Heizkessel

Abstract

 Der Heizkessel besteht aus einem wasserführenden Gehäuse (18), in dem eine Brennkammer (19) angeordnet ist, von deren Endbereich aus mehrere im Querschnitt langlochartige Heizgas­zugtaschen (2) zu einer Abgassammelkammer (20) mit Rauchgas­abzug geführt sind, wobei die parallel oder angenähert paral­lel verlaufenden Taschen (2) zueinander beabstandet angeord­net sind. Dieser Heizkessel ist erfindungsgemäß in Kombina­tion mit folgenden Merkmale ausgebildet:

1.1 Die beiden benachbarten größeren Seitenwände (1) jeder Zugtasche (2) sind mit form- und verlaufsidentischen, von den Seitenwandebenen aus in das Innere der Ta­schen gerichteten, sich gerade erstreckenden Wellenprä­gungen (3) versehen.

1.2 Die Wellenprägungen (3) sind in bezug auf die Längsrän­der (4) der Taschen (2) geneigt, aber in der jeweiligen Seitenwand (1) entgegengesetzt zu den Wellenprägungen (3) der anderen Seitenwand (1) verlaufend angeordnet.

1.3 Die Wellenprägungen (3) berühren sich an den Kreuzungs­stellen (5).

1.4 Die Wellenprägungen (3) enden vor den schmalen Seiten­wänden (6) und vor der Zu- und Abströmöffnung (7, 8) je­der Tasche (2) mit einem Abstand, der mindestens einer Wellentiefe (T) entspricht.

1.5 Die Anzahl der Wellenprägungen (3) in einer Seitenwand (1), die sich mit ihrer ganzen Länge (L) von der Zu­ström- zur Abströmöffnung (7, 8) jeder Tasche (2) er­strecken, ist größer als die Anzahl der kürzeren Wellen­prägungen (3′).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Heizkessel gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

[0002] Derartige Heizkessel mit Heizgaszugtaschen im wasserführenden Innenraum des Heizkesselgehäuses sind allgemein bekannt und stellen die Verbindung von der Brennkammer zum Heizgasabzug bzw. zur Rauchgassemmelkammer mit Abzug her. Derartige Heiz­gaszugtaschen werden dabei zwischen Brennkammer und Abzugsbe­reich entweder zu mehreren, aber separat geführt, angeordnet oder solche Taschen sind zu einem Taschenblock zusammenge­faßt, der dann als Ganzes zwischen Brennkammer und Abzugsbe­reich angeordnet ist. Für solche Heizgaszugtaschen ist es be­kannt, die Seitenwände mit Rippenprägungen zu versehen, um den Wärmeübergang zu intensivieren. Soweit solche Rippenprä­gungen vorgesehen sind, handelt es sich dabei aber nur um we­nige und in relativ großem Abstand zueinander angeordneten Prägungen. Dies wahrscheinlich deshalb, um den Strömungswi­derstand nicht zu groß werden zu lassen, d.h., die Taschen müssen, um eine bestimmte Wärmeübertragungsleistung im Kessel gewährleisten zu können, entweder entsprechend lang und/oder in entsprechend großer Zahl im Kesselgehäuse untergebracht werden. Soweit bekannt, erfüllen die Taschen von damit ausge­statteten Heizkesseln die komplexen Forderungen, die dabei zu berücksichtigen sind, nur in unzureichendem Maße. Bei diesen Forderungen handelt es sich um einfache Fertigung und einfa­che Einbindung in den Kessel, große Wärmetauschfläche bei, bezogen auf den jeweiligen Kessel, möglichst kleinen Gesamt­abmessungen der Taschen, gute Verwirbelung der Heizgase bei vertretbarem Strömungswiderstand und Druckstabilität gegen den Wasserdruck.

[0003] Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel der gattungsgemäßen Art bezüglich der Taschen da­hingehend zu verbessern, daß bei einfacher Fertigung und ein­facher Einbindbarkeit der Taschen in das Kesselgehäuse und bei weitestgehender Flächengliederung in Form von Wellenprä­gungen und damit verbundener Übertragungsflächenvergrößerung einerseits gasseitig ein möglichst geringer Strömungswider­stand in der außendruckstabil auszubildenden Tasche erzielbar sein soll und andererseits wasserseitig keine das aufströ­mende Wasser behindernden Prägungsvorsprünge an den Seiten­flächen vorhanden sein sollen und das Ganze verbunden mit der Maßgabe, daß bei grundsätzlicher Verwirbelungsmöglichkeit des gesamten durchströmenden Gasvolumens der größere Teil der durchströmenden Heizgase in der Mittelebene der Tasche Aus­tauschmöglichkeit finden soll.

