DD286038A5 - Mit waermerohren ausgeruesteter heizkessel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit Waermerohren ausgeruesteten Heizkessel, der neben der Bereitung von Brauchwasser auch fuer Niedertemperaturheizungsanlagen geeignet ist. Der Heizkessel besteht aus einem Abgaswaermetauscher mit eingebautem, die Waermerohre aufnehmenden, labyrinthfoermigen Plattenwaermetauscher, der einen mittigen Abgaseintritt und peripheren Abgasaustritt besitzt und einen im Abstand darueber befindlichen, mit den gleichen durchgehenden Waermerohren bestueckten Waermetraeger - Waermetauscher. Letzterer ist durch horizontale, mit OEffnungen versehenen Trennblechen als mit unterschiedlich temperierten Heizzonen versehener Schichtenspeicher ausgebildet. In bestimmten Bereichen sind die Waermerohre von isolierendem bzw. waermeleitendem Material umgeben. Der Heizkessel ist vorteilhafterweise noch mit einem Waermepumpen-Kreislauf versehen. Der Heizkesel besitzt bedingt durch die Waermesortierung und der damit verbundenen Ausnutzung der Waermeenergie der Abgase einen auszerordentlich hohen Wirkungsgrad. Fig. 1{Heizkessel; Waermerohre; Brauchwasser; Niedertemperaturheizungsanlagen; Abgaswaermetauscher; labyrinthfoermiger Plattenwaermetauscher; Waermetraeger - Waermetauscher; Schichtspeicher; Heizzonen; Waermepumpen-Kreislauf}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen mit Wlrmerohren ausgerüsteten Heizkessel, der mit Ges, Öl oder Abluft geheizt wird, und der neben der Bereitung von Brauchwasser auch für Niedertemperaturheizungsanlagen geeignet ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei den bekannten Heizkesseln mit Wärmerohren, die sich im Vergleich iu herkömmlichen Heizkesseln durch geringe Stillstandsverluste auszeichnen, umströmen die Abgase die Wärmerohre und geben ihre Wärme an diese ab. Das Arbeitsmittel in den Wärmerohren verdampft. Da nun das andere Ende der Wärmerohre vom kälteren Wärmeträger (ζ. Β. Heizungswasser) umspült wird, kommt es zu einer Kondensation des Dampfes, der seine bis dahin transportierte Wärme an den Wärmeträger abgibt (DE-OS Nr. 322 8944). Von Nachteil ist bei diesen Heizkesseln, daß die kleine Strömungsgeschwindigkeit der Abgase um die Wärmerohrs auch zu einem geringen Wärmeaustausch führt. Um jedoch die erforderliche Wärmeübertragungsleistung zu erzielen, müssen die Heizkessel mit einer Vielzahl an Wärmerohren bestockt werden. Das bedeutet einen erhöhten Material- und Fertigun(|saufwand. Der erhöhte Einsatz von Wärmerohren wird aber auch dadurch verursacht, daß die Umströmung der Wärmerohre mit den Abgasen für jedes einzelne Wärmerohr nicht optimal vorbestimmt ist, so daß nicht alle Wärmerohre den maximalen Wärmetransport erreichen. Die genannte Umströmung der Wärmerohre durch die Abgase bewirkt deren vorzeitige Korrosion und somit nach relativ kurzer Betriebsdauer deren Ausfell, so daß die Funktionsfähigkeit der Heizkessel nur noch teilweise oder gar nicht gewährleistet ist. Ein weiterer Nachteil der Heizkessel ist der noch relativ ungünstige Wirkungsgrad, da die Wärmeenergie der Abgase nicht effektiv ausgenutzt wird, insbesondere dann, wenn Abgase mit niederen Temperaturen, z. B. Abluft, vorliegen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen mit hohem Wirkungsgrad arbeitenden Heizkessel mit Wärmerohren zu entwickeln, der boi verringertem Materialeinsatz und Fertigungsaufwand eine erhöhte Betriebssicherheit und -dauer ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung Es steht hierbei die Aufgabe, bei Vermeidung eines direkten Kontaktes der Abgase mit den Wärmen <hren jedes Wärmerohr in

eine offektive Wärmesortierung nach Temperatur auch bei Vorliegen einer Abgastemperatur unter der Wärmeträgertemperatureinzubeziehen.

