Der Hausschornstein als hocheffizienter Wärmetauscher

Projekttitel: Der Hausschornstein als hoch effizienter Wärmetauscher zwischen Abgas und Verbrennungsluft

Ideengeber*in: Werner Münz Weißdornweg 8 85375 Neufahrn

Potenzielle Projektpartner*innen

• Dr. Manfred Münz 39 Rue de la Haute Vienne 67470 Niederrödern France, Physiker
• Fabian Schaller Hombergstraße 18 a 45549 Sprockhövel, Student der Mathematik
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Abstract

Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Verbrennungsluft durch die Ermöglichung einer Wärme- und Stoffübertragung zwischen Abgas und Verbrennungsluft unter Nutzung der physikalischen Eigenschaften der Kondensation und Verdunstung. Kondensation und Verdunstung erhöhen die Wärmeübergangszahlen zwischen Abgas und Abgasrohr, sowie zwischen Abgasrohr und Verbrennungsluft. Die - bisher wohl ungenutzte - Verdunstung führt zu einer erheblichenVerbesserung des Wärmeübergangas auf der Verbrennungsluftseite. Die Wärmeübergangswiderstände verloeren an Bedeutung für den Wärmeaustausch. Die physikalischen Eigenschaften des Abgasrohres werden zur entscheidenden Einflußgröße.

Innovationsgrad

Der Wärmeaustausch zwischen Abgas und Verbrennungsluft ist seit langem bekannt. Dieser Wärmeaustausch lässt sich durch einen gezielten Stoffaustausch zwischen Abgas und Verbrennungsluft in Form der Überrtagung von Feuchtigkeit mittels Kondensation und Verdunstung beträchtlich erhöhen. Damit lassen sich erhebliche Einsparungen an Energie bei der Verbrennung von Brennstoffen erzielen. Ein gezielter Stoffaustausch zwischen Abgas und Verbrennungsluft wird bisher in der Praxis wohl nirgends verwendet. Ein solcher Wärmetauscher dürfte zumindest für den Schornsteinbereich eine Neuheit sein. Es müssen neue Abgasrohre entwickelt werden, da die bisher verwendeten Rohre für diesen Anwendungsfall eine zu hohe Dichtheit aufweisen. Die neuen Rohre müssen eine höhere Porosität besitzen, als die derzeit verwendeten Rohre. Poröse Rohre werden benötigt, weil sie den Durchtritt von Feuchtigkeit durch das Rohr und damit die Verdunstung auf der Außenseite erlauben. Poröse Rohre haben auch den Vorteil einer größeren Oberfläche als glatte Rohre, was sich auf die Kondensation und Verdunstung positiv auswirkt. Durch die Porosität läßt sich die Schnelligkeit des Feuchtigkeitsdurchgangs durch das Abgasrohr beeinfflussen. Der Feuchtigkeitstransport erhöht den Wärmeduchgang durch das Rohr, es wird die Isolationswirkung von Luftporen aufgehoben und die Feuchtigkeit transportiert ihren eigenen Wärmeinhalt von der warmen zur kalten Seite. Der Wärmetauscher erreicht seine beste Leistung im Winter bei kalten Außentemperaturen. Durch den Wärmeaustausch zwischen Abgas und im oberen Bereich kalter Außenluft besteht ein viel höheres Temperaturgefälle, als dies z. B. in einem Brennwertkessel zwischen Abgas und dem Rücklaufwasser der Heizung möglich ist. Durch den Wärmeaustausch mit Verbrennungsluft im Bereich unter0 °C kann Feuchtigkeit kondensieren, die in einem Brennwertkessel nicht kondensieren kann. Der Wärmetauscher ist im Anfahrzustand einer Feuerstätte besonders wirksam, da in diesem Fall das Abgasrohr ausgekühlt ist und besonders viel Feuchtigkeit kondensiert. Es besteht also bereits im Anfahrzustand ein sehr hoher Wärmetransport, der die Aufheizung des Abgasrohres vermindert. Wenn bei hohen Abgastemperaturen die Kondensation erst im oberen Teil des Schornsteins einsetzt, besteht die Tendenz, dass sich die Feuchtigkeit in porösen Rohren durch die Schwerkraft nach unten ausbreitet und durch die Abkühlung des Rohres den Kondensationsbereich nach unten erweitert. Die Zufuhr von Feuchtigkeit zur Verbrennungsluft erhöht die Feuchtigkeitsmenge in der Verbrennungsluft und diese wiederum die Feuchtigkeitsmenge im Abgas, was zu einem schelleren Einsetzen der Kondensation im Abgasrohr beiträgt. Es gibt hier also eine Vielzahl von Effekten, die noch einer genaueren Untersuchung bedürfen, die aber auch einen erheblichen Nutzen für die Allgemeinheit bewirken können, da Hausschornsteine ein weit verbreitetes Bauelement sind.

Welche Situation liegt aktuell wie vor?

