Heizkessel

Abstract

 2.1. Heizkessel müssen mit besonders umweltschonenden Abgaswerten (u.a besonders niedriger NO_x-Anteil) und besonders wirtschaftlich betrieben werden können; sie müssen möglichst kompakt konstruiert sein. Heizkessel der herkömmlichen Bauart verwirklichen nur einen Teil dieser Ziele alternativ. Die neue Bauart soll diese Ziele mittels eines einfachen dritten Abgaszuges zugleich und zusätzlich optimal erreichen.
2.2. Dazu wird der dritte Zug (10) eines dreizügigen Heizkessels mit Rippentechnik in einem Kanal an der Peripherie der Brennkammer (1) positioniert.
2.3. Diese Art der Konstruktion ist vorteilhaft für Heizkessel, bei denen eine kompakte Ausführung besonders wichtig ist.

Beschreibung

[0001] Die Anmeldung betrifft einen Heizkessel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Derartige ähnliche Heizkessel sind bekannt.

1. Die Offenlegungsschrift DE-AS 17 78 880 des Deutschen Patentamtes vom 16.3.1972 betrifft sowohl zweizügige als auch dreizügige Heizkessel. Dreizug-Heizkessel sind in den Patentansprüchen 9 bis 11 (Fig. 4 mit 27-31; und 5 mit 32-33) enthalten; die Konstruktionen der Dreizug-Heizkessel haben gewisse Ähnlichkeit mit dieser Erfindung.

1.1. Folgende Merkmale der o.a. Offenlegungsschrift sind in diesem Zusammenhang von Bedeutung:

1.1.1. Diese Konstruktion führt den dritten Zug durch verschieden gestaltete Rauchgas-Kanäle auf die Rückseite des Kessels.

1.1.2. Diese Kanäle des dritten Zuges sind in einer Vielzahl um die ganze Peripherie der Feuerkammer (18) verteilt und unmittelbar neben und abwechselnd zwischen den Kanälen des zweiten Zuges angeordnet, indem die Kanäle sowohl des zweiten wie des dritten Zuges entweder dieselbe Wand haben oder (besonders anschaulich dargestellt in Fig.32,33) unmittelbar aneinander liegen.

1.1.3. Teilweise kommt hinzu, daß die Kanäle des dritten Zuges sogar von der Feuerkammer (erster Zug) nur durch eine metallische Wand getrennt sind.

1.1.4. Der Gesamt-Querschnitt der zweiten und derjenige der dritten Züge sind sich jeweils praktisch gleich.

1.1.5. Die Konstruktionen weisen eine Vielzahl von Schweißnähten auf, die zum großen Teil von der zu erwärmenden Flüssigkeit und zugleich von einem Rauchgas-Zug berührt werden.

1.1.6. Die Produktionsvorgänge in dem Kessel und die Haltbarkeit des "Blindbodens" (Fig.5 und 33, Ziffer 22a) sind sehr problematisch.

1.1.7. Diese Konstruktionen benötigen einen großen Rauchgas-Sammelkasten, der den ganzen Umfang der Brennkammer umfaßt.

1.2. Dies hat zur Folge:

1.2.1. Die zweiten und sogar die dritten Gaszüge werden bis zum Austritt aus dem Heizkessel immer wieder aus den unmittelbar benachbart angeordneten heißeren Zügen aufgeheizt, und damit wird der Wärme-Übergang an die zu erwärmende Flüssigkeit verschlechtert.

1.2.2. Die Schwitzwasser-Bildung in den zweiten und insbesondere in den dritten Zügen an deren von der zu erwärmenden Flüssigkeit A umspülten Flächen tritt an der gesamten Peripherie der Trennwand zwischen Rauchgas und Flüssigkeit auf. Sie ist - bei gleichzeitig erforderlicher annehmbarer Heizleistung -, wenn überhaupt, nur sehr schwer beherrschbar.
Dies gilt noch verstärkt, wenn die Größe des Heizkessel-Außenmantels (nicht in Zeichnungen enthalten) die Länge der Gesamtbrennkammer einschließlich Abgas-Sammelkasten überschreitet, so daß letzterer damit voll von der kühlen, zu erwärmenden Flüssigkeit umspült ist.