Erfindungsgemäß setzt sich der Heizkessel aus einem Abgaswärmetauscher und einem im Abstand darüber befindlichen Wärmeträger-WSrmetauscher zusammen. Der Abgaswärmetauscher besteht aus einem in einem Gehäuse eingebauten labyrinthförmigen Plattenwärmetauscher, der die WSrmerohre aufnimmt. Die Heizfläche des Plattenwärmetauschers umschließt jedes einzelne Wärmerohr und läßt hierbei einen Zwischenraum, in welchem wärmeleitendes Pulver eingebracht ist. Der Abgaswärmetauscher besitzt mittig ein Rohr für den Abgaseintritt. Dieses Rohr hat in eine Richtung orientierte Öffnungen oder eine Öffnung in Form eines Schlitzes. Seitlich im Gehäuse befindet sich die öffnung für den Abgasaustritt. Unterhalb des Plattenwärmetauschers ist eine Kondens^twanne mit Siphon für den Ablauf von Kondensat. Der Wärmeträger-Wärmetauscher ist als Schichtenspeicher ausgebildet. In einem Gehäuse befinden sich mehrere, im Abstand

übereinander angeordnete horizontale Trennplatten, so daß mehrere Heizzonen entstehen. Diese Heizzonen werden für die

Aufbereitung von Brauchwasser und die obere Heizzone kann sinnvollerweise als Wärmetauscher für eine Niedertemperaturheizung oder als Rücklaufvorwärmer verwendet werden. Die Wärmeträgerein- und -austritte sind peripher im Gehäuse angebracht. Diagonal zueinander besitzen die Trennbleche für die Brauchwasser-Heizzonen eine Durchflußöffnung. Die im Abgaswärmetauscher befindlichen Wärmerohre erstrecken sich

gleichzeitig mit Ober die gesamte Höhe des Wärmeträger-Wärmetauschers, so daß die Anordnung der Wärmerohre im

Wärmeti Iger-Wärmetauscher der im Abgaswärmetauscher entspricht. Im freien Bereich zwischen Abgaswärmetauscher und Wärmeträger-Wärmetauscher sind die Wärmerohre, weiche Gravitationswärmerohre sind, isoliert und zwar

zweckmäßigerweise dadurch, daß sie von einem Rohr mit Zwischenraum ummantelt sind, in welchem nichtwärmeleitendes

Pulver eingefüllt ist. Die Wärmerohre im Wärmeträger-Wärmetauscher sind von einem Rohr ummantelt und hier ist in dem Zwischenraum

wärmeleitendes und isolierendes Pulver eingebracht und zwar letzteres nur bis in Höhe der entsprechenden zu temperierenden

Heizzone. Da die Temperatur des Brauchwassers in den Heizzonen von oben nach unten abnimmt, ist die Isolierung von innen

nach außen mit dem Abgasweg abnehmend abgestuft. Die äußeren Wärmerohre besitzen somit keine Isolierung, und auch im

Bereich der oberen Heizzcnen liegt keine Isolierung vor. Bei Betrieb des Heizkessels steigen die Abgase in das mittige Rohr und

von dort in den labyrinthförmigen Plattenwärmetauscher. Die Abgase strömen jetzt von innen nach außen und geben ihre

Wärmeenergie an das Arbeitsmittel in den Wärmerohren ab. Die inneren Wärmerohre werden hierbei mit mehr Wärmeenergie

beaufschlagt als die äußeren Wärmerohre. In den Wärmerohren erfolgt nach oben ein vollständiger Wärmetransport, da die

