Bau eines Wärmetauscher für den Kaminofen.
aktualisiert am 04.09.2006.
Ich empfehle dringend erst diese SICHERHEITSHINWEISE zu lesen !
Das hier beschriebene System ist genau auf meine Bedürfnisse bzw. Gegebenheiten zugeschnitten ist. Bei anderen Häusern (Niedrigenergiehaus) oder anderen Heizungssystemen muss unter Umständen eine ganz andere Technik eingesetzt werden.
Die Einbindung eines Kaminofen in das Heizungsystem habe ich in drei Bereiche eingeteilt:
- Bau eines Wärmetauscher in den Kaminofen
- Einbindung in das Heizungsystem
- Anschluß an den Brenner
Bevor ich aber zum eigentlichen Wärmetauscher komme, möchte ich mit einigen Vorurteilen aufräumen.
Ich bin kein ausgemachter Ofen-Experte, aber aufgrund der gemachten Erfahrungen denke ich damit richtig zu liegen.
Viele glauben, einen Wärmetauscher in die offene Flamme oder in den Abzug einzubauen würde eine optimale
Energieausbeute bringen.
Ich rate auf folgenden Gründen dringend davon ab:
Bei dem hier beschriebene Wärmetauscher handelt es sich um einen Rohschlangenwärmetauscher auf bzw. an der Brennkammer.
Mein Ziel war es, einem überdimensionerten Ofen mit 8 KW soviel Wärme zu entziehen, daß die Temperaturen in
Ofennähe erträglich wurden und die entzogene Energie in den Heizungskreislauf einzubringen.
Es bringt nicht viel Energiegewinn, wenn der Ofen mit Rohren zugepflastert wird. Vielmehr kommt es darauf an,
daß ein sehr guter Wärmeübergang vom Ofen zum Tauscher besteht! Ist dieses Gewährleistet, kann die Energieausbeute
sehr hoch sein. Bei einem Wärmetauscher auf der Außenhaut einer Brennkammer kommt es fast ausschließlich auf die gute mechnische Verbindung an.
Sehen wir uns das Gefrierfach eines Kühlschrank an. Die Rohre der Kühleinheit sind in die Wände eingepresst und geben
die Kälte nicht direkt sondern über die Wände ab bzw. entziehen die Wärme über diese Wände.
Eine offenliegendes Kühlschlange hätte nicht ansatzweise diesen Wirkungsgrad.
Bei einem Kaminofen verhält es sich nicht anders. Sobald eine gute mechanische und damit thermische Verbindung
zwischen Ofen und Wärmetauscher erziehlt wird, kann fast die gesamte Oberfläche, auf der der Tausche befestigt ist,
als Tauscherfläche betrachtet werden ! Und ein Kaminofen stellt aufgrund seiner Masse einen riesigen Energiespeicher dar.
Nun ein bisschen Mathematik (um keine Enttäuschung zu erleben)
Wird bei einem Kaminofen die Leistung von 8 KW angegeben, so handelt es sich um 8 KW Peak (Spitzenleistung).
Diese wird nur erreicht, wenn der Ofen auch mit max. Leistung gefahren wird. Mit einem Brikett ist das nicht zu erreichen !
Vom Wärmetauscher erhoffe ich mir eine Leistung von ca. 60 %, so kann ich dem Ofen 4,8 KW Wärme entziehen.
Aber vorsicht, das sind 4,8 KW Peak ! Diese Leistung steht nicht kontinuirlich an.
Nun addiere ich die KW-Leistung der 15 angeschlossenen Heizkörper und bekomme als Ergebnis einen Wert von rund 14 KW.
Man muss kein Mathematiker sein, um auf einem Blick zu sehen, daß der Heizkreislauf niemals richtig warm werden kann.
Muss aber auch nicht sein. In der Übergangszeit drehe ich ca. zwei Drittel der Heizkörper ab und komme so auf rund 4,6 KW Energiebedarf.
Die Heizkörper im Wohnzimmer, in dem der Kaminofen steht, können grundsätzlich aus sein, Schlafzimmer, Flur usw. werden bei uns
nur im bitter kalten Winter etwas geöffnet.
Dann habe ich ja noch den Kaminofen selbst, der trotz Tauscher immer noch jede Menge Wärme abstrahlt.
Das ist auch sehr wichtig !
Die entzogene Wärme aus dem Kaminofen soll an die Stellen, wo sie auch benötigt wird, also zu den Heizkörpern.
Fast alle Anlagen, die ich bisher gesehen habe, waren schlecht isoliert oder die Isolierung fehlt ganz.
Es gehen ohne Isolierung ca. 40 - 50 % der Wärme verloren !
