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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stahlheizkessel mit einem in einer Brennkammer angeordneten Sturzbrenner sowie einer darunter angeordneten mit einem Heizungsvor-und-rucklaufanschluss versehenen Wärmetauscher, der von etwa senkrechten Abgaskanälen sowie nahezu waagerechten Wasserkanälen derart durchzogen ist, dass er als Kreuzgegenströmer ausgebildet ist, wobei oberhalb des Wärmetauschers die Brennkammer vorgesehen ist und der Brennkammerboden den Abschluss des Wärmetauschers nach oben bildet.
Aus der EP-A 114 980 ist ein Heizkessel mit einer aus Gusseisen oder Stahl ausgeführten Brennkammer und einem Heizgaszug aus Keramikplatten bekanntgeworden, der einen Sturzbrenner aufweist. Im Bereich der Keramikplatten ist ein Heizungsrücklauf angeschlossen, die Keramikplatten bestehen aus etwa senkrechten Abgaskanälen und nahezu waagerechten Wasserkanälen, er ist als Kreuzgegenströmer anzusehen. Oberhalb der als Wärmetauscher dienenden Heizgaszüge ist die Brennkammer vorgesehen, der Brennkammerboden bildet den Abschluss des Wärmetauschers nach oben.
Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist die unterschiedliche Materialpaarung Stahl beziehungsweise Gusseisen im Bereich der Brennkammer einerseits und Keramik in den Nachschaltheizzügen, da sich hier Dichtigkeitsprobleme ergeben könnten. Einen weiteren Aufwand bedingt der in der Brennkammer vorhandene Umlenkschirm, da die Keramikplatten von der direkten Flamme des Brenners geschützt werden müssen.
Aus der DE-A 3 302 928 ist ein Heizkessel bekanntgeworden, der mit einem keramischen Sturzbrenner arbeitet, bei dem aber der Wärmetauscher als normaler Lamellenblock-Wärmetauscher ausgebildet ist Senkrechte Rohre fehlen. Die FR-A 2 321 674 zeigt einen Wärmetauscher für chemische Prozesse, der keine Brennkammer aufweist, sondern nur senkrecht gerichtete Rohre für das eine Wärmetauschmedium und etwa waagerecht verlaufende Kanäle für das andere Medium.
Schliesslich zeigt die DE-U 8 019 551 einen Gaswärmetauscher aus Blechen, der im Kreuzgegenstrombetrieb arbeitet.
Schlussendlich lehrt die DE-A 2 553 527 einen Wärmetauscher mit Stahlrohren, die Rechteckquerschnitt aufweisen und unmittelbar aneinanderliegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs näher geschilderten Stahlheizkessel als Kondensationskessel mit gutem Wirkungsgrad auszubilden.
Die Lösung der Aufgabe liegt erfindungsgemäss darin, dass in diesem Bereich der Wärmetauscher als reiner Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist und dass der Brennkammerboden dachförmig ausgebildet ist, wobei der Winkel gleich oder grösser 6 ist und die Dachkante die niedrigste Stelle bildet. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich einmal aufgrund des Gegenstromprinzips ein sehr guter Wärmeübergang, zum zweiten werden etwa bildende Wasserdampfblasen am Brennkammerboden aufgrund der Dachneigung des Brennkammerbodens sehr schnell nach aussen hin abgeleitet. Durch das Fehlen eines Dampfpolsters kann somit der Wärmeübergang optimal gehalten werden.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Vorlaufanschluss im obersten Bereich eines Wasserringraums vorgesehen ist, der die Brennkammer peripher umgibt, und dass dieser Ringraum an den obersten Kanalraum des Wärmetauschers angeschlossen ist. Durch diese Ausgestaltung kann man die seitliche Strahlungswärme der Brennerflamme noch zum Wärmetausch nutzen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, den Wärmetauscher aus Vierkantrohren zu gestalten, wobei diese unmittelbar aneinandergeschweisst sind. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Wärmetauschrohre unmittelbar aneinander wärmeleitend zu lagern und auch für einen guten Wärmeübergang zu sorgen.
