coated) container of the heat exchanger device is easily manufacturable (in the case of the complete Realization of PVDF as by molding in a corresponding Tool), and the low specific weight
  • the plastic material allows a simple and comfortable Transportability of the device.
  • the plastic crosslinked at least partially is, especially by irradiation, especially preferably crosslinked by irradiation with ⁇ -radiation is.
  • a treatment makes it possible that thermoplastics are converted to thermosets.
  • the temperature resistance by irradiation with ⁇ -radiation from 144 ° C to 155 ° C increase.
  • Such a treatment can also a longer life of the heat exchanger device enable. It is possible that only or preferred such areas are networked, which are in relative proximity to the gas inlet - and thus in an area of elevated temperature - are located. But it is also possible that all surface areas are networked.
  • the container constructed in two parts; that the actual Condensation area forming bottom element is included (preferably solid and by PVDF) from the plastic material realized while a detachably attached thereto Attachment element (attachment unit) in otherwise known Way by means of stainless steel or the like. be formed and such as the exhaust gas inlet, the fittings for the fluid lines or the like. can carry (by still prevailing in the upper area Relatively high exhaust gas temperatures still occur here to no condensation, so far as that for the attachment element material used is not critical).
  • the additional unit flow-optimized in accordance with the training - To form from the plastic.
  • the beneficial, corrosion-resistant Effects of the plastic on the (condensation) inner surface it is the heat exchanger tank to use provided within the scope of a development of the invention, also the fluid lines for passing through the exhaust stream fluid to be heated (e.g., heating water) at least on its outer surface with the plastic (ie e.g. with PVDF); to be used in the usual way
  • Embodiments then incorporate such fluid conduits preferably embedded gas diffusion barrier layers for the clean separation of the fluid from the exhaust gas, whereby for Such a barrier layer in the line aluminum or an aluminum alloy has proven.
  • Virtually significant when using a plurality of coiled It is fluid lines, whose vertical or Relative position to each other by distance or holding devices ensure which, preferably by plugging or insertion between the coils, with comb-like Projections or cuts for a the exhaust gas flow and the heat transfer optimizing position of the respective Make pipe sections in the container.
  • a heat exchanger device realized in the above manner can then be in a particularly simple and flexible Manner, in particular by retrofitting, heating or motor systems are connected downstream, the inventive Plastic used an exhaust gas temperature of the entering exhaust gas is allowed to about 200 ° C (so that for example when used in connection with internal combustion engines from the drive area, a use of the invention Exhaust heat exchanger limited to Niedriglastbreiche could be).
  • a development of the invention provides that on the bottom side in the container collecting liquid condensate at least partly for recycling in the heat exchanger device withdraw; the training provided for this purpose Condensate take-off then effect in.vorteilhafter way two desirable effects: First, this carries (usually injected with an otherwise known nozzle unit) liquid condensate that in the Flue gas entering the heat exchanger earlier (i.e., higher relative to the bottom of the container) precipitates and condenses, so that insofar the condensation rate is increased, at the same time the sprayed condensate ensures Spray for a convenient cleaning of the incoming Gases from dust or other flue gas particles (soot, ash, but also sulfur components or the like.), Just these solids then collect again in the container bottom (weiter Struktursdorf this is to a condensate collection basin with appropriate capacity or opportunities for evacuated regular emptying), in which case the so effectively extracted from the flue gas (fine) dusts can be disposed of simply as condensate sludge.
  • Heat exchanger tank as a silencer (typical damping values of about 9dB can be achieved), so that As a result, additional silencing measures are often superfluous become.
  • two-part container can also (more preferably without Tool) are simply opened and dismantled; the container interior is then available for cleaning.
  • the invention is thereto not limited. So it has surprisingly been favorable and preferably, the invention is also related to use with a drive internal combustion engine, Here, in principle, the same problem of aggressive Condensates in the exhaust stream is formed. In addition, however, leads condensing the exhaust stream to be during the Combustion additionally resulting soot (and this problem is just in the partial load range of drive motors, about heavy marine diesel engines, especially drastically what then causes problems with soot pollution in the environment) dissolved liquid condensate and with this in otherwise known Way for neutralization or disposal or for dosed return discharged into the combustion circuit can be.