Von den oben erwarteten 4,6 KW bleiben ohne Isolierung nur noch knapp 2,5 KW übrig. Das mit der geringen Leistung kein
Heizkörper richtig warm werden kann, sollte klar sein.
Alle meine Rohre habe ich mit Solarkautschuk (auch unter der Bezeichnung ARMAFLEX) isoliert. Kein billiges Material, aber
eine lohnenswerte Investition.
Ohne Steuerung geht es nicht
Immer wieder erhalte ich Anfragen, wie man einen Wärmetauscher in ein Heizungssystem einbinden kann, ohne eine Steuerung einsetzten zu müssen.
Das geht nicht, es sind einfach zuviele Parameter zu berücksichtigen!
- Tauscher Einschaltpunkt, ohne und mit Primärbrenner
- Tauscher Ausschaltpunkt, ohne und mit Primärbrenner
- Drehzahlregeleung der Pumpe
- Notüberwachung bei Übertemperatur, wenn der Primärbrenner arbeitet
- usw.
Ist als Beispiel die Tauschervorlauftemperatur auf 42 Grad C eingestellt und der Primärbrenner nicht in Betrieb,
läuft das System ohne Probleme. Nun schaltet das Raumthermostat oder die Heizungssteuerung der Primärbrenner zu und
stellt eine Vorlauftemperatur von ca. 50 Grad C ein. In diesem Falle heizt der Primärbrenner der Kaminofen bzw. bringt
kälteres Wasser in den Kreislauf ! Aber das soll ja gerade nicht der Fall sein.
Hier muss die Steuerung eingreifen und den Tauscher erst dann zuschalten, wenn der Sollvorlauf des Primärbrenner erreicht wurde.
Das ist kein großes regelungstechnisches Problem, aber es muss gemacht werden.
Es gibt einfach zuviel Parameter, die in einem solchen System überwacht werden müssen......
genug der Theorie.....
Bau eines Wärmetauscher
Zum Zeitpunkt der Anschaffung dachte ich noch nicht im Traum daran, den Kaminofen in das Heizungsystem einzubinden. Der Ofen wurde ausschließlich nach Form und Aussehen angeschafft. Außerdem sollte er eine große Brennkammer haben um sicher zu stellen, daß der Ofen auch mal über Nacht durchbrennt. So wurde ein Ofen angeschafft, der mit einer Leistung von 8 KW absolut überdimensioniert ist.Schnell stellte sich heraus, daß es problematisch ist, die Temperatur des Ofen so zu regeln um eine gleichmäßige, erträgliche Temperatur zu erreichen. Es braucht viel Erfahrung bzgl. der eingesetzten Brennholzsorten und Einstellung der Klappen um den Ofen am unteren Temperaturbereich zu halten. Ich überlegte mir schon eine elektronische Klappensteuerung mittels eine Servostellers um eine gleichmäßige und vor allem erträgliche Raumtemperatur zu erreichen. Allerding werde ich diese Idee auch wieder aufgreifen, denn so kann ich noch ein paar Funktionen, wie "Nachtbetrieb" und "Dauerbrand" realisieren.
Bei der letzten Reinigung des Ofens und der Abzüge viel mir auf, daß zwischen der eigentlichen Brennkammer
und der Außenwand ein Strahlblech eingebaut war um zu verhindern, daß die Außenhaut des Ofens zu heiss wird.
Nachdem ich dann auch noch die Schrauben der Oberplatte entdeckte, die mit schwarzer Farbe
überpinselt waren und die Platte entfernen konnte, hatte ich sofort die Idee, eine Art "Kühlschlange"
oder auch "Wärmetauscher" in diese sogenannten "Taschen" einzubauen um die überschüssige Energie
in den Heizungskreislauf einzubringen.
Auf dem Foto ist schön zu erkennen, wie das Strahlbech mit den Abstandsblechen die "Taschen" für den
Wärmetauscher bilden. Der Abstand des Strahlbleches zur Brennkammer beträgt 21 mm !
Dann ging es sehr schnell. Besuch beim Baumarkt, Kupferrohre mit 22 mm Durchmesser, Kupferwinkel und Bögen kaufen,
Acytelen, Sauerstoff, Zollstock; die Terrasse wurde in eine Werkstatt verwandelt.
Bei Auswahl des Durchmessers der Kupferrohre habe ich darauf geachtet, daß diese etwas größer sind und
nur mit Nachformen soeben zwischen Brennkammer und Strahlwand passen um einen möglichst guten Wärmeübergang zu haben.
Mit einem großen Schraubstock habe ich die Rohre etwas oval geformt und so die Berührungsfläche noch vergrößert.