Es ist weiterhin zweckmässig, die Vierkantrohre im Bereich des Brennkammerbodens und im Bereich des unteren Abschlussbodens mit diesen zu verschweissen.
Hierdurch erreicht man eine einwandfreie Verbindung sämtlicher Rohre miteinander und mit den beiden tragenden Elementen des gesamten Wärmetauschers.
Schliesslich ist es sehr zweckmässig, wenn der Wärmetauscher mit Platten versehen ist, so dass sich übereinanderliegende Wasserkanalräume ergeben und dass die Platten lediglich an der Aussenperipherie des Rohrbündels angeschweisst sind. Hierdurch ist es möglich, den Wärmetauscher als Ganzes vorzufertigen und anschliessend in den Mantel des Gehäuses einzusetzen, ohne dass noch weitere Arbeiten notwendig sind.
Schlussendlich wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher in einem mittleren Bereich mit einem Zwischenboden versehen ist, an den alle den Abgasweg bildenden Vierkantrohre angeschlossen sind, und dass der Zwischenboden mit einem Wasserführungsstutzen versehen ist. Hierdurch ergibt sich durch die Umlenkunterteilung ein besonders hoher Wirkungsgrad des Kessels.
Weitere Ausgestaltungen und besonders zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 5 der Zeichnung näher erläutert sind.
Es zeigen :
Figur 1 eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsfonn der Erfindung,
Figur 2 gleichfalls eine Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 einen Schnitt durch den Kessel gemäss Figur 2 und die Figuren 4 und 5 Details der Rohrbefestigung.
In allen 5 Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
Der Kessel (1) ist aus geschweissten Stahlblechen hergestellt und hat eine etwa zylindrische Kontur mit
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einem Mantel (2), einem Fuss (3), der die Stirnseite des Zylinders darstellt, und einem Deckel (4), auf dem ein Gasgebläsebrenner (5) befestigt ist, der als Sturzbrenner arbeitet, so dass seine Flamme nach unten gerichtet ist.
Ausserhalb des Mantels (2) beziehungsweise des Deckels und des Bodens kann noch eine Isolierung vorgesehen sein, die nicht gezeichnet ist, die ihrerseits von einem Aussenverkleidungsgehäuse abgedeckt ist, das kreisrund oder prismatisch ausgebildet sein kann. Im obersten Bereich des Mantels befindet sich eine zylindrische Ausnehmung (6), die die Brennkammer darstellt. Sie ist von einem ringförmigen Wasserraum (7) peripherisch umgeben, der sich im Mantel (2) und der Innenwand (8) der Brennkammer ergibt und an den ein Vorlaufanschluss (9) angeschlossen ist, und zwar an der Oberseite. Die Unterseite der Brennkammer (6) ist von einem Brennkammerboden (10) gebildet, der dachförmig geneigt ist, wobei der Dachfirst (11) die tiefste Stelle bildet.
Vom Brennkammerboden nach unten erstreckt sich ein Rohrbündel (12) von Wärmetauscherrohren, die das Abgas des Brenners (5) aus der Brennkammer nahezu senkrecht nach unten leiten. Wie die Figur 4 zeigt, besteht das Rohrbündel aus einzelnen Vierkantrohren (13), die vorzugsweise quadratischen Querschnitt besitzen und aus Stahl gefertigt sind. Wie die Figur 4 zeigt, sind die Rohre zu Zeilen (14) miteinander verbunden, indem jeweils zwei Aussenseiten des Rohres unmittelbar miteinander verschweisst sind. Zwischen den Zeilen ergeben sich Zwischenräume (15), die die Wasserdurchtrittskanäle für das vom Kessel aufzuheizende Wasser darstellen.
