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Die
Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Erhitzung von Wasser zu
Heißwasser
oder Dampf sowie ein Verfahren zum Herstellen bzw. Nachrüsten eines
Heizkessels.
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Bei
Heizkesseln mit Gebläsebrennern
zur Erhitzung von Wasser zu Heißwasser
oder Dampf sind im wesentlichen zwei Konstruktionsarten bekannt.
Zum einen kann die Brennkammer als Flammenrohr ausgebildet sein,
in deren Wänden
das Wasserbad aufgenommen ist. Bei diesem Heizkesseltyp schließt sich
an das Flammenrohr eine Rohrleitung für die Verbrennungsgase an,
die von Wasser umströmt
wird bzw. in deren Wänden
das Heizwasser aufgenommen ist.
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Der
zweite Kesseltyp ist im Wesentlichen umgekehrt aufgebaut. Das Wasser
strömt
durch ein Rohr bzw. Rohrleitungssystem, und die Verbrennungsgase
strömen
um dieses Rohrsystem herum bzw. das Gas umströmt das Wasserrohrsystem. Bei diesem
Heizkesseltyp ist die Brennkammer nicht als Flammenrohr, sondern
offen ausgebildet.
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Die
Erfindung betrifft eine Weiterbildung beider Heizkesseltypen. Hierbei
werden in der Regel kleine bis mittelgroße Leistungen bis etwa 50 MW
erreicht.
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Als
Brennstoff können
einem Gebläsebrenner
flüssige,
gasförmige
oder auch zerstäubte
feste Brennstoffe zugeführt
werden. Weiterhin kann eine Schwelgasfeuerung für feste Brennstoffe vorgeschaltet
werden.
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Die
erreichbaren Leistungen und Wirkungsgrade hängen wesentlich davon ab, welcher
Anteil der für
die Dampferzeugung benötigten
Wärme bereits in
der Brennkammer übertragen
werden kann. Diese Wärmeübertragung
erfolgt im Wesentlichen nur durch die Wärmestrahlung bzw. Hitzestrahlung der
Verbrennungsgase sowie durch die so genannte Flammenstrahlung. Die
Wärmeübertragung
durch Konvektion ist hingegen im Allgemeinen vernachlässigbar.
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Um
Wärmeverluste
durch Leckluft in den Brenner-Stillstandszeiten zu vermeiden, sind
in der Regel eine Einlass-Klappe im Einlassbereich vor dem Brenner
und eine Auslass-Klappe im Abgasauslass-Bereich vor dem Ausgang
zum Kamin vorgesehen, die im Brennerbetrieb, d. h. in den Heizzeiten, offen
und in den Brenner-Stillstandszeiten geschlossen sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel der eingangs
beschriebenen Art, der eine hohe Energieeffizienz bzw. Wärmeausnutzung erreicht,
und weiterhin ein Verfahren zum Herstellen bzw. Nachrüsten eines
Heizkessels zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Heizkessel nach Anspruch 1 und ein Verfahren
nach Anspruch 6 gelöst.
Die Unteransprüche
beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäß wird somit
in den Heizkessel eine den Strömungswiderstand
erhöhende
Wärmespeichereinrichtung
aus flammenfestem Keramikmaterial derartig gesetzt, dass sie die
Brennkammer umgibt, wobei sie Durchlässe für Verbrennungsgase bzw. Abgase
aufweist. Die Wärmespeichereinrichtung
kann hierbei Temperaturen von über
1000°C aufnehmen;
vorzugsweise wird sie auch auf größer/gleich 1000°C aufgeheizt.
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Die
Wärmespeichereinrichtung
weist vorteilhafterweise eine zur Abstrahlung von Sekundärstrahlung
bzw. Sekundär-Wärmestrahlung
dienende Fläche
auf, die zu den Wasserrohren gerichtet ist. Diese Fläche kann
insbe sondere eine Außenfläche der Wärmespeichereinrichtung
sein, sie kann jedoch auch z.B. bei einem ringförmigen oder zylindrischen Körper eine
Innenfläche
sein.
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Die
Verbrennungsgase durchströmen
somit die Durchlässe
der Wärmespeichereinrichtung
und heizen diese auf. Hierdurch ergeben sich erfindungsgemäß insbesondere
zwei Vorteile.
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Die
Wärmespeichereinrichtung
sendet Sekundärstrahlung
aus, die auf die Heizwasserrohre trifft und an diesen absorbiert
wird. Dem liegt die erfindungsgemäße Erkenntnis zugrunde, dass
bei bestehenden Brennkammern ein Grossteil der Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen
auf die Heizrohre durch Wärmestrahlung
erfolgt, jedoch die Verbrennungsgase auf die Aussendung von Wärmestrahlung
in ihren Emissionspektren bzw. Emissionsbanden begrenzt sind. Lediglich
die in der Flamme vorhandenen Rußteilchen ermöglichen
bisher eine breitbandigere Emission.
