[0001] Die Erfindung betrifft einen Heizkessel mit interner Rauchgasrezirkulation für die
Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen mit einem stirnseitig angeordneten
Brenner, dessen Flamme in einen in Strömungsrichtung offenen Feuerraumeinsatz geleitet
ist, welcher von einem Wasserraum umgeben ist und stromab in einen Umlenkraum mündet,
der mit einem Rauchgas-Sammelraum über eine Rauchgaskanalausbildung in Verbindung
steht, die von dem Umlenkraum aus gesehen über einen ersten Abschnitt der Kanallänge
zwischen der Außenwandung des Feuerraumeinsatzes und der Innenwandung eines zweiten
Bereiches des Wasserraumes und anschließend durch eine Übertrittszone über einen zweiten,
sich in derselben Richtung der Längsachse des Feuerraumeinsatzes erstreckenden Abschnitt
der Kanallänge entlang eines ersten Bereiches des Wasserraumes verläuft, von welcher
Übertrittszone ausgehend ein innenseitig durch den Außenmantel des Feuerraumeinsatzes
begrenzter Abzweigkanal für die Aufnahme eines rückzufürenden Rauchgasteilstromes
vorgesehen ist, der dem Feuerraum über den Umfangsbereich des Brennerrohres aufgrund
der Injektorwirkung der dem Brennerrohr entströmenden, zur Flammenbildung führenden
Brennstoffe oder Brennstoffgemische zugeführt wird.
[0002] Ein solcher Kessel ist aus der EP 0 387 859 A2 bekannt und dort hinsichtlich der
physikalisch-chemischen Grundlagen zur Verringerung der NO
x-Bildung sowie der Bedeutung der Rückführung eines Rauchgasteilstromes kesselintern
ausgiebig erläutert. Der dort vorgeschlagene Heizkessel zeichnet sich durch den Abgriff
des in den Feuerraum rückzuführenden Rauchgasteilstromes etwa im Mittelbereich der
Längserstreckung der Rauchgaskanalausbildung aus, wodurch erreicht wird, daß eine
Kühlung der Brennerflamme im Feuerraum nicht nur durch die Zuführung kühleren Rauchgases,
sondern auch dadurch, daß die Flammenbildungszone außenseitig des Feuerraumeinsatzes
7 von dem gekühlten Rauchgasteilstrom umstrichen wird. Dies geschieht bei dem bekannten
Heizkessel derart, daß ein hohlzylinderförmiger Raum um die Flammenbildungszone des
Feuerraumes bzw. um den Feuerraumeinsatz in diesem Bereich außenseitig von einem zweiten
Bereich des Wassermantels begrenzt wird. Die in Strömungsrichtung der Rauchgase gesehen
auf einen ersten Rauchgaskanalabschnitt, in dem das Rauchgas aufgrund des hohen Temperaturgefälles
stark abgekühlt wird, folgende Strecke für den zurückzuführenden Rauchgasteilstrom
ist demnach außenseitig durch Angrenzen an den Wassermantel zusätzlich gekühlt.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel der eingangs genannten
und vorbeschriebenen Art bei vergleichbarem NO
x-Verhalten wesentlich einfacher auszugestalten und damit dessen Fertigung erheblich
zu verbilligen.
[0004] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen den ersten Bereich des Wasserraumes
und den Feuerraumeinsatz eine den letzteren umfassende Leitwand eingesetzt ist, deren
Innenmantelfläche den Abzweigkanal außenseitig und deren Außenmantelfläche den zweiten
Abschnitt der Rauchgaskanalausbildung innenseitig begrenzt, der außenseitig durch
die Innenwandung des ersten Bereiches des Wasserraumes definiert ist. Bei dieser Ausbildung
bestehen also vergleichbare Strömungswege für das Rauchgas mit denen nach dem vorgeschilderten
Stand der Technik. Es wird durch den Einsatz der Leitwand der Abzweigkanal innenseitig
nicht mehr durch den Wassermantel begrenzt, dieser umfaßt vielmehr unter Bildung des
zweiten Abschnittes der Rauchgaskanalausbildung die Teilwand wiederum mit Abstand.