Wärmerohre im Bereich ihrer Transportzone isoliert sind. Im Bereich der Kondensationszone der Wärmerohre, die einer

entsprechenden Heizzone im Wärmeträger-Wärmetauscher zugeordnet ist, erfolgt die Wärmeenergieabgabe, was zu einergestuften Temperierung des Brauchwassers in den einzelnen Heizzonen führt. Gleichzeitig wird die obere, als

Heizungsvorwärmer dienende Heizzone mit berücksichtigt. Um die Wärmeenergie der Abgase weiter auszunutzen, ist der Heizkessel mit einem Wärmepumpen - Kreislauf versehen. Auf dem Abgaswärmetauscher befindet sich jetzt ein Verdampfer, der mit vom Abgaswärmetauscher kommenden Wärmerohren bestückt ist. Ein Verflüssiger ist unten am Wärmeträger-Wärmetauscher angebracht und nadeiförmige Kondensatorrohre stehen in Wirkverbindung mit dem Wärmeträger-Wärmetauscher. Diese nadeiförmigen Kondensatorrohre

sind bis zur entsprechenden Heizzone, wie bisher beschrieben, isoliert. Zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger ist der

Verdichter einschließlich Entspannungsventil geschaltet. Dereinen hohen Wirkungsgrad besitzende Heizkessel ermöglicht nicht nur die Aufbereitung von Brauchwasser, sondern er kann

gleichzeitig auch für Niedertemperaturheizungsanlagen eingesetzt werden.

AusfOhrungsbelsplel Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in Fig. 1: schematische Darstellung des Heizkessels, Fig. 2: Draufsicht des Abgaswärmetauschers, Fig. 3: Schnitt des Wärmerohres, Fig. 4: schematische Darstellung des Heizkessels mit Wärmepumpen - Kroislauf.

Der Heizkessel besteht aus dem Abgaswärmetauscher 1 und dem im Abstand darüber angeordneten Wärmeträger-Wärmetauscher 2. Beide Wärmetauscher 1,2 sind mit den gleichen durchgehenden Wärmerohren 3 bestückt, so daß die Anordnung der Wärmerohre 3 in beiden Wärmetauschern 1,2 gleich ist.

Der Abgaswärmetauscher 1 besitzt ein geschlossenes Gehäuse 4a mit mittigem Abgaseintritt 5 in Form eines einseitig geschlitzten Rohres und peripherem Abgasaustritt 6, in welchem ein labyrinthförmiger Plattenwärmetauscher 7, der die Sekundärheizfläche darstellt, eingebaut ist. Der Plattenwärmetauscher 7 ist bei Nichtvorliegen einer Abgaskondensation aus unlegiertem Stahl und bei Vorliegen einer Abgaskondensation aus legiertem Stahl oder emailliertem Stahlblech hergestellt. Im letzteren Fall ist der Abgaswärmetauscher 1 noch mit einer Kondensatwanno 8 mit Siphon versehen. Die Sekundärheizfläche umschließt die aus Kupfer hergestellten Wärmerohre 3 unter Beibehaltung eines Zwischenraumes. In diesem Zwischenraum ist wärmeleitendes Pulver 9a in Form von Eisenpulver eingefüllt.