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Die
Wärmespeichereinrichtung
wird von den Verbrennungsgasen direkt erhitzt und gibt nunmehr eine
Sekundärstrahlung
bzw. Sekundär-
Wärmestrahlung
aus, wobei das Keramikmaterial eine breitbandige Aussendung in einem
deutlich größeren Wellenlängenbereich
als die Verbrennungsgase bzw. deren Rußteilchen ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Wärmespeichereinrichtung
zeigt somit eine deutliche Abstrahlung von Sekundärstrahlung
und unterscheidet sich hierdurch von gegebenenfalls im Brennkammer
angeordneten Temperatur-Messfühlern, Sonden,
Proberohren usw.
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Der
zweite wichtige Vorteil ist die erfindungsgemäße Erkenntnis, dass der begrenzte
Wirkungsgrad derartiger Heizkessel durch Leckluft-Ströme bedingt
ist, die in den Brennerstillstandszeiten durch die prinzipbedingt
nicht dicht schließende
Frischlufteinlassklappe in den Brennraum und durch die Verbrennungsgasführung entlang
der Heizwasserrohre zu dem Auslass strömen, an dem zwar eine Abgasauslassklappe
vorgesehen ist, die jedoch aufgrund der prinzipbedingt großen Temperaturschwankungen nicht
jeweils dicht schließen
kann. Diese Leckluftströmungen
in den Brennerstillstandszeiten führen zu einer deutlichen Abkühlung der
Heizwasserrohre. Der erfindungsgemäße Wärmespeicher sorgt dafür, dass die
Leckluft aufgrund zum einen des direkten Strömungswiderstandes der Wärmespeichereinrichtung mit
Durchlässen
und insbesondere aufgrund der Temperaturerhöhung durch den Wärmespeicher
einen deutlich höheren
Strömungswiderstand
erfährt, so
dass die Leckluft bereits deutlich verringert werden kann.
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Die
Erhöhung
des Strömungswiderstandes durch
die Temperaturerhöhung
beruht hierbei auf der Bernoulli-Gleichung, gemäß der erhitzte Luft mit höherer Temperatur
bzw. größerem Volumen
und geringerer Dichte einen größeren Strömungswiderstand erfährt.
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Bei
Einsatz der Erfindung in dem eingangs beschriebenen zweiten Heizkesseltyp
wird die Brennkammer durch die Wärmespeichereinrichtung direkt
umgeben. Bei Einsatz der Erfindung in dem eingangs beschriebenen
ersten Heizkesseltyp wird die Brennkammer von der die Wärmespeichereinrichtung
direkt umgeben, wobei die Wärmespeichereinrichtung
wiederum innerhalb des Flammenrohrs aufgenommen ist. Hierbei ist
das von Wasser umgebene Flammenrohr relativ kalt, nämlich z.
B. 200-300°C,
die Wärmespeichereinrichtung
jedoch auf 1000°C
aufheizbar.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist ergänzend
eine Verbindungsleitung bzw. Bypass-Leitung zwischen einerseits
den Frischluft-Einlassbereich
hinter der Frischluft-Einlassklappe und vor dem Gebläsebrenner
und andererseits dem Abgass-Auslassbereich hinter der Abgas-Auslassklappe geschaltet,
die in Heizzeiten geschlossen ist und in den Still standszeiten offen
ist für
einen Druckausgleich, der die verbleibende Leckströmung weiter
verringert.
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Erfindungsgemäß können zum
einen vorhandene Anlagen durch Einbringung der Heizeinrichtung nachgerüstet werden.
Weiterhin ist jedoch auch der Einsatz bzw. der Einbau in Neuanlagen
möglich.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt bzw. Radialschnitt orthogonal zur Brennerachse durch
einen erfindungsgemäßen Heizkessel
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 einen
Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Heizkessels
mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung
und einer Bypass-Leitung zwischen dem Frischluft-Einlassbereich und dem Abgasauslassbereich;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung gemäß einer
ersten, rechteckigen Ausführungsform;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung gemäß einer
weiteren, runden Ausführungsform
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5 einen
Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Heizkessels
mit der erfindungsgemäßen Warmespeichereinrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
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Ein
Heizkessel 1 dient der Erhitzung von Wasser, z.B. zur Warmwasseraufbereitung
oder auch als Heizeinrichtung, z.B. als Therme in einem Heizkreislauf.
Ein Gebläsebrenner 4 ist
an einen Brenneranschluss ange setzt und bläst eine Flamme 6 in
die im Innenraum 2a des Gehäuses 2 vorgesehene Brennkammer 3.
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In
dem Gehäuse 2 verlaufen
in 1 gezeigte Wasserrohre 8 von einem Wassereinlass 9 – der bei
einem Heizkreislauf den Wasserrücklauf
darstellt – zu
einem Wasserauslass 10, der bei einem Heizkreislauf, d.h.
bei Einsatz des Heizkessel 1 als Therme, den Vorlauf darstellt.
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Die
von der Flamme 6 in der Brennkammer 3 erzeugten
Verbrennungsgase 7 bzw. Abgase strömen bei diesem Heizkesseltyp
durch den Innenraum 2a des Gehäuses 2 an den Wasserrohren 8 entlang bzw.
umspülen
die Wasserrohre 8 und gelangen zu einem Abgasauslass 12,
an den eine Abgasleitung 14 angeschlossen ist, die wiederum
an einen Kamin 16 angeschlossen ist, dessen unterer Bereich
hier dargestellt ist. Bei diesem Heizkesseltyp werden die von der
Brennkammer 3 ausgehenden Verbrennungsgase somit nicht
durch ein Heizrohrleitungssystem zu dem Abgasauslass 12 geführt, sondern umströmen die
Wasserrohre 8.
