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Heizkessel für Sammelheizungsanlagen Die Erfindung bezieht sich auf
einen Heizkessel für Sammelheizungsanlagen, insbesondere auf einen Gliederheizkessel
mit einem Feuerraum mit Wärmeübergang vorwiegend durch Strahlung und mit einer vorwiegend
konvektive Wärmeiibertragung aufweisenden Nachschaltheizfläche, die im wesentlichen
durch ebene Wände und auf diesen Wänden in Strömungsrichtung der Heizgase nebeneinander
angeordnete und unter sich gleichlauf ende Rippen in Gestalt von flachen Körpern
gebildet wird.
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Es sind Heizkessel insbesondere mit Gasfeuerung bekannt, bei denen
auf den Wänden der Nachschaltheizfläche Zapfen, Nadeln, Nocken und ähnliche kurze
Vorsprünge angeordnet sind. Zum Unterschied von diesen vollwandigen Vorsprüngen
gibt es auch Kessel, bei denen die Wasserkammern mit kurzen Ausbuchtungen versehen
sind, die ebenfalls in Strömungsrichtung der Gase hintereinanderliegen. Diese Ausbuchtungen
können stromlinienförmig gestaltet sein. Mit den geschilderten Rippen und sonstigen
Erhebungen auf den Wänden der Nachschaltheizfläche verfolgte man den Zweck, die
Heizfläche der Kessel zu vergrößern und damit deren Leistung zu steigern. Trotz
der mit den angegebenen Anordnungen verbundenen Vergrößerung der Heizfläche wurde
aber der eigentliche Zweck nur =vollkommen erreicht, und zwar aus folgenden Gründen:
Die Längsrippen mit den gelegentlichen Unterbrechungen weisen auf Grund der sich
bei ihnen bildenden Grenzschicht schlechte Wärmeübergangswerte auf. Die vorgenannten
Zapfen und insbesondere die Ausbuchtungen der Wasserkammern sind quer zur Strömungsrichtung
der Heizgase breit, so daß der freie Strömungsquerschnitt verringert und dadurch
der Strömungswiderstand erhöht wird. Auf die Gefahr der Verschmutzung oder auf die
Möglichkeit einer bequemen und gründlichen Reinigung der mit diesen Vorsprüngen
besetzten Fläche ist bei den bekannten Anordnungen weniger Rücksicht genommen worden.
Insbesondere dieser Umstand führte dazu, daß die an sich erreichte Vergrößerung
der Heizfläche kaum eine Steigerung der Kesselleistung zeitigte. Deshalb haben sich
die mit diesen Merkmalen ausgestatteten Heizkessel im Betrieb nicht befriedigend
bewährt. Hinzu kommt, daß bei den Kesseln mit wassergekühltem sowie mit massiven
zapfen- oder nockenartigen Erhebungen in den Heizflächen nur unwesentliche Baustoffersparnis,
bezogen auf die Ge-
samtheizfläche, gegenüber den Ausführungen mit flachen
Vollrippen erzielt wird.
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Gegenüber diesen bekannten Ausführungen kennzeichnet sich der Heizkessel
der eingangs angeführten Gattung nach der Erfindung durch die Vereinigung nachstehender
Merkmale. a) als Rippen auf den Wänden der Nachschaltheizfläche sind an sich bekannte
Kurzrippen im Sinne einer aerodynamischen und thermischen Anlaufströmung mit einer
in- Strömungsrichtung gemessenen Tiefe von weniger als 100 mm, vorzugsweise
weniger als 40 mm vorgesehen; b) die hintereinander angeordneten Kurzrippen
bilden eine Anzahl Längsreihen, die in Strömungsrichtung der Heizgase oder schwach
geneigt zu dieser verlaufen und einen seitlichen Abstand voneinander besitzen, der
das Hindurchbewegen eines Reinigungsgerätes zwischen den Längsreihen gestattet,
und c) die Oberfläche der Kurzrippen beträgt mehr als 201/o der gesamten Kesselheizfläche
und mehr als 350/9 der Nachschaltheizfläche.
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Hierbei wird unter einer Kurzrippe im Sinne einer aerodynamischen
und thermischen Anlaufströmung eine solche Rippe verstanden, bei der das Geschwindigkeits-
und das Temperaturprofil des vorbeiströmenden Mittels bis zur Abströmkante noch
keinen Beharrungszustand angenommen hat.
