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Öl- oder gasbefeuerter Warmwasserheizkessel Die Erfindung bezieht
sich auf einen öl- und gasbefeuerten Warmwasserheizkessel mit Strahlungsheizfläche
im von einem Wasseimantel od. dgl. allseitig begrenzten Feuerraum, der unter einem
überdruck von wenigstens 10 nun WS steht, und mit nach-Oreschalteter Berührungsheizfläche.
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ölgefeuerte Warmwasserheizkessel werden in der Regel so ausgelegt,
daß der wesentliche Teil der Verbrennungswärme des Brennstofles durch Flammenstrahlung
an die Kesselwände in dem sogenannten Strahlungsteil übertragen wird. Nur ein geringer
Teil der Verbrennungswärme, der zwischen 10 und 2011/o liegt, wird in dem
Berührungsteil des Kessels, d. h. in den dem Strahlungsteil nachgeschalteten
Zügen durch direkte Berührung der heißen Gase mitden Kesselwänden an diese übertragen.
Eine solche Auslegung eines Warmwasserheizkessels erfordert große Feuerräume, wodurch
solche Kessel aufwendig bleiben. Als Maß für den Bauaufwand eines solchen Kessels
kann die durchschnittliche Heizflächenbelastung herangezogen werden. Diese ist definiert
als die dem Kessel Übertragene Wärmemenge, geteilt durch die gesamte wärmeaufnehmende
Fläche des Kessels sowohl des Strahlungs- wie auch des Berührungsteils. Die Heizflächenbelastun
en lieaen bei ölbefeuerten Heiz-9 C
kesseln üblicher Bauart zwischen
8000 und 15 000 kcal/M2 - h.
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Es wurde wiederholt versucht, den Bauaufwand von Kesseln dadurch zu
senken, daß man die Kesselbrenner, deren Gebläse bisher Drücke von einigen Millimetern
WS erzeugten, mit stärkeren Gebläsen versah. Damit wurde es möglich, die Heizgase
mit höherer Geschwindigkeit durch den Berührungsteil des Kessels zu treiben und
im Berührungsteil bessere Wärmeübergänge zu erzielen. Der Berührungsteil nimmt trotz
des kleinen Anteils am Gesamtwärmeübergang einen wesentlichen Prozentsatz der Gesamtheizfläche,
in Anspruch. Es ist daher möglich gewesen, durch Steigerung des Druckes in der Brennkammer
auf etwa 50 bis 100 mm WS und entsprechende Umsetzung dieses
Druckes in Geschwindigkeit, was eine Steigerung des Wärmeübergangs im Berührungsteil
bedeutet, die Heizflächenbelastung der gesamten Kesselfläche auf etwa
30 000 bis 40 000 keal/m2 - h zu steigern.
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Auf den ersten Blick gesehen, scheint dies eine merkliche Senkung
der Anlagekosten eines Warmwasserheizkessels zu bedeuten. Bei näherer Betrachtung
ergibt sich jedoch, daß die Steigerung der Heizflächenbelastung allein noch kein
eindeutiges Maß für die Senkung des Kesselpreises darstellt.
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Es hat sich nämlich herausgestellt, daß man die Brennkammern solcher
sogenannter überdruckkessel nicht wesentlich kleiner machen konnte als bisher. Die
Ursache liegt in folgendem: Bei allen Überdruckkesseln ist der statische Druck im
Feuerraum um etwa 50 bis 70 mm WS höher als der Atmosphärendruck
und damit 50 bis 70 mrn höher, als dies normalerweise bei Warmwasserheizkesseln
üblich ist. Dieser Druck soll im Berührungsteil durch entsprechende Herabsetzung
der Querschnitte der Gasströmungswege in Geschwindigkeit umgesetzt werden und damit
den Wärmeübergang erhöhen. Wenn nun das Brennstoff-Luft-Gemisch in einer solchen
Brennkammer zum ersten Mal zündet, so gibt es einen kurzzeitigen Druckanstieg von
einigen hundert Millimeter WS. Dieser Druck ist groß im Verhältnis zu den Drücken,
die die üblichen Brennergebläse wirtschaftlich liefern können, und er sucht sich
einen Ausweg sowohl durch den Berührungsteil als auch durch den Brenner, und zwar
entgegen der ursprünglichen Luftzuströmrichtung. Es kommt auf diese Weise zu einem
Zurückschlagen der Heizgase aus dem Kessel. Infolge dynamischer Wirkungen entsteht
dann im Kessel ein Unterdruck, welcher Luft nachsaugt. Diese Luft verbrennt mit
dem Brennstoff infolge der ungeordneten Strömungsverhältnisse unter Luftmangel und
erzeugt damit wiederum einen Druckanstieg. Auf dieses Weise entsteht beim Anfahren
solcher Überdruckkessel eine Folge sogenannter Anfahrpulsationen, die so stark werden
können, daß sie den Brenner und auch den Kessel beschädigen. Von der Geräuschbelästigung
ist dabei ganz abgesehen. Der Druckanstieg dieser Anfahrpulsationen ist um so ungefährlicher,
je größer der befeuerte Keselraum ist. Wenn jedoch das Volumen des Kesselraumes
groß ist, so ist es auch seine Oberfläche, und es wird nach wie vor ein sehr großer
Teil der Verbrennungswärme des Brennstoffes durch Strahlung in der großen Brennkammer
übertragen.
