Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Heizkesselanlage mit einem dem Feuerraum nachgeschalteten Wärmeaustauscher, wobei die effektive Wärmeaustauscherfläche der Brennerleistung angepaßt wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb einer Heizkesselanlage.
In herkömmlichen Heizkesselanlagen werden im großen Umfang Ölbrenner eingesetzt. Konventionelle Ölbrenner mittlerer Leistung zerstäuben dabei das Heizöl mit Hilfe einer Düse und verbrennen es bei Luftüberschuß, um die Rußbildung niedrig zu halten. Die Zerstäubungsbrennerleistung kann aber nur sehr schwer und nur in engen Grenzen kontinuierlich gesteuert werden. Aus diesem Grunde werden Zerstäubungsbrenner für Heizkesselanlagen intermittierend betrieben, so daß der Leistungsmittelwert dem Wärmeleistungsbedarf entspricht. Infolge des Intervallbetriebes schwanken aber die Kesselwasser-und auch die Gastemperatur im Feuerraum, im Wärmeaustauscher, in der Abgasleitung und/ oder im Kamin, was sehr unerwünscht ist. Größere Schwankungen in der Abgastemperatur sollen nämlich insbesondere deshalb vermieden werden, weil bei hohen Temperaturen nicht unbeträchtliche Energieverluste auftreten und weil bei tiefen Temperaturen die Gefahr besteht, daß der Säuretaupunkt unterschritten wird und es zu Korrosionserscheinungen kommt.
Aus der DE-C-661 629 ist es bekannt, die Heizfläche eines Heizkessels entsprechend dem Wärmebedarf in ihrer Größe zu ändern. Dazu dient ein Heizkessel mit zwei wahlweise durch ein Verstellglied einschaltbaren, den Wasserraum durchdringenden Steigzügen mit verschiedenen großen Heizflächen. Hierbei wird nun die Größe der Inanspruchnahme der Heizfläche einem unterschiedlichen Wärmebedarf in den Grenzfällen des kleinsten und größten Wärmebedarfs in der Weise angepaßt, daß der Zug mit der größeren Heizfläche ganz geöffnet wird bzw. das beide Steigzüge geöffnet werden.
Aus der DE-A-2 631 567 ist ein Flammrohr-oder Heizkessel bekannt, der ungeregelte Rauchgasrohre und daneben ein oder mehrere geregelte Rauchgasrohre, sogenannte Regelrohre, aufweist, die dem Feuerraum des Brenners nachgeschaltet sind. Dabei sind alle Regelrohre stets mehr oder weniger offen, und zwar bei allen Brennerlast-Zuständen. Die Regelrohre, die mit Rauchklappen versehen sind, verändern nämlich den freien Gasquerschnitt; daneben wird dann auch der Druck bzw. die Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase verändert. Zur Aufrechterhaltung eines konstanten rauchgasseitigen Druckes ist bei diesem Kessel auch noch eine Regeldruckklappe vorhanden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heizkesselanlage der eingangs genannten Art in der Weise auszugestalten, daß sie kontinuierlich betrieben werden kann, wobei die Abgastemperatur des Heizkessels - auch bei veränderlichem Wärmeleistungsbedarf und bedarfsproportionaler Brennerleistung - einen vorgegebenen Wert einhält.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein kontinuierlich regelbarer Brenner eingesetzt wird und daß die Anpassung der effektiven Wärmeaustauscherfläche an die Brennerleistung in der Weise erfolgt, daß die Anzahl der vom Abgas durchströmten Einzelemente des Wärmeaustauschers eine mit der Brennerleistung monoton steigende Funktion ist.
Der Heizleistungsbedarf, beispielsweise eines Wohngebäudes, hängt - ebenso wie die Heizungsvorlauftemperatur - näherungsweise linear von der Außenlufttemperatur ab. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Aus Fig. 1 läßt sich entnehmen, daß der Leistungsbedarf etwa zwischen 15 und 100% der Brennernennleistung schwankt (Außenlufttemperatur: +15 bis -15°C). Da bei einem Wärmeaustauscher die übertragene Wärmeleistung eine Funktion der Temperaturdifferenz und der Wärmeaustauscherfläche ist, wird deshalb beim erfindungsgemäßen Verfahren die effektive Wärmeaustauscherfläche nach einer von der Last abhängigen Funktion geregelt. Auf diese Weise wird bei dem mit einem kontinuierlich regelbaren Brenner betriebenen Heizkessel die Abgastemperatur - unabhangig von der lastproportionalen Brennerleistung - konstant gehalten, d. h. die Abgastemperatur am Ausgang der Heizkesselanlage hält - innerhalb bestimmter Grenzen - einen vorgegebenen Wert ein.