1.2.3. Die Möglichkeit besonderer Führung oder Ausstattung oder unterschiedlicher Querschnitte von unterschiedlich heißen Heizgas-Zügen zwecks optimaler Gestaltung des Wärmeübergangs an die zu erwärmende Flüssigkeit ist nicht gegeben.

1.2.4. Die Verschmutzung der Züge, besonders der dritten Züge, ist sehr kritisch wegen zu niedriger Rauchgas-Geschwindigkeit.

1.2.5. Die Reinigung und Wartung erfordern einen hohen Aufwand.

1.2.6. Die Konstruktionen weisen viele Schweißverbindungen auf, die z.T. zusätzlich flüssigkeitsdicht und drucksicher sein müssen; dadurch sind sie anfällig gegen Undichtigkeiten.

1.2.7. Die Konstruktionen sind in der Herstellung sehr teuer.

2. Die Offenlegungsschrift DE 33 44 858 des DPA vom 13.6.1985 betrifft einen dreizügigen Heizkessel mit dem Merkmal, daß der dritte Zug - separat von der Brennkammer - als Rohr oder als Rohrbündel durch das Heizmedium geführt wird.
Er hat folgende kritischen Punkte:

2.1. Der dritte Zug stellt praktisch eine eigene Brennkammer dar und liegt völlig im Kühlmedium. Die Vorkehrungen gegen Schwitzwasser-Bildung sind daher schwierig zu verwirklichen.

2.2. Die Lage des dritten Gas-Zuges ist festgelegt. Es fehlt die Variationsmöglichkeit der Position zwecks Erzielung eines optimalen Wärmeübergangs bei unterschiedlichen Bedingungen des Heizmedium-Raumes des Heizkessels.

2.3. Die konstruktiven Vorkehrungen für die Wartung (große Zugangstüre, zusätzliche Reinigungsöffnungen) und die Wartung selbst sind aufwendig.

2.4. Der gesamte Heizkessel ist wesentlich größer als ein normaler Heizkessel derselben Heizleistung.

2.5. Diese Konstruktion ist bei Heizkesseln mit größerem Heizmedium-Speicher, bei denen der Heizkessel-Außenmantel größer ist als die Länge der Brennkammer, besonders problematisch.

2.6. Die Herstell- und Reparaturschwierigkeiten und damit die entsprechenden Kosten sind relativ hoch.

2.7. Das Risiko der Undichtigkeit bei der Herstellung und durch Korrosion ist beachtlich.

3. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mittels eines einfachen, korrosionssicheren und einfach zu wartenden dritten Heizgaszuges die Heizgase von der Brennerseite zum Abgasrohr zu führen, den zweiten und den dritten Heizgas-Zug als optimale Wärmeübergabe-Flächen zu gestalten sowie besonders umweltschonende Abgaswerte (u.a. besonders niedriger NO_x-Anteil), eine kompakte Bauart und eine besonders kostengünstige Herstellung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieser Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

4. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert:

4.1. In der Zeichnung ist schematisch ein Heizkessel gezeigt, der von den im Brenner erzeugten Heizgasen entsprechend den Pfeilen I, II und III in drei Zügen durchströmt wird. Die drei Züge sind zylindrisch geformt, und zwar wird der erste Heizgas-Zug (5) von einem die Brennerflamme mit Abstand umgebenden Hohlkörper (3) gebildet. Aus diesem treten die Heizgase nach Umkehrung an einer Prallwand (4) in den zweiten Heizgas-Zug ein, der den Hohlkörper (3) unmittelbar umgibt. Dieser zweite Heizgas-Zug ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit geschlitzten Wärmeübergabe-Rippen (12) versehen, deren Zähne gegen die Heizgas-Strömung geneigt und/oder verschränkt sind (PA 9).

4.2. Daraufhin werden die Heizgase nach unten in den dritten Heizgas-Zug (10) geleitet, der wie folgt ausgebildet ist:

4.2.1. Ein kleinerer, aber für die Strömung der Heizgase ausreichender Teil des Raumes des zweiten Heizgas-Zuges (2) wird durch eine Trennwand (9) abgeteilt. Diese Trennwand ist auf solche Weise gestaltet und eingebaut, daß sie für die Heizgase in einem einzigen kompakten Kanal einen dritten Zug (10) bildet (PA 1 bis 4).