[0004] Diese Aufgabe ist mit einem Heizkessel der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die Kombination der im Kennzei­chen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Vor­teilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprü­chen.

[0005] Mit dieser erfindungsgemäßen Ausbildung des Heizkessels be­züglich seiner Taschen sind die gestellten Forderungen insge­samt erfüllt. Da die Wellenprägungen nur in das Innere der Taschen gerichtet sind, können die parallel zueinander anzu­ordnenden Taschen relativ dicht einander zugeordnet werden, ohne daß dabei im Aufströmweg des Wassers Hindernisse in Form von herausragenden Wellenprägungen vorhanden sind. Demzufolge gibt es im Inneren der Tasche, bezogen auf die Zu- und Ab­strömquerschnitte, keine Räume, in die das durchströmende Heizgas expandieren müßte. Abgesehen von den Seitenwandberei­ chen und den Bereichen unmittelbar hinter der Zuströmöffnung und vor der Abströmöffnung ist die gesamte Größe der Seiten­wände für die Wellenprägungen ausgenutzt, wobei die relativ schmalen, von Prägungen freien Randbereiche einerseits eine einfache Einbindung in das Kesselgehäuse ermöglichen und an­dererseits ein einfaches Schließen bzw. Falten der Tasche längs der schmalen Seitenränder. Da die nur nach innen ge­richteten Wellenprägungen praktisch die ganzen Seitenwände abdecken und sich kreuzen, ergeben sich in der gesamten Längsmittelebene der Tasche eine Vielzahl von gegenseitigen Stützpunkten für die beiden Seitenwände. Da ferner, wie er­wähnt, die Prägungen nur nach innen gerichtet sind, ergibt sich bezogen auf den von Prägungen freien Zuströmquerschnitt keine Expansion der zuströmenden Heizgase in der Tasche, son­dern zuströmseitig eine einmalige Kompression auf die verfüg­baren Wellenprägungsquerschnitte, wobei die Heizgase im we­sentlichen in ihrer Wellenprägung verbleibend weiterströmen und sich lediglich im Grenzflächenbereich der Längsmittel­ebene der Taschen bis zu einem gewissen Grade vermischen. Da die Prägungen in bezug auf die Längsränder der Taschen ge­neigt verlaufen, erfolgt ein Wechsel gewissermaßen in die an­dere Strömungsetage der Tasche nur an den Enden der Wellen­prägungen, die sich nicht mit ihrer Gesamtlänge von der Zu­strömöffnung zur Abströmöffnung erstrecken. Der damit verbun­dene Widerstand wird aber dadurch reduzuiert, daß diese Wech­selbereiche von Wellenprägungen frei sind, wodurch sich an den Längsrandbereichen in der Tasche zwar querschnittskleine, aber nicht geneigte Durchströmkanäle ergeben. Außerdem ist die Anzahl der sich von der Zuström- zur Abströmöffnung mit ihrer ganzen Länge erstreckenden Wellenprägungen größer ge­halten als die Zahl der kürzeren Wellenprägungen. Insofern richtet sich also der Neigungsgrad der Wellenprägungen ledig­lich danach, ob die Taschen eher lang als breit oder eher breit als lang in Rücksicht auf den dafür verfügbaren Raum im wasserführenden Gehäuse ausgebildet sind.

[0006] Was die Aussage betrifft, daß die beanspruchten Merkmale teilweise bekannt sind, so bedarf es dazu keines druck­schriftlichen Einzelnachweises, da diese Merkmale zum allge­meinen Wissensstand gehören.

[0007] Mit sogenannten Kreuzstromwärmetauschern sind im übrigen die Taschen des erfindungsgemäßen Heizkessels nicht ohne weiteres vergleichbar, da solche Wärmetauscher, soweit bekannt, ledig­lich aus mehreren zusammengestapelten Platten gebildet sind, während im vorliegenden Fall die gasführenden Taschen, selbst wenn sie als Taschenblock zusammengefaßt sind, lediglich den wasserführenden Raum des Heizkesselgehäuses als für sich se­parate Heizgaszüge durchgreifen.