Figur 5 zeigt, dass die Rohrbündel links der Aussenperipherie (16) des Wärmetauschers (17) miteinander durch eine Schweissnaht (18) verbunden sind. Somit bildet der aus den einzelnen Rohren (13) beziehungsweise den zu Zeilen (14) zusammengesetzten Rohren ein kompaktes Rohrbündel (12), das als Ganzes austauschbar ist. Es muss noch hervorgehoben werden, dass die Schweissung der Rohre aneinander nur im obersten und unteren Endbereich vorgesehen sind, wobei hier die Rohre noch mit dem Brennkammerboden beziehungsweise mit dem unteren Abschlussboden (19) verschweisst sind.
Wie aus der Figur 1 wieder besonders gut hervorgeht, ist das Rohrbündel (12) mit Platten (20) versehen, so dass, durch die Platten getrennt, Wasserkanalräume (21) entstehen. Hiervon ist der unterste an einen Rücklaufanschluss (22) angeschlossen. Die Platten sind kreisförmig ausgestaltet und sind jeweils an die Aussenperipherie des Rohrbündels (13) angeschweisst. An ihrer Peripherie (23) weisen die Platten Durchmesserreduzierungen (24) auf, die so gelegt sind, dass sie nicht miteinander fluchten. Je Platte liegen zwei Durchmesserreduzierungen diametral gegenüber, die zwei übereinanderliegenden Platten sind um 1800 versetzt.
Somit ergibt sich ein Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher, weil der unterste Kanalraum in einer bestimmten waagerechten Richtung direkt vom Rücklauf (22) angeströmt wird, anschliessend wird die erste Platte (23) in der Durchmesserreduzierung nach oben umströmt und der zwei Kanalraum in der Gegenrichtung durchströmt. Den zweiten Kanalraum nach oben kann das Wasser aber nur über die beiden senkrecht zu den ersten Umströmungen (24) liegenden zweiten Durchströmungen erreichen. Die im Brennkammerboden (10) nächstgelegene Platte (20) weist eine zentrale Öffnung (25) auf, durch die das aufzuheizende Wasser auf den First (11) des Brennkammerbodens gerichtet wird. In der letzten Aufheizstufe ist der Wärmetauscher somit als reiner Gegenstromwärmetauscher ausgebildet.
Der Brennkammerboden wird in Richtung der Peripherie durchströmt, so dass das Wasser in Richtung auf den Vorlauf (9) durch den Ringraum (7) abströmt.
Unterhalb des Abschlussbodens (19) verläuft ein Abgassammler (17), der nach unten durch ein schrägliegendes Sammelblech (26) begrenzt ist. An den Abgassammler (17) sind alle Rohre (13) angeschlossen. Ausserhalb des Mantels (2) ist an der Unterseite des Sammelblechs (26) ein Siphon (27) angeschlossen, der mit einem Stutzen (28) zur Abfuhr des Kondensats versehen ist. An der Oberseite des Abgassammlers (25) ist ein Abgasabfuhrstutzen (29) vorgesehen. Siphon und Abgasstutzen (29) fluchten miteinander, sie sind im Inneren durch ein Abschirmblech (30) getrennt.
Wesentlich ist, dass der Mantel (2) nach unten bis zum Boden (3) reicht und dort unmittelbar den Standfuss bildet
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 ist der Wärmetauscher (17) getrennt, so dass sich ein erster Wärmetauscherbereich (31) und ein zweiter darunterliegender Bereich (32) bildet, wobei der letztere der Kondensationsbereich ist. Beide Bereiche sind durch einen Zwischenboden (33) voneinander getrennt, der über den gesamten Innenraum des Mantels (2) reicht. Der Zwischenraum besteht aus einem Oberboden (34) und einem Unterboden (35), zwischen denen ein zylinderförmiger Abgaszwischenraum (36) entsteht. An diesen Abgaszwischenraum sind sowohl sämtliche Rohre des oberen Bereichs (31) als auch des unteren Bereichs (32) angeschlossen.