Damit wird gegenüber dem Stand der Technik insoweit auch hinsichtlich der Wärmeverhältnisse
zweierlei beeinflußt, nämlich zum einen grenzt der Abzweigkanal für die zurückzuführende
Rauchgasteilmenge außenseilig nicht mehr an den Wassermantel und zum anderen grenzt
der zweite Abschnitt der Rauchgaskanalausbildung innenseitig nicht mehr an den Feuerraumeinsatz.
Eine genügende Kühlwirkung des die Flammenbildungszone umgebenden oberen Bereiches
des Feuerraumeinsatzes kann man beeinflussen, beispielsweise durch stärkeren Wärmeübergang
im ersten Abschnitt der Rauchgaskanalausbildung, insbesondere durch entsprechend radial
große Bemessung mit großflächigen und enger angeordneten Rippen, und/oder durch verlängerte
Ausbildung dieses ersten Abschnittes bei verkürzter Länge des Abzweigkanals. Im zweiten
Abschnitt der Rauchgaskanalausbildung soll das dem Rauchgas-Sammelraum und von da
aus dem Kamin zugeführte Rauchgas zur Vermeidung von Verlusten möglichst weit heruntergekühlt
sein. Die Anordnung der Leitwand zwischen dem Feuerraumeinsatz und der Innenwandung
des zweiten Bereiches des Wassermantels ist dabei von positivem Einfluß.
[0005] Die erfindungsgemäße Kesselausbildung mit Einsatz der Leitwand zwischen Feuerraumeinsatz
und zweitem Bereich des Wassermantels eröffnet die Möglichkeit einer wesentlich einfacheren
Konfiguration des Wassermantels, was für dessen Herstellkosten von erheblicher Bedeutung
ist. In bevorzugter Ausführung als Gußteil wird dies unter Hinweis auf das gezeichnete
Ausführungsbeispiel sofort Klar, wenn auch die dort wiedergegebene besonders einfache
Form des Wasserraumes, d.h. der diesen umschließenden Gehäusewand, nicht zwingend
ist. Es lassen sich sehr wohl unterschiedliche radiale Ausdehnungen und dergleichen
vorstellen, ohne daß man maßgebliche Konstuktionsvorteile der erfindungsgemäßen Ausbildung
aufgeben müßte.
[0006] Die bevorzugte Ausführung von Feuerraumeinsatz und Leitwand aus Stahl, insbesondere
rohrförmig mit kreisringförmigen Querschnitt, zeigt ebenfalls die Möglichkeit besonders
günstiger Herstellung auf. Durch radial abragende Abstützausleger lassen sich Feuerraumeinsatz
und Leitwand vor allem bei stehender Kesselanordnung - Sturzbrenner mit Flammenausbreitung
von oben nach unten - einfach an der Wasserraumkonstruktion abstützen und zentrieren.
Desweiteren ist es möglich, beispielsweise nur den Feuerraumeinsatz an dem Wasserraumgehäuse
abzustützen und die Leitwand zentriert an dem Feuerraumeinsatz auf diesen abgestützt
anzuordnen und umgekehrt.
[0007] In besonders bevorzugter Ausführung ist zumindest der erste Abschnitt der Rauchgaskanalausbildung,
vorzugsweise auch der zweite Abschnitt, mit von den angrenzenden Innenwandungen der
Bereiche des Wasserraumes abstrebend ausgebildeten Rippen durchsetzt, die der Abstützung
von Feuerraumeinsatz und/oder Leitwand dienen können.