4.2.1.1. Dieser Kanal führt bis in den Abgas-Raum (7) hinein (PA 5).

4.2.1.2. Er hat nur einen Bruchteil des Querschnitts des zweiten Zuges (2) (i.d.R. 20 % - 30 %), und nur ein entsprechend kleiner Teil des Heizgases des zweiten Zuges (2) berührt die gemeinsame Trennwand (9).

4.2.1.3. Der dritte Heizgas-Zug (10) wird an der für die Gesamtumstände vorteilhaftesten Stelle der Gesamtbrennkammer-Peripherie (1) positioniert (PA 4).

4.2.1.4. Der dritte Heizgas-Zug ist auf einfache Weise im Querschnitt variierbar.

4.2.1.5. Die Anbringung von geschlitzten Wärmeübergaberippen (12) im dritten Heizgas-Zug (10) mit umgekehrter Neigung der Zähne entsprechend der Umkehrung des dortigen Gaszuges und/oder deren Verschränkung bewirken einen sehr wirkungsvollen Wärmeentzug kurz vor dem Übergang in das Abgas-Rohr (8) (PAe 9 und 10).

4.2.1.6. Der dritte Heizgas-Zug ist in der Wärmeübergabe-Fähigkeit einfach variierbar.
Zweckmäßigerweise läßt man im dritten Heizgas-Zug einige Rippen entfallen, um nach dem Reinigen die Entnahme der Verbrennungsrückstände zu erleichtern (PA 11). Hier setzt man Sperren ein, die ein zuwenig genutztes Durchziehen der Heizgase verhindern.

4.2.2. Die Trennwand (9)

4.2.2.1. ist parallel zur Wärmeübergabe-Fläche (1) nach unten geformt (13) (PA 3). Dadurch bleibt die Größe der "heißen Brennkammer" (3) voll erhalten, und die optimale Verbrennung wird somit nicht beeinträchtigt.

4.2.2.2. Falls erforderlich, wird die Trennwand (9) einfach zusätzlich mit einer Isolierschicht versehen.

4.2.2.3. Die der "heißen Brennkammer" (3) zugewandte Seite der Trennwand weist etwa 4 bis 6 Abstandshalter (13) auf (PA 6), die einen Abstand zwischen der "heißen Brennkammer" und der Trennwand (9) von etwa 5 bis 20 mm herstellen. Der entstehende Zwischenraum dient der Heizgas-Zirkulation aus dem zweiten Heizgas-Zug.
Dadurch wird einerseits die "heiße Brennkammer" an dieser Stelle vor starker Aufheizung geschützt, andrerseits die starke Aufheizung der nicht Heizmedium-führenden Trennwand und damit des dritten Heizgas-Zuges verhindert. Damit dienen die aufgebrachten Abstandshalter (13) der weiterhin verbesserten Nutzung der Heizgas-Wärme.
Anstelle der Abstandhalter können auch Leit-Rippen (13) diese Funktion übernehmen und zugleich das Abgas auf die gewünschte Weise leiten. Sie sind im Winkel von z.B. ca. 30° schräg zum zweiten Heizgas-Zug aufgebracht (PA 7). Sie bewirken einen Heizgas-Zug zwischen der Trennwand (9) und der "heißen Brennkammer" (3), der durch die Schräglage der Rippen ständig gekühltes Heizgas von der benachbarten Heizmedium-führenden Fläche aufnimmt, sich erwärmt und die Wärme an die Heizmedium-führende Fläche auf der anderen Seite des dritten Heizgas-Zuges (10) wieder abgibt.

4.2.2.4. Die Vorrichtung, die Trennwand (9) herauszunehmen, eröffnet durch die große Heizkessel-Türe der Brennerseite (6) völlig freien Zugang auch zu den sonst schwer zugänglichen Stellen des Heizkessels zum problemlosen Reinigen und Service (PA 8).
Die Trennwand kann man zur Kühlung auch Heizmediumführend gestalten, doch würden damit die Vorteile aus der Herausnehmbarkeit und aus der Erhaltung der vollen Größe der "heißen Brennkammer" entfallen, abgesehen von den hohen Kosten der Herstellung.