Der Heizflächenbedarf im Strahlungsteil des Kessels
ist unter diesen Umständen immer noch relativ groß, so daß trotz des überdrucks
und der damit erreichten Verbesserung des Wärmeüberganges im Berührungsteil die
Gesamtersparnis an Heizfläche und insbesondere die Verringerung der Außenabmessungen
des Kessels klein sind.
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Durch die Erfindung wird ein Weg gewiesen, wie man einen Warmwasserheizkessel
gestalten kann, um die vorerwähnten Schwierigkeiten auf ein Mindestmaß zu verringern
oder ganz auszuschalten und trotzdem einen in den Herstellungskosten niedrigen und
in den Betriebsbedingungen optimal ausgelegten Kessel zu erhalten. Zu diesem Zweck
wird der öl-oder gasbefeuerte Warmwasserheizkessel der eingangs angeführten Gattung
nach der Erfindung in der Weise, ausgebildet, daß die Strahlungsheizfläche derart
bemessen ist, daß die Heizgase mit einer Temperatur zwischen 600 und
900' C aus dem Strahlungsteil in den Berührungsteil eintreten und an sich
bekannte Mittel (Brennerstarthilfe) züm Verhindern von Anfahrpulsationen ini Feuerraum
angewandt sind.
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Zu einer merklichen Verkleinerung der Außenabmessungen des Kessels
und damit zu einer merk-Echer Ersparnis an Kostenaufwand beim Herstellen eines Warmwasserheizkessels
kommt man erst dann, wenn nicht nur dem Berührungsteil des Kessels ein hinreichendes
Druckgefälle zum Erzeugen höherer Geschwindigkeit und damit zum Verbessern des Wärmeübergangs
gegeben, sondern außerdem nach der Erfindung die Brennkammer auf eine optimale Größe
festgelegt wird.
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Der Erfindung liegt nämlich die Erkenntnis zu-
grunde, daß man
weitgehend unabhängig von der Größe des Kessels auf optimale Verhältnisse,
d. h. auf ein Minimum an erforderlicher Heizfläche kommt, wenn die, Strahlungsheizfläche
so weit herabgesetzt wird, daß die Temperatur der aus dem Strahlungsteil in den
Berährungsteil eintretenden Heizgase bei etwa 800' C liegt. Bei Kesseln mit
übertrieben großem Feuerraum, wie sie bisher üblich sind, liegt diese Temperatur
bei durchschnittlich 400 bis 450' C. Die genannte Temperatur zwischen Strahlungs-
und Berührungsteil stellt tatsächlich ein eindeutiges Kriterium für wirtschaftliche
Bemessung und Aufteilung eines Kessels der genannten Bauart dar. Ist die Temperatur
höher, beispielsweise 1100
oder 1200' C, so hat man zwar an Strahlungsheizfläche
gespart, jedoch ungebührlich große Berührungsheizflächen zur Verfügung gestellt,
so daß sich insgesamt ein Mehraufwand an Heizfläche ergibt. Ist umgekehrt diese
Temperatur wesentlich niedriger, beispielsweise 500' C, so ist zwar im Berührungsteil
des Kessels an Heizfläche gespart; da jedoch die Wärmestrahlung von der vierten
Potenz der Temperatur abhängt, ist die Strahlungsdichte im Strahlungsteil stark
heruntergegangen, der somit mehr Heizfläche erfordert, so daß sich auch in diesem
Fall ein un-nötiger Mehraufwand an Helzfläche ergibt. Das Minimum an Heizflächenbedarf
des Strahlungs- und Berührungsteils wird nach der Erfindung in dem Temperaturbereich
um 800' C herum erzielt, wie aus der graphischen Darstellung der Zeichnung
entnom-CD men werden kann.