[0008] Die Zuführverhältnisse für den rückzuführenden Rauchgasteilstrom sind denen des eingangs
geschilderten Standes der Technik vergleichbar; auch hier wird der durch die sich
entzündende Brennstoffströmung einstellende Impuls zur Führung des Rauchgasteilstromes
genutzt. Im übrigen wird auf die Ausführungen in der eingangs genannten Anmeldeschrift
verwiesen. In diesem Zusammenhang lassen sich verschiedene Strömungsführungsausbildungen
in dem dem Brennerrohr zugewandten Endbereich des Feuerraumeinsatzes vorstellen, ein
Beispiel zeigt die beiliegende Zeichnung. Das dort wiedergegebene Ausführungsbeispiel
zeigt eine besonders einfache Formgebung des Wasserraumgehäuses mit fluchtender Ausrichtung
der Innenwandungen beider Bereiche und insgesamt hohlzylindrischer Wasserkammer.
[0009] Die Zeichnung zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei welchem
die Abzweigung einer rückzuführenden Rauchgasteilmenge oberhalb des vertikalen Mittelbereiches
der Rauchgaskanalausbildung eines stehend angeordneten Kessels erfolgt.
[0010] Der Heizkessel 1 weist an seiner oberen Stirnseite einen demgemäß als Sturzbrenner
betriebenen Brenner auf, von welchem nur das Brennerrohr 2 angedeutet wiedergegeben
ist. Der Heizkessel 1, der einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist,
ist in seinem Zentrum mit einem Feuerraum 3 versehen, der sich nahe der Innenseite
der oberen Stirnwand etwa von der Mündung des Brennerrohres 2 ausgehend bis in den
Bodenbereich des Kessels erstreckt und dort offen in einem Umlenkraum 4 mündet. Die
in dem Feuerraum 3 durch die Verbrennung entstehenden heißen Rauchgase strömen somit
abwärts, werden in dem Raum 4 umgelenkt und seitlich des Feuerraumes in Gegenrichtung
weitergeführt.
[0011] Der Feuerraum 3 weist eine im Anschluß an die obere stirnseitige Begrenzung des Feuerraumes
3 angeordnete erste Zone auf, in der sich die Flamme bildet und die hier daher Flammenbildungszone
5 genannt wird. An diese Zone 5 schließt sich über den Rest des Feuerraumes 3 nach
unten hin gesehen eine weitere Zone an, in der die Flamme ausbrennt und daher als
Flammenausbrandzone 6 bezeichnet ist. Der Feuerraum 3 und damit die Flammenbildungszone
5 und die Flammenausbrandzone 6 wird von einer als Stahlrohr ausgebildeten Wandung
eines Feuerraumeinsatzes 7 begrenzt. Der insgesamt mit 8 bezeichnete Wasserraum ist
in zwei Wasserraumbereiche, nämlich einen ersten Bereich 11 und einen zweiten Bereich
9 unterteilt, die sich in vorliegender Kesselausbildung nur durch unterschiedlich
weit abragende, nämlich an die innenseitig zugeordneten Abschnitte der Rauchgaskanalausbildung
angepaßte Rippen 28 und 29 unterscheiden. Der zweite Bereich 9 umfaßt mit seiner Innenwandung
10 unter Bildung eines hohlzylinderförmigen Raumes mit Abstand den Feuerraumeinsatz
7 im Bereich der Zone 6, während der erste Bereich 11 mit seiner Innenwandung 12 den
Feuerraumeinstaz 7 im Bereich der Zone 5 umgreift. Ein insgesamt mit 15 bezeichneter
Rauchgaskanal erstreckt sich von der unten liegenden Umlenkkammer 4 außerhalb des
Feuerraumes 3 bis in einen im oberen stirnseitigen Bereich des Kessels ausgebildeten
Rauchgas-Sammelraum 19, der über einen Ausgang 20 an einen nicht weiter dargestellten
