DE10043870A1

DE10043870A1 - Kessel, insbesondere Brennwertheizkessel, mit Wärmetauscherspirale

Info

Publication number: DE10043870A1
Application number: DE10043870A
Authority: DE
Inventors: Helmut Thuemmler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-04-04

Abstract

Kessel, insbesondere Brennwertheizkessel, mit einem Wärmetauscher mit einer flächig aus randseitig verbundenen Blechen gebildeten wasserdurchströmten mehrgängigen Spirale (3), zwischen deren Spiralgängen abzukühlendes Gas (G), insbesondere Rauchgas, im Gegenstrom hindurch geleitet ist, wobei mindestens eines der Bleche (3A, 3B) bezüglich einer Einbauanlage der Spirale (3) mit einer solchen Profilierung (P) versteift und in seiner Oberfläche wasser- und gasseitig vergrößert ist, daß sich aus dem Gas (G) abgeschiedenes Kondensat (K) abfließt und auch nicht partiell aufstaut und daß das jeweils profilierte Blech (3A, 3B) gemäß einem Versteifungsgrad in seiner Dicke reduziert einer jeweiligen Belastung angepaßt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kessel, insbesondere Brennwertheiz kessel, mit einem Wärmetauscher mit einer flächig aus randseitig verbundenen Blechen gebildeten wasserdurchströmten mehrgängigen Spirale, zwischen deren Spiralgängen abzukühlendes Gas, insbe sondere Rauchgas, im Gegenstrom hindurch geleitet ist.

Ein derartiger Brennwertheizkessel ist aus der DE 298 02 333.4 bekannt. Hierbei liegt die Wärmetauscherspirale mit ihrer Achse horizontal und deren Innenraum ist als ein Flammraum eines stirnseitig angeordneten Brenners genutzt. Am äußeren Ende des rauchgasführenden Spiralzwischenraumes befindet sich eine Rauch gasumlenkung in einen Zwischenraum zu einem thermisch isolierten Mantel nach dessen inneren Umlaufen das Rauchgas in einem Abluftrohr gesammelt nach außen abgeleitet ist. Der Mantel ist bodenseitig als ein Kondensatsammler ausgebildet, dessen Ablauf in einen Neutralisator geführt ist. Die wasserführende Spirale ist aus glatten Blechen hergestellt, die strinseitig mit Abschlußblechen zugeschweißt sind. Da die Spirale unterschied lich thermisch belastet und innerlich gewöhnlich unter Wasser druck steht, tendiert sie zum Aufwickeln durch Ausdehnung, weswegen das Edelstahlblech verhältnismäßig, z. B. 2 mm, dick gewählt ist. Da das Edelstahlblech Rauchgaskondensat widerstehen muß ist es recht kostenaufwendig. Die glatte Oberfläche der Spiralbleche erbringt nur einen mäßigen Kontakt der Medien in den Grenzzonen, wodurch der spezifische Wärmeübergang beschränkt ist. Um dem entgegenzuwirken, sind Wasserfluß oder Rauchgas schikanen in Form von Einsatzblechen bekannt, die jedoch nur eine geringe Steigerung des Wärmeüberganges zwischen den Medien bewirken, da sie außer einer Strömungswegverlängerung auch Totzonen erzeugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad des Kessels zu steigern und Material einzusparen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird mindestens eines der Bleche der Spirale mit einem Profil versehen, das bevorzugt durch Pressen oder Walzen eingebracht wird. Das Profil kann wellenförmig oder waffelförmig mit erhabenen Auswölbungen gestaltet sein. Die Randzonen haben zweckmäßig keine Profilierung, so daß dort eine Abkantung der zu verschweißenden Randstreifen einfach erfolgen kann.

Die Profilierung ist abhängig von der Einbaulage der Spirale so ausgebildet, daß das sich bildende aggressive Kondensat sich in keiner Vertiefung ansammeln kann, sondern überall abfließt. Deshalb sind die Profilerhebungen in den Rauchgasraum gerichtet, wodurch zwischen diesen Ablaufrinnen ausgebildet sind.

Falls eine reine Wellenstruktur eingebracht ist, sind deren Wellenkämme in Richtung des Spirallaufes gerichtet, damit sie eine Festigkeitssteigerung gegen ein Aufweiten der Spirale erbringt. Der Kondensatabfluß läßt sich dann nur mit einer vertikalen oder geneigten Einbaulage der Spiralachse erreichen.

Die erfindungsgemäße Profilierung der Bleche erbringt bei ausreichender Profiltiefe eine enorme Festigkeitserhöhung gegen ein Verbiegen, so daß bei gleichem Verformungsgrad wie bei glattem Blech die halbe bis drittel Blechdicke genügt. Dies bringt nicht nur eine erhebliche Materialersparnis sondern auch einen gesteigerten Wärmeübergang zusätzlich zu der verbesserten Medieninteraktion durch die Oberflächenvergrößerung und die stärkere Verwirbelung der Medien an den Grenzflächen.