4.2.2.5. Die Trennwand (9) ist an ihrer der Prallwand (4) zugewandten Seite mit einer Prallscheibe (16) versehen, die die Mitte der Prallwand (4) darstellt und mit weiteren Prallsteinen die gesamte Prallwand (4) bildet (PA 14).

4.2.3. Die "heiße Brennkammer" (3) erhält auf der der Trennwand (9) zugekehrten Seite eine Verlängerung (15) bis gegen die Prallwand (4) (PA 12). Diese Verlängerung überdeckt auch den Teil der Trennwand, der durch die "heiße Brennkammer" noch nicht überdeckt ist. Somit ist die gesamte Trennwand (9) gegen Strahlungswärme geschützt, und es bildet sich zwischen der Überdeckung und der Trennwand (mit Hilfe der oben erwähnten Abstandshalter/Leit-Rippen (13)) eine kühlende Gasströmung.
Zur weiteren Verbesserung der Heizgas-Strömung kann man auf der Verlängerung (15) an ihrem Ende eine zusätzliche Prallscheibe anbringen, die im rechten oder größeren Winkel zu der Verlängerung angebracht ist und deren Oberfläche strömungsgünstig hergestellt ist.

4.2.4. Die Sicherungsbolzen (11)+(14) zur Arretierung der Trennwand (9) bewirken in Zusammenhang mit der "heißen Brennkammer" (3), daß die Brennkammer nur dann eingeschoben werden kann, wenn die Trennwand richtig eingebracht ist, und daß die Trennwand nach dem Einschieben der Brennkammer störungsfrei fixiert ist (PA 8).

4.2.5. Die erfindungsgemäße Konstruktion weist - je nach Ausführung - nur drei bis keine Heizgas/Heizmedium-berührte Schweißnaht auf.

4.2.6. Der Abgas-Raum (7) ist sehr klein, berührt nur einen kleinen Ausschnitt der Peripherie der Gesamtbrennkammer (1) und ist dort mit Wärmeübergabe-Rippen ausgestattet (PA 10).

5. Aufgrund dieser Merkmale hat zusammenfassend die vorliegende Erfindung die folgenden Wirkungen:

5.1. Der dritte Heizgas-Zug stellt - neben dem zweiten Heizgas-Zug - eine vollwertige Wärmeübergabefläche dar. Durch aufgebrachte geschlitzte Wärmeübergabe-Rippen (12) wird diese Wärmeübergabe-Fläche zur optimalen Wirkung gebracht.

5.2. Er bringt die Heizgase auf die erwünschte dem Schornstein zugewandte Seite des Heizkessels zum Abgas-Rohr (8). Damit entfällt ein separater Zug, der nur der Abgas-Ableitung dienen würde.

5.3. Der ganze Heizkessel bis zum Ende des Abgasrohres ist eine kompakte Einheit.

5.4. Durch den kleineren Querschnitt des dritten Abgas-Zuges wird die Strömungsgeschwindigkeit gerade des abgekühlten Gases stark erhöht und damit der eventuellen Gefahr von Ablagerungen vorgebeugt.

5.5. Der Zug des Heizkessels und die Abgas-Temperatur sind den Erfordernissen entsprechend durch die Art der Konstruktion und durch die Variabilität besonders des dritten Heizgas-Zuges einfach beeinflußbar.

5.6. Die Kondensatbildung ist konstruktionsbedingt gut beherrschbar, und die Korrosionsgefahr ist minimal.

5.7. Die Gefahr einer Undichtigkeit ist auf ein Minimum reduziert.

5.8. Die vorstehenden Eigenschaften des Heizkessels machen ihn auch besonders geeignet für Konstruktionen mit größerem Heizwasser-Speicher, bei denen die gesamte Brennkammer einschließlich des Abgas-Raumes (7) vom Heizmedium umgeben ist.