Der Teil der WSrmerohre 3 zwischen dem Abgaswärmetauscher 1 und Wärmeträger-Wärmetauscher 2, der gleichzeitig die Transportzone der Wärmerohre 3 bildet, ist isoliert, so daß in diesem freien Bereich fast keine Wärmeverluste auftreten. Der Wärmeträgsr-Wärmetauscher 2 besitzt ebenfalls ein geschlossenes Gehäuse 4 b, in welchem die von Abgaswärmetauscher 1 kommenden Wärmerohre 3 untergebracht sind. Durch in Abstand übereinander angeordnete horizontale Trennplatten 10 ist das Innere des Wärmeträger-Wärmetauschers 2 in n.enrere Heizzonen HV unterteilt, wobei *. 8. die Heizzonen NII für Brauchwasserbereitung dienen und die obere Heizzone IVzum Betreiben der Raumheizung, vorzugsweise Fußbodenheizung verwendet wird. Die Wärmeträgerein- bzw. -austritte, also ein Brauchwasserein- und -austritt und ein Eirtritt 'ür den Heizungsrücklauf und ein Austritt für den Heizungsvorlauf, sind peripher im Gehäuse 4 b angebracht. Ebenso besitzer die Trennplatten 10 in den Heizungszonen MII für das Brauchwasser diagonal zuein&nderliegende Durchflußöffnungen. Die Wärmerohre 3 Innerhalb des Wäimeträger-Wärmetauschen 2 sind von einem weiteren größeren Rohr ummantelt. Der sich zwischen Wärmerohr 3 und Rohr vergebende Zwischenraum ist mit Pulver ausgefüllt und zwar bis zum Wirkungsbereich mit isolierendem Pulver 9b, z. B. Glaspulver und dann mit wärmeleitendem Pulver 9a, z. B. Eisenpulver. Die Wärmerohre 3 sind abgestuft von innen nach außen und mit dem Abgasweg den Heizzonen III, Il und I zugeordnet, so daß die Isolierung der Wärmerohre 3 mittels des isolierenden Pulvers 9 b von innen nach außen abgestuft ist.

Bei Betrieb des Heizkessels treten die Abgase über den Abgaseintritt 5 in ds< Zentrum des Abgaswärmetauschers 1 ein. Mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ä 5m/s werden die Abgase von Innen na'ii außen durch den labyrinthförmigen Plattenwärmetauscher 7 geleitet. Dort geben sie den größten Teil ihrer Wärmeenergie an die Sekundärheizfläche ab. Über das wärmeleitende Pulver 9a gelangt die Wärmeenergie zum Verdampfer der Wärmerohre 3. Der fortlaufende Verdampfungs- und Kondensationsprozeß in den Wärmerohren 3 bewirkt den Transport der Wärmeenergie vom Abgaswärmetauscher 1 über die Transportzone in den Wärmeträger-Wärmetauscher. Eventue'l anfallendes Kondensat aus dem Abgas wird über die Kondonsatwanne 8 mit Siphon abgeleitet. Die Reihenordnung der Wärmerohre 3 in Verbindung mit der labyrinthförmigen Ausbildung des Plattenwärmetauschers 7 führt zu einer abgestuften Arbeitstemperatur der Wärmerohre 3 in Abhängigkeit von der Abgastemperatur. Die auf die Wärmerohre 3 übertragene und nach Temperaturen sortierte Wärmeenergie wird im Wärmeträger- Wärmetauscher 2 vertikal und flächenbezogen radial sortiert an die Wärmeträger in den Heizzonen MV abgegeben. So wird z. B. kaltes Brauchwasser mit einer Temperatur von 10°C auf 60⁰C aufgeheizt. Diese mehrfache Sortierung der Wärmeenergie bewirkt, daß das Brauchwasser der Heizzone I die Abgase ohne Hilfsenergie auf +20°C abkühlt, wobei zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator der Wärmerohre 3 noch eine ausreichende Temperaturdifferonz von 1O⁰C für den Wärmotransport ansteht. Befindet sich der Wärmeaustausch im Heizkessel nicht im statischen Zustand, erfolgt die Wärmesortierung nach Temperaturen dynamisch offen nach oben, wenn beispielsweise sein Speichervermögen für die Heizzonen MII ausgelastet ist.

