DE19802720A1 - Heizkessel mit integrierter Abgasreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel mit integrierter Abgasreinigung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Heizkessel dieser Art finden vorrangig Anwendung für Hausheizungen und Warmwasseraufbe­ reitungen kleiner und mittlerer Leistung, wobei auch die Anwendung im industriellen Bereich möglich ist.

Aus dem Stand der Technik sind Heizkessel für Heizzwecke bekannt. Diese Kessel erwärmen üblicherweise einen gasförmigen oder flüssigen Wärmeträger durch Verbrennung von flüssi­ gen, festen oder gasförmigen Brennstoffen in einem Brennraum, der aus hochwärmebeständi­ gem Material, wie Stahl-Guß oder Steinwänden besteht, die den hohen Verbrennungstempera­ turen standhalten müssen. Die Wärme wird durch Kontakt des Wärmeträgers mit den Wänden des Brennraumes übertragen, die von den Verbrennungsabgasen umspült und deren Verbren­ nungsabgase dann mit einer relativ hohen Temperatur und mit Schadstoffen belastet abgeleitet werden.

In der Vergangenheit wurden derartige Heizkessel in der Richtung umgebaut und verändert, daß einmal der Wirkungsgrad derartiger Heizkessel erhöht und die Schadstoffbelastung der Abgase verringert wurde.

So beschreibt die EP 04 66 748 einen Heizkessel für Heizzwecke, bei dem der Behälter für die Wärmeträgerflüssigkeit aus Kunststoff und die Wandung des Brennraumes aus einem gegen die auftretenden Temperaturen und die Säurebildung in der Wärmeträgerflüssigkeit resistenten Material bestehen, das in der Wärmeflüssigkeit zur Verteilung der unterhalb des Brennraumes austretenden Verbrennungsabgase eine Vorrichtung vorgesehen ist und das der Wärmeträger­ flüssigkeit ein Mittel zur Neutralisation der den Verbrennungsabgasen entzogenen Schadstoffe beigegeben wird.

Bei diesem vorgestellten Heizkessel ist der nach unten offene Brennraum so in den aus Kunst­ stoff bestehenden Behälter der Absorbtion- und Wärmeträgerflüssigkeit eingebaut, daß er im Betrieb außen vollständig von dieser Flüssigkeit umgeben ist, während er im Ruhestand des Heizkessels von der Wärmeträgerflüssigkeit geflutet ist.

Dem Vorteil dieses Heizkessels, daß seine Außenwandung aus einem Kunststoff besteht, steht ein wesentlicher Nachteil darin gegenüber, daß der beschriebene Heizkessel in seiner Ausfüh­ rung sehr kompliziert und sein Betreiben mit hohen Betriebs- und Wartungskosten verbunden ist.

Ferner ist nachteilig, daß bei Betrieb des Heizkessels die Flamme des Brenners zwar umfangs­ seitig durch eine Wandung umgeben ist, jedoch nach unten, in Richtung der Wärmeträgerflüs­ sigkeit offen ist, so daß die Flamme direkt auf diese Wärmeträgerflüssigkeit trifft, was zu er­ heblichen Verspritzungen der Wärmeträgerflüssigkeit führt, wodurch die Funktionstüchtigkeit des vorgestellten Heizkessels wesentlich beeinträchtigt wird.

Unter Beachtung der Nachteile aus dem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, einen Heizkessel mit integrierter Abgasreinigung zu entwickeln, der einen hohen Wir­ kungsgrad besitzt, einfach und kostengünstig zu bedienen ist und der unter Ausnutzung der Kondensationswärme den Schadstoffgehalt der Verbrennungsabgase weitgehend reduziert und umweltfreundlich aus dem Heizkessel abgeleitet werden kann.

