EP2530422A2

EP2530422A2 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermeidung von Ablagerungen an einem Wärmetauscher

Info

Publication number: EP2530422A2
Application number: EP12169053A
Authority: EP
Inventors: Soeren Pfitzer; Dietmar Steiner; Datong Wu; Pedro Da Silva
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-12-05
Also published as: EP2530422A3; DE102011108633A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Ablagerungen (A) an einem Wärmetauscher (10), der in einem Hauptströmungskanal (11) angeordnet ist. Durch den Hauptströmungskanal (11) ist ein Rauchgasstrom (R) leitbar. Dabei ist ein Wärmeübertrager (30) zwischen dem Wärmetauscher (10) und dem Hauptströmungskanal (11) angeordnet, sodass der Rauchgasstrom (R) keinen Kontakt zum Wärmetauscher (10) hat. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager (30) wenigstens einen Hohlraum (31) aufweist, der von einem Luftstrom (L) durchströmbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei dem eine solche Vorrichtung eingesetzt wird, wobei durch den Hauptströmungskanal (11) ein Rauchgasstrom (R) geleitet wird, und wobei der Hohlraum (31) von einem Luftstrom (L) durchströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Ablagerungen an einem Wärmetauscher, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird nach Anspruch 9.
Verbrennungsheizanlagen mit Wärmekraftmaschinen, die thermische Energie in mechanische Energie umwandeln, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden die gewöhnlich als externe Verbrennungsmotoren (z. B. ein Stirlingmotor) ausgebildeten Wärmekraftmaschinen zum Beispiel für (Mikro-) Kraftwärmekopplungsanwendungen (KWK-Anlagen) eingesetzt. Ein solcher externer Verbrennungsmotor lässt sich auch mit erneuerbaren Energien betreiben. Die Biomasse-Verbrennung (z. B. Pellet-Verbrennung) spielt hierbei eine wichtige Rolle.
Um thermische Energie zu nutzen und beispielsweise in mechanische Energie umzuwandeln, ist wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen, der in einem Strömungskanal von einem heißen Rauchgasstrom umströmt wird, wodurch eine Wärmeübertragung vom Rauchgasstrom auf den Wärmetauscher erfolgt.
Allgemein kann eine Wärmeübertragung mittels Konvektion, Wärmeleitung (Konduktion) und Wärmestrahlung (Radiation) erfolgen. Unter Konvektion ist ein Transport von erwärmten Teilchen von einer Wärmequelle (zum Beispiel ein Brenner) zu einer Wärmesenke (zum Beispiel ein Wärmetauscher) zu verstehen. Die Wärmeübertragungsleistung auf den Wärmetauscher ist sehr hoch. Zu einer Wärmeleitung kommt es aufgrund einer Temperaturdifferenz, die insbesondere durch Gitterschwingungen zu einem Wärmefluss innerhalb eines Materials ohne einen Transport von Teilchen führt. Sie kann nicht durch einen luftleeren Raum erfolgen, da hier keine Materiestrukturen oder Gitterstrukturen vorhanden sind. Wärmestrahlung (Flammstrahlung und Festkörperstrahlung) hingegen ist eine elektromagnetische Strahlung, die eine Wärmeübertragung durch Luft oder Vakuum erlaubt. Sie verlangt lediglich die Möglichkeit zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen.
Bei einer Verbrennung in einer Verbrennungseinrichtung, z. B. ein Brenner in einer Brennkammer, werden neben der Wärme unter anderem gasförmige und/oder staubförmige, organische oder anorganische Komponenten (mineralische Aerosole) aus dem Brennstoff freigesetzt, die gemeinsam mit dem Verbrennungsabgas den Rauchgasstrom bilden. An dem umströmten Wärmetauscher, der beispielsweise als Stirling-Erhitzerkopf ausgebildet sein kann, setzen sich diese Partikel ab, beispielsweise als K₂O, CaO, K₂SO₄, K₂CO₃. Aufgrund der Partikelablagerungen kann ein Verschmutzungsproblem am Wärmetauscher und infolgedessen eine verschlechterte Wärmeübertragung auftreten und der Wirkungsgrad des Wärmetauschers beziehungsweise der KWK-Anwendung kann nach kurzer Betriebszeit stark abnehmen. Besonders kritisch ist hierbei der Einsatz von Biomasse (z.B. Pellets) als Brennstoff, da diese vor allem bei einem Start und einem Stopp der Verbrennung (Brennerstart, Brennerstopp) sehr viele anorganische Partikel freisetzt.