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In dieser ist der Gesamtheizflächenbedarf Fg" (Summe der Flächen
von Strahlungs- und Berührungsteil) in Prozent für eine bestimmte Kesselheizleistung'
über der Temperatur t0 der Heizgase beim Übergang, von Strahlungs- in den Berührungsteil
des Kessels aufgetragen.
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Die Abhängigkeit der Kesselheizfläche von der Temperatur der Heizgase
beim Übergang vom Strahlun 'gs- in den Berührungsteil wird durch einen schraffierten
Bereich zwischen den beiden stark ausgezo-Z, Crenen Kurven wiedergegeben. Wie ersichtlich,
ist das unter Anwendung der Erfindung erzielte Minimum bei rund 800' C sehr
flach. Die Verhältnisse ändern sich daher nicht sehr, wenn nach der Erfindung die
Temperatur zwischen 600 und 900' C variiert. Unter- und oberhalb dieser
innezuhaltenden Temperaturgrenzen steigt jedoch der Heizflächenbedarf steil an.
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Als wichtige Kriterien für den Bauaufwand eines Kessels können daher
die beiden folgenden Kenngrößen angesehen werden: -
a) das Druckgefälle, das
im Berührungsteil des Kessels in Geschwindigkeit umgesetzt wird und b) die
Temperatur der Heizgase beim Übergang vom Strahlungs- in den Berührungsteil, wobei
ein Betrieb des Brenners mit einem vernünftig kleinen Luftüberschuß vorausgesetzt
wird.
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Wie bei allen technischen Kenng größen kann man auch die beiden obigen
Kenngrößen in anderer Form darstellen. Ein Beispiel dafür ist die Angabe der mittleren
Heizflächenbelastung eines Kessels, worin also Strahlungs- und Berührungsteil berücksichtigt
sind, sowie die Angabe der Feuerraumbelastung des Strahlungsteiles. Es ist jedoch
wenig bekannt, daß die Feuerraumbelastung keine maßstabsunabhängige Größe ist, wie
z. B. die Heizflächenbelastung, und daß daher zur Angabe der Feuerraumbelastung
stets eine Angabe der Kesselabmessungen oder der Kesselleistung gehört, um die Feuerraumbelastung
für vergleichende Betrachtungen brauchbar machen zu können. Da die Ermittlung dieser
Angaben jedoch schwierig und kostspielig ist, beginnt es sich - wie oben
erwähnt - einzubürgern, den Druck im Feuerraum und die Temperatur am Übergang
vom Strahlunggs- in den Berührungsteil als Kenngrößen des Wärmeübergangs in einem
Kessel anzusehen.
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Wenn jedoch in der der Erfindung entsprechenden Weise die Temperatur
zwischen Strahlungs- und Berührungsteil von den üblichen 400 bis 500' C auf
beispielsweise 800 oder 900' C heraufgesetzt wird, so bedeutet dies,
daß der Strahlungsteil des Kessels, d. h. der eigentliche Feuerraum, der
für den Ausbrand der Flamme zur Verfügung steht, wesentlich kleiner wird. Infolge
dieser jetzt angestiegenen Energiekonzentration werden alle Reaktionen der Flamme
schärfer. Insbesondere können sich die Anfahrpulsationen verstärken, wobei sie gegebenenfalls
einige Zehntel Atmosphären erreichen und durch Ausbildung von Detonationsfronten
so stark werden können, daß Beschädigungen am Kessel nicht ausgeschlossen sind.
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Für den Betrieb des den Gegenstand der Erfindung bildenden Warmwasserheizkessels
ist es deshalb notwendig Maßnahmen zu ergreifen, welche das Entstehen unerwünschter
Anfahrpulsationen verhindern. Ein an sich bekanntes Mittel zur Vermeidung unerwünschter
Anfahrpulsationen besteht in der Anordnung eines Beipasses an der unter Überdruck
stehenden Brennkammer, der in den Abgasstutzen führt und während der Anfahrperiode
kurzzeitig für einige Sekunden geöffnet wird. Nach Beendigung der
Anfahrpe,riode
wird der Beipaß dann vorsichtig wieder geschlossen, womit der eigentliche überdruckbetrieb
erst beginnt.