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Erfindungsgemäß ist eine
Wärmespeichereinrichtung 18 aus
einem flammenfesten Keramikmaterial vorgesehen, die die Brennkammer 3 umgibt. Die
Wärmespeichereinrichtung 18 kann
z. B. gemäß 3 mit
einem rechteckigen, z.B. quadratischen Querschnitt, oder gemäß 4 mit
einem runden Querschnitt, d.h. in zylindrischer Form, ausgebildet sein
und erstreckt sich entlang der Flammenrichtung. Sie weist auf ihrem
Außenumfang
Durchlässe 20 auf, durch
die die Verbrennungsgase aus der Brennkammer 3 nach außen strömen.
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Der
Gebläsebrenner 4 wird
in Heizzeiten TH betrieben. Zwischen den
Heizzeiten TH sind Brenner-Stillstandszeiten
TS vorgesehen. Hierbei findet eine Regelung
des Gebläsebrenners 4 durch
Messung der Temperatur und/oder des Dampfdrucks des Wassers in den
Wasserrohren 8 statt, z.B. mit einer unteren Umschaltschwelle
tu als untere Temperatur oder Minimaltemperatur,
bei ihren Unterschreiten der Gebläsebrenner 4 angeschaltet
wird und eine Heizzeit TH beginnt und einer
oberen Temperatur to bzw. Maximaltemperatur,
bei deren Erreichen oder Überschreiten
der Gebläsebrenner 4 ausgeschaltet
wird und eine Brennerstillstandszeit TS beginnt.
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Die
erfindungsgemäße Wärmespeichereinrichtung 8 weist
zwei vorteilhafte Wirkungen auf:
In Heizzeiten TH erhitzt
sie sich, so dass ihre Außenseite
Wärmestrahlung
abgibt, die direkt von den Wasserrohren 8 aufgenommen wird.
Die Wärmespeichereinrichtung 18 bewirkt
somit eine Sekundärstrahlung,
die wesentlich zum Erhitzten der Wasserrohre 8 beitragen
kann. Das Keramikmaterial ermöglicht
hierbei eine breitbandige Wärmestrahlung,
die gegenüber
der von den Verbrennungsgasen direkt abgegebenen schmalbandigen
Wärmestrahlung
somit effektiver ist.
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Ein
weiterer erfindungsgemäßer Vorteil
liegt darin, dass die Wärmespeichereinrichtung 18 in
den Brennerstillstandszeiten TS Leckluft,
die durch die geschlossene Frischlufteinlassklappe K1 und einen Brennereinlassbereich 24 in
die Brennkammer 3, an den Heizrohren 8 entlang
zu dem Abgasauslass 12 gelangt, durch die Heizeinrichtung 18 erhitzt
wird. Hierdurch erhöht
sich der Strömungswiderstand
der erhitzten Luft, so dass diese Strömung minimiert wird.
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In 2 sind
die Wasserrohre 8 der Übersicht
halber nicht eingezeichnet; es ist jedoch als eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme eine
Verbindungsleitung 22 zwischen dem Frischlufteinlassbereich 24 und
dem Abgassauslass 14 hinter der Abgasauslass-Klappe K2
eingezeichnet.
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Die
Verbindungsleitung 22 wird durch eine vordere Verschlusskappe
K3 im Eingangsbereich der Verbindungsleitung 16 und eine
hintere Verschlussklappe K4 im hinteren Bereich verschlossen.
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Die
Verbindungsleitung 16 sorgt bei geöffneten Klappen K3, K4 somit
für einen
Druckausgleich zwischen dem Frischlufteinlassbereich 8 hinter
der Frischlufteinlassklappe K1 und dem Abgasauslassbereich der Heizrohrleitung 12 hinter
der Abgasauslassklappe K2. Die Klappen K3 und K4 sind in Stillstandszeiten
geöffnet,
wenn die Klappen K1 und K2 geschlossen sind; in Heizzeiten sind
die Klappen K1 und K2 offen und die Klappen K3 und K4 geschlossen.
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Bei
den Ausführungsformen
der 1, 2 wird das Wasser in einer oder
mehreren Wasserrohrleitungen geführt,
die von den Verbrennungsgasen umspült werden.
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5 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der – anders
als in der ersten Ausführungsform – ein Flammenrohr 30 vorgesehen
ist, das in einem Wasserbad aufgenommen ist und z. B. 200 bis 300°C heiß wird. Bei
dieser Ausführungsform
werden die Verbrennungsgase durch eine Heizgasrohrleitung 32 geführt und
von Wasser umspült.
Hier ist die Wärmespeichereinrichtung 18 direkt
um die Brennkammer/Brennraum 30 herum vorgesehen und wird
auf z. B. mindestens 1000°C
aufgeheizt.