[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel, der in einen Heizkreislauf eingebunden
ist, mit einer zumindest eine Flamme erzeugenden Brennereinrichtung und einem Behälter
mit einer ein erhitzbares Wärmeträgermedium enthaltenden Kammer und einer Brennkammer,
in deren Innenraum eine mit der das Wärmeträgermedium enthaltende Kammer verbundene
Anzahl wärmeabführender Bauteile angeordnet sind.
[0002] Die zunehmend knapper werdenden Ressourcen an Energie auf der Erde, wie Öl, Kohle
und Gas sowie die daraus hergestellten, immer kostspieliger werdenden Energieträger,
wie beispielsweise Wärme, und deren immer weiter steigender Verbrauch zwingen zu ökologisch
umweltfreundlichen und ökonomischen Überlegungen, energieverbrauchende Geräte zu entwickeln,
die kostensparend und mit hohem Nutzeffekt betrieben werden können. Dies trifft insbesondere
auch auf den Bereich der Wärme- bzw. Heiztechnik zu. Gerade Heizsysteme benötigen
einen hohen Aufwand an Energie, um eine hohe Heizleistung zu erzielen.
[0003] Solche Heizsysteme sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. In Altbauten
findet man noch vielfach Einzelöfen, die durch Verbrennen von Holz, Kohle, Gas oder
Heizöl oder durch elektrischen Strom die Wärme direkt erzeugen bzw. bei Nachtspeicheröfen
teilweise mit Verspätung an den Raum abgeben. Bei Zentralheizungen wird die von einem
meist im Keller befindlichen Heizkessel erzeugte Wärme durch einen Wärmeträger, meist
Wasser, seltener Dampf oder Luft, den zu beheizenden Räumen zugeführt. Sie wird dort
über Radiatoren, Konvektoren und in jüngster Zeit häufig über Fußbodenheizungen an
den Raum abgegeben.
[0004] Zweck einer Heizungsanlage ist die Erzielung eines behaglichen Raumklimas, d.h.,
die auf die Raumnutzer einwirkende sogenannte empfundene Temperatur, die einem Mittelwert
aus Raumlufttemperatur und mittlerer Temperatur der Raumumschließungsflächen entspricht,
soll je nach körperlicher Aktivität und individuellen Ansprüchen in einem Bereich
von etwa 16 bis 24°C liegen. Weitere Anforderungen an eine Heizungsanlage sind möglichst
geringe Anschaffungs- und Brennstoffkosten sowie eine möglichst geringe Schadstoffemission.
[0005] Herkömmliche Heizsysteme arbeiten, vom Verbrennungsprozeß her gesehen, wenig angepaßt
an die Heizaufgabe. Hohe Verbrennungstemperaturen von etwa 1000°C stehen einem Wärmebedarf
von Temperaturen von etwa 20°C gegenüber. Neuere Niedertemperatur-Heizkessel können
aufgrund konstruktiver Maßnahmen und korrosionsfester Materialien mit Kesselwassertemperaturen
von 40°C betrieben werden. Zusätzlich kann der im Rauch enthaltene Wasserdampf durch
Kondensation freigesetzt und die fühlbare Abwärme weitgehend zurückgewonnen werden,
wodurch die Abgastemperaturen im Kamin abgesenkt werden.
[0006] Die herkömmlichen Heizungssysteme arbeiten mit einer Brennereinrichtung, die mit
Öl oder Gas betrieben wird. Dabei wird die Flamme des Brenners in eine hohle Brennkammer
gerichtet, wobei die von der Flamme abgestrahlte Wärme auf ein erhitzbares Wärmeträgermedium,
wie vorzugsweise Wasser, abgestrahlt wird. Bis die abgestrahlte Wärme das entfernte
Wärmeträgermedium erreicht, sinkt die Abstrahlwärmetemperatur erheblich ab, so daß
ein Nutzungsgrad von nur etwa 25% erreicht wird. Dabei wird lediglich die niedrigere
Temperatur des Flammenmantels ausgenutzt. Der Flammenmantel umfaßt in der Regel einen
Temperaturbereich von lediglich 400 bis 500°C, wobei effektiv nur etwa 350°C Flammenmanteltemperatur
ausgenutzt werden. Um daher eine ausreichende Wassertemperatur im Heizkessel zu erzielen,
muß über einen längeren Zeitraum über die Brennereinrichtung Wärmeenergie zugeführt
werden, was zusätzlichen Energieverbrauch bedeutet. Da die Brennereinrichtung gegenüber
dem das Wärmeträgermedium enthaltenden Behälter beabstandet angeordnet ist, muß der
Heizkessel große Abmessungen aufweisen. Dieser Umstand wird noch dadurch unterstützt,
daß infolge des niedrigen Nutzungsgrades der zugeführten Wärmeenergie die Außenwandung
des Heizkessels mit einer Isolierung umgeben werden muß, um den Nutzeffekt nicht noch
weiter zu verringern. Dies wiederum führt zu erhöhten baulichen und Kostenaufwand
für den Heizkessel.