  • the device according to the invention in a surprisingly simple and elegant way a way how flexible and easy to manufacture in a resilient and easy permanent heat exchanger solution even for very aggressive Exhaust condensates can be created, so that also heating systems with a solid fuel or oil heating burner the advantages of effective exhaust heat recovery by means of Heat exchangers are easy and inexpensive to access.
  • a heat exchanger tank 10 consists of a bucket-shaped, integrally made of PVDF floor element 12, which forms an outlet 14 for condensate to be discharged.
  • a ring clamp or the like By means of an annular flange 15, a ring clamp or the like.
  • a Attachment 16 made of stainless steel, which laterally an inlet 18 for incoming combustion gas (see arrow direction 19) and additional ones in the upper one Area a breakthrough 20 through a flat cover section of the attachment for the lead out of the cooled Exhaust gas (arrow 21) offers.
  • connection units 22, 24 for incoming and outgoing Cooling fluid here: heating water
  • connection units 22, 24 for incoming and outgoing Cooling fluid here: heating water
  • Fig. 2 illustrates in detail the arrangement and mode of operation in the container interior: Exhaust gas entering the inlet 18, typically one Oil heating system, meets on (not in the figures shown) exhaust baffle and is in the by the arrows shown way down into the container; simultaneously take care of each other in the form of a nested, coaxial triple helix arranged fluid lines 26, 28, 30, that the incoming gas is continuous cools down, up to the gas entered through the condensate on inner walls of the bottom element 12 condenses (typically within the attachment element present exhaust gas temperatures do not cause condensation yet). The condensate then runs on the respective condensation inner surfaces of the Floor element down and collects in the bottom area where it is discharged through the outlet 14.
  • Exhaust gas entering the inlet 18, typically one Oil heating system meets on (not in the figures shown) exhaust baffle and is in the by the arrows shown way down into the container; simultaneously take care of each other in the form of a nested, coaxial triple helix arranged fluid lines 26, 28, 30, that the incoming gas is
  • condensation takes place on the outer surfaces of the lines 26 to 30 (which in Frame of the described embodiment advantageous also made of PVDF or a PVDF coating ), as well as on the outer surface of an exhaust gas or outlet tube 32, which itself in turn preferred and suitably made of PVDF; close to this in otherwise usual way more exhaust pipes.
  • the dripping condensate causes a self-cleaning effect the inner surfaces of the heat exchanger.
  • the collected in the bottom region of the bottom member 12 condensate thus can not be in contact with metallic elements come (thus can not cause corrosion) is heavy metal free and can be neutralized in otherwise known manner and disposed of.
  • the container 12 in Floor area forms a condensate collection basin, which on the one hand, the bottom collecting and removing the condensate allows, if necessary, the mud present in it, from the flue gas washed soot, ash or other Fine particulate matter.
  • the container 12 in Floor area forms a condensate collection basin, which on the one hand, the bottom collecting and removing the condensate allows, if necessary, the mud present in it, from the flue gas washed soot, ash or other Fine particulate matter.
  • the condensing additionally inflowing gas is simplified, on the other hand This spray for additional flue gas cleaning contributes.
  • externally supplied fluid e.g. Fresh water.
  • the inventive Use heat exchange device advantageous, is in use together with a drive internal combustion engine, typically a marine diesel.
  • a drive internal combustion engine typically a marine diesel.
  • an inventive Heat exchanger device looped into the exhaust circuit, again in the manner described above (in the present low load range a typical upper limit temperature of 200 ° C not exceeding) exhaust gas in the Heat exchanger enters, there condensed and additionally with the condensate to be removed soot dissolved and removed with becomes.
  • a cooled exhaust gas flow is also off this significantly freed of soot particles.
  • the (sooty) Condensate can then in turn be suitably collected and during later operating cycles (typically optimized Full load) of a marine engine in carefully dosed Be recycled to the combustion, so that then also a residue-free disposal of the sooty condensate is possible.