Bei Geräten mit hoher Leistung, so zum Beispiel bei DE 10 2006 001 299 A1 , wird eine Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgasstroms so weit erhöht, dass Ablagerungen am Wärmetauscher reduziert werden. Dafür wird ein leistungsstarkes Gebläse eingesetzt, was zu einem hohen Eigen-Stromverbrauch der Verbrennungseinrichtung führt. Bei Geräten mit kleiner Leistung, z. B. etwa 1 kW, ist diese Lösung wegen des hohen Stromverbrauchs nicht wirtschaftlich praktikabel. Hinzu kommen Schwingungs- und Geräuschprobleme, wodurch Materialermüdungen auftreten können und die Lösung nicht für geräuschsensible Aufstellungsorte geeignet ist.
Andere Ausgestaltungen sehen eine indirekte Beheizung eines Wärmetauschers vor. Dafür wird ein Wärmeübertrager zwischen dem Wärmetauscher und dem Rauchgasstrom angeordnet ("zwischengeschaltet"). Die Wärmeübertragung von dem Rauchgasstrom auf den Wärmetauscher erfolgt dann ausschließlich über Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Es gibt keine direkte Berührung zwischen dem Rauchgas und dem Wärmetauscher, da der Rauchgasstrom vom Wärmetauscher getrennt ist, wodurch die Verschmutzung (Partikelablagerung) und Korrosion am Wärmetauscher verhindert werden kann. Ist die effektive Oberfläche des Wärmetauschers jedoch zu klein für die Wärmeübertragung, kann die Wärmeübertragungsleistung aufgrund des fehlenden konvektiven Wärmeübertragungsanteils zu gering sein. Dies hat zur Folge, dass der Wirkungsgrad gering ist, der sich aus der übertragenen Wärmemenge pro Brennstoffeinheit ergibt. Bei einem Einsatz eines solchen Wärmeübertragers in einer KWK-Anlage ist somit auch deren Wirkungsgrad gering, da im Verhältnis zur eingesetzten Brennstoffmenge nur wenig mechanische Energie erzeugt wird. Um den Wirkungsgrad auf ein Niveau zu steigern, das einer direkten Beheizung des Wärmetauschers, d.h. ohne zwischengeschalteten Wärmeübertrager, entspricht, sind deshalb große Oberflächen für die Wärmeübertragung vorzusehen, was große Bauteilabmessungen, hohen Materialverbrauch und hohe Kosten zur Folge hat.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermeidung von Ablagerungen an einem Wärmetauscher zu schaffen, das eine verbesserte Wärmeübertragung vom Rauchgasstrom auf einen indirekt beheizten Wärmetauscher ermöglicht, sodass der Wirkungsgrad trotz kompakter Abmessungen auf dem Niveau einer direkten Beheizung eines Wärmetauschers ohne Ablagerungen liegt. Dabei sollte die Erfindung eine hohe und dauerhafte Wärmeübertragung bei kleiner Baugröße ermöglichen, wenig kosten, sowie ökologisch und einfach umsetzbar sein. Zudem sollte die Lösung dazu geeignet sein, in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eingesetzt werden zu können, wobei auch deren Wirkungsgrad hoch sein sollte.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Ablagerungen an einem Wärmetauscher, der in einem Hauptströmungskanal angeordnet ist. Durch den Hauptströmungskanal ist ein Rauchgasstrom leitbar. Dabei ist ein Wärmeübertrager zwischen dem Wärmetauscher und dem Hauptströmungskanal angeordnet, sodass der Rauchgasstrom keinen Kontakt zum Wärmetauscher hat. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wärmeübertrager wenigstens einen Hohlraum aufweist, der von einem Luftstrom durchströmbar ist.
Unter einem "Wärmetauscher, der in einem Hauptströmungskanal angeordnet ist", ist ein Wärmetauscher zu verstehen, der ganz oder teilweise in dem Hauptströmungskanal angeordnet ist oder eine Begrenzung des Strömungskanals darstellt, beispielsweise indem der Wärmetauscher einen Abschnitt einer Strömungskanalwand bildet. Die Begriffe Rauchgas und Abgas werden hier und im Folgenden synonym verwendet.
Je nach Gestaltung des Wärmetauschers und des Hauptströmungskanals, kann der Wärmeübertrager beispielsweise flach sein oder den Wärmetauscher umfassen. Dabei kann auch ein weiterer Hohlraum zwischen dem Wärmetauscher und dem Wärmeübertrager ausgebildet sein. Solche Wärmeübertrager können auch als Strahlungsschirm bezeichnet werden. Der für den Wärmeübertrager notwendige Bauraum ist gering, wodurch die Baugröße der Einheit bestehend aus Wärmetauscher, Hauptströmungskanal und Wärmeübertrager gegenüber herkömmlichen Lösungen schrumpft. Dies trägt entscheidend zu geringen Kosten bei und ist zudem ökologisch sinnvoll. Weiterhin ist die Lösung auch dazu geeignet, in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eingesetzt werden zu können.