Unter der »effektiven Wärmeaustauscherfläche« wird im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung derjenige Teil der wärmeaustauschenden Fläche verstanden, über den - bei einem bestimmten Betriebszustand - der Wärmeübergang im wesentlichen erfolgt. Dies sind im allgemeinen Flächen, die mit strömendem Abgas in Berührung stehen, es handelt sich also im wesentlichen um die sogenannten Nachschaltheizflächen.
Bei konstanter Differenz zwischen Abgas- und Kesselwassertemperatur ergibt sich, daß die Anzahl der vom Abgas durchströmten Einzelelemente des Wärmeaustauschers linear mit der Brennerleistung ansteigt, es liegt also eine Proportionalität vor. Wird der Heizkessel aber mit gleitender Kesselwassertemperatur derart betrieben, daß bei niedriger Brennerleistung die Kesselwassertemperatur niedrig und somit die Differenz zwischen Abgas- und Kesselwassertemperatur hoch ist, so steigt die erforderliche Anzahl an vom Abgas durchströmten Einzelelementen des Wärmeaustauschers stärker als linear mit der Brennerleistung an: es liegt eine monoton steigende Funktion vor; eine Abschätzung ergibt: n Q/1-Q, wobei n die Anzahl der vom Abgas durchströmten Einzelelemente des Wärmeaustauschers und Q die Brennerleistung ist.
Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Patentanmeldung können beispielsweise Verdampfungsbrenner, wie Schalenbrenner, verwendet werden. Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Heizkesselanlage jedoch ein Vergrasungsbrenner eingesetzt. Ein derartiger kontinuierlich regelbarer Brenner ist beispielsweise aus der DE-B-2 811 273 bekannt.
Der bekannte Brenner weist folgende wesentliche Strukturmerkmale auf:
Zusätzlich dazu kann der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Vergasungsbrenner vorteilhaft noch in der Weise weiter ausgestaltet sein, daß der Ringraum auch die Zündkammer und den sich konisch erweiternden Brennraum ringförmig umschließt und sich bis in die Nähe der Brennerplatte erstreckt und daß dort ein Primärluft-Zuführungsstutzen in den Ringraum einmündet (vgl. dazu: DE-A-2 841 105). Darüber hinaus können die Seitenwände der Zündkammer und des Brennraumes aus Metall bestehen und eine Keramikauskleidung tragen. Ferner kann die Zündkammer vom Brennraum durch eine Lochwand in der Weise getrennt sein, daß die gelochte Fläche der Brennerplatte größer ist als die gelochte Fläche der Lochwand. Hierbei kann ferner am Gehäuse eine auf die Lochwand gerichtete Flammüberwachungseinrichtung vorgesehen sein.
Der bekannte Vergasungsbrenner beruht auf dem Prinzip der zweistufigen Verbrennung. Hierbei wird in der ersten Stufe Heizöl in einem katalytischen Reaktor durch partielle Oxidation mit Luft bei Luftzahlen zwischen 0,05 und 0,2, vorzugsweise bei etwa 0,1, vergast. Das dabei erhaltene Produktgas, das sogenannte Brenngas, wird dann in der zweiten Stufe mit der restlichen Luft stöchiometrisch verbrannt, wobei hohe Brenntemperaturen erreicht werden.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Feuerraum des Heizkessels ein Rohrbündelwärmeaustauscher nachgeschaltet ist. Dadurch wird eine Heizkesselanlage mit einem regelbaren Wärmeaustauscher geschaffen, dessen effektive Wärmeaustauscherfläche in einfacher Weise durch geeignete Veränderung der - etwa zwischen 10 und 100% des maximalen Heizleistungsbedarfes veränderlichen - Heizleistung eines kontinuierlich betriebenen Brenners derart angepaßt werden kann, daß die Abgastemperatur einen vorgegebenen Wert einhält. Die notwendige Anpassung der effektiven Wärmeaustauscherfläche an die variable Brennerleistung erfolgt dabei durch eine stufenweise Einschaltung des dem Feuerraum nachgeschalteten Rohrbündelwärmeaustauschers, und zwar in der Art, daß die Anzahl der offenen Rohre des Wärmeaustauschers eine mit der Brennerleistung monoton steigende Funktion ist.