[0008] Wie Versuche gezeigt haben, führt die spezielle Ausbildung des Heizkessels gemäß Anspruch 4 zu einem außerordentlichen günstigen Effekt bezüglich einer Reduzierung des Strömungswi­derstandes bei mindestens vergleichbar gleicher Wärmeübertra­gungsleistung. Verantwortlich dafür ist offenbar die Gegeben­heit, daß ein Teil der Heizgase den direkten Weg von der Ein­strömseite zur Abströmseite findet, sich dabei aber trotzdem Verwirbelungsbereiche bei der Passage der sich kreuzenden Durchzugskanäle bzw. Wellenprägungen ergeben und ein anderer Teil der Heizgase bei gleichem Verwirbelungseffekt zusätzlich und zwangsläufig die Strömungsrichtung in den Randbereichen der Zugtasche ändern und dabei auch die Durchströmebene wech­seln muß. Um einen vergleichbar geringen Strömungswiderstand bei Taschen herkömmlicher Art erreichen zu können, wäre es erforderlich, die Wellenprägungen wesentlich tiefer anzule­gen. Bevorzugt wird dabei eine Ausbildung der Heizgaszugta­sche dahingehend, daß der größere Teil der Wellenprägungen zwei Drittel und der kleinere Teil ein Drittel der Einström- bzw. der Ausströmöffnung der Tasche einnimmt. Der größere Teil der Wellenprägungen, der die zwei Drittel-Teilung ein­nimmt, läuft dabei ununterbrochen von der Einströmöffnung bis zur Abströmöffnung der Tasche glatt durch, während der andere Teil der Wellenprägung, der zwangsläufig entsprechend der Staffel der Längserstreckungen aufweist, praktisch in bezug auf die Seitenwände der Heizgaszugtaschen insgesamt Dreiecks­flächen bildet, so daß der darin strömende Heizgasteil im je­weiligen Randbereich der Heizgaszugtasche seine Richtung än­dern und auch die "Strömungsetage" wechseln muß.

[0009] Aufgrund der erreichbaren Intensität des Wärmeaustausches bei relativ geringem Strömungswiderstand kann ohne weiteres eine Reduzierung der durchströmbaren Länge der Heizgaszugtasche in Betracht gezogen werden, was natürlich auch vorteilhafte Aus­wirkungen auf die äußeren Abmessungen des betreffenden Heiz­kessels hat, in dem derartige Heizgaszugtaschen einzubauen sind.

[0010] Der erfindungsgemäße Heizkessel wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0011] Es zeigt schematisch

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Heiz­gaszugtasche;

Fig. 2 einen Blick in die Heizgaszugtasche gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Heizgaszugtasche in Durch­strömrichtung;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Tasche, die in bezug auf die Durchströmrichtung breiter als lang ist;

Fig. 5 perspektivisch zwei Heizgaszugtaschen als Teil eines Taschenblockes;

Fig. 6 perspektivisch den Anschluß zweier Heizgaszugta­schen an einen Brennkammerboden;

Fig. 7 einen Blechzuschnitt vor der Zusammenfaltung zu einer Tasche und

Fig. 8 A-C verschiedene Zuordnungs- bzw. Anordnungsmöglich­keiten der Taschen im Kesselgehäuse.

[0012] Wie aus den Fig. 1, 2 ersichtlich, besteht die Heizgaszugta­sche aus zwei mit form- und verlaufsidentischen Wellenprägun­gen 3 versehenen Seitenwänden 1, die spiegelbildlich unter gegen- und heizgasseitiger Wellenabstützung an den Kreuzungs­stellen 5 zusammengefügt und längs ihrer in Durchströmrich­tung abgekanteten Längsränder 4 gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Wie besser aus Fig. 3 ersicht­lich, sind die Wellenprägungen 3 derart in die Seitenwände 1 eingeprägt, daß die Wellenprägungen 3 kurz vor den Rändern der Zu- und Abströmöffnungen 7, 8 der Tasche 2 enden. Dies vereinfacht den Einbau solcher Taschen in die mit entspre­chenden Öffnungen versehene Bodenwand 14 einer hier nicht dargestellten Brennkammer, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Das gleiche gilt natürlich auch für die Abströmseite, wo die Taschen 2 in eine entsprechende Abschlußwand 15 des Heiz­kesselgehäuses oder den Boden einer Rauchgassammelkammer ein­gebunden sind. Diese von Wellenprägungen 3 nicht erfaßten Randbereiche werden vorteilhaft natürlich auch dann vorgese­hen, wenn derartige Taschen, wie in Fig. 5 bspw. dargestellt, zu mehreren zu einem Taschenblock zusammengefaßt werden sol­len.

