AT399571B - Niedertemperatur-heizkessel für warmwasser-zentralheizungsanlagen u. dgl. - Google Patents

Description

AT 399 571 B

Die Erfindung betrifft einen Niedertemperatur-Heizkessel für Warmwasser-Zentralheizungsanlagen u. dgl., mit einem intermittierend ein- und ausschaltbaren Gas- oder Ölbrenner, dessen Flamme in eine von einem Wassermantel umgebene Feuerbuchse gerichtet ist, die zumindest im Flammenbereich einen Edeistahlmantel mit etwa in Längsrichtung verlaufenden, aufgeschweißten Konvektionsrippen aufweist, welche aus ebenfalls aus Edelstahl hergestellten Blechprofilen bestehen und mit wenigstens je einer Längsschweißnaht befestigt sind.

Bei Niedertemperatur-Heizkesseln ergibt sich das Problem einer erhöhten- Korrosionsbelastung der auch als Innenkessel bezeichneten Feuerbuchse sowie der an ihr sitzenden Konvektionsrippen. Diese Konvektionsrippen enden vor dem Vorderende der Feuerbuchse und können verschiedene Querschnitte aufweisen. Unter anderem sind verkehrt U-förmige Querschnitte bei denen das Rippenprofil mit einem abgerundeten oder beidseitig abgeschrägtem Steg am Mantel aufsitzt, I-förmige Querschnitte, bei denen ein Flansch am Mantel aufsitzt und Z-förmige Querschnitte, bei denen ebenfalls ein Flansch aufsitzt, möglich. Es ist bekannt, für die Verschweißung in dem am Mantel aufsitzenden Teil der Rippe Längsschlitze oder Längsspalte vorzusehen und die Schweißnähte entlang dieser Längsschlitze bzw. -spalten unter Füllung der Spalten und Anbringung einer Auftragsraupe vorzusehen.

Zur Erhöhung der Lebensdauer gegenüber der erwähnten Rauchgaskorrosion werden der Innenkessel und die Konvektionsrippen aus Edelstahl hergestellt, wobei sowohl ferritische als auch austenitische Edelstahle eingesetzt werden können und die Herstellung der Schweißnähte unter entsprechenden Schutzmaßnahmen, z. B. unter Schutzgas bzw. anderen Schweiß-Zusatzmaterialien, erfolgt, so daß die Schweißnähte selbst keine Ansatzstellen für erhöhte Korrosion bieten können. Es ist bekannt, die Rippen mit vollem Querschnitt bis zum Rippenende zu führen. Bei einer bevorzugten Konstruktion eines entsprechenden Heizkessels ist die Feuerbuchse bzw. der Innenkessel mit Abstand vom Brenner durch eine Prallwand wenigstens im Mittelbereich unterteilt, wodurch die Brennerflamme zum Mantel umgeleitet wird, besser entlang der Konvenktionsrippen geführt wird und schließlich die Verbrennungsgase in einen hinter dieser Prallwand liegenden weiteren Bereich des Innenkessels geleitet werden.

In der Praxis wird durch Verwendung von Edelstählen für den Innenkessel und die Konvektionsrippen zwar der Rauchgaskorrosion weitgehend entgegengewirkt, doch zeigt sich gegenüber normalen Kohlenstoffstählen eine wesentliche Verringerung der Dauerfestigkeit und damit der Gesamtlebensdauer des Innenkessels. Bei Heizkesseln mit Umkehrflamme und Konvektionsrippen können bei intermittierendem Betrieb in einer Heizsaison bis zu 15.000 Schaltzyklen mit Einschaltung, Betrieb und Abschaltung des Brenners auftreten. Bei der bisher üblichen Rippenkonstruktion ergeben sich bei Blechdicken der Rippen und des Kesselinnenmantels von z. B. 2 bis 4 mm wegen der bei den Schaltzyklen auftretenden Spannungen bzw. Lastwechsel Lebenserwartungen unter 10 Jahren, eine Lebenserwartung von mindestens 15 Jahren wird aber erwartet bzw. gefordert.

Aufgabe der Erfindung ist demnach die Schaffung eines Heizkessels der eingangs genannten Art, bei dem die zu erwartende Lebensdauer des Innenkessels bzw. der Feuerbuchse praktisch ohne Erhöhung des Material- und Konstruktionsaufwandes entscheidend erhöht werden kann.