Der Rauchgasstrom kann beispielsweise in einer Verbrennungseinrichtung mit Brenner und Brennkammer erzeugt werden. In diese wird üblicherweise Brennstoff und Verbrennungsluft eingebracht und verbrannt. Die Verbrennungsflamme kann dabei bis in den Hauptströmungskanal mit dem Wärmetauscher reichen, muss dies jedoch nicht zwingend. Je nach Betriebszustand der Verbrennungseinrichtung führt der Rauchgasstrom dann unterschiedlich viele Partikel mit sich, die sich bei einer Verbrennungseinrichtung ohne Wärmeübertrager an einem Wärmetauscher ablagern können. Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager verhindert, wodurch sich eine dauerhafte und gleichbleibend hohe indirekte Wärmeübertragbarkeit vom Rauchgasstrom auf den Wärmetauscher ergibt.
Der Wärmeübertrager als solches ermöglicht eine Wärmeübertragung durch Strahlung vom Rauchgasstrom auf den Wärmetauscher. Es ist möglich, den Wärmeübertrager dabei mittels des Rauchgasstroms wenigstens teilweise, insbesondere dessen in den Hauptströmungskanal gerichtete Oberfläche, bis zum Glühen zu erwärmen. Bei einer solchen Erwärmung werden Ablagerungen am Wärmeübertrager verbrannt und dieser folglich gereinigt, bzw. bleibt dieser über sehr lange Betriebszeiträume sauber, da sich erst gar keine Ablagerungen an seiner Oberfläche bilden. Eine besonders hohe Bedeutung hat dieser Vorteil bei einem Einsatz von nachwachsenden und/oder festen Brennstoffen, die eine sehr hohe Anzahl an Partikeln im Rauchgasstrom verursachen können. Für eine maximale Wärmeübertragung sollte der Wärmeübertrager aus einem Material mit einer hohen Emissivität ausgebildet sein.
Zusätzlich wird eine Wärmeübertragung durch Konvektion erreicht, indem der Luftstrom durch den erfindungsgemäßen Hohlraum geleitet wird. Idealerweise geschieht dies im Gegenstrom zum Rauchgasstrom. Der Luftstrom ist dazu geeignet, Wärme vom Wärmeübertrager aufzunehmen und anschließend an den Wärmetauscher oder an näher am Wärmetauscher angeordnete Bauteile abzugeben. Dies erhöht die übertragene Wärmemenge vom Rauchgas auf den Wärmetauscher im Vergleich zu einer reinen Wärmeübertragung durch Strahlung. Dementsprechend wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Da der Luftstrom im Wesentlichen partikelfrei ist, kommt es nicht zu Ablagerungen am Wärmetauscher. Dabei erwärmt sich der Luftstrom in der Spitze annähernd auf die Temperatur des Rauchgasstroms.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmeübertrager und der Wärmetauscher derart angeordnet sind, dass ein Sekundärströmungskanal zwischen diesen ausgebildet ist, welcher vom Luftstrom durchströmbar ist.
Mittels dieses Sekundärströmungskanals ist es möglich, den Luftstrom unmittelbar am Wärmetauscher vorbeizuleiten, also direkt an beziehungsweise über die Wärmetauscheroberfläche zu leiten. Somit ist die konvektive Wärmeübertragung vom Luftstrom auf den Wärmetauscher maximiert. Die Wärmeübertragung durch Strahlung vom Wärmeübertrager auf den Wärmetauscher erfolgt dann über die gleiche Oberfläche des Wärmetauschers wie die konvektive Wärmeübertragung durch den Luftstrom. Der Bauraum einer solchen Lösung ist sehr klein und auch deren Kosten sind niedrig.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Hohlraum des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung des Luftstroms vor dem Sekundärströmungskanal angeordnet ist. Ein durch den Hohlraum geleiteter Luftstrom erwärmt sich hier zunächst durch Wärmeübertragung vom Wärmeübertrager und gibt anschließend im Sekundärströmungskanal Wärme an den Wärmetauscher ab. Im Sekundärströmungskanal kommt es dabei jedoch zusätzlich auch zu einer weiteren Wärmeübertragung vom Wärmeübertrager auf den Luftstrom. Durch Verwirbelungen im Sekundärströmungskanal kommt es hier zu einer starken Konvektion und dadurch zu einer hohen Wärmeübertragung auf den Wärmetauscher.