Den Zwischenboden durchsetzt ein Wasserstutzen (37), durch den der höchstgelegene Kanalboden des Bereichs (32) mit dem tiefstgelegenen Kanalboden des Bereichs (31) wasserseitig miteinander in Verbindung steht. Der untere Bereich (32) des so ausgebildeten Wärmetauschers ist als Kreuzgegenströmer ausgebildet, wobei auch hier im waagerechten Bereich die waagerechten Anteile sich je Kanalraum um 180 versetzen. Der obere Bereich (31) hingegen ist als reiner Gegenstrombereich ohne Wasserumlenkungen ausgebildet. Das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 ist zwar teuer in der Herstellung, da zwei gesonderte Rohrbündel gefertigt werden müssen, erweist sich aber im Wirkungsgrad dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 deutlich überlegen.
Wie aus der Figur 3 hervorgeht, ist es möglich, die einzelnen Zeilen mit je einer Trennwand (38) zu versehen, so dass je Kanalraum (21) im unteren Bereich (32) die einzelnen Zeilen, räumlich getrennt, nacheinander vom Wasser durchströmt werden. Dies ist auch beim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 möglich.
Die Funktion des Stahlheizkessels nach beiden Ausführungsbeispielen ist folgende : Über eine nicht dargestellte Pumpe strömt Wasser dem Rücklaufanschluss (22) zu und verlässt ihn über den Vorlaufanschluss (9). Das Wasser tritt in den untersten Kanalraum (21) ein, umströmt das Rohrbündel der
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abgasführenden Rohre und gelangt durch die dem Rücklaufanschluss (22) diametral gegenüberliegende Durchmesserreduzierung (24) nach Umströmung der nächsthöheren Platte (23) in den zweiten Kanalraum von unten. Auch hier werden die Rohre (13) umströmt, und der Wasserstrom teilt sich und strömt durch die Durchmesserreduzierungen (24) nach Ablenkung um je 90 in den dritten Kanalraum.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 findet diese Kreuzgegenstromumlenkung einige Male statt, bis die zentrale Öffnung (25) erreicht ist und der Brennkammerboden (10) im direkten Gegenstrom von unten angeströmt wird.
Das Wasser umspült so den thermisch am höchsten belasteten Boden, weil dieser direkt von der Brennkammer angestrahlt beziehungsweise angespült wird. Wasser und eventuell sich bildende Dampfblasen gleiten an den geneigten Flächen des Bodens nach oben in den Ringraum (7) und verlassen diesen über den Vorlaufanschluss (9). Da das zuströmende Rücklaufwasser relativ kalt ist, findet, inbesondere in den tieferen Kanalräumen (21), eine Kondensation des Abgases innerhalb der Rohre (13) statt. Das Kondensat wird durch das nach unten strömenden Abgas mitgerissen und tropft in den Sammler (25) ab. Durch die Neigung des Bodenblechs (26) gelangt das Kondensat in den Siphon (27) und wird über den Stutzen (28) abgezogen, gegebenenfalls neutralisiert (insbesondere bei Ausbildung des Brenners als Ölbrenner !) und abgeleitet.
Das Abgas tritt nach Separierung durch das Trennblech (30) in den Stutzen (29) ein und wird hier über einen Ventilator und einen Abgaskamin abgeführt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 findet mindestens im oberen Bereich (31) noch eine Umlenkung des Wassers durch die Ablenkbleche (38) statt, um noch einen intensiveren Wärmetausch zu ermöglichen.
Es ist möglich, sowohl die Details nach dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 mit denen nach dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 ganz oder teilweise auszutauschen.
PATENTANSPRÜCHE 1. Stahlheizkessel mit einem in einer Brennkammer angeordneten Sturzbrenner sowie einem darunter angeordneten mit einem Heizungsvor-und-rücklaufanschluss versehenen Wärmetauscher, der von etwa senkrechten Abgaskanälen sowie nahezu waagerechten Wasserkanälen derart durchzogen ist, dass er als Kreuzgegenströmer ausgebildet ist, wobei oberhalb des Wärmetauschers die Brennkammer vorgesehen ist und der Brennkammerboden den Abschluss des Wärmetauschers nach oben bildet, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Bereich der Wärmetauscher als reiner Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist und dass der Brennkammerboden (10) dachförmig ausgebildet ist, wobei der Winkel gleich oder grösser 6 ist und die Dachkante (11) die niedrigste Stelle bildet.
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