Beim Einsatz eines Vergasungsbrenners der vorstehend genannten Art, der stöchiometrisch, d. h. ohne wesentlichen Luftüberschuß, betrieben wird, ist - beispielsweise bei konstanter Kesselwassertemperatur - die Anzahl der offenen Wärmeaustauscherrohre gleichzeitig proportional der Abgasmenge, da diese direkt proportional zur Brennerleistung ist. Andererseits bedeutet dies aber auch, daß beim erfindungsgemäßen Betrieb einer Heizkesselanlage mit konstanter Kesselwassertemperatur das Abgas am Kesselausgang - unter sämtlichen Betriebsbedingungen - nicht nur eine konstante Temperatur, sondern auch eine konstante Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
Die Verändeurng der Wärmeaustauscherfläche durch Zu- und Abschalten von Rohrbündelelementen kann bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage in der Weise erfolgen, daß innerhalb der einzelnen Elemente, d. h. in den Rohren, oder am Ausgang des Rohrbündels (in den Einzelelementen) Drosselklappen angebracht sind. Vorteilhaft kann auch am Rohrbündeleingang, d. h. in der Nähe des Feuerraumes, eine Stufenblende angeordnet sein.
Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Wärmeaustauscherfläche des Rohrbündelwärmeaustauschers an die Brennerleistung mittels eines am Rohrbündelausgang angeordneten Drehschiebers. Zur Betätigung des Drehschiebers kann beispielsweise ein Stellmotor vorgesehen sein, in Frage kommt jedoch auch ein Ausdehnungsthermostat am Ausgang des Wärmeaustauschers. Die Regelung am Ausgang des Wärmeaustauschers hat den Vorteil, daß ein relativ kaltes Abgas zu regulieren ist; dies ist mechanisch einfacher zu bewerkstelligen. Darüber hinaus ist der Rohrbündelausgang auch leichter zugänglich.
Die Steuerung des Drehschiebers bzw. der Stufenblende oder der Drosselklappen erfolgt in Abhängigkeit von der Last, d. h. der Brennerleistung. Dazu kann beispielsweise der dem Brenner zugeführte Heizölvolumenstrom dienen. Bei einem stöchiometrisch betriebenen Vergasungsbrenner (Luftzahl A = 1,0) kann aber auch der dem Brenner zugeführte Luftmassenstrom herangezogen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage kann ferner in der Abgasleitung ein Thermofühler angebracht sein. Dieser Thermofühler kann - zusätzlich - zur Steuerung von Drehschieber usw. vorgesehen werden. Mit Hilfe des in der Abgasleitung angeordneten Thermofühlers können nämlich Temperaturabweichungen im Abgas berücksichtigt werden, die sich beispielsweise durch Änderung des Heizwertes des eingesetzten Primärbrennstoffes ergeben.
Bei einer Heizkesselanlage liegt, wie bereits erwähnt, die minimale Brennerleistung (während der Übergangsperiode) bei etwa 10 bis 15% der Maximalleistung. Ein 15-kW-Brenner beispielsweise muß demnach bis auf ca. 2 kW heruntergeregelt werden können. Unter Berücksichtigung des Brennerregelbereiches und der zulässigen Abgastemperatur würde sich - ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen - deshalb folgendes ergeben: Bei einer Auslegung des Heizkessels auf die unteren Grenzen der Abgastemperatur und der Brennerleistung würde die Abgastemperatur bei maximaler Brennerleistung stark ansteigen und der Systemwirkungsgrad dadurch absinken. Würde der Kessel dagegen - unter Beachtung der maximal zulässigen Abgastemperatur - auf die obere Grenze der Brennerleistung ausgelegt werden, so würde sich bei Teillast zwar kein Wirkungsgradverlust, wohl aber ein starker Abfall der Abgastemperatur mit den damit verbundenen nachteiligen Folgen ergeben.