  • a suitable, Motor load-dependent automatic is especially suitable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung für die Restwärmenutzung von Gasen, insbesondere von Heizungs- und/oder Motorenabgasen, mit einem Behälter (12, 16) mit zumindest einer darin angeordneten Fluidleitung (26 bis 30) zum Durchleiten eines zu erwärmenden Fluids, wobei der Behälter zumindest in einem eine Kondensationsfläche für die Gase anbietenden unteren Bereich (12) auf der Behälterinnenseite eine Beschichtung aus Kunststoff aufweist und/oder in dem Bereich aus dem Kunststoff gebildet ist, wobei der Kunststoff gegen Kondensat der Gase beständig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Derartige Wärmetauscher verwerten die heißen Abgase eines Heizkessels oder eines Motors zur Vorwärmung etwa von Heizungs- oder Boilerwasser, so dass auf diesem Wege die in den Abgasen enthaltene Energie sinnvoll zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads einer Anlage genutzt werden kann.
Konkret werden in ansonsten bekannter Weise die Verbrennungsgase in den Wärmetauscher eingeleitet, breiten sich dort aus und strömen an einem Auslassende abgekühlt hinaus in eine Abgasleitung. Durch das Hindurchströmen der heißen Verbrennungsgase wird ein Fluid, also etwa Heizungswasser, erwärmt, welches in geeigneten Leitungsstrukturen im Behälter des Wärmetauschers geführt wird.
Seit etwa 10 Jahren sind vereinzelt Gasheizungen mit integrierten Abgaswärmetauschern auf dem Markt, dagegen sind diese in der Regel für Ölheizungen noch nicht allgemein erhältlich. Hier sind nämlich die Anforderungen an einen solchen Abgaswärmetauscher hoch, denn das vom Ölbrenner (aber auch vom Gasbrenner ausgestoßene Abgas enthält eine Anzahl von Substanzen, welche sich in einem nachgeschalteten Wärmetauscher als aggressives Kondensat niederschlagen. Dies führt dann dazu, dass für Abgasleitungen und Wärmetauscher vorgesehene Materialen, etwa rostfreie Stähle, in kürzester Zeit zerstört werden. Eine entsprechende Wirkung entsteht bei der Nutzung von Abgaswärme von Verbrennungsmotoren, etwa Schweröl-Dieselmotoren (wie sie z.B. im Schiffsverkehr vorkommen); auch hier bildet das aggressive Kondensat eine Hürde gegen den Einsatz gängiger Wärmetauscher. Hinzu kommt gerade im Fall der Motoren, dass derartige Antriebsaggregate (vor allem im Teillastbetrieb) im Abgas stark mit Ruß belastet sind, so dass sich die darüber hinausgehende Problematik der Rußentfernung aus dem Abgas stellt. Dies gilt auch etwa bei besonders staubverursachenden Heizungen, etwa Feststoffheizungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Wärmetauschervorrichtung dahingehend zu verbessern, dass diese z.B. einem (Öl- oder Feststoff-) Heizungsbrenner oder Verbrennungsmotor mit aggressiven Kondensatstoffen enthaltenden Abgasen nachgeschaltet werden kann, ohne dass die Wärmetauschervorrichtung selbst bzw. die darin vorgesehenen Leitungen innerhalb kurzer Zeit durch das aggressive, sich im Behälter des Wärmetauschers niederschlagende Kondensat beschädigt oder zerstört werden. Insbesondere ist zudem eine Wärmetauschervorrichtung zu schaffen, welche einfach in der Handhabung (und damit auch in der Reinigung) ist, sich für Nachrüstzwecke eignet (und damit auch in existierende Brenneranlagen nachträglich integriert werden kann) und weiter bevorzugt für eine wirksame Abgasreinigung von Ruß sorgt.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die Verwendungen nach den Patentansprüchen 13 und 14 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist dabei der Behälter zumindest in seinem unteren Bereich, d. h. demjenigen Bereich, bis zu dem sich das aggressive Kondensat des Abgases an der Behälterinnenseite niederschlägt, aus einem gegen das Kondensat beständigen Kunststoff gefertigt. Durch diese auf den ersten Blick eher überraschende Maßnahme (denn typischerweise werden Wärmetauschervorrichtungen nicht aus Kunststoffmaterial gefertigt) werden mehrere Vorteile realisiert: Zum einen kann durch geeignete Wahl des kondensatbeständigen Kunststoffes, bevorzugt sind hier PVDF, PP, PVC und/oder PE, sichergestellt werden, dass selbst über einen langen