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Heizkessel mit einem Brennraum Die Erfindung betrifft einen Heizkessel mit einem Brennraum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Heizkessel kann sowohl mit einem Öl-, wie auch einem Gasbrenner ohne weiteres betrieben und die mit dem Brenner erzeugte Wärme optimal genutzt werden kann.
Ein Heizkessel, bei dem der Brenner in einer gesonderten Brennkammer direkt im Kessel aufgenommen ist, ist in DE 34 23 628 Al beschrieben. Durch die dort gewählte Anordnung des Brenners ist jedoch nur der Einsatz von Gasbrennern möglich und für Reparatur und Reinigung ist durch den in der Regel erforderlichen Ausbau des Brenners ein erhöhter Aufwand zu verzeichnen.
Die heissen Abgase werden im Gegenstrom zu einem Wärmeabfuhrmedium (Gas oder Flüssigkeit) mäanderförmig geführt. Das Wärmeabfuhrmedium wird kalt von unten durch flache, rechteckige Profile geführt, bei denen die Profillängswände stellenweise miteinander verbunden sind.
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Es ist bekannt, dass bei ausgebildeter laminarer Strömung des heissen Abgases die Wärmeübertragung durch den sich ausbildenden Temperaturgradienten zum Inneren des Abgasstromes verschlechtert wird, da die äu- #eren Randbereiche abkühlen, das Zentrum des Abgasstromes jedoch höhere Temperaturen hat und so die Wärmeübertragung mit den geringeren Randtemperaturen verringert ist. Um diesem Problem entgegenzutreten, wird in DE 34 23 628 Al vorgeschlagen, Leitbleche zu verwenden, die mit Stufen oder Sicken versehen werden können. Dies hat jedoch neben erhöhten Kosten, wieder den Nachteil, dass sich im Abgasstrom enthaltene Partikel absetzen und durch Verschmutzung die Funktion beeinträchtigt wird, so dass eine häufigere Reinigung erforderlich ist.
Die Verschmutzung kann sogar dazu führen, dass sich die Profilierung zusetzt und der gewünschte Verwirbelungseffekt verloren geht. Ausserdem wird der Wärmeübergang durch die abgesetzten Partikel behindert, so dass der Wirkungsgrad verschlechtert wird.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Heizkessel bezüglich seiner Wärmeübertragungseigenschaften auf einfache und kostengünstige Weise zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Nutzung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.
Der erfindungsgemässe Heizkessel verwendet wasserführende Profile mit rechteckigem Querschnitt, die in mehreren horizontalen Ebenen übereinander, jeweils in
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einem Abstand voneinander angeordnet sind. Das Wasser wird von einer seitlich und unten angeordneten Wasserzuführung zu und durch die wasserführenden Profile mäanderförmig nach oben in Richtung auf den Brennraum zu einem am Brennraum ausgebildeten, diesen umschlie- #enden Wasserraum und von dort durch einen Wasseraustritt geführt.
Das heisse Abgas aus dem Brennraum wird bei Abgabe seiner fühlbaren Wärme im Gegenstrom durch Abgasräume, die durch die beabstandeten wasserführenden Profile ausgebildet sind, ebenfalls mäanderförmig geführt und unten abgezogen, wobei zur Abführung über einen Kamin ein zusätzlicher Ventilator vorgesehen sein kann.
Zur Führung des Abgases im Wärmetauscher sind zwischen den durch die wasserführenden Profile ausgebildeten horizontalen Ebenen Durchbrüche ausgebildet, die von Ebene zu Ebene alternierend an sich jeweils gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet sind.
Die Durchbrüche haben eine Grösse und/oder Form, dass eine Drosselwirkung im Abgasstrom beim Durchströmen der Durchbrüche und demzufolge auch eine Verwirbelung bewirkt wird, die die aufgebaute relativ laminare Abgasströmung zerstört, so dass der Wärmeübergang Abgas - Wasser über die Profilwände verbessert werden kann.
Vorteilhaft haben die Durchbrüche die Form eines Dreiecks, dessen Spitze jeweils in das Innere weist.