Aus der DE-OS 33 10 072 ist ein Heizkessel bekannt, bei dem die Konvektionsrippen an der Innenwand des die Feuerbüchse mit Abstand umgebenden Wassermantels sitzen, der ebenso wie die Rippen aus normalen Kohlenstoffstählen hergestellt ist. Die Vorderenden der vom Mantel abstehenden Teile der Konvektionsrippen enden vor dem Rand des Wassermantels und ihre vom Mantel abstehenden Teile sind unter 45· zum Ende der Feuerbuchse hin abgeschrägt, um Turbulenzen zu vermeiden und eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Rammen und Rauchgase auf die durch die Konvektionsrippen im Spalt gebildeten Kanäle zu erzielen. Zur Erhöhung der Lebensdauer gegen Rauchgaskorrosion sind die Konvektionsrippen am äußeren, der Feuerbuchse näheren Ende mit längeren Schweißnähten befestigt, wogegen für den übrigen Bereich dünnere Schweißnähte und Längsabstände der Schweißnähte vorgesehen sind, um insgesamt zu erreichen, daß sich die vom Eintrittsende der Flammen und Rauchgase weiter entfernt liegenden Enden der Konvektionsrippen wegen des schlechteren Wärmeüberganges zum Stahlmantel schneller als die übrigen Längsbereiche erwärmen und so in diesem Bereich Kondensate beschleunigt abgedampft werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Heizkessels der eingangs genannten Art, bei dem die zu erwartende Lebensdauer des Innenkessels bzw. der Feuerbuchse praktisch ohne Erhöhung des Material-und Konstruktionsaufwandes entscheidend erhöht werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß, wie an sich bekannt, die Konvektionsrippen vor dem Rand des Edelstahlmantels enden und ihre vom Stahlmantel abstehenden Bereiche am brennerseitigen Ende vom freien Rand her zu dem am Mantel aufsitzenden Bereich abgeschrägt sind, daß die Abschrägung der vom Edeistahlmantel abstehenden Bereiche der Konvektionsrippen ausgehend vom freien Rand und zumindest Uber den größten Teil ihrer Höhe reichend in einem Winkel unter 30*. insbesondere unter 15*. 2

AT 399 571 B und vorzugsweise 10* vorgesehen ist und daß die Schweißnähte über das Rippenende hinaus in Form einer verlaufenden Auftragsschweißung verlängert ist

Der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde:

Bei den bekannten Kesseln wird das zum Brenner gerichtete Rippenende beim Betrieb sehr stark belastet, wobei die Rippen im Bereich der höchsten, den größten Abstand vom Mantel aufweisenden Stellen Temperaturen bis zu 400 *C erreichen, wogegen an den Wurzeln, also im Bereich der Verbindung mit dem Mantel, Temperaturen von nur etwa 120 ”C auftreten. Durch diese Temperaturunterschiede kommt es zu unterschiedlichen Wärmedehnungen innerhalb der Rippen und damit zu Biegebeanspruchungen mit Dehnungen, die auch auf den Kesselmantel übertragen werden, und nach Abschalten des Brenners zu entgegengesetzt gerichteten Spannungen. Diese Wechselbeanspruchungen sind Ursache für eine Materialermüdung und damit für die drastische Verringerung der Lebensdauer bei der bekannten Konstruktion.

Durch den gewählten besonderen Verlauf des Endes der Konvektionsrippen werden im kritischen Ansatzbereich der Rippe am Mantel entsprechende Temperaturunterschiede in der Rippe von vornherein ausgeschlossen, da die rappe dort nur eine geringe Höhe über dem Mantel aufweist und dort, wo die Rippe die volle Höhe erreicht, eine günstige Wärmeableitung bereits gegeben ist. Zur Aufnahme auftretender Spannungen kann auch das abgeschrägte Rippenende durch Verstärkung der Kesselwand beitragen, wobei überdies durch die über das Rippenende hinaus verlängerte Auftragsschweißung auch der Abstützbereich der Konvektionsrippe am Kessel verlängert und der Kessel in jenem Bereich verstärkt wird, in dem die Einleitung der Rippenspannungen in das Kesselmaterial stattfindet. Die Ansatzstelle für eine am Rippenende theoretisch mögliche Kerbwirkung wird in einen vom Rippenende entfernten Bereich verlagert und daher ungefährlich. In der Praxis haben praktische und theoretische Untersuchungen bewiesen, daß bei sonst gleichen Verhältnissen hinsichtlich der Manteldicke, der Ausbildung der Konvektionsrippen und der auftretenden thermischen Belastungen die bei der Wärmebelastung auftretenden Normalspannungen auf einen Bruchteil verringert und die Gesamtlebensdauer bis auf das Siebenfache erhöht werden kann.

Bei dem flachen Steigerungswinkel des Rippenendes würde sich im Aufsatzbereich der Rippen am Mantel eine starke Verdünnung des aufsitzendes Steges bzw. Flansches gegen das auslaufende Ende zu ergeben, weshalb nach einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes vorgesehen wird, daß die Rippenenden in dem auf dem Edelstahlmantel aufsitzenden Bereich einen kurzen nur geringfügig über die Höhe der Schweißnaht ragenden Übergangsbereich aufweisen, der z. B. unter 45* steiler als der übrige Endbereich zum Kesselmantel geneigt ist.