Eine zusätzliche Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmeübertrager und der Sekundärströmungskanal eine Vorwärmeinrichtung ausbilden, wodurch der Luftstrom erwärmbar ist. Dieser erwärmte Luftstrom kann auf verschiedene Weise dazu eingesetzt werden, um den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung oder einer Verbrennungsanlage zu steigern. So kann der Luftstrom beispielsweise in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt werden, wodurch keine kontinuierliche Ersterwärmung des Luftstroms erfolgen muss. Alternativ kann ein vorgewärmter Luftstrom auch als Verbrennungsluft eingesetzt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad einer Verbrennungsanlage steigern lässt.
Ergänzend besteht die Möglichkeit, dass ein Brenner und eine Brennkammer mit dem Hauptströmungskanal strömungsverbunden sind. Diese sind dazu geeignet einen Rauchgasstrom erzeugen. Durch die Auslegung der Komponenten zueinander, insbesondere der Komponenten zur Erzeugung des Rauchgasstroms und der Komponenten zur Wärmeübertragung vom Rauchgasstrom auf den Wärmetauscher, wird der Wirkungsgrad einer Gesamtanlage, z.B. einer KWK-Anlage, signifikant verbessert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmeübertrager mindestens eine einkanalige Rohrspirale (Rohrwendel) oder Schalenstruktur auf. Eine Rohrspirale lässt sich kostengünstig durch eine Wicklung herstellen. Damit auch bei thermischen Schwankungen keine Zwischenräume zwischen den Rohrwicklungen entstehen, können die einzelnen Wicklung durch ein Fügeverfahren verbunden sein, oder aber es wird beispielsweise ein Spannelement vorgesehen, welches die Wicklungen kraftbeaufschlagt zusammenhält. Eine solche Rohrspirale hat eine große Oberfläche zur Übertragung von Wärme. Außerdem sind scharfe Knicke nicht vorhanden, wodurch der Strömungswiderstand für den Luftstrom gering ist. Für dessen Erzeugung wird dementsprechend wenig Energie benötigt. Eine Schalenstruktur ist mit anderen Produktionsverfahren herstellbar, insbesondere durch Urformen und Umformen. Deshalb sind hiermit auch Wärmeübertrager mit komplexen Gestaltungen realisierbar. Sofern die zum Hauptströmungskanal ausgerichtete Seite einteilig ausgebildet ist, kommt es auch nicht zu Spalten durch thermische Spannungen, sodass der Rauchgasstrom zuverlässig und auf einfache Weise vom Wärmetauscher getrennt ist.
Besonders bevorzugt besteht der Wärmeübertrager im Wesentlichen aus Metall oder Keramik. Diese Materialien weisen eine hohe Emissivität auf, sodass eine hohe Wärmeübertragung bei kompakter Bauweise erreicht wird. Zudem sind diese Materialien robust gegenüber hohen thermischen Wechselbelastungen und können auf sehr hohe Temperaturen erwärmt werden, wodurch eine hohe Wärmestrahlung erreicht wird.
Eine übergeordnete Bedeutung kommt der Vorrichtung zu, wenn der Wärmetauscher Bestandteil einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist, mittels der thermische Energie in mechanische Energie umwandelbar ist. Gerade solche KWK-Anlagen haben häufig sehr lange Betriebszeiten pro Jahr. Schon kleine Vorteile im Wirkungsgrad haben dann einen erheblichen Einfluss auf den Brennstoffbedarf.
Solche KWK-Anlagen sind häufig als externe Verbrennungsmotoren ausgebildet, deren bekanntester Vertreter der Stirlingmotor ist. Der Wärmetauscher eines Stirlingmotors wird auch Stirling-Erhitzerkopf genannt. Sofern diese KWK-Anlagen als Blockheizkraftwerk betrieben werden, wird durch die erzeugte mechanische Energie Strom erzeugt. Durch die erfindungsgemäße Steigerung des Wirkungsgrads amortisieren sich die Anschaffungskosten eines solchen Blockheizkraftwerks wesentlich schneller.
Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren vor, bei dem eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird, wobei durch den Hauptströmungskanal ein Rauchgasstrom geleitet wird, und wobei der Hohlraum von einem Luftstrom durchströmt wird. Insbesondere kommt eine Vorrichtung zur Vermeidung von Ablagerungen an einem Wärmetauscher zum Einsatz, bei welcher der Wärmetauscher in einem Hauptströmungskanal angeordnet ist. Dabei ist ein Wärmeübertrager zwischen dem Wärmetauscher und dem Hauptströmungskanal angeordnet, sodass der Rauchgasstrom keinen Kontakt zum Wärmetauscher hat. Der Wärmeübertrager weist den Hohlraum auf, welcher vom Luftstrom durchströmt wird.