Der neuartige Wärmetauscher eignet sich nicht nur zur Umgebung eines Brennraumes sondern auch zur Einschaltung in einen Abluft- oder Rauchgaszug, z. B. als Nachkondensator.

Die Ausnützung auch der äußeren Spiralwandung zur Wärmeüber tragung wird bekanntlich durch einen beabstandeten Zylinder mantel ermöglicht.

Eine Weiterbildung dieser Art der Restwärmenutzung erbringt ein doppelwandiger Zylindermantel, der von einem Niedertemperatur heizkreislauf, z. B. zur Versorgung der untersten Stufe eines Warmwasserspeichers oder einer Fußbodenheizung, durchflossen ist oder in den Frischwasserzulauf einer Brauchwasserversorgung eingeschaltet ist. Vorteilhaft ist auch die rauchgasseitige Mantelwand mit einer Profilierung versehen und entsprechend der höheren Festigkeit in geringer Blechstärke ausgebildet.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Restwärmenutzung wird die Frischluft, die der Brenner benötigt, durch den Raum zwischen einem Außengehäuse und dem nur einfachen Zylindermantel der das Rauchgas um die äußere Spiralwand leitet, geschickt.

Die Stirnseite der Spirale und die Gehäusewände sind durch eine Wärmeisolationspackung isoliert. Die Gas-, Luft- und Wasser anschlüsse sind durch die Isolation und das Gehäuse heraus geführt und jeweils so angeordnet, daß der Wärmeaustausch im Gegenstrom erfolgt. Das Kondensat wird unter der Spirale gesammelt und in einen Neutralisator abgeleitet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Stirnansicht eines geöffneten Brennwertofens;

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt II-II erster Art;

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt III-III zweiter Art;

Fig. 4 zeigt einen geschnittenen Vertikalheizkessel.

Fig. 1 zeigt einen geöffneten Brennwertheizkessel mit einem Spiralwärmetauscher 3, dessen Doppelwandung 3A, 3B von Wasser durchflossen ist und deren Windungszwischenraum von Rauchgas G im Gegenstrom durchzogen ist. Im Zentrum der Spirale, die nicht bis zur Achse A vollständig ausgebildet ist, befindet sich ein Feuerungsraum FR einer Flamme F eines Brenners B. Alternativ ist dort ein Warmgas- oder Rauchgasrohr 6 angeschlossen, wenn der Wärmetauscher als Nachtauscher dient.

Die Spirale 3 ist von einem Gehäuse 2 und einer Rauchgas führungswand 1 umgeben. Letztere ist einen Zwischenraum Z belassend zur Rauchgasumleitung um die letzte, äußere Spiralwand etwa zylindrisch ausgebildet. Durch eine Radialabsperrung 50 wird das Rauchgas G zu dem Abgasrohr 70 geführt. Ein Kondensat fänger KF leitet herabtropfendes Kondensat K in einen Neutralisator N.

Zwischen dem Gehäuse 2 und der Rauchgasführungswand 1 ist ein äußerer Zwischenraum, der bevorzugt von der Brennerzuluft durchströmt wird, was die Verbrennung und den Verbrennungs wirkungsgrad verbessert. Hierzu ist ein Zuluftstutzen 7 und ein Brennerluftanschluß 9 an den Außenraum geführt, der zwischen den Anschlüssen 8, 9 durch eine Trennwand geteilt ist, so daß die Führungswand 1 umströmt wird.

Die aus Edelstahlblech bestehenden Wandungen 3A, 3B der Spirale 3 sind mit einer Profilierung P versehen, wie der Ausschnitt II-II in Fig. 2 und III-III in Fig. 3 in Detail in verschiedenen Ausführungen zeigt.

In einer ersten Ausführung zeigt Fig. 2 vergrößert die Spiral wandungen 3A, 3B mit stumpfen in den Rauchgasraum hineinragenden waffelförmig versetzt angeordneten Erhebungen E.

Die Profiltiefe beträgt ein mehrfaches der Blechdicke, die beispielsweise zwischen 0,5 und 1 mm liegt. Die Zwischenräume zwischen den Erhebungen ermöglichen das Ablaufen des Kondensats in alle Richtungen. Die Randzonen der Bleche 3A, 3B sind ohne Profile belassen und zueinander gerichtet abgekantet und entlang der Abkantung 13 verschweißt.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt III-III, bei der die Bleche 3A, 3B der Spirale 3 wellenförmig profiliert sind, wobei die Wellenkämme W in Richtung der spiraligen Erstreckung der Spirale liegen.

Diese Wellen-Profilierung ist für eine vertikale Anordnung der Spiralachse A gemäß Fig. 4 geeignet. Bei dieser Ausführung ist die Spirale 3 von einem Doppelwandgehäuse 20 mit einem Zwischen raum Z1 umgeben, den das Rauchgas G vor seinem Austritt umlaufend durchströmt. Die Wellenkämme W erstrecken sich horizontal auf den im wesentlich vertikalen Blechen 3A, 3B, so daß das Kondensat leicht abläuft.