Betriebszeitraum die betroffenen Innenwände des Wärmetauscherbehälters unbeeinflusst bleiben, insbesondere nicht durch Korrosion od.dgl. Defekte beschädigt werden. Mithin lässt sich eine zuverlässige und betriebssichere Vorrichtung realisieren. Zum anderen bewirkt das Kunststoffmaterial, welches lediglich eine für den Abgastemperaturbereich des eintretenden Abgases ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweisen muss (welches etwa bei PVDF problemlos gegeben ist), dass der daraus gefertigte (oder damit beschichtete) Behälter der Wärmetauschervorrichtung einfach fertigbar ist (im Fall der vollständigen Realisierung aus PVDF etwa durch Formen in einem entsprechenden Werkzeug), und das niedrige spezifische Gewicht des Kunststoffmaterials ermöglicht eine einfache und komfortable Transportierbarkeit der Vorrichtung.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich in diesem Zusammenhang, wenn der Kunststoff zumindest bereichsweise vernetzt ist, vorzugsweise durch eine Bestrahlung, besonders vorzugsweise durch eine Bestrahlung mit γ-Strahlung vernetzt ist. Durch eine derartige Behandlung ist es möglich, dass Thermoplaste zu Duroplasten umgewandelt werden. Im Beispiel von PVDF ist es beispielsweise möglich, die Temperaturfestigkeit durch eine Bestrahlung mit γ-Strahlung von 144°C auf 155°C zu erhöhen. Eine derartige Behandlung kann auch eine längere Lebensdauer der Wärmetauschervorrichtung ermöglichen. Möglich ist es, dass nur bzw. dass bevorzugt solche Bereiche vernetzt werden, die sich in relativer Nähe zum Gaseinlass - und damit in einem Bereich erhöhter Temperatur - befinden. Ebenso ist es aber auch möglich, dass sämtliche Oberflächenbereiche vernetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung ist dabei der Behälter zweiteilig aufgebaut; das den eigentlichen Kondensationsbereich ausbildende Bodenelement ist dabei (bevorzugt massiv und mittels PVDF) aus dem Kunststoffmaterial realisiert, während ein darauf abnehmbar befestigtes Aufsatzelement (Aufsatzeinheit) in ansonsten bekannter Weise mittels rostfreien Stahls od.dgl. gebildet sein und etwa den Abgaseinlass, die Armaturen für die Fluidleitungen od.dgl. tragen kann (durch die im oberen Bereich noch herrschenden relativ hohen Abgastemperaturen kommt es hier noch zu keiner Kondensation, so dass insoweit das für das Aufsatzelement verwendete Material unkritisch ist). Alternativ ist es, etwa unter Gewichts- und Fertigungsaspekten, sinnvoll, die Aufsatzeinheit - weiterbildungsgemäß strömungsoptimiert - auch aus dem Kunststoff zu bilden.
Analog dem Gedanken, die vorteilhaften, korrosionsbeständigen Wirkungen des Kunststoffs für die (Kondensations-) Innenfläche des Wärmetauscherbehälters zu verwenden, ist es im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, auch die Fluidleitungen zum Durchleiten des durch den Abgasstrom zu erwärmenden Fluids (z.B. des Heizungswasser) zumindest auf ihrer Außenfläche mit dem Kunststoff (also z.B. mit PVDF) zu versehen; in üblicher Weise einzusetzenden Ausführungsformen enthalten dann in derartige Fluidleitungen bevorzugt eingebettete Gasdiffusionssperrschichten zur sauberen Trennung des Fluids vom Abgas, wobei sich für eine derartige Sperrschicht in der Leitung Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung bewährt hat.
In der praktischen Realisierung als besonders bedeutsam herausgestellt hat sich zudem eine Realisierungsform der Erfindung, bei welcher (bevorzugt im Rahmen der vorbeschriebenen Beispiele ausgebildete) Fluidleitungen senkrecht und wendelförmig innerhalb des typischerweise hohlzylindrischen Wärmetauschersbehälters verlaufen; eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades bzw. der Wärmetauscherwirkung lässt sich dadurch erreichen, dass eine Mehrzahl von (bevorzugt gewendelten) Fluidleitungen koaxial nebeneinander oder verschränkt ineinander geführt sind; Zweck ist es hier, den Druckverlust etwa bei direkter Einkopplung des Wärmetauschers in das Heizungssystem zu verhindern und, wie oben bereits dargelegt, durch gegen Sauerstoffdiffusion dichte Wärmetauscherleitungen (Rohre) eine Korrosionsgefahr für die Heizungsanlage zu minimieren.