Vorteilhafterweise ist der Heizkessel noch mit einem Wärmepumpen-Kreislauf versehon. Zu diesem Zweck befindet sich auf der Oberseite des Abgaswärmetauschers 1 ein ringförmiger Verdampfer 11 und an der Unterseite des Wärmeträger-Wärmetauschers 2 ein ringförmiger Verflüssiget 12. Die äußeren Wärmerohre 3 des Abgaswärmetauschers 1 enden innerhalb des Verdampfers 11 und nadelförmlgo Kondensatorrohre 15 im Wärnieträger-Wärmetauscher enden an der Oberseite des Verflüssigers 12 und stehen nur in Wirkverbindung mit diesem. Gleichzeitig sind die nadeiförmigen Kondensatorrohre 15 im Wärmeträger-WJrmetauscher 2 bis zu Beginn der Heizzone III isoliert. Zwischen dem Verdampfer 11 und dem Verflüssiger 12 ist der Verdichter 13 und das Entspannungsventil 14 geschaltet. Die Verdampfertemperatur ist auf £ -1O⁰C eingestellt, was eine Abkühlung der Abgase auf S 0°C bewirkt. Zur Bereitung von Brauchwasser und für das Betreiben einer Ntodertemperaturheizung Ist die Verflüssigertemperatur auf +50°C bia +6O⁰C festgelegt. Der Abgaswärmetauscher 1 arbeitet hierdurch fast ohne Wärmeverluste.

Der erfindungsgemäße Heizkessel zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad, insbesondere bedingt durch die Wärmesortierung im Abgaswärmetauscher und in den als Schichtenspeichor arbeitenden Wärmeträger-Wärmetauscher aus. Dieses bedeutet gleichzeitig die Einsparung an Primärenergie. Mit Hilfe des Wärmepumpen-Kreislaufes können die Abgase bis unter die Temperatur des Wärmeträgers abgekühlt werden. Doch auch ohne Wärmepumpen-Kreislauf erfolgt eine weitestgehendö Wärmeenergieausnutzung der Abgase. Die Schadstoffabgabe ist boi diesem Heizkessel stark gemindert. Außerdem sind die Herstellungskosten, insbesondere die Materialkosten, im Vergleich zu seinen Leistungsparametern gering. Ein weiterer Vorteil des Heizkessels ist seine Reparaturfreundlichkeit. Auch beim Betreiben mit einem Wärmepumpen-Kreislauf besitzt der Heizkessel eine hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer.

Claims (5)

1. Mit Wärmerohren ausgerüsteter Heizkessel, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkessel aus einem Abgaswärmetauscher (1) mit eingebautem, die Wärmerohre (3) aufnehmendem labyrinthförmigem Plattenwärmetauscher (7), dereinen mittigen Abgaseintritt (5) und peripheren Abgasaustritt (6) besitzt, und einem im Abstand darüber befindlichen, mit den gleichen durchgehenden Wärmerohren (3) bestückten Wärmeträger-Wärmetauscher (2) besteht, der durch horizontale, mit Öffnungen versehenen Trennplatten (10) als mit unterschiedlich temperierten Hftizzonen (I—IV) versehener Schichtenspeicher mit ein oder mehreren Wärmeträgerein- und -Austritten ausgebildet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfläche des Plattenwärmetauschers (7) die Wärmerohre (3) mit Zwischenraum, in welchem wärmeleitendes Pulver (9a) eingebracht ist, umschließt.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (3) im Bereich zwischen Abgaswärmetauscher (1) und Wärmeträger-Wärmetauscher (2) isoliert sind.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (3) innerhalb des Wärmeträger-Wärmetauschers (2) durch ein Rohr mit Zwischenraum ummantelt sind, wobei sich in diesem Zwischenraum bis zugehöriger Heizzone (l-ll), abgestuft von innen nach außen, mit dem Abgasweg isolierendes Pulver (9 b) befindet und der restliche Zwischenraum durch wärmeleitendes Pulver (9a) aufgefüllt ist.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite des Abgaswärmetauschers (1) ein Verdampfer (11), bestückt mit vom Abgaswärmetauscher (1) kommenden Wärmerohren (3), und an der Unterseite des Wärmeträger-Wärmetauschers (2) ein Verflüssiger (12), der in Wirkverbindung mit teilweise isolierten nadeiförmigen Kondensatorrohren (15) im Wärmeträger-Wärmetauscher (2) steht, angebracht sind, und zwischen Verdampfer (11) und Verflüssiger (12) ein Verdichter (13) einschließlich Entspannungsventii (14) geschaltet sind.