Dies hat den Vorteil, dass der Abgasstrom besonders günstig verwirbelt wird, also der Innere relativ hei- #e Abgasanteil gleichmässig an den äusseren Rand des Abgasstromes geführt wird. Da sich dieser Vorgang bei
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jedem Durchströmen eines solchen Durchbruchs wiederholt kann die sich zwischenzeitlich wieder eingestellte laminare Strömung beseitigt und der Effekt immer wieder erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Durchbruchsform ist die einfache und kostengünstige Fertigung.
Zur Erhöhung der Stabilität und Senkung der Fertigungskosten können solche Profile als Halbzeug verwendet werden und in jeweils einer Ebene mehrere wasserführende Profile parallel nebeneinander und gasdicht angeordnet sein, so dass der Abgasstrom ausschliesslich über die Durchbrüche geführt wird. Die Strömungsrichtung des Wassers ist in jeder Ebene, auch wenn sie aus mehreren Profilen gebildet ist, gleich.
Die wasserführenden Profile benachbarter Ebenen sind über stirnseitig angeordnete Profile miteinander, wieder an jeweils sich gegenüberliegenden Stirnseiten verbunden, über die das Wasser von Ebene zu Ebene geführt wird.
Sämtliche Profile können aus Stahl sein und demzufolge auch einfach und kostengünstig miteinander verschweisst werden.
Die wasserführenden Profile sollten eine Wandstärke von mindestens 3 mm haben, um den auftretenden Drükken zu widerstehen.
Durch eine lichte Weite der wasserführenden Profile von mindestens 8 mm, bevorzugt mindestens 14 mm wird der unerwünschte Kavitationseinfluss infolge Druck-,
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Temperatur und Strömungsgeschwindigkeitsschwankungen vermieden, da das sich sukzessiv erwärmende Wasser relativ gleichmässig von unten nach oben strömt und durch keine Querschnittsverengungen negativ beeinflusst wird.
Der erfindungsgemässe Heizkessel kann zusätzlich weitergebildet werden, wenn bevorzugt zumindest im untersten Abgasraum ein Element eingelegt wird, das die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert. Ein solches Element kann ein Gitter aus einem hitzebeständigen Material sein, das bei der Reinigung einfach entfernt werden kann. Im einfachsten Fall kann ein metallisches Streckmetallgitter verwendet werden, das kommerziell erhältlich ist.
Die wasserführenden Profile der obersten Ebene, unterhalb des Brennerraumes, sind gegenüber den darunterliegenden verkürzt, so dass an einer Seite ein vergrösserter Eintritt für das Abgas ausgebildet ist.
Dieser Eintritt sollte bevorzugt zumindest etwa einen freien Querschnitt aufweisen, der dem Durchmesser des Brennraumes entspricht, so dass nur eine kleine Drosselwirkung in diesem Bereich zu verzeichnen ist und ein Abgas- bzw. Wärmestau dort vermieden wird.
Mit dem erfindungsgemässen Heizkessel kann eine sehr kleine Temperaturdifferenz zwischen Abgas und erwärmtem Wasser von 5 K erreicht werden.
Eine verbesserte Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases unter Berücksichtigung der sich verringernden Abgastemperatur kann dadurch erreicht werden, dass sich der freie Querschnitt der Abgasräume, ausgehend von oben nach unten, in den einzelnen Ebe-
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nen zwischen den wasserführenden Profilen verringert, so dass der freie Querschnitt für die Abgasräume entsprechend verkleinert wird.
Zusätzlich oder Alternativ kann der gleiche Effekt auch dadurch erreicht werden, dass der freie Querschnitt der Durchbrüche, durch die das Abgas mäanderförmig geführt wird, ebenfalls ausgehend von oben nach unten, verkleinert wird.
Günstig ist es, die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases möglichst kontinuierlich zu erhöhen und demzufolge sollte sich der freie Querschnitt der Abgasräume von Ebene zu Ebene ebenfalls kontinuierlich verkleinern. In gleicher Form sollten, falls diese Alternative Verwendung findet, ebenfalls die freien Querschnitte der Durchbrüche kontinuierlich verkleinert werden.