Außerdem habe ich nicht 22mm-Bögen sondern 18mm-Bögen eingesetzt und diese IN das Rohr eingesetzt.
Die 22 mm Bögen hätten verhindert, daß das Rohr selbst Berührung mit der Brennkammer bzw. der Strahlwand hätte,
sondern nur der Überwurf der Bögen die Wände berührt und so ein schlechten Wärmeübergang am Rohr selbst erreicht worden wäre.
Auf Grund der engen Radien mussten die Bögen gekürzt und auf "Stoß" verlötet werden,
welches aber mit etwas Geschick kein Problem darstellt.
Der Rest war nur noch Fleißarbeit.....
Einige Arbeiststunden später ist der Tauscher dann soweit fertig. Volumen ca. 5 Liter, was voll und ganz ausreicht.
Nun musste ich meine Schweiß- bzw Lötkünste prüfen. Das Heizsystem, in das der Tauscher eingebunden wird arbeitet
normalerweise mit ca. 1,5 Bar. Einer Druckprüfung von 8 Bar muss das ganze schon aushalten. Allein schon die Tatsache,
daß der Ausbau wegen einer undichten Stelle eine echte Strafarbeit wäre, hat mich zu einer umfangreichen Druckprüfung
schreiten lassen. Hierzu eignet sich ein ganz normaler Wasseranschluß. Wasserschlauch mit Schlauchklemmen anschließen,
das Ende abdichten und dann den Wasserhahn aufdrehen. Eine Stunde habe ich den Druck anstehen lassen. Es war alles dicht !
jetzt erfolgt der Einbau...
Man kann sich vorstellen, daß dieses nicht so einfach ist, denn die Rohre sollen einen möglichst guten Wärmeübergang
zur Wandung haben und müssen deshalb mit viel Kraft in die Taschen eingepresst werden.
Einige kurze Kanthölzer, ein schwerer Hammer und ganz langsam wurde der Tauscher in den Ofen eingetrieben.
Geschafft !
Nach ca. 20 Minuten war der Tauscher eingebaut und er passte hervorragend !
Durch die sogenannten Taschen, hat der Tauscher sehr guten "Körperkontakt" zum Ofen. Auf der Oberseite muss
nachgeholfen werden. Dazu habe ich die Rohre an mehreren Punkten mit Metallschellen auf der Oberplatte verbunden,
indem ich 5 mm Gewindelöscher zur Befestigung gebohrt habe.
Auch hier ist auf guten Wärmeübergang zu achten. Die Stellen sollten vor dem Verschrauben sauber sein !
So kann ich einen guten Wärmeübergang an allen Stellen sicherstellen.
Zum Schluß müssen die Anschlüsse, ein Entlüfter und eine Halterung für den Temperaturfühler angebracht werden.
Als Temperaturfühler setzte ich grundsätzlich PT 1000-Fühler ein, da diese sehr robust und sehr genau sind.
Nachteilig ist allerdings der hohe Preis, aber die hervorrangende Genauigkeit und Linearität des PT 1000 trösten darüber hinweg.
Der Temperaturfühler sollte möglichst an der obersten Stelle der Vorlaufes angebracht sein. Dieser Punkt bestimmt im Betrieb
die Ein- bzw. Ausschaltpunkte des Kaminofens. Denn bekanntlich ist die oberstes Stelle auch immer die wärmste Stelle.
Bei der Durchführung der Rohre nach außen habe ich wohl geschlafen. Besser wäre es, wenn ich die Rohre links
anstatt in der Mitte herausgeführt hätte. Um nicht die Reinigungsöffnung zu verbauen, musste ich einiges Basteln und Biegen......
Der Wärmetauscher wird mittels 3/4 Zoll-Anschlüsse über einen Flexschlauch, der bis 120 °C zugelassen ist,
an das Heizsystem angeschlossen.
Die Flexschläuche erlauben das Verschieben des Ofens, ohne das sich gleich alle Rohre verbiegen.
Tja, das was dann auch schon. Zumindest was den Wärmetauschr betritt. Es fehlt noch etwas schwarze Ofenfarbe,
und die Ofenplatte muss noch drauf. Meine Frau freut sich, daß sie endlich wieder ein Wohnzimmer ohne Werkzeugkisten
und Kupferrohre hat.
Zum Schluß das Bild eines Temperaturfühlers vom Typ PT 1000. Für die Messung der Vor- und Rücklauftemperatur
habe ich den Messfühler einfach mit einer Schlauchschelle am Rohr befestigt und dann mit Armafelx isoliert.
Für das Foto habe ich die Isolierung natürlich entfernt.
Als nächstes folgt nun die Einbindung in das Heizungsystem,
danach gehe ich auf die Steuer- und Regeltechnik ein.
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