Praktisch bedeutsam beim Einsatz einer Mehrzahl von gewendelten Fluidleitungen ist es dabei, deren vertikale bzw. Relativposition zueinander durch Distanz- bzw. Halteeinrichtungen sicherzustellen, welche, bevorzugt durch Einstecken bzw. Einführen zwischen die Wendeln, mit kammartigen Vorsprüngen bzw. Einschnitten für eine den Abgasfluss und die Wärmeübertragung optimierende Position der jeweiligen Rohrabschnitte im Behälter sorgen.
Ein auf die vorstehende Weise realisierte Wärmetauschervorrichtung kann dann in besonders einfacher und flexibler Weise, insbesondere auch im Wege der Nachrüstung, Heizungs- oder Motoranlagen nachgeschaltet werden, wobei der erfindungsgemäß verwendete Kunststoff eine Abgastemperatur des eintretenden Abgases bis etwa 200°C gestattet (so dass, etwa bei der Verwendung im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren aus dem Antriebsbereich, eine Verwendung des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers auf Niedriglastbreiche beschränkt sein könnte).
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, das sich bodenseitig im Behälter sammelnde flüssige Kondensat zumindest teilweise zur Rückführung in die Wärmetauschervorrichtung abzuziehen; die hierfür weiterbildungsgemäß vorgesehenen Kondensat-Abzugsmittel bewirken dann in.vorteilhafter Weise zwei wünschenswerte Effekte: Zum einen trägt das (üblicherweise mit einer ansonsten bekannten Düseneinheit eingespritzte) flüssige Kondensat dazu bei, dass sich das in den Wärmetauscher einströmende Rauchgas früher (d.h. höher relativ zum Boden des Behälters) niederschlägt und kondensiert, so dass insoweit die Kondensationsrate erhöht ist, gleichzeitig sorgt der aus eingesprühtem Kondensat erzeugte Sprühnebel für eine günstige Reinigung des einströmenden Gases von Staub bzw. anderen Rauchgaspartikeln (Ruß, Asche, aber auch Schwefelkomponenten od.dgl.), Gerade diese Feststoffe sammeln sich dann wiederum im Behälterboden (weiterbildungsgemäß ist dieser zu einem Kondensat-Sammelbecken mit entsprechender Kapazität bzw. auch Möglichkeiten zur regelmäßigen Entleerung weitergebildet), wobei dann die so effektiv aus dem Rauchgas ausgewaschenen (Fein-) Stäube einfach als Kondensatschlamm entsorgt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Realisierungsform der Erfindung hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, alternativ zu der Kondensat-Rückleitung und -Versprühung in den Wärmetauscher ein zusätzliches Fluid, etwa Frischwasser, in den Wärmetauscher einzusprühen. Auch hierdurch wird der beschriebene, vorteilhafte Wascheffekt des Rauchgases erreicht, darüber hinaus bewirkt eingesprühtes zusätzliches Fluid eine wirksame Reinigung des Behälter-Innenbereichs.
Im praktischen Gebrauch zeichnet sich gleichwohl eine derartige Wärmetauschervorrichtung durch herausragende Eigenschaften bei der Verbesserung der Energiebilanz aus; so lassen sich typischerweise zwischen 15 % und 20 % des jeweils im Rahmen der Heizungsanlage verfeuerten Energieträgers einsparen, wenn typischerweise das Abgas auf Temperaturen von unter 60°C abgekühlt wird und die so dem Abgas entzogene Heizenergie effektiv weiter verwendet werden kann.
Ein weiterer vorteilhafter Nebeneffekt ist die Wirkung des Wärmetauscherbehälters als Schalldämpfer (typische Dämpfungswerte von etwa 9dB lassen sich erzielen), so dass hierdurch auch zusätzliche Schalldämpfmaßnahmen oft überflüssig werden.
Der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zweigeteilte Behälter kann zudem (weiter bevorzugt ohne Werkzeug) einfach geöffnet und demontiert werden; das Behälterinnere steht dann für Reinigungsarbeiten zur Verfügung.