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Derartige Kurzrippen weisen im Gegensatz zu Längsrippen oder sonstigen
durchgehenden Heizflächen erheblich größere konvektive Wärmeübergangswerte auf.
Bei den in den Heizkesseln üblichen Heizgasgeschwindigkeiterl ist der Bereich der
erwähnten günstigen Anlaufströmung bei etwa 100 mm, gemessen in Strömu-ngsrichtung,
beendet, so daß sich Kurzrippen mit einer Längserstreckung unterhalb von 100
mm, vorzugsweise unterhalb von 40 mm als besonders günstig erweisen. Im Gegensatz
zu der herrschenden Meinung wird bei der Kurzrippenanordnung nach der Erfindung
der erhöhte Wärmeübergang ohne Steigerung eines Druckabfalles erzielt. Daraus ergibt
sich
der Vorteil, daß der erfindunggsgemäße Kessel mit seinem höheren spezifischen Wärmeübergang
doch mit normalem Schornsteinzug betrieben werden kann.
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Als unbedingte Voraussetzung für einwandfreien Betrieb von Heizkesseln
mit derartigen Kurzrippen g gilt, daß der angestrebte verbesserte konvektive Wärmeübergang
im Betrieb aufrechterhalten bleibt. Diesem Ziel dient die erfindungsgemäße Anordnung
der Kurzrippen in nach bestimmter Weise verlaufenden Längs- und Querreihen, die
eine solche Verteilung der Kurzrippen auf den Wänden der Nachschaltheizflächen ergibt,
daß genügend breite Reinigungsdurchgänge gebildet werden. Dadurch, daß die Oberfläche
der Kurzrippen bei dem neuen Kessel mehr als 20% der gesamten Kesselhelzfläche und
mehr als 35"/@ der Nachschaltheizfläche, also einen erheblichen Anteil der Heizfläche,
ausmacht, ist einmal erreicht, daß der mit Anordnung von Kurzrippen zwangläufig
verbundene Mehraufwand bei der Herstellung zu einer echten Verbesserung führt. Zum
andern ermöglicht eine solche Steigerung der Heizleistung in der Nachschaltheizfläche
mittelbar eine wesentliche Vergrößerung der spezifischen Leistung der Strahlungsheizfläche,
die ein Mehrfaches der Verbesserung im konvektiven, Teil ausmachen kann.
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Für diesen zusätzlichen Gewinn an Heizleistung an der Strahlungsheizfläche
braucht kein besonderer Aufwand in Kauf genommen zu werden. Wegen der gedrängten
Anordnung der doppelseitig wirksamen Kurzrippen mit erheblich vergrößertem Wärmeübergang
gemäß der Erfindung wird für die Nachschaltheizfläche nur ein Bruchteil des bisherigen
Bauvolumens und des Baustoffgewichtes benötigt. Kessel dieser Bauart sind leichter
-und kleiner auszuführen als Heizkessel mit den bekannten Rippen und können bei
gleichen Bauvolumen mit einem größeren Füllraum für den Brennstoff oder Feuerraum
ausgestattet werden.
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Die erfindungsgemäße Kurzrippenausbildung und -anordnung ist auch
im Hinblick darauf von besonderem Vorteil, daß infolge eines erzielten Oberflächentemperaturanstiegs
sowie der angestrebten Vermeidung einer hemmenden Grenzschicht an den Kurzrippen
die Gefahr von Tieftemperaturkorrosionen, insbesondere bei Ölkesseln, vermindert
wird. Der erfindungsgemäße Kessel ist für feste, flüssige und gasförmige Bren-nstdffe
verwendbar. Als Werkstoff kommt sowohl Stahl wie auch Gußeisen in Frage.
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An Hand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
ist ein Heizkessel nach der Erfindung mit seinen Merkmalen erläutert, und zwar zeigen
Fig' 1 bis 3 verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung und Gestalt
von Kurzrippen nach der Erfindung, Fig. 4 in der Draufsicht, Fig. 5 im senkrechten
Schnitt durch Fig. 4 eine Kurzrippenanordnung in Schrägstaffelung, Fig.
6 einen senkrechten Querschnitt durch einen Großkessel, Fig. 7 einen
senkrechten Querschnitt durch die Trennfuge zwischen den Mittelgliedern eines Kessels,
Fig. 8 einen senkrechten Schnitt nach der Linie A-B in Fig. 7,
Fig.