Erfindungsgemäß wir die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung wurde ein Heizkessel mit integrierter Abgasreinigung geschaffen, wel­ cher in kompakter Bauweise ausgeführt ist, dem vorzugsweise im Deckel des Heizkessels mit­ tig ein Brenner innerhalb eines im Heizkessel vorgesehenen Umlenkkammersystems angeordnet ist.

Dabei ist ebenfalls erfinderisch, daß dieses Umlenkkammersystem im weitesten Sinne einen Heizkessel mit dreifacher Umkehrung realisiert und mit dem sichergestellt ist, daß die Flamme des Brenners nicht direkt mit der Wärmeträgerflüssigkeit in Verbindung kommt.

Innerhalb des Umlenkkammersystems werden die heißen Brenngase mehrmals, vorzugsweise dreifach, umgelenkt und gelangen nach dem Austritt aus der letzten Umlenkkammer über einen Luftverteiler in das Wasserbad des Heizkessels und werden annähernd auf eine Temperatur, die der Wasserbadtemperatur entspricht, abgekühlt. Die so abgekühlten Abgase durchströmen nun ein Rohrsystem, welches in seiner Gesamtheit und Funktion als Wasserwärmetauscher ausgebildet ist und ihnen wird die noch vorhandene Restwärme entzogen. Danach werden die gereinigten und abgekühlten Abgase aus dem Heizkessel fortgeführt.

Je nach Einsatz- und Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Heizkessels kann an Stelle des Wasserwärmetauschers auch ein Luftwärmetauscher eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Umlenkkammersystem ist so ausgebildet, daß der vorgestellte Kessel einen Drei-Zug-Kessel darstellt, was durch die Ausbildung und die Anordnung der einzelnen Umlenkkammern realisiert wird, die als eine erste, eine zweite und eine dritte Umlenkkammer, ausgeführt sind, die zueinander innerhalb des Heizkessels angeordnet sind, daß sich im weite­ sten Sinne ein Dreizugkessel ausbildet.

In der ersten Umlenkkammer befindet sich eine wassergekühlte Brennkammer, in der die Flam­ me des Brenners brennt und als Wärmeerzeuger dient. Durch die Brennkammer werden die heißen Brenngase/Abgase nach unten geleitet und treffen dort auf den Boden der Umlenkkam­ mer, so daß die Brenngase um 180° umgelenkt und über einen Spalt zwischen Brennkammer und erster Umlenkkammer nach oben geführt werden. In dem Spalt zwischen dem oberen Rand der zweiten Umlenkkammer erfolgt eine weitere Umlenkung um 180° und die Brenngase werden im Zwischenraum der zweiten zur dritten Umlenkkammer nach unten geleitet. Auf diesem Wege geben die Brenngase den größten Teil ihrer Wärme an das sich im Kreislauf be­ findliche Wasser in den Umlenkkammern ab. Am unteren Rand der äußeren Umlenkkammer befindet sich der bereits beschriebene Luftverteiler. Hier sammeln sich die Abgase und treten durch die Löcher des Luftverteilers in das Wasserbad des Heizkessels. Die Abgase, die mit ca. 120°C den letzten, den dritten Abgaszug, verlassen, werden im Wasserbad auf eine Temperatur, die nur wenig über der Wasserbadtemperatur liegt, abgekühlt. Danach verlassen die abgekühlten Abgase über einen Ablüfter den Heizkessel.

Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Heizkessels in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Heizkessel.

Eine schematische Gesamtübersicht des Heizkessel 1 ergibt sich aus der Darstellung in Fig. 1. Der Heizkessel 1 besteht aus einem Behälter 25 und einem Oberteil 26, wobei zwischen dem Oberteil 26 und dem Behälter 25 ein Deckel 10 vorgesehen ist.