Die genannten Nachteile sind bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage nicht gegeben, weil hier - durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen - eine konstante Abgastemperatur gewährleistet ist. Bei dieser Heizkesselanlage wird darüber hinaus angestrebt, daß der variable Teil des Wärmeaustauschers dem Regelbereich und der unveränderliche Teil der unteren Leistungsgrenze des Brenners entspricht. Aufgrund der vorstehend genannten Daten entspricht deshalb bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage die - unveränderliche - Wärmeaustauscherfläche des Feuerraumes, einschließlich der Wärmeaustauscherfläche eines immer offenen Rohres des Rohrbündelwärmeaustauschers, vorteilhaft etwa 10% der maximalen Brennerleistung, während die Fläche des dem Feuerraum nachgeschalteten Wärmeaustauschers derart geregelt wird, daß die Abgastemperatur bei einer Steigerung der Brennerleistung von 10 auf 100% konstant bleibt.
Anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
In Fig. 1 sind, wie bereits erwähnt, Kesselwassertemperatur und Heizleistung einer Heizkesselanlage als Funktion der Außenlufttemperatur dargestellt.
In Fig.2 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage dargestellt und in Fig. 3 der Schnitt III-III durch die Ausführungsform nach Fig. 2. Die Heizkesselanlage 10 ist mit einem Vorlaufrohr 11 und einem Rücklaufrohr 12 für das Warmwasser versehen. In den Feuerraum 13, der von einem Rohrbündelwärmeaustauscher 14 umgeben ist, ragt ein regelbarer Brenner 15. Der Feuerraum 13 der Heizkesselanlage 10 ist zylindrisch ausgebildet, und der Rohrbündelwärmeaustauscher 14 ist dazu koaxial angeordnet. Bei einer Heizkesselanlage mit einer maximalen Wärmeleistung von 15 kW weist der Feuerraum beispielsweise einen Innendurchmesser von 195 mm und eine Länge von 350 mm auf.
Am ausgang des Rohrbündelwärmeaustauschers 14 ist eine feste Abgassperre 16 und ein Drehschieber 17 angeordnet. Der Drehschieber 17 wird - in Abhängigkeit von der Brennerleistung - durch einen Stellmotor 18 betätigt und gibt dabei sukzessiv die Öffnungen der Rohre 19 des Rohrbündelwärmeaustauschers 14 frei. Durch die offenen Rohre 19, die gleichmäßig um den Feuerraum 13 angeordnet sind, strömt das Abgas in die Abgasleitung 20 und gelangt von dort in den Kamin. Der Drehbereich des Drehschiebers 17 ist dabei so eingestellt, daß der Feuerraum 13 stets über wenigstens ein Rohr 19 des Rohrbündelwärmeaustauschers 14 mit der Abgasleitung 20 in Verbindung steht, d. h. eines der Rohre 19 ist immer offen.
Eine zwischen ca. 2 und 12 kW Heizleistung kontinuierlich regelbare Heizkesselanlage weist beispielsweise 29 - sukzessiv einschaltbare - Abgasrohre auf. Bei 4, 6, 8 und 10 kW Wärmeleistung ergibt sich folgende Abgaszusammensetzung: Rußzahl 0,13,5% C02, 0,5% CO und 0,3 bis 0,7% Oz. Eine konstante Abgastemperatur von ca. 100°C kann hierbei, wie Fig. 4 zu entnehmen ist, durch lastproportionales Zuschalten von Abgasrohren ab 5 kW erreicht werden. Die Abgastemperatur wird deshalb bei einem Wert von ca. 100°C gehalten, um einen ausreichenden Abstand vom Säuretaupunkt einzuhalten, der bei ca. 85° C liegt (Verwendung eines Heizöls mit einem Gehalt von 0,3 bis 0,55 Gew.-% Schwefel). Entsprechendes würde, wie Fig. 4 ebenfalls zeigt, für eine Abgastemperatur von 120°C gelten.