Kamin angeschlossen ist. Der Rauchgaskanal 15 weist in dieser Rauchgas-Strömungsrichtung
gesehen einen ersten Abschnitt 16 auf, der sich in dem hohlzylindrischen Raum zwischen
dem Feuerraumeinsatz 7 und der Innenwandung 10 des zweiten Wasserraumbereiches 9 erstreckt,
und pflanzt sich in einem zweiten Abschnitt 17 fort, der als von den Rippen 29 eingegriffener
hohlzylindrischer Ringraum zwischen der Innenwandung 12 und der Außenseite einer Leitwand
30 gebildet ist, die ihrerseits als rohrförmiger Körper den oberen Bereich - Flammenbildungszone
5 - des Feuerraumeinsatzes 7 mit Abstand umgreift, so daß zwischen Leitwand 30 und
dem oberen Bereich des Feuerraumeinsatzes 7 ein hohlzylindrischer Abzweigkanal 40
ausgebildet ist. Der erste Abschnitt 16 der Rauchgaskanalausbildung steht mit dessen
zweiten Abschnitt 17 und dem Abzweigkanal 40 durch eine Übertrittszone 18 in Verbindung,
in welcher der rückzuführende Rauchgasteilstrom von dem gesamten Rauchgasstrom abgespalten
und dem Abzweigkanal 40 zugeführt wird. An dem dem Brennrohr zugewandten Ende mündet
der Abzweigkanal 40 in einen Raum, der oberhalb des Feuerraumeinsatzes freigelassen
ist, d.h. einen Ringspalt 39 für den Übertritt der rückgeführten Rauchgasteilmenge
in den Bereich um das Brennerrohr 2 herum aufweist, so daß diese Rauchgasteilmenge
unter Injektorwirkung in die Flammenbildungszone 5 des Feuerraumes 3 eintritt.
[0012] Der Umlenkraum 4 ist nach unten hin durch einen Bodenisolierkörper 21 abgeschlossen,
der an dem Bereich 9 des Wasserraumes 8 angeordnet ist. Die obere Stirnwand des Heizkessels
1 ist durch einen Deckel 23 gebildet, der zum Kesselinneren hin eine Isolierung aufweist
und sich über die gesamte Kesselstirnseite hinweg erstreckt. Der Deckel 23 ist in
nicht näher dargestellter Weise aufklappbar bzw. abnehmbar, so daß durch die entstehende
Öffnung eine Reinigung des Feuerraumes und der Rauchgaskanalabschnitte ermöglicht
wird. Im Schließzustand schließt der Deckel 23 den Rauchgas-Sammelraum 19 ab, und
zwar durch Angriff an dem oberen Randbereich der Leitwand 30 derart, daß ein Übertritt
von Rauchgas aus dem Sammelraum 19 zu dem das Brennerrohr 2 umgebenden Raum nicht
stattfindet.
[0013] Die beiden Bereiche 9 und 11 des Wasserraumes 8 sind hier hinsichtlich ihrer Wandungen
fluchtend in Richtung der Längsachse 45 derart aufeinanderfolgend vorgesehen, daß
sie einen gemeinsamen hohlzylindrischen Wasserraum bilden. Das über einen Wassereinlaß
24 in den zweiten Bereich 9 eingeführte Wasser tritt somit in den Bereich 11 des Wasserraumes
über und gelangt von dort über einen Wasserauslaß 25 wieder nach außerhalb des Kessels.
[0014] Die Flammenbildung findet in der vom Brenner 2 aus gesehen ersten Zone 5 des Feuerraumes
3 statt und entfaltet große Hitze. Die Flamme tritt in die Zone 6 des Feuerraumes
3 ein, die aufgrund des radial angrenzenden, größer bemessenen und das heiße Rauchgas
aufnehmenden ersten Abschnittes 16 der Rauchgaskanalausbildung 15 verhältnismäßig
heiß ist, so daß ein guter Ausbrand der Flamme erfolgt, wodurch die Bildung von Schadstoffen
wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Ruß wesentlich reduziert wird.