9 einen waagerechten Schnitt nach der Linie C-D in Fig. 8 (Kleinkessel
mit oberem Abbrand) und Fig. 10 einen senkrechten Querschnitt durch eine
Trennfuge zwischen zwei Mittelgliedern eines Mittel-oder Großkessels, welcher der
bisher üblichen Bauart angenähert ist. Nach der qualitativen Formel für den Anlaufbereich
gilt:
(worin u, die Heizgasgeschwindigkeit und b die Rippentiefe in Strömungsrichtung
ist) nimmt der Wärmeübergang mit abnehmender Rippentiefe und zunehmender Heizgasgeschwindigkeit
zu. Die Erfindung sieht daher in Strömungsrichtung gemessene Rippentiefen von weniger
als 100 mm vor. Besonders günstige Wärmeübergangsverhältnisse erhält man
bei Rippentief en -unter 40 mm. Dabei wird vor allem eine Steigerung des Wärmeüberganges
ohne Erhöhung des Druckabfalles erzielt. Eine Steigerung des Wärmeüberganges durch
Vergrößerung der Heizgasgeschwindigkeit ist so lange nicht zweckmäßig, als noch
eine Verkleinerung der Rippentiefe möglich ist, da vergrößerte Heizgasgeschwindigkeiten
ein starkes Anwachsen des Druckabfalles (Zugbedarfes) mit sich bringen. Nach der
Erfindung kann bei Kesseln mit natürlichem Zug die Heizgasgeschwindigkeit herabgesetzt
wer-den, wobei aber die Verkleinerung der Rippentiefe b im Vergleich zur
Gesamtzuglänge der Züge 60 ein Mehrfaches Üer Verkleinerung der Heizgasgeschwindigkeit
beträgt, daß insgesamt eine wesentliche Vergrößerung des Quotienten eintritt.
b
Auf diese Weise kann der Wärmeübergang vergrößert und der Zugbedarf
verkleinert werden. Bei Kesseln mit natürlichem Zug haben sich Heizgasgeschwindigkeiten
von weniger als 2 m/s als besonders günstig erwiesen. Insbesondere bei Kleinkesseln
ist hierdurch die Möglichkeit einer weitergehenden Heizgasabkühlung, d. h.
einer Wirkungsgradverbesserung gegeben, ohne daß Schwierigkeiten bezüglich des Schornsteinzuges
auftreten.
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Neben der Ablagerung von Flugasche, welche durch die strömungsgünstige
Form und senkrechte Anordnung der Rippen vermindert wird, hat die Kondensation von
Wasser und Teer einen wesentlichen Anteil an der Verschmutzung des Kessels. Bei
Kurzrippen mit sehr hohen Wärmeübergangswerten wird sich vom Rippenkopf bis zum
Rippenfuß ein stärkerer Temperaturabfall einstellen als bei Langrippen -und unmittelbar
gekühlten Flächen. Aus diesem Grunde ist die Neigung zur Kondensation bei Kurzrippen
geringer als bei den üblichen Heizflächen. Auch kann bei Kurzrippen eher mit dem
Abbrennen von Verschmutzungen gerechnet werden.
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Die Art der Anordnung der Kurzrippen ist sowohl für den Wärmeübergang
als auch für die Reinigung von großer Bedeutung. Allgemein sind die Kurzrippen so
angeordnet, daß von den Seitenflächen der hintereinanderliegenden Kurzrippengenügend
weite Spalte gebildet sind, die ein leichtes Reinigen der Rippen ermöglichen. Die
Kurzrippen 1 nach Fig. 1 sind leicht zu reinigen, haben aber schlechte
Wärmeübergangswerte, da sich die nachfolgenden Rippen im »Schatten« der vorhergehenden
befinden.
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Die zueinander versetzten Kurzrippen 1 nach Fig. 2 lassen in
senkrechter Richtung enge Reinigungsspalte zu, haben jedoch bessere Wärmeübergangswerte.
Für die Anordnung nach Fig. 2 ist es aus reinigungs-und wärmeübergangsmäßigen Gründen
wichtig, daß sich die zueinander versetzten Rippen nicht überlappen, d. h.
die Rippenreihen im Abstand:S# voneinander angeordnet sind.
