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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.
Ein Heizkessel, bei dem der Brenner in einer geson- derten Brennkammer direkt im Kessel aufgenommen ist, ist in DE 34 23 628 A1 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 verzeich- nen.
Die heissen Abgase werden im Gegenstrom zu einem Wär- meabfuhrmedium (Gas oder Flüssigkeit) mäanderförmig geführt. Das Wärmeabfuhrmedium wird kalt von unten durch flache, rechteckige Profile geführt, bei denen die Profillängswände stellenweise miteinander verbun- den sind.
Es ist bekannt, dass bei ausgebildeter laminarer Strö-
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mung des heissen Abgases die Wärmeübertragung durch den sich ausbildenden Temperaturgradienten zum Inne- ren des Abgasstromes verschlechtert wird, da die äu- #eren Randbereiche abkühlen, das Zentrum des Abgass- tromes jedoch höhere Temperaturen hat und so die Wär- meübertragung mit den geringeren Randtemperaturen verringert ist. Um diesem Problem entgegenzutreten, wird in DE 34 23 628 A1 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 Par- tikel 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. Ausser- dem wird der Wärmeübergang durch die abgesetzten Par- tikel behindert, so dass der Wirkungsgrad verschlech- tert wird.
So ist aus DE 298 12 607. 9 ein Heizkessel bekannt, der wasserführende Profile mit rechteckigem Quer- schnitt verwendet, die in mehreren horizontalen Ebe- nen übereinander, jeweils in einem Abstand voneinan- der angeordnet sind. Das Wasser wird von einer seit- lich und unten angeordneten Wasserzuführung zugeführt und durch die wasserführenden Profile mäanderförmig nach oben in Richtung auf den Brennraum zu einem am Brennraum ausgebildeten, diesen umschliessenden Was- serraum und von dort durch einen Wasseraustritt ge- führt.
Das heisse Abgas aus dem Brennraum wird bei Abgabe seiner fühlbaren Wärme im Gegenstrom durch Abgasräu- me, die durch die beabstandeten wasserführenden Pro-
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file ausgebildet sind, ebenfalls mäanderförmig ge- führt 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 aus- gebildeten horizontalen Ebenen Durchbrüche ausgebil- det, die von Ebene zu Ebene alternierend an 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 Ab- gas - Wasser über die Profilwände verbessert werden kann. Bei diesem Heizkessel sind die Strömungsver- hältnisse des Abgases aber noch nicht an die Tempera- turverhältnisse von Abgas und Wasser im Heizkessel angepasst, so dass Energieverluste in Kauf genommen werden müssen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Heizkessel bezüglich seiner Wärmeübertragungseigen- schaften auf einfache und kostengünstige Weise zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs- formen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Nutzung der in den untergeordneten Ansprüchen ge- nannten Merkmale.
Eine verbesserte Anpassung der Strömungsgeschwindig- keit des Abgases unter Berücksichtigung der sich ver-
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ringernden Abgastemperatur wird gegenüber der aus DE 298 12 607. 9 bekannten Lösung dadurch erreicht, dass sich der freie Querschnitt der Abgasräume, ausgehend von oben nach unten, in den einzelnen Ebenen zwischen den wasserführenden Profilen verringert.
Zusätzlich oder alternativ kann der gleiche Effekt auch dadurch erreicht werden, dass der freie Quer- schnitt der Durchbrüche, durch die das Abgas mäander- förmig geführt wird, ebenfalls ausgehend von oben nach unten, verkleinert wird.
Günstig ist es, die Strömungsgeschwindigkeit des Ab- gases möglichst kontinuierlich zu erhöhen und demzu- folge sollte sich der freie Querschnitt der Abgasräu- me von Ebene zu Ebene ebenfalls kontinuierlich ver- kleinern. In gleicher Form sollten, falls diese Al- ternative Verwendung findet, ebenfalls die freien Querschnitte der Durchbrüche kontinuierlich verklei- nert 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 ver- wendet werden.
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 jedem Durchströmen eines solchen Durchbruchs wieder- holt, kann die sich zwischenzeitlich wieder einge-
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stellte 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 aus- schliesslich 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 demzufol- ge auch einfach und kostengünstig miteinander ver- schweisst werden.
Die wasserführenden Profile sollten eine Wandstärke von mindestens 3 mm haben, um den auftretenden Drük- ken zu widerstehen.
Durch eine lichte Weite der wasserführenden Profile von mindestens 8 mm, bevorzugt mindestens 14 mm wird der unerwünschte Kavitationseinfluss infolge Druck-, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeitsschwankungen vermieden, da das sich sukzessiv erwärmende Wasser
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relativ gleichmässig von unten nach oben strömt und durch keine Querschnittsverengungen negativ beein- flusst wird.
Der erfindungsgemässe Heizkessel kann zusätzlich wei- tergebildet werden, wenn bevorzugt zumindest im un- tersten Abgasraum ein Element eingelegt wird, das die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert. Ein solches Element kann ein Gitter aus einem hitzebe- ständigen Material sein, das bei der Reinigung ein- fach entfernt werden kann. Im einfachsten Fall kann ein metallisches Streckmetallgitter verwendet werden, das kommerziell erhältlich ist.
Die wasserführenden Profile der obersten Ebene, un- terhalb des Brennerraumes, sind gegenüber den darun- terliegenden verkürzt, so dass an einer Seite ein ver- grösserter 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 Dros- selwirkung 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 erwärm- tem Wasser von 5 K erreicht werden.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines Bei- spiels näher beschrieben werden.
Dabei zeigen: Figur 1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Bei- spiels eines erfindungsgemässen Heizkessels;
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Figur 2 eine Vorderansicht im Schnitt eines Heiz- kessels nach Figur 1 und Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Heizkessels gemäss den Figuren 1 und 2 von oben.
Bei dem im Figur 1 gezeigten Beispiel eines erfin- dungsgemässen Heizkessels ist oberhalb eines Wärmetau- schers, in dem Wasser W mit dem erzeugten Abgas A er- wärmt 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 Pro- file 1 in mehreren übereinander liegenden horizonta- len Ebenen angeordnet, die jeweils stirnseitig und hier an alternierend wechselnden Seiten mit weiteren wasserführenden Profilen 1 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 übereinanderlie- genden 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 sind durch entsprechende Anordnung der wasserführenden Profile 1 von oben nach unten im Heizkessel verkleinert, so dass sich die Strömungsgeschwindigkeit des sich abkühlen- den Abgases in jeder nachfolgend durchströmten Ebene sukzessive vergrössert.
Das erwärmte Wasser W kann oberhalb des Brennraumes 2 über einen Wasseraustritt 5 abgezogen und genutzt
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werden.
In der Figur 2 wird deutlich, dass der Brennraum 2 von 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-
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ten, von Ebene zu Ebene, durch Verkleinerung der freien Querschnitte vergrössert werden.