Der für den Wärmeübertrager notwendige Bauraum ist gering, wodurch die Baugröße der Einheit bestehend aus Wärmetauscher, Hauptströmungskanal und Wärmeübertrager klein ist. Dies trägt entscheidend zu geringen Kosten bei und ist ökologisch sinnvoll. Weiterhin ist die Lösung auch dazu geeignet, in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eingesetzt werden zu können.
Der Rauchgasstrom kann beispielsweise in einer Verbrennungseinrichtung mit Brenner und Brennkammer erzeugt werden. In diese wird üblicherweise Brennstoff und Verbrennungsluft eingebracht und der Brennstoff verbrannt. Die Verbrennungsflamme kann dabei bis in den Hauptströmungskanal mit dem Wärmetauscher reichen, muss dies jedoch nicht zwingend. Je nach Betriebszustand der Verbrennungseinrichtung und dem Brennstoff führt der Rauchgasstrom dann unterschiedlich viele Partikel mit sich, die sich an einem Wärmetauscher ohne trennenden Wärmeübertrager ablagern können. Erfindungsgemäß wird dies mit dem Wärmeübertrager verhindert, wodurch sich eine dauerhafte und gleichbleibend hohe indirekte Wärmeübertragbarkeit vom Rauchgasstrom auf den Wärmetauscher ergibt.
Der Wärmeübertrager als solches ermöglicht eine Wärmeübertragung durch Strahlung vom Rauchgasstrom auf den Wärmetauscher. Es ist möglich, den Wärmeübertrager dabei mittels des Rauchgasstroms bis zum Glühen zu erwärmen. Bei einer solchen Erwärmung werden Ablagerungen am Wärmeübertrager verbrannt und dieser folglich gereinigt, bzw. bleibt dieser über sehr lange Betriebszeiträume sauber. Eine besonders hohe Bedeutung hat dieser Vorteil bei einem Einsatz von nachwachsenden und festen Brennstoffen, die eine sehr hohe Anzahl an Partikeln im Rauchgasstrom verursachen können. Für eine maximale Wärmeübertragung sollte der Wärmeübertrager aus einem Material mit einer hohen Emissivität ausgebildet sein.
Zusätzlich wird eine Wärmeübertragung durch Konvektion erreicht, indem der Luftstrom durch den erfindungsgemäßen Hohlraum im Wärmeübertrager geleitet wird, idealerweise im Gegenstrom zum Rauchgasstrom. Der Luftstrom ist geeignet dazu, Wärme vom Wärmeübertrager aufzunehmen und anschließend an den Wärmetauscher oder an näher am Wärmetauscher angeordnete Bauteile (z.B. Wärmeleitrippen auf der Wärmetauscheroberfläche) abzugeben. Dies erhöht die vom Rauchgas auf den Wärmetauscher übertragene Wärmemenge im Vergleich zu einer reinen Wärmeübertragung durch Strahlung. Dementsprechend wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Luftstrom auf der Eingangsseite des Wärmeübertragers aus der Umgebungsluft entnommen und auf dessen Ausgangsseite in eine Brennkammer der Rauchgas erzeugenden Verbrennungseinrichtung geleitet. Hierdurch wird der Verbrennung erwärmte Luft zugeführt, wodurch der Wirkungsgrad der zur Brennkammer gehörenden Verbrennungsanlage verbessert wird. Es ist dabei möglich, den erwärmten Luftstrom in eine sekundäre Brennkammer der Brennkammer zu leiten, in der eine Nachverbrennung erfolgt. Auf diese Weise lassen sich Schadstoffemissionen (z. B. Kohlenmonoxidemissionen) durch eine vollständige Verbrennung reduzieren.
Eine andere Variante sieht vor, dass der Luftstrom auf der Eingangsseite des Wärmeübertragers aus einem Luftspeicher entnommen und auf dessen Ausgangsseite wieder in diesen hinein geleitet wird, wobei Luft aus dem Luftspeicher in die Brennkammer geleitet und dem Luftspeicher zum Ausgleich Umgebungsluft zugeführt wird. Ein solcher Luftspeicher gleicht die unterschiedlichen Luftbedarfe des Wärmeübertragers und der Brennkammer aus. Durch eine Vorwärmung des Luftstroms steigt der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers und durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft, die der Brennkammer. Idealerweise ist der Speicher so ausgelegt, dass zu keinem Betriebszeitpunkt erwärmte Luft an die Umgebung abgegeben wird.
Dabei kann die erwärmte Luft aus dem Luftspeicher in eine zweite Brennkammer der Brennkammer geführt werden, wo eine Nachverbrennung des Rauchgasstroms erfolgt. Zusätzlich könnte ein Teil des Rauchgasstroms, der bereits einmal den Wärmeübertrager passiert hat zurück in die Brennkammer geführt und dort nachverbrannt werden. Hierdurch werden sehr geringe Schadstoffemissionen realisiert.
Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in