[0015] Das Rauchgas durchtritt ausgehend von dem Umlenkraum 4 nacheinander die Abschnitte
16 und 17 sowie den dazu parallel verlaufenden Abzweigkanal 40, was die rückzuführende
Rauchgasteilmenge betrifft. Dabei wird im ersten Abschnitt 16 ein Großteil der Wärme
des Rauchgases über die mit den Rippen 28 versehene Innenwandung 10 an das Wasser
in dem Wasserraumbereich 9 abgegeben. Im Bereich der zwischen dem ersten Abschnitt
16 einerseits und dem zweiten Abschnitt 17 der Rauchgaskanalausbildung 15 sowie dem
Abzweigkanal 40 andererseits gelegene Übertrittszone 18 wird durch Strahlungswärme
aus dem oberen Bereich der Zone 6 des Feuerraumes 3 soweit erwärmt gehalten, daß die
Ansammlung von Kondensat behindert ist. Danach wird das den Abschnitt 17 der Rauchgaskanalausbildung
15 durchströmende Rauchgas über die Strömungsstrecke durch Abgabe von Wärme an die
mit den Rippen 29 versehene Innenwandung des Bereiches 11 des Wasserraumes 8 soweit
gekühlt, daß es mit nur noch geringer Wärme den Kessel über den Rauchgas-Sammelraum
19 und den Ausgang 20 verläßt.
[0016] Der in der Übertrittszone 18 in den Abzweigkanal 40 übertretende Rauchgasteilstrom
streicht außenseitig des die Flammenbildungszone umgebenden oberen Bereich des Feuerraumeinsatzes
entlang und kühlt damit diese Zone aufgrund des zuvor im Abschnitt 16 der Rauchgaskanalausbildung
stattgefundenen entsprechenden Wärmeentzugs. Dieser Rauchgasteilstrom gelangt am oberen
Ende des Abzweigkanals 40 durch den Abstand 39 zwischen oberem Ende des Feuerraumeinsatzes
7 und Deckel 23 in den Injektorbereich des Brennerrohres 2, wobei die obere Stirnöffnung
des Feuerraumeinsatzes 7 zum Brennerrohr 2 hingesehen durch einen in Umfangsrichtung
durchgehend oder unterbrochen ausgebildeten Kragen 41 abgedeckt sein kann, dessen
innere Berandung eine Abbiegung in den Feuerraum 3 hinein aufweist. Der derart der
Flammenbildungszone zugeführte Rauchgasteilstrom bewirkt durch Kühlung und Ausgleich
von Wärmespitzen in bekannter und in der eingangs genannten Anmeldung beschriebenen
Art eine Herabsetzung der NO
x-Bildung, so daß diese Rauchgasteilmenge zunächst durch Kühlung der Flammenbildungszone
von außen her und dann durch unmittelbare Zufuhr zu dieser auf zweierlei Weise wirksam
wird.
[0017] Die als Stahlrohre ausgebildeten Bauteile Feuerraumeinsatz 7 und Leitwand 30 sind
zentrierend abgestutzt auf den Rippen 28 bzw. 29 in dem Gußkörper der Wasserkammer
8 gehalten, so daß insgesamt eine zentrische Kesselausbildung um die Längsachse 45
des Kessels gegeben ist. Die Abstützausleger 42 und 43 der Leitwand 30 bzw. des Feuerraumeinsatzes
7 sind auf Umfangsteilbereiche derart beschränkt, daß eine Behinderung der Strömungsverhältnisse
in den zugehörigen Kanälen kaum stattfindet und andererseits eine sichere Auflage
auf den Rippen gegeben ist. Insbesondere läßt sich die Strömungsgrößenordnung im Kanal
40 darüberhinaus durch diese Stützausleger 43 oder andere Elemente gezielt einstellen.