Während die Verwendung im Zusammenhang mit einer Heizungsanlage, und dort insbesondere einem Ölbrenner od.dgl., als besonders geeignete und bevorzugte Verwendungsform der vorliegenden Erfindung gelten kann, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. So hat es sich überraschend als günstig und bevorzugt herausgestellt, die Erfindung auch im Zusammenhang mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor einzusetzen, wobei hier prinzipiell dieselbe Problematik der aggressiven Kondensate im Abgasstrom entsteht. Zusätzlich führt jedoch das Kondensieren des Abgasstroms dazu, dass der während der Verbrennung zusätzlich entstehende Ruß (und dieses Problem ist gerade im Teillastbereich von Antriebsmotoren, etwa schweren Schiffsdieselmotoren, besonders drastisch, was dann zu Problemen mit Rußbelastung der Umwelt führt) im flüssigen Kondensat gelöst und mit diesem in ansonsten bekannter Weise zur Neutralisation oder Entsorgung bzw. zur dosierten Rückführung in den Verbrennungskreis ausgetragen werden kann.
Dieser vorteilhafte Effekt der Rauchgaswaschung ist jedoch nicht auf Verbrennungsmotoren beschränkt, so haben sich insbesondere auch Heizungsbrenner, welche Feststoffe (Holz, Pellets, Getreide o.ä.) verbrennen, als besonders staubanfällig und damit umweltbelastend herausgestellt; angesichts der jüngsten öffentlichen Diskussion erhält daher die Staubfilterung von Rauchgas eine zusätzliche Aktualität. Anstelle von aufwendigen Filterlösungen am oberen Kaminauslass wird nämlich im Rahmen der Erfindung durch den Wärmetauscher erreicht, dass mit der Kondensation des Rauchgases, und zusätzlich verbessert durch Rückführen und Einsprühen von Kondensat, ggf. ersetzt oder ergänzt durch zusätzliches eingesprühtes Fluid, die Rauchgasreinigung von Stäuben aller Art signifikant verbessert werden kann.
Im Ergebnis entsteht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in überraschend einfacher und eleganter Weise ein Weg, wie flexibel und einfach in der Herstellung eine belastbare und dauerhafte Wärmetauscherlösung selbst für sehr aggressive Abgaskondensate geschaffen werden kann, so dass auch Heizungsanlagen mit einem Feststoff- oder Ölheizungsbrenner die Vorteile der effektiven Abgaswärmerückführung mittels Wärmetauscher einfach und preisgünstig zugänglich werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
Fig. 1:
eine seitlich-perspektivische Schemaansicht der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2:
einen schematischen Längsschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1.
Ein Wärmetauscherbehälter 10 besteht aus einem eimerförmigen, einstückig aus PVDF gefertigten Bodenelement 12, welches einen Auslass 14 für abzuführendes Kondensat ausbildet. Mittels eines Ringflansches 15, einer Ringschelle od.dgl. lösbar mit dem Bodenelement 12 verbunden ist ein Aufsatzelement 16 aus rostfreiem Stahl, welches seitlich eine Eintrittsöffnung 18 für eintretendes Verbrennungsgas (s. Pfeilrichtung 19) anbietet, und zusätzlichen im oberen Bereich einen Durchbruch 20 durch einen planen Deckelabschnitt des Aufsatzelements für das Herausführen des abgekühlten Abgases (Pfeilrichtung 21) anbietet.
Weiterhin zeigt die Fig. 1, wie auf der Oberseite des Aufsatzelements 16 Anschlussaggregate 22, 24 für ein- bzw. abfließendes Kühlfluid (hier: Heizungswasser) angeordnet sind; in der gezeigten Konfiguration existieren drei parallel zueinander geführte und voneinander getrennte Fluidleitungen 26, 28, 30 zwischen den Aggregaten 22, 24.