Noch
bessere Wärmefibergangswerte und Reinigungsspalte von größerer Weite ergeben sich
bei den schräg gestaffelten Kurzrippen nach Fig. 3. Bei dieser Schrägstaffelung
sind die Rippen 1 einer Gruppe 4 um den durch die Reihenzahl je Gruppe
bestimmten Bruchteil 3 der Gesamtteilung 2 gegenüber der- vorhergehenden
Rippe versetzt. Innerhalb einer Gruppe beaufschlagt jede Strörnlinie nur eine Rippe.
Damit die nachfolgende Rippe nicht in den thermisch von der vorhergehenden Rippe
beeinflußten Bereich kommt, ist die Tiefe b und die Weites der durch
die Rippen gebildeten Spalte so bemessen, daß das Verhältnis Spalttiefe zu Spaltweite
geteilt durch die Reynoldsche Zahl kleiner als 0,16/n2, aber größer als
0,0001 ist. Hierin ist u die Zahl der hintereinander angeordneten Reihen
einer Gruppe 4. In dem Beispiel der Fig. 3 ist die Reihenzahl n gleich 4.
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Durch die Schrägstaffelung nach Fig. 4 ergeben sich in der Richtung
des Staffelwinkels 6 weite Spalte 5,
die eine bessere Reinigung dieser
Rippen ermöglichen. Durch diese Schrägstaffelung kommt aber eine gewisse Unsymmetrie
in die Strömung, und die Strömung versucht, in Richtung der Staffelung auszuweichen,
da hier der weite Spalt 5 vorhanden ist. Hierdurch wird eine Verschlechterung
des Wärmeüberganges (die nachfolgenden Rippen geraten in den »Schatten« der vorhergehenden
Rippen) und vergrößerte Druckverluste durch ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung
hervorgerufen. Um dieses Ausweichen zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, die Kurzrippen
1 mit dem Anstellwinkel 7 entgegen dem Staffelwinkel 6 auf
den ebenen Wänden 9 anzuordnen (Fig. 4, 5).
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, die Kurzrippen mit
besonders günstigen Reinigungsmöglichkeiten zu verbinden. Die Reinigungsspalte
5
sämtlicher Heizgaszüge eines Kessels besitzen gleiche Weiten, und entsprechend
dieser Weite ist die Rein#igungsbürste gewählt. Auch an den Seiten zu den Stegen
10 hin, wo unter Umständen Reinigungsspalte 5 auslaufen, sind Spaltweiten
8 (Fig. 4) entsprechend der Größe der Reinigungsbürste vorhanden. Alle Reinigungsspalte
5 und Randspalte 8 einer Zuggruppe sind von einer einzigen Reinigungsöffnung
aus zugänglich, die durch den Deckel 14 (Fig. 6) abgedeckt wird.
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Wärme- und strömungstechnisch ist die gleichmäßige Strömung :der Heizgase
am günstigsten, was dadurch erreicht wird, daß sich die Kurzrippen 1 auf
den beiden ebenen Wänden 9 eines Heizgaszuges genau gegenüberliegen und an
den «Rippenenden fast berühren (Fig. 5). Bei bisher bekannten Economiser-Bauarten
mit ähnlicher Rippenanordnung blieb in der Mitte ein großer, freier Querschnitt,
der nicht durch Rippen ausgefüllt war.
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Vorzugsweise wird die Rippenteilung 2 und die Höhe h der Kurzrippen
mit 25 bis 50 mm bemessen. Hierbei treten die günstigsten Verhältnisse
für das Reinigen und für die Herstellung sowie die höchsten Heizflächenleistungen
auf.
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Die Aufteilung in zu viele hintereinander angeordnete Rippenreihen
bringt wärme- und strömungstechnisch keine Verbesserungen, beeinträchtigt aber die
Reinigung. Die Erfindung begrenzt daher die Zahl der hintereinander angeordneten
Rippenreihen auf zwölf bis zwanzig.
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Beim Reinigen sind die äußeren Rippen einer besonders großen mechanischen
Beanspruchung ausgesetzt. Gleichfalls werden die ersten Rippen am Heizgaseintritt
in die Züge in stärkerem Maße thermisch beansprucht. Beides trifft gerade für Kurzrippen
zu. Erfindungsgemäß werden daher die Kurzrippen der äußeren Reihen 12 (Endreihen)
stärker als die übrigen Kurzrippen 1 ausgeführt (Fig. 7).