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Diese bekannten Einrichtungen sind jedoch aufwendig und empfindlich,
da die Einstellteile des Beipasses in einem Abgasstrom mit einer Temperatur von
über 1000' C liegen. Die Erfahrung zeigt auch, daß solche Einstellteile infolge
der Temperatureinwirkung im Dauerbetrieb nicht oder nur unter großem Aufwand dicht
schließen, so daß hier die Gefahr starker Wärineverluste besteht.
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Nach einem weiteren Merknial der Erfindung wird der Betrieb des Heizkessels
nach der Erfindung dadurch ermöglicht, daß das Starten des zugehörigen Kesselbrenners
auch ohne das Auftreten der beschriebenen Nachteile vorgenommen werden kann, sof
ein man geeignete Maßnahmen hierfür trifft. Diese bestehen darin, daß in der Anfahrperiode
je Zeiteinheit weniger öl durchgesetzt wird als im Normalbetrieb.
Es kann dieses nach der Erfindung auf zwei Arten geschehen, und zwar dadurch daß
a) beim Inbetriebsetzen des Kesselbrenners der Brennstoff so lange stoßweise eingespritzt
wird, bis die von den ersten Zündungen herrührenden Druckanstiege in der Brennkammer
ausgeglichen sind, und b) beim Inbetriebsetzen des Kesselbrenners der Brennstoff
so lange mit vermindertem Druck, d. h. mit verminderter Durchflußmenge
je Zeiteinheit, zugeführt wird, bis die von der ersten Zündung herrührenden
Druckanstiege in der Brennkammer ausgeglichen sind.
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Die erstgenannte Lösung hat gegenüber der zweiten den Vorteil, daß
sie mit geringerem baulichem Aufwand getroffen werden kann. Die Erfahrung zeigt
jedoch, daß das Verhältnis der Einspritzfrequenz zur Eigenfrequenz der Gasmassen
in der Brenrikammer in einem bestimmten Verhältnis stehen muß, daß also ein Brenner,
der eine kleinere Brennkammer befeuert, eine andere Einspritzfrequenz zum Starten
braucht als ein Brenner, der eine größere Brennkaminer befeuert. Da die Größe der
Eigenfrequenz der Brennkammer im wesentlichen baulich bedingt ist, bedeutet dieses,
daß ein derartig stoßweise anfahrender Brenner nur für wenige Kesselbauarten geeignet
ist. Diesem Nachteil steht aber der Vorteil größerer baulicher Einfachheit gegenüber.
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Die zweite Lösung ist baulich aufwendiger, da sie jeweils Druckregelvorrichtungen
für den Anfahr- und den Einspritzdruck bei normalem Dauerbetrieb erfordert. Die
Erfahrung zeigt jedoch, daß ein solchermaßen anfahrender Überdruckbrenner in den
in Frage kommenden Grenzen unabhängig von der Eigenfrequenz der Brennkammer ist.
Ein solcher Brenner ist damit allgemein verwendbar. Diesem Vorteil steht jedoch,
wie oben bemerkt, der Nachteil eines größeren baulichen Aufwandes gegenüber. Dabei
ist es selbstverständlich, daß mit dem Brennstoffdurchsatz auch der Luftdurchsatz
während der Anfahrperiode herabgesetzt und mit steigendem Brennstoffdurchsatz auf
den Sollwert vergrößert wird.
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Der Grundgedanke beider Anfahrmethoden ist je-
doch derselbe,
nämlich den beim Einsetzen der ersten Zündung in der Brennkammer entstehenden Druckanstieg
so gering zu halten, daß er Zeit findet, sich auf dem Weg durch den Berührungsteil
des Kessels in üblicher Weise abzubauen, und daß er dabei innerhalb der durch die
Druckhöhe des Brennergebläses gegebenen Grenze bleibt, so daß es nicht oder in nicht
nennenswerter Weise zu einem Zurückschlagen der Flamme im Brenner
kommen kann.
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Das gleiche gilt sinngemäß selbstverständlich für gasbefeuerte Kessel.