Im Oberteil 26 des Heizkessels 1 sind die Steuer- und Regeleinrichtungen untergebracht, gleichfalls der Brenner 3, welcher im Deckel 10 befestigt ist. Zu den Steuer- und Regeleinrich­ tungen und funktionsbedingten Einrichtungen, die im Oberteil 26 des Heizkessels angeordnet sind, gehören eine Steuerung 24, der Rücklauf 21, eine Gebläse 27 sowie die Zuluft 22 für den Brenner 3 und die gesamte Abgaseinrichtung, die in dieser Darstellung mit dem Abgasaustritt 23 gekennzeichnet ist.

Der untere Teil des Heizkessels 1, der Behälter 25, besteht aus einem vorzugsweise zylindri­ schen Behälter, welcher vorteilhafter Weise aus einem Kunststoff gefertigt ist.

Im Behälter 25 ist das Umlenkkammersystem angeordnet, welches allgemein mit der Bezugs­ zahl 28 gekennzeichnet ist. Dieses Brennkammersystem 28 wird über eine Stütze 19 zum Bo­ den des Behälters 25 abgestützt und ist im oberen Teil am Deckel 10 des Heizkessels 1 befe­ stigt.

Die unmittelbare Ausbildung und Anordnung des Umlenkkammersystems 28 ergibt sich aus der Darstellung nach der Fig. 2.

Dieses Umlenkkammersystem 28 besteht aus drei Umlenkkammern 14; 15; 16, die durch die entsprechende Anordnung und Ausbildung einzelner Elemente herausgebildet werden und die Grundlage dafür sind, daß der Heizkessel 1 als Drei-Zug-Kessel ausgeführt ist und auch arbei­ tet.

Wie bereits auch in der Fig. 1 dargestellt, ist der Brenner 3 im Deckel 10 des Heizkessels 1 befestigt, dessen Flamme 9, bei Betrieb des Heizkessels 1, innerhalb der Brennkammer 17 sich ausbildet und brennt.

Gleichfalls am Deckel 10 ist ein als geschlossener Behälter ausgebildeter Turbo-Wärmetau­ scher 2 befestigt, welcher als ringförmiger Behälter ausbildet ist, dessen oberes Teil 4 flansch­ artig ausbildet ist, dem sich wiederum ein ringförmiges Teil 5 anschließt, welches mit einem be­ stimmten Abstand den oberen Teil 4 des Turbo-Wärmetauschers 2 umfangsseitig umschließt. Dieser sogenannte Turbo-Wärmetauscher 2 ist querschnittsmäßig betrachtet, im weitesten Sin­ ne T-förmig ausbildet, dem ein geschlossener Wasserbehälter 6 zugeordnet ist. Dieser Wasser­ behälter 6 ist nach oben offen und so zu dem Turbo-Wärmetauscher 2 angeordnet, daß der Wasserbehälter 6 in den Zwischenraum vom ringförmig ausgebildeten Schaft des Turbo-Wär­ metauschers 2 und dem ringförmigen Teil 5 hineinragt.

Der Wasserbehälter 6 ist dabei mit einer Isolierung 7 versehen, mit der auch der ringförmige Teil 5 des Turbo-Wärmetauschers 2 ausgebildet ist.

Eine zusätzliche Befestigung und Halterung erfährt das gesamte Umlenkkammersystem 28 über eine im Boden des Behälters 25 vorgesehene Stütze 19.

Im oberen Bereich des Behälters 25 ist eine Luftverteilung 8 sowie ein Wasserwärmetauscher 11 vorgesehen.

Durch die besondere Ausbildung des Turbo-Wärmetauschers 2 und der Zuordnung des Was­ serbehälters 6 besitzt der Heizkessel drei Umlenkkammern 14; 15; 16, mit denen die Voraus­ setzungen geschaffen sind, das Prinzip eines Drei-Zug-Kessels zu realisieren.