Fig. 1: eine schematische Ansicht einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager, der eine Rohrspirale aufweist; und
Fig. 2: eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer Einbausituation, der eine Schalenstruktur aufweist.

Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher 10, der in einem Hauptströmungskanal 11 angeordnet ist. Durch letzteren ist ein Rauchgasstrom R leitbar. Dabei ist ein Wärmeübertrager 30 zwischen dem Wärmetauscher 10 und dem Hauptströmungskanal 11 angeordnet, insbesondere umfasst / umgibt der Wärmeübertrager 30 den Wärmetauscher 10. Der Rauchgasstrom R hat somit keinen Kontakt zum Wärmetauscher 10. Weiterhin hat der Wärmeübertrager 30 einen Hohlraum 31, der von einem Luftstrom L durchströmbar ist. Insbesondere weist der Wärmeübertrager 30 eine einkanalige Rohrspirale 35 mit einer Eingangsseite 33 und einer Ausgangsseite 34 auf, deren Inneres den Hohlraum 31 ausbildet. Bevorzugt besteht ein solcher Wärmeübertrager 30 aus Metall oder Keramik. Durch den Wärmeübertrager 30 werden zuverlässig Ablagerungen A am Wärmetauscher 10, wie sie bei einer direkten Beheizung auftreten können, verhindert.
Der Wärmeübertrager 30 und der Wärmetauscher 10 sind derart angeordnet, dass ein Sekundärströmungskanal 32 zwischen diesen ausgebildet ist, welcher ebenfalls vom Luftstrom L durchströmbar ist. Dabei ist der Hohlraum 31 des Wärmeübertragers 30 in Strömungsrichtung des Luftstroms L vor dem Sekundärströmungskanal 32 angeordnet. Auf diese Weise bilden der Wärmeübertrager 30 und der Sekundärströmungskanal 32 eine Vorwärmeinrichtung 50 aus, wodurch der Luftstrom L erwärmbar ist.
Wie in der Figur 1 weiter erkennbar, ist der Wärmetauscher 10 Bestandteil einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage 100, mittels der thermische Energie in mechanische Energie umwandelbar ist. Insbesondere gehört der Wärmetauscher 10 zu einem externen Verbrennungsmotor 110, bzw. zu einem Stirlingmotor 120. Somit ist der Wärmetauscher 10 ein sogenannter Stirling-Erhitzerkopf 121.
In Strömungsrichtung des Rauchgasstroms R vor dem Wärmetauscher 10 ist eine Verbrennungseinrichtung 19 angeordnet. Diese besteht aus einem Brenner und zwei Brennkammern 20, insbesondere einer primären Brennkammer 21 und einer sekundären Brennkammer 22. Die primäre Brennkammer 21 ist mit der sekundären Brennkammer 22 und letztere mit dem Hauptströmungskanal 11 strömungsverbunden.
In beide Brennkammern 21, 22 wird Verbrennungsluft V eingebracht. Die in die primäre Brennkammer 21 eingebrachte primäre Verbrennungsluft V1 wird mit Brennstoff B verbrannt. Mittels der in die sekundäre Brennkammer 22 eingebrachten sekundären Verbrennungsluft V2 wird eine Nachverbrennung des aus der primären Brennkammer 21 strömenden Rauchgases R vorgenommen. Eine solche Nachverbrennung ist in der Regel erst möglich, wenn der Rauchgasstrom R, welcher aus der primären Rauchkammer 21 in die sekundäre Brennkammer 22 strömt, heiß genug ist. Bei einem Brennerstart enthält der Rauchgasstrom R im Strömungskanal 11 daher solange eine hohe Anzahl an Partikeln P, bis die Nachverbrennung in der sekundären Brennkammer 22 stabil abläuft. Der Rauchgasstrom R mit den Partikeln P strömt dann im Hauptströmungskanal 11 vorbei am Wärmeübertrager 30. Dabei überträgt er Wärme auf den Wärmeübertrager 30 und verlässt den Hauptströmungskanal 11 anschließend abgekühlt in die Umgebung.