1. Heizkessel mit interner Rauchgasrezirkulation für die Verbrennung von flüssigen oder
gasförmigen Brennstoffen mit einem stirnseitig angeordneten Brenner, dessen Flamme
in einen in Strömungsrichtung offenen Feuerraumeinsatz (7) geleitet ist, welcher von
einem Wasserraum (8) umgeben ist und stromab in einen Umlenkraum (4) mündet, der mit
einem Rauchgas-Sammelraum (19) über eine Rauchgaskanalausbildung (15) in Verbindung
steht, die von dem Umlenkraum (4) aus gesehen über einen ersten Abschnitt (16) der
Kanallänge zwischen der Außenwandung des Feuerraumeinsatzes (7) und der Innenwandung
(10) eines zweiten Bereiches (9) des Wasserraumes (8) und anschließend durch eine
Übertrittszone (18) über einen zweiten, sich in derselben Richtung der Längsachse
(45) des Feuerraumeinsatzes (7) erstreckenden Abschnitt (17) der Kanallänge entlang
eines ersten Bereiches (11) des Wasserraumes (8) verläuft, von welcher Übertrittszone
(18) ausgehend ein innenseitig durch den Außenmantel des Feuerraumeinsatzes (7) begrenzter
Abzweigkanal (40) für die Aufnahme eines rückzuführenden Rauchgasteilstromes vorgesehen
ist, der dem Feuerraum (3) über den Umfangsbereich des Brennerrohres (2) aufgrund
der Injektorwirkung der dem Brennerrohr (2) entströmenden, zur Flammenbildung führenden
Brennstoffe oder Brennstoffgemische zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den ersten Bereich (11) des Wasserraumes (8) und den Feuerraumeinsatz
(7) eine den letzteren umfassende Leitwand (30) eingesetzt ist, deren Innenmantelfläche
den Abzweigkanal (40) außenseitig und deren Außenmantelfläche den zweiten Abschnitt
(17) der Rauchgaskanalausbildung (15) innenseitig begrenzt, der außenseitig durch
die Innenwandung (12) des ersten Bereiches (11) des Wasserraumes (8) definiert ist.
2. Heizkessel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Sturzbrenner mit von oben nach unten gerichteter Flammenausbreitung vorgesehen
ist.
3. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wasserraum (8) als einstückiges Gußteil, insbesondere Graugußteil, ausgebildet
ist.
4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feuerraumeinsatz (7) und/oder die Leitwand (30) als Stahlrohr, insbesondere
kreisringförmigen Querschnittes, ausgebildet ist.
5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß von wenigstens einer der Innenwandungen (10, 12) der Bereiche (9, 11) des Wasserraumes
(8) ausgehende, in den jeweils benachbarten Abschnitt (16, 17) der Rauchgaskanalausbildung
(15) hineinragende Rippen 828, 29) vorgesehen sind.
6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abzweigkanal (40) in Strömungsrichtung etwa gleich lang oder kürzer ausgebildet
ist als der erste Abschnitt (16) der Rauchgaskanalausbildung (15).
7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß an dem Brennerrohr (2) zugewandten Ende des Feuerraumeinsatzes (7) ein wenigstens
bereichsweise umlaufender, zum Brennerrohr hin gerichteter Kragen (41) vorgesehen
ist, der mit Abstand von dem Brennerrohr (2) zum Feuerraum (3) hin abgebogen sein
kann.
8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitwand (30) mittels von ihrer Außenfläche radial abstehender Abstützausleger
(42) auf Rippen (29) aufliegend gehalten und zentriert ist.
9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feuerraumeinsatz (7) mittels von seiner Außenfläche radial abstehender Abstützausleger
(43) auf Rippen (28) aufliegend gehalten ist.
10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwandungen (10, 12) der beiden Bereiche (9, 11) des Wasserraumes (8) fluchtend
ineinander übergehen, insbesondere als Innenwandung eines insgesamt glattwandig hohlzylindrischen
Wasserraumes (8).
11. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feuerraumeinsatz flammeneintrittsseitig in einem Abstand 20 bis 50 mm, vorzugsweise
30 mm, von der Fläche zwischen dem Deckel und dem Feuerraum bildet, über die ein Rauchgasteilstrom
in die Flamme zurückgeführt wird.
12. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Brennrohr des Brenners in die Mündung des Brennkammereinsatzes hineinragt.