Das Doppelwandgehäuse 20 weist eine Zu- und eine Ableitung 10, 11 für Niedertemperaturwasser auf, die so angeordnet sind, daß ein Gegenstrom zum Rauchgas G auftritt, der im Zwischenraum Z1 mittels einer Radialwand 5 bis zu einem Abgasrohr 7 umgelenkt wird.

Vorzugsweise ist die rauchgasseitige Wandung des Doppelwand gehäuses 20 mit einem Profil P ähnlich dem in Fig. 3 gezeigten ausgeführt.

Die Stirnseiten der Spirale 3 und des Gehäuses 20 sind mit einer Wärmeisolation 22 und einer Stirnwandung 14 öffenbar abge schlossen.

Bezugszeichenliste

2

Gehäuse

3

Spirale

3

A äußeres Blech

3

B inneres Blech

5

Radialwand

6

Warmgas-/Rauchgasrohr

7

Abgasrohr

8

Zuluftstutzen

9

Brennerluftanschluß

10

Zuleitung für NT- oder Brauchwasser

11

Ableitung für NT- oder Brauchwasser

13

Abkantung

14

Stirnwand

20

Doppelwandgehäuse

22

Stirn-Wärmeisolation

50

Radialabsperrung in Z

1

70

Abgasrohr an Z

1

A Achsrichtung
B Brenner
E Erhebungen
F Flamme
G Gas
K Kondensat
P Profilierung
N Neutralisator
KF Kondensatfänger
W Wellenkämme
Z Zwischenraum zu

2

Z1 Zwischenraum zu

20

Claims

1. Kessel, insbesondere Brennwertheizkessel mit einem Wärme tauscher mit einer flächig aus randseitig verbundenen Blechen gebildeten wasserdurchströmten mehrgängigen Spirale (3), zwischen deren Spiralgängen abzukühlendes Gas (G), insbesondere Rauchgas, im Gegenstrom hindurch geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Bleche (3A, 3B) bezüglich einer Einbauanlage der Spirale (3) mit einer solchen Profilierung (P) versteift und in seiner Oberfläche wasser- und gasseitig vergrößert ist, daß sich aus dem Gas (G) abgeschiedenes Kondensat (K) abfließt und auch nicht partiell aufstaut und daß das jeweils profilierte Blech (3A, 3B) gemäß einem Versteifungsgrad in seiner Dicke reduziert einer jeweiligen Belastung angepaßt ist.

2. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale (3) mit Ihrer Achsrichtung (A) vertikal steht und die Profilierung (P) waffelförmig ist oder gewellt mit horizontalen Wellenkämmen (W) ausgebildet ist.

3. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale (3) mit Ihrer Achsrichtung (A) etwa horizontal liegt und nur das jeweils äußere Blech (3A) der Spirale (3) profiliert ist.

4. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale (3) mit ihrer Achsrichtung (A) etwa horizontal liegt und die waffelförmige Profilierung (P) jeweils mit gasseitigen Erhebungen (E) ausgebildet ist.

5. Kessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einen spiralumschlossenen Innen bereich ein Warmgas- oder Rauchgasrohr (6) oder ein Brenner (B) mündet, dessen Flamme (F) dort brennt, und am äußeren Spiralende ein Abgasrohr (7) angeschlossen ist.

6. Kessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Spiralgang oder eine diese umgebende Rauchgasführungswand (1) beabstandet von einem Gehäuse (2) umgeben ist und der so gebildete Zwischenraum (Z) einerseits mit einem Zuluftstutzen (8) und andererseits mit einem Luftanschluß (9) eines Brenners (B) versehen ist.

7. Kessel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (Z) durch eine Radialwand (5) geteilt ist und der Zuluftstutzen (8) einerseits und der Luftanschluß (9) andererseits der Radialwand (5) in den Zwischenraum (Z) münden.

8. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der äußere Spiralgang beabstandet von einem doppelwandigen, thermisch nach außen isoliertes Gehäuse (20) umgeben ist, und das Gas (G) aus der Spirale (3) in den so gebildeten Zwischenraum (Z1) einmündet, und durch ihn zu einem Abgasrohr (70) umläuft, das vor dem Spiralende mit einer radialen Absperrung (50) des Zwischenraumes (Z1) angeordnet ist, und daß das Gehäuse (20) je eine voneinander beabstandete Zu- und ableitung (10, 11) Brauchwasser oder Niedertemperaturheizwasser aufweist.

9. Kessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite der Spirale (3) je durch eine Wärmeisolation (22) und eine Außengehäusewandung (14) abgeschlossen sind.

10. Kessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unter oder an der Spirale (3) unten seitig ein Kondensatfänger (KF) angeordnet ist der in einen Neutralisator (N) mündet.

11. Kessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (3A, 3B) randseitig der Spirale (3) profilfrei sind und mindestens eines von ihnen eine Abkantung (13) aufweist, die mit dem Rand des anderen Bleches verschweißt ist.