[0007] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Heizkessel der eingangs genannten Art zu schaffen,
durch den ein hoher Nutzungsgrad der eingesetzten Wärmeenergie bei niedrigeren Herstellungs-
und Kostenaufwand erreicht wird.
[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die wärmeabführenden Bauteile
unmittelbar der Flamme der Brennereinrichtung ausgesetzt sind. Somit sind die wärmeabführenden
Bauteile direkt an der Flamme der Brennereinrichtung angeordnet. Im Sinne der Erfindung
bedeutet das, daß zumindest eines der wärmeabführenden Bauteile keinen nennenswerten
Abstand zur Brennerflamme aufweist. Damit wird nicht mehr vordergründig die Abstrahlwärme
der Flamme bzw. Flammen der Brennereinrichtung ausgenutzt, sondern die erhöhte Flammentemperatur
selbst, die bei 1000 bis 1200°C liegt. Dabei beträgt die effektive Ausnutzung der
Flammentemperatur über 900°C. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gestatten daher die
Abnahme der Wärme dort, wo die Flammentemperatur am höchsten ist.
[0009] In Weiterbildung der Erfindung sind zumindest die der Flamme der Brennereinrichtung
am nächsten angeordneten wärmeabführenden Bauteile dem Flammenkern ausgesetzt. Bekanntermaßen
ist die Temperatur im Flammenkern am höchsten. Dadurch erfolgt eine optimale Ausnutzung
der Flammenkerntemperatur, die unmittelbar auf das zumindest eine wärmeabführende
Bauteil übertragen wird, welches sich unmittelbar im Flammenkernbereich befindet.
[0010] Nach einer Fortbildung der Erfindung sind die im Innenraum der Brennkammer angeordneten
wärmeabführenden Bauteile mit der das Wärmeträgermedium enthaltenden Kammer strömungstechnisch
verbunden. Wird eines oder mehrere der wärmeabführenden Bauteile unmittelbar dem Flammenkern
ausgesetzt, überträgt sich dessen Temperatur nur mit geringfügigen Verlusten auf das
in den wärmeabführenden Bauteilen enthaltene Wärmeträgermedium. Der Anstieg der Temperatur
des Wärmeträgermediums durch die direkte Einwirkung der Temperatur des Flammenkerns
bewirkt eine Umwälzung des Wärmeträgermediums innerhalb des Heizkessels zwischen den
wärmeabführenden Bauteilen und dem das Wärmeträgermedium enthaltenden Behälter. Hierbei
wird ein Nutzungsgrad an Wärmeenergie von mehr als 70% erreicht. Die hohe Zirkulation
des Wärmeträgermediums und dessen erhöhte Temperatur führen dazu, daß eine Doppelwandigkeit
des Heizkessels entfallen kann. Dadurch kann der Heizkessel kleiner ausgestaltet werden,
wobei Rohstoffe und Materialien zu dessen Herstellung eingespart werden könne. Darüber
hinaus ist er kostengünstiger herstellbar.
[0011] Bevorzugt sind die wärmeabführenden Bauteile im Innenraum der Brennkammer als Hohlprofile
beliebigen Querschnitts ausgebildet. Hierbei können die wärmeabführenden Bauteile
beispielsweise einen dreieckigen, kreisrunden oder stromlinienförmigen Querschnitt
aufweisen. Darüber hinaus können die wärmeabführenden Bauteile im Innenraum der Brennkammer
jeweils unterschiedliche Hohlprofile aufweisen.