Eine in der Praxis angewandte Konstruktion, die positive Ergebnisse erbracht hat, sieht vor, daß die Verlängerung der Schweißnaht in dem an die Rippe anschließenden Endbereich eine gleich oder größer als die Blechdicke der Rippe gehaltene Dicke, eine Breite von mindestens 2 mm, vorzugsweise 6 mm und eine Länge von wenigstens 20 mm, vorzugsweise wenigstens 40 mm aufweist, wobei zweckmäßig ein Proportionsverhältnis zwischen Rippenhöhe und Schweißnahtlänge von z. B. 1 :2 eingehalten wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 ein Teilstück einer in ihrer Grundform ein zylindrisches Rohr bildenden Feuerbuchse, die einen Innenkessel eines Niedertemperatur-Heizkessels für Warmwasser-Zentralheizungsanlagen bildet,

Fig. 2 ein Teilstück des Kesselmanteis mit einer aufgesetzten Konvektionsrippe in Draufsicht,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Innenkessel neben einer Konvektionsrippe und

Fig. 4 als Detail in gegenüber der Fig. 3 vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch das Ende einer aufgeschweißten Konvektionsrippe.

Der innenkessel 1 nach Fig. 1 bildet ein in der Grundform zylindrisches Rohr, in das vom einen Ende her ein intermittierend zu betreibender Gas- oder Ölbrenner einragt und in dem mit Abstand vom Brenner eine Praliwand angebracht sein kann, die eine Flammenumkehr bewirkt. Im Abstand vom vorderseitigen Ende des Innenkessels 1 beginnen Konvenktionsrippen 2, die beim Ausführungsbeispiel ebenso wie der Kessel 1 aus Edelstahl hergestellt sind und in der Grundform U-förmige Querschnitte aufweisen. Dabei sind die Flansche 3 dieser Profile etwa radial zum Kesselmantel 1 ausgerichtet! gehen dann über schräge Übergangsstücke 4 in einen schmalen Steg 5 über und sind im Bereich des Steges 5 über eine Schweißraupe 6 mit dem Kesselmantei 1 verbunden. Zur Bildung dieser Schweißraupe 6 erhalten die Blechprofile im Stegbereich Längsschlitze, durch die die Schweißnaht hindurchgelegt wird.

Das brennerseitige Ende jeder Konvektionsrippe 2 ist in einem kurzen Anlaufbereich 7 unter einem Winkel von etwa 45* abgeschrägt. Anschließend folgt eine flache Abschrägung 8, die entweder bis zum Außenrand 10 der Flansche 3 geführt ist oder kurz vor diesem in eine Abstufung 9 übergeht. Die Neigung der Abschrägung zur Kesselwand kann zwischen 10 und 20* betragen. 3

Claims (2)

1. AT 399 571 B Die Schweißnaht 6 besitzt vor dem Rippenende 7 eine Verlängerung 11, die, wie die Fig. 2 bis 4 zeigen, vom Ende 7 weg der Höhe und Breite nach abfallend verläuft und in der Praxis 20 bis 40 mm, im Bedarfsfall auch länger, über das Ende 7 hinausreichend ausgeführt sein kann. Die Schweißnaht 6, 11 wird unter Schutzmaßnahmen ebenfalls unter Verwendung von Edelstahlelektroden und Verwendung von s Schweiß-Zusatzmatertalien hergestellt. An Stelle der dargestellten, im Querschnitt U-förmigen Rippen, können auch im Querschnitt I- oder Z-förmige Rippen eingesetzt werden, wobei die Neigung der Abschrägungen 7, 8 ebenfalls entsprechend gewählt wird und die Außenflansche von.Z- oder I-Profilen an die Abschrägung-8 anschließend eim Teilstück abgeschnitten sein können, damit an ihnen Wärmestauungen und Überhitzungen vermieden werden. 10 Patentansprüche 1. Niedertemperatur-Heizkessel für Warmwasser-Zentralheizungsanlagen u.dgl., mit einem intermittierend ein- und ausschaltbaren Gas- oder Ölbrenner, dessen Ramme in eine von einem Wassermantel iS umgebene Feuerbuchse gerichtet ist, die zumindest im Flammenbereich einen Edelstahlmantel mit etwa in Längsrichtung verlaufenden, aufgeschweißten Konvektionsrippen aufweist, welche aus ebenfalls aus Edelstahl hergestellten Blechprofilen bestehen und mit wenigstens je einer Längsschweißnaht befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, die Konvektionsrippen (2) vor dem Rand des Edelstahlmantels (1) enden und ihre vom Stahlmantel abstehenden Bereiche am brennerseiti-zo gen Ende vom freien Rand her zu dem am Mantel aufsitzenden Bereich abgeschrägt sind, daß die Abschrägung der vom Edelstahlmantel (1) abstehenden Bereiche (3) der Konvektionsrippen ausgehend vom freien Rand (10) und zumindest über den größten Teil ihrer Höhe reichend in einem Winkel unter 30’, insbesondere unter 15*. und vorzugsweise 10* vorgesehen ist und daß die Schweißnaht (6) über das Rippenende hinaus in Form einer verlaufenden Auftragsschweißung (11) verlängert ist. 25
2. 2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenende (8) in dem auf den Edelstahlmantel (1) aufsitzenden Bereich einen kurzen, nur geringfügig über die Höhe der Schweißnaht (6, 11) ragenden Übergangsbereich (7) aufweisen, der steiler als der übrige Endbereich, z.B. unter 45*. zum Kesselmantel (1) geneigt ist. 30 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 4 55