Die seitliche Schnittansicht der Fig. 2 verdeutlicht im Detail die Anordnung und Wirkungsweise im Behälterinneren: Durch den Einlass 18 eintretendes Abgas, typischerweise einer Ölheizungsanlage, trifft auf ein (in den Figuren nicht gezeigtes) Abgasleitblech und wird in der durch die Pfeile gezeigten Weise abwärts in den Behälter geleitet; gleichzeitig sorgen die in Form einer ineinander verschachtelten, koaxialem Dreifachwendel angeordneten Fluidleitungen 26, 28, 30 dafür, dass sich das eintretende Gas kontinuierlich abkühlt, bis durch das Gas eingetragenes Kondensat an Innenwänden des Bodenelements 12 kondensiert (die typischerweise innerhalb des Aufsatzelements vorliegenden Abgastemperaturen bewirken noch keine Kondensation). Das Kondensat läuft dann an den jeweiligen Kondensations-Innenflächen des Bodenelements herab und sammelt sich im Bodenbereich, wo es durch den Auslass 14 ausgetragen wird. Zusätzlich (und in der Regel zum überwiegenden Teil) erfolgt eine Kondensation auf den Außenflächen der Leitungen 26 bis 30 (welche im Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispiels vorteilhaft ebenfalls aus PVDF gefertigt sind oder eine PVDF-Beschichtung aufweisen), sowie auf der Außenfläche eines Abgas- bzw. Auslassrohres 32, welches selbst wiederum bevorzugt und geeignet aus PVDF gefertigt ist; hieran schließen sich in ansonsten üblicher Weise weitere Abgasleitungen an. Durch das abtropfende Kondensat kommt es zu einem Selbstreinigungseffekt der inneren Oberflächen des Wärmetauschers.
Das im Bodenbereich des Bodenelements 12 gesammelte Kondensat kann somit nicht mit metallischen Elementen in Berührung kommen (kann somit keine Korrosion auslösen), ist schwermetallfrei und kann in ansonsten bekannter Weise neutralisiert und entsorgt werden.
In den Fig. nicht gezeigt ist eine Variante des Einlasses; statt, wie in Fig. 2 gezeigt, über ein Abgasleitblech nach frontalem Eintritt eingeleitet zu werden, ist es gemäß einer Variante der Erfindung möglich, das Gas seitlich einzuleiten und ggf. über bereits in das Aufsatzelement eingeformte Strömungsleitbereiche zu führen (dies ist insbesondere unter Gesichtspunkten der Strömungsoptimierung dann günstig, wenn der Aufsatzbereich, wie in einer Variante der Erfindung vorgesehen, als bevorzugt massives und gespritztes Kunststoffteil, etwa PVDF, realisiert ist).
In den Fig. nicht gezeigt ist ferner eine Variante und Weiterbildung der Erfindung, bei welcher der Behälter 12 im Bodenbereich ein Kondensat-Sammelbecken ausbildet, welches zum einen das bodenseitige Sammeln und Abziehen des Kondensats ermöglicht, ggf. den als Schlamm darin vorhandenen, aus dem Rauchgas ausgewaschenen Ruß-, Asche- oder anderen Feinstoffpartikeln. Gleichzeitig kann flüssiges, abgekühltes Kondensat nach oben in den Wärmetauscherbehälter zurückgeführt und dort wiederum eingesprüht werden, der doppelt vorteilhaften Wirkung, dass einerseits das Kondensieren zusätzlich einströmenden Gases vereinfacht wird, andererseits dieser Sprühnebel zur zusätzlichen Rauchgasreinigung beiträgt. Zusätzlich oder alternativ eignet sich zu diesem Zweck auch extern herangeführtes Fluid, z.B. Frischwasser.
Eine besonders elegante und interessante Weise, die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung vorteilhaft einzusetzen, liegt in der Verwendung zusammen mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor, typischerweise einem Schiffsdiesel. Hier wird speziell für einen (besonders rußanfälligen) Niedriglastbetrieb, wie er häufig im Bereich von Häfen im Anlegemanöverbetrieb zu beobachten ist, eine erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung in den Abgaskreis eingeschleift, wobei in der vorbeschriebenen Art auch wiederum das (in dem vorliegenden Niedriglastbereich eine typische obere Grenztemperatur von 200°C nicht überschreitende) Abgas in den Wärmetauscher eintritt, dort kondensiert und zusätzlich mit dem Kondensat das zu beseitigende Ruß gelöst und mit abgeführt wird. Im Ergebnis tritt dann nicht nur in thermisch optimierter Weise ein gekühlter Abgasstrom aus, auch ist dieser signifikant von Rußpartikeln befreit. Das (rußhaltige) Kondensat kann dann wiederum geeignet gesammelt und während späterer Betriebszyklen (typischerweise optimierten Volllastbetrieben) eines Schiffsmotors in vorsichtig dosierter Weise dem Verbrennungskreis rückgeführt werden, so dass insoweit dann auch eine rückstandslose Entsorgung des rußhaltigen Kondensats möglich ist. Besonders geeignet erfolgt das Einschleifen einer Wärmetauschervorrichtung im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels durch eine geeignete, motorlastabhängige Automatik. Durch diese Rückführung des gesammelten Kondensats (bzw. von gegebenenfalls zusätzlich oder, falls kein Kondensat mehr vorhanden ist, ausschließlich eingespritztem Wasser) kann die Leistung erhöht werden und gegebenenfalls Energie gespart werden.