Bisher wird der Wärmeaustausch zwischen Abgas und Verbrennungsluft nur in geringem Umfang praktisch genutzt, obwohl sich auch mit dem reinen Wärmeaustausch nicht unerhebliche Wärmegewinne erzielen lassen.

Welche Bedarfe und Lösungen (aktueller Stand der Wissenschaft und Technik) liegen bei welchen Marktteilnehmern*innen vor?

Die Abgasabführung über Dach ins Freie wird meist noch getrennt von der Verbrennungsluftzuführung zur Feuerstätte über Schornsteine vorgenommen. Dadurch wird eine wichtige Möglichkeit zur Energieeinsparung, die mit der Übertragung der Abgaswärme auf die Verbrennungsluft gegeben wäre, nicht genutzt. Im Grunde kann das gleiche Bauteil, das als Schornstein benötigt wird, gleichzeitig auch als Wärmetauscher eingesetzt werden.

Weshalb sind diese vorhandenen Lösungen nicht hinreichend genug?

Dadurch wird eine wichtige Möglichkeit zur Energieeinsparung, die mit der Übertragung der Abgaswärme auf die Verbrennungsluft gegeben wäre, nicht genutzt. So werden Ressourcen verschwendet.

Was ist der Fortschritt Ihrer Idee gegenüber dem Stand von Wissenschaft und Technik?

Die Wärmeübertragung kann gegenüber dem bisher üblichen Vorgehen erheblich gesteigert werden. Das führt zu erheblichen Einsparungsmöglichkeiten, eventuell auch zu einer Verbesserung der Verbrennungsgüte, da die Temperatur der Verbrennungsluft auch die Verbrennung beeinflusst, sowie möglicherweise auch zur Einsparung teurer Rohstoffe, wie zum Beispiel Edelstahl, da ein Teil des Wärmeaustauschs im Kessel auf den Wärmeaustausch im sowieso benötigten Schornstein verlagert werden kann.

Welche themenverwandten Standards, technische Regeln, Normenausschüsse, Gremien, Foren und Konsortien sind Ihnen bekannt bzw. existieren bereits?

En 1443, EN 13384 Der Verfasser hat über viele Jahre an diesen deutschen und Europäischen Normen mitgearbeitet und kennt die Schornsteinbranche aus jahrzehntelanger Tätigkeit.

Beschreibung der Vorarbeiten: Welche Vorarbeiten sind vor einer möglichen Standardisierung Ihrer Idee noch zu leisten und mit welchem zeitlichen Faktor rechnen Sie hierbei?

Der Kenntnisstand über die Mechanismen bei Kondensation  und Verdunstung in und an Abgasrohren muss verbessert werden. Die Abgasrohre müssen für die Wärme- und Stoffübertragung optimiert werden, Es müssen Rechenverfahren für die Wärme- und Stoffübertragung zwischen Abgas und Verbrennungsluft entwickelt werden, die es erlauben derartige Anlagen funktional richtig zu bemessen und konkrete Hinweise auf die gegebenen Einsparmöglichkeiten geben. Insbesondere könnte auch die Wärmeabgabe an die den Schornstein umgebenden bewohnten Räume als Nutzwärme ausgewiesen werden. Brenner und Heizkessel müssen auf die geänderte Zusammensetzung und die höhere Temperatur der Verbrennungsluft ausgerichtet werden. Wichtig wären auch besondere Überwachungseinrichtungen und Sensoren, die verhindern, dass der Wärmetauscher durch Verbrennungsrückstände verschmutzt wird.

Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Ihrer Idee und dem von Ihnen ausgewählten DIN-Connect Themenschwerpunkt?

Durch die Verbesserung der Wärmeübertragung lassen sich erhebliche Energiemengen einsparen. Ideen und Verfahren lassen sich weltweit nutzen, vor allem in Ländern in denen viel geheitzt werden muss,

Nutzen und Ziele

Welches Ziel verfolgen Sie mit Ihrer Idee?

Kenntnisstand verbessern, Ressourcen besser nutzen

Welchen Nutzen generiert Ihre Innovation für welche Zielgruppen?

Der Wärmetauscher ist überall dort einsetzbar, wo bisher Schornsteine genutzt werden. Er kann eventuell auch dort eingesetzt werden, wo viel Feuchtigkeit anfällt. Beim Austausch eines Heizkessels oder bei der Sanierung eines Schornsteins kann man mit wenig Aufwand den Schornstein zum Wärmetauscher umrüsten, indem man geeignete Abgasrohre einzieht. Das könnte auch generell der Heizungsbranche helfen.

Wer profitiert von Ihrer Idee und dem daraus entwickeltem Standard?

Die Schornsteinindustrie, wenn sie die Möglichkeiten erkennt und nutzt, Eventuell die Keramikindustrie, wenn sie geeignete Rohre liefern kann.

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Für Beratung interessierter Kreise

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Das DIN könnte mit einer Normung auf diesem Gebiet eine internationale Vorreiterrolle übernehmen.

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

bereits erläutert

Kompetenzen und Ressourcen

Standardisierungsscope/Anwendungsbereich