[0012] Vorzugsweise besteht eine Gruppe von wärmeabführenden Bauteilen aus Hohlprofilen,
die unterschiedlich zu den Hohlprofilen einer anderen Gruppe von wärmeabführenden
Bauteilen sind, wobei beide Gruppen von wärmeabführenden Bauteilen miteinander verbunden
sind. So können beispielsweise das Wärmeträgermedium aufnehmende, zueinander beabstandete
Hohlprofile als Wassertaschen ausgebildet sein, die z.B. einen dreieickigen Querschnitt
aufweisen. Diese Gruppe von wärmeabführenden Bauteile kann mit wärmeabführenden Bauteile
verbunden werden, die einen beispielsweise geringeren kreisförmigen Querschnitt aufweisen
und die mit dem das Wärmeträgermedium enthaltenden Behälter verbunden sind, um eine
hinreichende Zirkulation des Wärmeträgermediums zu erreichen.
[0013] Zweckmäßigerweise sind die flächenmäßig größten Abschnitte zumindest eines der wärmeabführenden
Bauteile unmittelbar dem Flammenkern ausgesetzt, um eine möglichst große Angriffsfläche
für den Flammenkern zu ermöglichen.
[0014] Zur Erhöhung der Wärmeströmung innerhalb des Heizkessels sind bevorzugt die Brennkammer
bzw. die das Wärmeträgermedium enthaltende Kammer zumindest teilweise im Querschnitt
verengt. Dadurch wird ein Strömungseffekt ähnlich einer Venturidüse erzielt und die
Zirkulation des Wärmeträgermediums erhöht.
[0015] Um eine Korrosion der wärmeabführenden Bauteile mit dem Wärmeträgermedium zu verhindern
und gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit dieser Bauteile gegenüber der Temperatur
des Flammenkerns zu erhöhen, bestehen die wärmeabführenden Bauteile und der das Wärmeträgermedium
enthaltende Behälter vorzugsweise aus Edelstahl oder Gußeisen.
[0016] Schließlich ist vorgesehen, daß der Brennstoff für die Brennereinrichtung vorzugsweise
Öl oder Gas und das Wärmeträgermedium vorzugsweise Wasser sind.
[0017] Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
[0018] Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung
anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben.
Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Heizkessels nach einer
ersten Ausführungsform,
- Fig. 2
- eine schematische Schnittansicht des Heizkessels entlang der Linie II-II nach Fig.
1,
- Fig. 3
- eine schematische Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Heizkessels nach einer
zweiten Ausführungsform mit zusätzlichen Einrichtungen,
- Fig. 4
- eine schematische Draufsicht auf den Heizkessel nach Fig. 3 und
- Fig. 5
- eine schematische Schnittansicht des Heizkessels entlang der Linie V-V nach Fig. 3.
[0019] Der Heizkessel 1 nach den Fig. 1 und 2 besitzt einen zylindrischen Behälter 2. An
einer stirnwandigen Außenseite des Behälters 2 ist eine Brennereinrichtung 3 angeordnet,
die eine ins Innere des Behälters 2 gerichtete Brennerdüse 4 aufweist, aus der eine
Flamme 5 austritt. Die Flamme wird nachfolgend immer als Flammenkern 5 bezeichnet.
Der mittels Fußstützen 6 auf eine Boden 7 gelagerte Behälter 2 umschließt eine Brennkammer
8, die ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist und einen geringeren Durchmesser aufweist
als der Behälter 2 des Heizkessels 1. An der Brennereinrichtung 3 entgegengesetzten
Seite der Brennkammer 8 ragt ein Rauchgas-Ableitungsstutzen 9 hervor, der später erläutert
wird.
[0020] Zwischen dem Behälter 2 und der Brennkammer 8 wird eine Kammer 10 gebildet, in der
sich ein erhitzbares Wärmeträgermedium 11, beispielsweise Wasser, befindet.