Gleichzeitig strömt der Luftstrom L, erzeugt durch einen Strömungserzeuger 40, im Gegenstrom zum Rauchgasstrom R von der Eingangsseite 33 des Wärmeübertragers 30 durch den von der Rohrspirale 35 ausgebildeten Hohlraum 31 bis zur Ausgangsseite 34 des Wärmeübertragers 30. Dabei nimmt der Luftstrom L Wärme vom Wärmeübertrager 30 auf und gibt bereits einen Teil der Wärme auf der zum Wärmetauscher 10 zeigenden Seite des Wärmeübertragers 30 wieder an den Wärmetauscher 10 ab.
An der Ausgangsseite 34 wird der Luftstrom L dann in den Sekundärströmungskanal 32 umgelenkt, wo er im Gleichstrom zum Rauchgasstrom R den Wärmetauscher 10 umströmt. An letzteren gibt der Luftstrom dann durch Wärmestrahlung und Konvektion Wärme ab. Gleichzeitig nimmt er im Sekundärströmungskanal 32 auch Wärme vom Wärmeübertrager 30 auf. Nach dem Verlassen des Sekundärströmungskanals 32 wird der nicht vollständig abgekühlte Luftstrom L dann in einen Luftspeicher 60 geführt, aus dem auch die Luft für den Luftstrom L entnommen wird. Zusätzlich wird Luft S aus dem Luftspeicher 60 in die Brennkammer 20, insbesondere in die sekundäre Brennkammer 22, geleitet und dem Luftspeicher 60 zum Ausgleich Umgebungsluft U zugeführt.
Fig. 2 beschreibt einen Wärmetauscher 10, der in einem Hauptströmungskanal 11 angeordnet ist. Durch letzteren ist ein Rauchgasstrom R leitbar. Dabei ist ein Wärmeübertrager 30 zwischen dem Wärmetauscher 10 und dem Hauptströmungskanal 11 angeordnet, insbesondere umfasst / umgibt der Wärmeübertrager 30 den Wärmetauscher 10. Der Rauchgasstrom R hat somit keinen direkten Kontakt zum Wärmetauscher 10. Weiterhin hat der Wärmeübertrager 30 einen Hohlraum 31, der von einem Luftstrom L durchströmbar ist. Insbesondere weist der Wärmeübertrager 30 eine einkanalige Schalenstruktur 36 mit einer Eingansseite 33 und einer Ausgangsseite 34 auf, deren Inneres den Hohlraum 31 ausbildet. Bevorzugt besteht ein solcher Wärmeübertrager 30 aus Metall oder Keramik.
Der Wärmeübertrager 30 und der Wärmetauscher 10 sind derart angeordnet, dass ein Sekundärströmungskanal 32 zwischen diesen ausgebildet ist, welcher ebenfalls vom Luftstrom L durchströmbar ist. Dabei ist der Hohlraum 31 des Wärmeübertragers 30 in Strömungsrichtung des Luftstroms L vor dem Sekundärströmungskanal 32 angeordnet. Auf diese Weise bilden der Wärmeübertrager 30 und der Sekundärströmungskanal 32 eine Vorwärmeinrichtung 50 aus, wodurch der Luftstrom L erwärmbar ist.
Wie in der Figur 2 weiter erkennbar, ist der Wärmetauscher 10 ein sogenannter Stirling-Erhitzerkopf 121.
Der Rauchgasstrom R mit Partikeln P strömt im Hauptströmungskanal 11 vorbei am Wärmeübertrager 30. Dabei überträgt er Wärme auf den Wärmeübertrager 30 und verlässt den Hauptströmungskanal 11 anschließend mit geringer Temperatur in die Umgebung.
Gleichzeitig strömt der Luftstrom L, erzeugt durch einen Strömungserzeuger 40, im Gegenstrom zum Rauchgasstrom R von der Eingangsseite 33 des Wärmeübertragers 30 durch den von der Schalenstruktur 36 ausgebildeten Hohlraum 31 bis zur Ausgangsseite 34 des Wärmeübertragers 30. Dabei nimmt der Luftstrom Wärme vom Wärmeübertrager 30 auf und gibt bereits einen Teil der Wärme auf der zum Wärmetauscher 10 zeigenden Seite des Wärmeübertragers 30 an den Wärmetauscher 10 ab. An der Ausgangsseite 34 wird der Luftstrom L dann in den Sekundärströmungskanal 32 umgelenkt, wo er im Gleichstrom zum Rauchgasstrom R den Wärmetauscher 10 umströmt. An letzteren gibt er dann durch Wärmestrahlung und Konvektion Wärme ab. Gleichzeitig nimmt er im Sekundärströmungskanal 32 auch Wärme vom Wärmeübertrager 30 auf. Anschließend verlässt der Luftstrom L den Sekundärströmungskanal 32.