Claims (16)

  1. Wärmetauschervorrichtung für die Restwärmenutzung von Gasen, insbesondere von Heizungs- und/oder Motorenabgasen, mit einem Behälter (12, 16) mit zumindest einer darin angeordneten Fluidleitung (26 bis 30) zum Durchleiten eines zu erwärmenden Fluids,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter zumindest in einem eine Kondensationsfläche für die Gase anbietenden unteren Bereich (12) auf der Behälterinnenseite eine Beschichtung aus Kunststoff aufweist und/oder in dem Bereich aus dem Kunststoff gebildet ist,
    wobei der Kunststoff gegen Kondensat der Gase beständig ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff PE, PP, PVC oder PVDF aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (26 bis 30) zumindest auf ihrer Außenfläche den Kunststoff aufweist und/oder eine eingebettete Gasdiffusionssperrschicht, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff zumindest bereichsweise vernetzt ist, vorzugsweise durch eine Bestrahlung, besonders vorzugsweise durch eine Bestrahlung mit γ-Strahlung vernetzt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter zweiteilig bestehend aus einem den unteren Bereich realisierenden Bodenelement (12) sowie einer darauf abnehmbar befestigbaren Aufsatzeinheit (16) realisiert ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufsatzeinheit aus dem Gegenkondensat beständigen Kunststoff gebildet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufsatzeinheit (16) einen Gaseinlass (18) sowie einen Fluidein- und -auslass (22, 24) für die mindestens eine Fluidleitung anbietet.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Fluidleitung (26, 28, 30) wendelförmig im Behälter gehalten ist und sich bevorzugt in axialer Richtung aufwärts erstreckt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine in den Behälter hineinragende Gasauslassleitung (32), welche bevorzugt aus dem Kunststoff gefertigt und/oder mit diesem beschichtet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter bodenseitig ein Kondensat-Sammelbecken aufweist und/oder ausbildet, das Kondensat-Abzugsmittel für ein bevorzugt kontinuierliches Abziehen und Rückführen einer vorbestimmten Kondensatmenge in die Wärmetauschervorrichtung aufweist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensat-Abzugsmittel zum Einspritzen der vorbestimmten Kondensatmenge in die Wärmetauschervorrichtung so ausgebildet sind, dass die eingespritzte Kondensatmenge Partikel von in die Wärmetauschervorrichtung einströmendem Gas bindet und/oder eine Kondensation des Gases erleichtert.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter Mittel zum Einsprühen eines zusätzlichen Fluides, insbesondere von Brauch- oder Frischwasser, aufweist, die so ausgebildet sind, dass das zusätzliche Fluid Partikel von in die Wärmetauschervorrichtung einströmendem Gas bindet und/oder eine Reinigung der Behälterinnenseite bewirkt.
  13. Verwendung der Wärmetauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Nachschalten hinter einen Heizungsbrenner zur Restwärmenutzung von Heizungsabgasen und/oder zur Rauchgasreinigung von Abgasen des Heizungsbrenners.
  14. Verwendung der Wärmetauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Nachschaltung hinter einen Antriebs-Verbrennungsmotor, insbesondere einen Schiffsmotor.
  15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei die Wärmetauschervorrichtung in einem vorbestimmten Lastbetrieb des Antriebs-Verbrennungsmotors, insbesondere einem Teillastbetrieb, selektiv in den Abgaskreis des Antriebs-Verbrennungsmotors eingeschleift werden kann.
  16. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, wobei Kondensat im Behälter der Wärmetauschervorrichtung in den Verbrennungskreislauf durch Rückführen in eine Treibstoffzufuhr für den Antriebs-Verbrennungsmotor eingebracht wird.
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