Die Verringerung der Abstände der wasserführenden Profile kann in einfacher Form durch entsprechende Anordnung im Heizkessel erreicht werden, wobei in jeder Ebene immer gleiche wasserführende Profile verwendet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines Beispiels näher beschrieben werden.
Dabei zeigen: Figur 1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Bei- spiels eines erfindungsgemässen Heizkessels; Figur 2 eine Vorderansicht im Schnitt eines Heiz- kessels nach Figur 1 und Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Heizkessels
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gemäss den Figuren 1 und 2 von oben.
Bei dem im Figur 1 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemässen Heizkessels ist oberhalb eines Wärmetauschers, in dem Wasser W mit dem erzeugten Abgas A erwärmt werden kann, ein Brennraum 2 angeordnet, an den von der linken Seite ein nicht dargestellter Brenner angeflanscht werden kann.
Unterhalb des Brennraumes 2 sind wasserführende Profile 1 in mehreren übereinander liegenden horizontalen Ebenen angeordnet, die jeweils stirnseitig und hier an alternierend wechselnden Seiten mit weiteren wasserführenden Profilen l' verbunden, so dass das durch den Wassereintritt 7 eingeführte kalte Wasser W von und unten nach oben mäanderförmig geführt wird.
Da die in den einzelnen horizontalen übereinanderliegenden Ebenen angeordneten wasserführenden Profile 1 voneinander beabstandet sind, sind zwischen ihnen Abgasräume 3 ausgebildet, durch die das heisse Abgas A im Gegenstrom zum Wasser W geführt wird.
Die freien Querschnitte der Abgasräume 3 können durch entsprechende Anordnung der wasserführenden Profile 1 von oben nach unten im Heizkessel verkleinert sein, so dass sich die Strömungsgeschwindigkeit des sich abkühlenden Abgases in jeder nachfolgend durchströmten Ebene sukzessive vergrössert.
Das erwärmte Wasser W kann oberhalb des Brennraumes 2 über einen Wasseraustritt 5 abgezogen und genutzt werden.
In der Figur 2 wird deutlich, dass der Brennraum 2 von
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einem Wasserraum 1" umschlossen ist, wobei Stege 6 den Brennraum 2 einmal fixieren und zum anderen als Trennwände für das Wasser fungieren und so verhin- dern, dass das Wasser auf dem kürzesten Weg zum Was- seraustritt 5 gelangen kann und der Brennraum 2 all- seitig umströmt wird.
Ausserdem ist erkennbar, dass in einer Ebene mehrere wasserführende Profile 1 nebeneinander angeordnet sind, durch die das Wasser W jeweils in der gleichen Richtung strömt, wie dies mit den in Kreisen aufge- nommen Punkten bzw. Kreuzen verdeutlicht ist.
Der Figur 3 sind die Durchbrüche 4 für das Abgas A zu entnehmen, die bei diesem Fall die günstige Dreiecks- form haben, wobei hier ein ungleichschenkliges Drei- eck ausgebildet ist und an einer Stirnseite jeweils zwei solcher Durchbrüche 4 vorhanden sind. Durch die gestrichelte Darstellung der Durchbrüche 4 an einer Stirnseite wird zum Ausdruck gebracht, dass die Durch- brüche 4 benachbarter Ebenen jeweils an gegenüberlie- genden Stirnseiten ausgebildet sind.
Die angedeuteten Strömungslinien verdeutlichen den Übergang der sich ausgebildeten laminaren Strömung des Abgases A, infolge der Form der Durchbrüche 4, so dass bei jedem Durchgang durch einen Durchbruch 4 eine Verwirbelung erreicht wird.
Zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des sich abkühlenden Abgases kann die Drosselwirkung der Durchbrüche 4 ebenfalls ausgehend von oben nach un- ten, von Ebene zu Ebene, durch Verkleinerung der freien Querschnitte vergrössert werden.