Bezugszeichenliste

A: Ablagerung
B: Brennstoff

L: Luftstrom

P: Partikel
R: Rauchgasstrom

S: Luft im Luftspeicher
U: Umgebungsluft

V: Verbrennungsluft
V1: primäre Verbrennungsluft
V2: sekundäre Verbrennungsluft

10: Wärmetauscher
11: Hauptströmungskanal

19: Verbrennungseinrichtung
20: Brennkammer
21: primäre Brennkammer
22: sekundäre Brennkammer

30: Wärmeübertrager
31: Hohlraum
32: Sekundärströmungskanal
33: Eingangsseite
34: Ausgangsseite
35: Rohrspirale
36: Schalenstruktur

40: Strömungserzeuger

50: Vorwärmeinrichtung

60: Luftspeicher

100: Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
110: externer Verbrennungsmotor
120: Stirlingmotor
121: Stirling-Erhitzerkopf

Claims

Vorrichtung zur Vermeidung von Ablagerungen (A) an einem Wärmetauscher (10), der in einem Hauptströmungskanal (11) angeordnet ist, durch den ein Rauchgasstrom (R) leitbar ist, wobei ein Wärmeübertrager (30) zwischen dem Wärmetauscher (10) und dem Hauptströmungskanal (11) angeordnet ist, sodass der Rauchgasstrom (R) keinen Kontakt zum Wärmetauscher (10) hat,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) wenigstens einen Hohlraum (31) aufweist, der von einem Luftstrom (L) durchströmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) und der Wärmetauscher (10) derart angeordnet sind, dass ein Sekundärströmungskanal (32) zwischen diesen ausgebildet ist, welcher vom Luftstrom (L) durchströmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (31) des Wärmeübertragers (30) in Strömungsrichtung des Luftstroms (L) vor dem Sekundärströmungskanal (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) und der Sekundärströmungskanal (32) eine Vorwärmeinrichtung (50) ausbilden, wodurch der Luftstrom (L) erwärmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner und/oder eine Brennkammer (20) mit dem Hauptströmungskanal (11) strömungsverbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) eine mindestens einkanalige Rohrspirale (35) oder eine mindestens einkanalige Schalenstruktur (36) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (30) im Wesentlichen aus Metall oder Keramik besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) Bestandteil einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (100) ist, mittels der thermische Energie in mechanische Energie umwandelbar ist.
Verfahren,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingesetzt wird, wobei durch den Hauptströmungskanal (11) ein Rauchgasstrom (R) geleitet wird, und wobei der Hohlraum (31) von einem Luftstrom (L) durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom (L) auf der Eingangsseite (33) des Wärmeübertragers (30) aus Umgebungsluft (U) entnommen und auf dessen Ausgangsseite (34) zu einem Brenner und/oder in eine Brennkammer (20, 21, 22) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom (L) auf der Eingangsseite (33) des Wärmeübertragers (30) aus einem Luftspeicher (60) entnommen und auf dessen Ausgangsseite (34) wieder in diesen hinein geleitet wird, wobei Luft (S) aus dem Luftspeicher (60) zu einem Brenner und/oder in eine Brennkammer (20, 21, 22) geleitet und dem Luftspeicher (60) zum Ausgleich Umgebungsluft (U) zugeführt wird.