[0013] Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Heizgaszug­tasche 2 vorteilhaft noch derart ausgebildet, daß im Bereich der Längsränder 4 in beiden Seitenrändern keine Wellenprägun­gen 3 vorgesehen sind, woduch sich in Durchströmrichtung verlaufende, nicht geneigte Durchströmkanäle 16 ergeben, in denen die Wellenprägungen 3 der Teile II ausmünden. Durch diese Maßnahme wird der Strömungswider­stand in den Randbereichen ebenfalls reduziert, ohne daß da­durch, wie sich gezeigt hat, die vorerwähnte Richtungsände­ rung der dort strömenden Heizgase und der Wechsel der "Strö­mungsetagen" wesentlich beeinträchtigt wird.

[0014] Wie sich gezeigt hat, hat sich für den Winkel β ein Bereich von 120 bis 150° am günstigsten erwiesen. Größere Werte brin­gen zwar auch noch eine Verwirbelung, diese läßt dann aber nach, während sich bei kleineren Werten der Durchströmwider­stand entsprechend erhöht. Um den optimalen Bereich von 120 bis 150° einzuhalten, wird dieser Maßgabe durch entsprechende Außenabmessungen der Tasche Rechnung getragen, denn es gilt ja die Bedingung zu erfüllen, daß sich ein Teil der Wellen­prägungen 3 durchgehend von der Zuström- zur Abströmöffnung erstrecken soll.

[0015] Bei der Heizgaszugtasche 2 gemäß Fig. 1 erstreckt sich der größere Teil I der Wellenprägungen 3, die in bezug auf die Durchströmlängsmittellinie 17 geneigt verlaufen, von der Zu­strömöffnung 7 durchgehend bis zur Abströmöffnung 8. Der restliche, in gleicher Richtung geneigte Teil II der Wellen­prägungen 3 der einen Seitenwand 1, der kurz nach der Zu­strömöffnung 7 beginnt und am Längsrand 4 der Tasche endet und der Teil II der anderen Seitenwand 1, der am Längsrand 4 beginnt und kurz vor der Abströmöffnung 8 endet, weisen ent­sprechende, zu den Längsrändern 4 hin abnehmende Längen L auf, wobei die Längen zu den jeweils zugehörigen Öffnungen 7, 8 der Taschen 2 hin abnehmen. In Einströmrichtung gesehen und in bezug auf die sichtseitige Seitenwand 4 werden also alle von den Wellenprägungen 3 dieser Seitenwand gebildeten Kanäle beaufschlagt, nicht jedoch die im linken Dreiecksbereich (zu­sätzlich schraffiert) sich erstreckenden Kanäle. Das gleiche gilt für die andere Seitenwand und zwar nur umgekehrt. Die im Bereich II einströmenden Heizgase können dabei die Heizgas­zugtasche nicht wie im anderen Teil I auf direktem Weg pas­sieren, sondern müssen im Randbereich, wie mit Pfeilen ange­deutet, sowohl ihre Richtung ändern, als auch die Strömungs­etage wechseln, um zur Abströmöffnung 8 gelangen zu können. Da sich durch die Wellenprägungen 3 ebenfalls über die Ge­ samtfläche gleichmäßig verteilt entsprechende Kreuzungsab­stützungen der Seitenwände 1 ergeben, entsteht ein außeror­dentlich stabiles Gebilde, so daß für die Seitenwände 1 rela­tiv dünnes, bspw. Edelstahlblech verwendet werden kann. Wie ferner aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Bemessung der Teile I und II vorteilhaft so vorgesehen, daß bezogen auf die Gesamt­breite der Tasche die Teile I jeder Platte zwei Drittel und der Teil II ein Drittel der Taschenbreite einnehmen.

[0016] In Fig. 7 ist ein Blechzuschnitt dargestellt, der beide Sei­tenflächen 1 enthält. Wie daraus ersichtlich, können dabei die Felder der Wellenprägungen 3, sofern nicht ein entspre­chend großes Prägewerkzeug benutzt wird, mit dem gleichen Prägewerkzeug hergestellt werden, das nur die Größe eines Prägefeldes hat, da das andere Feld den gleichen Wellenprä­gungsverlauf erhält. Die beiden Hälften des Blechzuschnittes 11, die die Seitenwände 1 darstellen, werden längs der strichpunktierten Linie zusammengefaltet bzw. zusammengebo­gen, wodurch die Wellenprägungen 3 auf die der anderen Hälfte mit entgegengesetztem Neigunsverlauf zu liegen kommen. Die die Prägefelder umgebenden Ränder 6′, die im fertigen und ge­schlossenen Zustand der Tasche die schmalen Seitenwände 6 bilden, sind so bemessen, daß ihre Breite etwa einer Wellen­tiefe T entspricht. Der mittlere, ungeprägte Streifen hat da­bei die doppelte Breite T und die beiden ungeprägten Strei­fen, die an der fertigen Tasche die Zu- und Abströmöffnung 7, 8 bilden, haben ebenfalls eine Breite in der Größe von etwa einer Wellentiefe.