[0021] Im Inneren der Brennkammer 8 ist zentrisch um dessen Längsachse 12 ein wärmeabführendes
Bauteil 13 angeordnet, welches kreisringförmig ausgebildet ist und einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist. Radial vom ringförmigen wärmeabführenden Bauteil 13 sind im
Winkelabstand von 90° zueinander versetzt weitere wärmeabführende Bauteile 14 sternförmig
angeordnet, die das wärmeabführende Bauteil 13 mit der das Wärmeträgermedium 11 enthaltenden
Kammer 10 strömungstechnisch verbinden. Die wärmeabführenden Bauteile 14 sind Rohre
kreisförmigen Querschnitts, die an ihren jeweiligen Enden mit dem ringförmigen wärmeabführenden
Bauteil 13 und der Wand der Brennkammer 8 verschweißt sind. Somit kann das Wärmeträgermedium
11 sowohl das ringförmige wärmeabführende Bauteil 13 als auch die rohrförmigen wärmeabführenden
Bauteile 14 durchströmen. Wird das ringförmige wärmeabführende Bauteil 13 unmittelbar
dem Flammenkern 5 der Brennereinrichtung 3 ausgesetzt, zirkuliert das Wärmeträgermedium
11 durch die direkte Hitzeeinwirkung des Flammenkerns 5 in den wärmeabführenden Bauteilen
13 und 14 und in der Kammer 10. Durch den Umwälzvorgang bewegt sich das Wärmeträgermedium
11 entsprechend den in Fig. 1 und 2 gezeigten Pfeilen. Dabei bilden die unteren rohrförmigen
wärmeabführenden Bauteile 14 einen Wärmeträgerzulauf 15 und die oberen rohrförmigen
wärmeabführenden Bauteile 14 einen Wärmeträgerablauf 16.
[0022] Bei der Ausführungsform des Heizkessels 1 gemäß den Fig. 3 bis 5 ist der Heizkessel
3 im wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Gleiche Bezugsziffern in den Fig. 3 bis
5 entsprechen denen in den Fig. 1 und 2. Die Brennkammer 8 und somit die benachbart
angeordnete, das Wärmeträgermedium 11 enthaltende Kammer 10 sind in ihrem mittleren
Bereich verengt ausgebildet. Darüber hinaus ist die Brennkammer 8 zumindest teilweise,
nämlich außerhalb der wärmeabführenden Bauteile 13 und 14 mit einer Abdeckung 17 versehen.
Diese Abdeckung umfaßt eine möglichst große Fläche zur Aufnahme der Abstrahlwärme.
Dadurch ist nur ein geringer Zwischenraum zwischen der Oberseite der Brennkammer 8
und dem Behälter 2 erforderlich, in dem sich das Wärmeträgermedium 11 befindet.
[0023] Im Innenraum der Brennkammer 8 ist ein erstes wärmeabführendes Bauteil 13 unmittelbar
im Flammenkern 5 der Brennereinrichtung 3 angeordnet. Dieses wärmeabführende Bauteil
13 ist, wie aus Fig. 4 ersichtlich, im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet, wobei
die Spitze der Dreieckform direkt zum Flammenkern 5 gerichtet ist. Dadurch wird die
Auftreffläche des Flammenkerns 5 auf das wärmeabführende Bauteil 13 vergrößert. Ein
gleichgeartetes Bauteil 13 ist im der Brennereinrichtung 3 entgegengesetzten Bereich
der Brennkammer 8 angeordnet. Die wärmeabführenden Bauteile 13, die im wesentlichen
lotrecht in die Brennkammer 8 hineinragen, sind jeweils mit rohrförmigen wärmeabführenden
Bauteilen 14 mit der das Wärmeträgermedium 11 enthaltenden Kammer 10 verbunden, so
daß ein Strömungsdurchgang zwischen den wärmeabführenden Bauteilen 13 und 14 und der
Kammer 10 für das Wärmeträgermedium 11 geschaffen wird. Der Flammenkern 5 wirkt unmittelbar
auf das darin angeordnete wärmeabführende Bauteil 13 ein. Dadurch zirkuliert das Wärmeträgermedium
11 in den wärmeabführenden Bauteilen 13 und 14 und in der Kammer 10. Durch die Verengung
der Brennkammer 8 bzw. der das Wärmeträgermedium 11 aufweisenden Kammer 10 wird die
vom Flammenkern 5 abgestrahlte Wärme venturiartig in den hinteren Bereich zum anderen
wärmeabführenden Bauteil 13 dreieckförmigen Querschnitts geleitet und dieses ebenfalls
erhitzt.