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In den Kesselzügen werden die Heizgase stark abgekühlt und nehmen
im Volumen dementsprechend ab. Um einen Geschwindigkeitsabfall weitgehend auszuschalten,
nimmt die Weite der mit Kurzrippen besetzten Heizgaszüge entsprechend der Abkühlung
der Heizgase in an sich bekannter Weise ab. Wie z. B. in Fig. 8 gezeigt,
verringert sich die Zugweite 31 in den ersten Rippenreihen auf die Weite
32 am Heizgasaustritt der Züge.
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Am Eintritt vom Feuerraum in die Heizgaszüge ist an den Gliedkörpern
des Kessels ein Wulst 29 angeordnet. Hierdurch wird der Querschnitt
30 der Heizgaszüge verkleinert (Fig. 8). Ferner werden die Kurzrippen
gegen die Strahlung des Feuerbettes abgeschirmt und die Heizgase über die ganze
Breite des Heizgasabzuges gleichmäßig verteilt. Gleichzeitig wird auf der Innenseite
ein vergrößerter Wasserkanal geschaffen, der in der Zone der höchsten Heizbeanspruchung
einen guten Wasserumlauf gewährleistet und auch auf der Wasserseite eine gleichmäßige
Verteilung des Wassers über die gesamten, ebenen Begrenzungswände 9 der Züge
ermöglicht.
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Die Kurzrippenanordnung nach der Erfindung macht es möglich, die Heizgaszüge
kürzer als bisher üblich auszubilden. Es brauchen keine mehrfachen Umlenkungen und
die damit verbundenen Druckverluste in Kauf genommen zu werden, wie es bisher bei
Mittel- und Großkesseln üblich war. Vorzugsweise werden die Kurzrippenzüge aufsteigend
angeordnet, da dann der Strönlungswiderstand des Heizgaszuges schon durch die Auftriebswirkung
des aufsteigenden Zuges ausgeglichen wird.
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Erfindungsgemäß ist auch die Anordnung und die Bedienung des keinigungsdeckels
einfach gehalten. Wie in Fig. 7 als Beispiel gezeigt, wird nicht wie bisher
jeder Zug für sich mit einem Reinigungsdeckel versehen, sondern es ist in
diesem Beispiel für eine Gruppe von Zügen ein einziger Deckel 14 vorhanden, der
über den gesamten Kessel und unter Umständen auch über den Ansatz 35 des
Rauchgasabstutzens reicht. Der Deckel 14 kann an den Rändern einen Wulst 20 besitzen,
mit dem er auf der Weichdichtung in einer Nut 19 am Rande der durch den Kesselkörper
gebildeten Reinigungsöffnung liegt. Der Reinigungsdeckel ist in seiner Mittelachse
16 in dem um den Drehpunkt 17 schwenkbaren Bügel 15 gelagert
und wird mittels der Spannmutter 18 gleichmäßig auf den Sitz gedrückt (Fig.
7).
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In dem Beispiel des durch die Fig. 7 bis 9 dargestellten
Kleinkessels bedeutet die Ziffer 11 Zugstege zur Aufnahme des inneren Kesseldruckes,
21 den Feuerraum, 22 den Kreis, welcher der Form des waagerechten Feuerraumquerschnittes
zugrunde liegt, 23 den Eintritt vom Feuerraum in die Züge, 24 den Rost,
25 die untere Nabe, 26 den Aschraum, 27 die obere Nabe und
48 Kesselgliedkörper.
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In Fig. 10 ist als strichpunktierte Linie 45 die ungefähre
Größe eines bisherigen Gliederheizkessels gleicher Heizleistung wie der in zusammenhängenden
Strichen gezeigte dargestellt. Hieraus ergibt sich annähernd die Raum- und Gewichtsersparnis
mit der Anordnung von Kurzrippen nach der Erfindung. Bei diesem Beispiel handelt
es sich um einen Kessel mit unterern Abbrand und aufsteigenden Kurzrippenzügen41,
die in hochliegenden Rauchgassammelkanälen 13 enden. Diese Rauchgassammelkanäle
werden durch den Deckel 14 abgedeckt. Zwischen den
beiden Gruppen
von Kurzrippenzügen 41 befindet sich der Brennstoffschacht 47 mit dem Einfülldeckel
46.
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In den Ausführungsbeispielen sind symmetrische und den bisherigen
Kesselbauarten ähnelnde Kessel dargestellt. Die Anwendung der Erfindung erstreckt
sich aber auch auf unsymmetrische oder sonstige Kesselbauaxten, falls die beanspruchte
Kurzrippenanordnung unterzubringen ist.