[0017] Nur der Vollständigkeit halber sind in Fig. 8 verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der Heizgaszugtaschen 2 im wasserfüh­renden Gehäuse 18 von unterschiedlichen Heizkesseltypen dar­gestellt, wobei sich die Heizgaszugtaschen 2 zu mehreren se­parat oder als Block zusammengefaßt, jeweils vom Boden 14 der Brennkammer 19 zum Abzugsbereich 20 erstrecken.

Ansprüche

1. Heizkessel, bestehend aus einem wasserführenden Gehäuse, in dem eine Brennkammer angeordnet ist, von deren Endbe­reich aus mehrere, im Querschnitt langlochartige Heiz­gaszugtaschen zu einer Abgassammelkammer mit Rauchgasab­zug geführt sind, wobei die parallel oder angenähert parallel verlaufenden Taschen zueinander beabstandet an­geordnet sind, gekennzeichnet durch die Kombination der teilweise bekannten Merkmale:

1.1 die beiden benachbarten größeren Seitenwände (1) jeder Zugtasche (2) sind mit form- und verlaufsiden­tischen, von den Seitenwandebenen (1′) aus in das In­nere der Taschen gerichteten, sich gerade erstrecken­den Wellenprägungen (3) versehen,

1.2 die Wellenprägungen (3) sind in bezug auf die Längsränder (4) der Taschen (2) geneigt, aber in der der jeweiligen Seitenwand (1) entgegengesetzt zu den Wellenprägungen der anderen Seitenwand (1) verlau­fend angeordnet,

1.3 die Wellenprägungen (3) berühren sich an den Kreu­zungsstellen (5),

1.4 die Wellenprägungen (3) enden vor den schmalen Sei­tenwänden (6) und vor der Zu- und Abströmöffnung (7, 8) jeder Tasche (2) mit einem Abstand, der minde­stens einer Wellentiefe (T) entspricht und

1.5 die Anzahl der Wellenprägungen (3) in einer Seiten­wand (1), die sich mit ihrer ganzen Länge (L) von der Zuström- zur Abströmöffnung (7, 8) jeder Tasche (2) erstrecken, ist größer als die Anzahl der kürze­ren Wellenprägungen (3′).

2. Heizkessel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tasche (2) aus einem Blechzuschnitt (11) gebil­det ist, der in jeweils einer Hälfte die nach einer Seite ausgeprägten Wellenprägungen (3) enthält und daß die beiden Hälften des Blechzuschnittes (11) in Paral­lellage gegeneinander gefaltet und die Längsränder des Blechzuschnittes (11) mit einer Längsnaht (12) gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Taschen (2) mittels zum Blechzuschnitt (11) ge­hörender Verbindungsfahnen (13) die kürzeren Fortsetzun­gen der größen, mit den Wellenprägungen (3) versehenen Seitenwände (1) bilden, zu einem Taschenblock zusammen­gefaßt sind.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil (1) der Wellenprägungen (3), die in bezug auf die Durchströmlängsmittellinie (14′) geneigt verlau­fen, sich von der Zuströmöffnung (7) durchgehend bis zur Abströmöffnung (8) der Tasche (2) erstreckt, während der restliche, in gleicher Richtung geneigte Teil (II) der einen Seitenwand (I), der an der Zuströmöffnung (7) beginnt und am Längsrand (4) der Tasche endet, und der andere Teil (II) der anderen Seitenwand (1), der am Längsrand (4) beginnt und an der Abströmöffnung (8) aus­mündet, entsprechende, zu den Längsrändern (4) hin, in deren Bereich diese Wellen enden, abnehmende Längen (L) aufweisen.

5. Heizkessel nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der größere Teil (I) der Wellenprägungen (3) zwei Drittel und der kleinere Teil (II) ein Drittel der Zu­ström- bzw. der Abströmöffnung (7, 8) einnimmt.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Neigungswinkel (β) zwischen den Wellenprägungen (3) der einen Seitenwand und den Wellenprägungen (3) der anderen Seitenwand (1) bis 170°, vorzugsweise 120 bis 150° beträgt.

Zeichnung