5.9. Für die Wartung oder eventuelle Reparatur ist dieser Heizkessel nach der Wegnahme von zwei Teilen (heiße Brennkammer (3) und Trennwand (9) mit Prallscheibe (16) ) ohne Werkzeug durch die große Türe der Brennerseite (6) überall frei zugängig.

5.10. Die Herstellkosten sind niedrig.

5.11. Die erfindungsgemäße Konstruktion bietet eine Minimierung des Schadstoff-Ausstoßes.

Ansprüche

1. Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe mit drei zylindrischen Heizgaszügen, von denen der erste (5) von einem die Flamme mit Abstand umgebenden Hohlkörper (3) gebildet ist, aus dem die Heizgase nach Umkehrung an einer Prallwand (4) in dem zweiten, den Hohlkörper (3) unmittelbar umgebenden Heizgaszug (2) strömen und von dort, nach nochmaliger Umlenkung auf der Brennerseite (6) des Heizkessels, in den dritten Heizgaszug (10) eintreten, wobei der dritte Heizgaszug den gleichen Abstand von der Kesselmitte hat wie der zweite Heizgaszug, dadurch gekenn-zeichnet, daß der dritte Heizgaszug (10) ein einziger, lediglich durch eine Trennwand (9) von dem zweiten Heizgaszug (2) abgeteilter Kanal ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) vorzugsweise einen kreisrunden oder auch einen ovalen oder rechteckigen Querschnitt hat mit entsprechend geformten Teilen, zum Beispiel Hohlkörper (3) oder Trennwand (9) oder Prallscheibe (16).

3. Heizkessel nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (9) in ihrem Mittelbereich der Form des Hohlkörpers (3) folgend geformt und unterhalb des ersten Heizgas-Zuges angeordnet ist.

4. Heizkessel nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (9) oberhalb, seitlich oder an beliebiger Position innerhalb des zweiten Heizgas-Zuges (2) angeordnet ist.

5. Heizkessel nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (9) bis in den Abgas-Raum (7) reicht, der die Peripherie der Gesamtbrennkammer (1) in dem Umfang des dritten Zuges umfaßt.

6. Heizkessel nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trennwand (9) auf der Seite des zweiten Heizgaszuges Abstandshalter (13) angebracht sind, die einen Abstand von etwa 5 bis 20 Millimeter zwischen der Trennwand und dem Hohlkörper herstellen.

7. Heizkessel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (13) als Leit-Rippen ausgebildet sind, die im Winkel von etwa 30° schräg zur Richtung des zweiten Heizgaszuges verlaufen.

8. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (9) herausnehmbar ist, an dem der Brennerseite (6) zugewandten Ende durch Sicherungsbolzen (11) und den anliegenden Hohlkörper (3) fixiert ist und daß sie an dem anderen Ende durch einen weiteren Sicherungsbolzen (14) gegen zu weites Durchschieben gesichert ist.

9. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Heizgaszug (2) und der dritte Heizgaszug (10) mit geschlitzten Wärmeübergabe-Rippen (12) versehen sind, deren Zähne gegen die Gasströmung geneigt und/oder verschränkt geformt sind.

10. Heizkessel nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Zähne der Wärmeübergabe-Rippen im dritten Heizgas-Zug in entgegengesetzter Richtung zu den Zähnen der Wärmeübergabe-Rippen des zweiten Heizgas-Zuges ausgeführt ist und die Rippen bis in den Abgas-Raum (7) reichen.

11. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dritten Heizgas-Zug (10) einige (z.B. vier) Wärmeübergabe-Rippen fortgelassen sind und dieser Raum durch Sperren geschlossen ist.

12. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (3) auf der Seite, die der Trennwand (9) zugewandt ist, eine Verlängerung (15) aufweist, die mit dem Hohlkörper (3) zusammen die ganze Trennwand (9) in einem bestimmten Abstand überdeckt.

13. Heizkessel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Verlängerung (15) an deren Ende vor der Prallwand (4) eine Prallscheibe im rechten oder größeren Winkel zu der Verlängerung angebracht ist und deren Oberfläche strömungsgünstig hergestellt ist.

14. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prallscheibe (16) auf der Trennwand (9) angebracht ist und zusammen mit weiteren Prallsteinen die gesamte Prallwand (4) bildet.

Zeichnung