[0024] Des weiteren weist der Heizkessel 1 gemäß Fig. 3 einen Heizkessel-Vorlaufstutzen
18 und gemäß Fig. 4 einen Heizkessel-Rücklaufstutzen 19 auf.
[0025] Der Heizkessel-Vorlaufstutzen 18 und die das Wärmeträgermedium 11 enthaltende Kammer
10 sind mit einer Wärmerückgewinnungseinrichtung 20 verbunden. Eine ein Absperrventil
21 aufweisende Leitung 22 führt vom Heizkessel-Vorlaufstutzen 18 zu einer Umwälzpumpe
23, die wiederum mit einer vorzugsweise aus Edelstahl bestehenden Rohrspirale 24 verbunden
ist, die im Inneren des Rauchgas-Ableitungsstutzens 9 angeordnet ist. Abgangsseitig
der Leitung 22 befindet sich ein weiteres Absperrventil 25. Die Ansperrventile 21
und 25 sind zu Reparatur- und Wartungszwecken vorgesehen, um den Strömungsweg des
Wärmeträgermediums 11 zu unterbrechen. Zur zusätzlichen Wärmerückgewinnung wird eine
bestimmte Menge des Wärmeträgermediums 11, z.B. 20% des Volumenstroms, benutzt und
wird mittels der Umwälzpumpe 23 über die Rohrspirale 24 im Rauchgas-Ableitungsstutzen
9 aumgewälzt. Dabei wird das entnommene Wärmeträgermedium 11 mit aus dem Voraluf erhöhter
Temperatur wieder direkt dem Rücklauf beigemischt. Dadurch wird die gegenüber der
Vorlauftemperatur niedrigere Rücklauftemperatur angehoben und somit zusätzliche Wärmeenergie
zurückgewonnen.
1. Heizkessel, der in einen Heizkreislauf eingebunden ist, mit einer zumindest eine Flamme
(5) erzeugenden Brennereinrichtung (3) und einem Behälter (2) mit einer ein erhitzbares
Wärmeträgermedium (11) enthaltenden Kammer (10) und einer Brennkammer (8), in deren
Innenraum eine mit der das Wärmeträgermedium (11) enthaltende Kammer (10) verbundene
Anzahl wärmeabführender Bauteile (13, 14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeabführenden Bauteile (13, 14) unmittelbar der Flamme (5) der Brennereinrichtung
(3) ausgesetzt sind.
2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die der Flamme (5) der Brennereinrichtung (3) am nächsten angeordneten
wärmeabführenden Bauteile (13, 14) dem Flammenkern (5) ausgesetzt sind.
3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Innenraum der Brennkammer (8) angeordneten wärmeabführenden Bauteile
(13, 14) mit der das Wärmeträgermedium (11) enthaltenden Kammer (10) strömungstechnisch
verbunden sind.
4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeabführenden Bauteile (13, 14) im Innenraum der Brennkammer (8) als
Hohlprofile beliebigen Querschnitts ausgebildet sind.
5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeabführenden Bauteile (13, 14) im Innenraum der Brennkammer (8) jeweils
unterschiedliche Hohlprofile aufweisen.
6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von wärmeabführenden Bauteilen (13) aus Hohlprofilen besteht, die
unterschiedlich zu den Hohlprofilen einer anderen Gruppe von wärmeabführenden Bauteilen
(14) sind, wobei beide Gruppen von wärmeabführenden Bauteilen (13, 14) miteinander
verbunden sind.
7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenmäßig größten Abschnitte zumindest eines der wärmeabführenden Bauteile
(13) unmittelbar dem Flammenkern (5) ausgesetzt sind.
8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) bzw. die das Wärmeträgermedium (11) enthaltende Kammer (10)
zumindest teilweise im Querschnitt verengt sind.
9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeabführenden Bauteile (13, 14) und der das Wärmeträgermedium (11) enthaltende
Behälter (2) vorzugsweise aus Edelstahl oder Gußeisen bestehen.
10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff für die Brennereinrichtung (3) vorzugsweise Öl oder Gas und das
Wärmeträgermedium (11) vorzugsweise Wasser sind.