Die erste Umlenkkammer 14 ist im unteren Bereich des Turbo-Wärmetauschers 2 ausgebildet, während die zweite Umlenkkammer 15 sich in dem Zwischenraum vom Turbo-Wärmetauscher 2 zum Wasserbehälter 6 befindet und die dritte Umlenkkammer 16 bildet sich im oberen Be­ reich des Turbo-Wärmetauschers 2 heraus und wird begrenzt einerseits durch den Wasserbe­ hälter 6 und andererseits durch das ringförmige Teilstück 5 des Turbo-Wärmetauschers 2. Die Strömungsrichtung der Brenngase/Abgase von der Brennkammer 17 bis zu ihrem Austritt über den Ablüfter 12 ist mit 13 gekennzeichnet.

Das gesamte Umlenkkammersystem 28 ist dabei im Behälter 25 des Heizkessels 1 so angeord­ net, daß im unteren Bereich des Behälters 25 ein Raum 18 vorhanden ist, in dem die entspre­ chenden Einrichtungen zur Warmwasserbereitung Aufnahme finden.

Der so erfindungsgemäße Heizkessel 1 ist auch als Brennwertmaschine zu bezeichnen und besonders zum Einsatz für die Wärmeerzeugung geeignet.

Bei dem neuen Heizkessel 1 kommt vorteilhaft zum Ansatz, daß für die Größenbestimmung und Auslegung eines Wärmeerzeugers bis 50 kW nicht nur der Wärmebedarf nach der DIN 4701 erfüllt wird, sondern auch die Nutzbarkeit der Warmwasseraufbereitung mit entscheidend ist für eine breite Anwendung. Auch ein vorgesehener Nachwärmetauscher innerhalb des Heiz­ kessels 1 bringt erhebliche wirtschaftliche und ökonomische Vorteile.

Das Wasser dient bei diesem Heizungsprinzip als Mittel zum Wärmetransport derart, indem das Wasser erwärmt und über Rohrleitungen, Vorlauf 20, zu den Warmwasserbereitern, Heiz­ körpern oder sonstigen Verbrauchern geführt wird. Dort gibt das Wasser eine Teil seiner Wär­ me ab und fließt wieder durch den Rücklauf 21 zum Heizkessel 1 zurück und der beschriebene Vorgang beginnt von Neuem.

Durch entsprechende Regeleinrichtungen können mit der vorgestellten Lösung mehrere Be­ triebsfunktionen gefahren werden im einzelnen sind dies

• - Betriebsweise Heizung,
• - Betriebsweise Warmwasserbereitung,
• - Heizungs-Wärmeverbund,
• - Nachwärmetauscher.

Zur Funktionsweise:
Der Brenner brennt mit seiner Flamme 9 in der Brennkammer 17 und dient als Wärmeerzeuger. Von der Brennkammer 17 werden die Brenngase/Abgase nach unten durch die Umlenkkammer 1 geleitet und treffen auf den Boden des Wasserbehälters 6 und werden somit um 180° umge­ lenkt und durch die 2. Umlenkkammer 15 nach oben geführt. Oberhalb der Umlenkkammer 15 stoßen die Abgase/Brenngase gegen das obere Teil 4 des Turbo-Wärmetauschers 2, werden wiederum um 180° umgelenkt und durchströmen die Umlenkkammer 16. Auf diesem Wege geben die Abgase/Brenngase den größten Teil ihrer Wärme an das sich im Kreislauf befindliche Wasser in dem Umlenkkammersystem 28 ab.

Am unteren Rand der Umlenkkammer 16 befindet sich der Luftverteiler 8. Hier sammeln sich die Abgase und treten über den Luftverteiler 8 ins Wasserbad 31 des Kunststoffkessels. Die Abgase, die mit ca. 120°C den letzten Abgaszug verlassen, werden im Wasserbad 31 auf eine Temperatur, die nur wenig über der Wasserbadtemperatur liegt, abgekühlt. Dies erfolgt über einen Wasserwärmetauscher 11, welcher als ein Rohrsystem ausgebildet ist, über welches den Abgasen die noch vorhandene Restwärme entzogen wird, wobei bei diesem Prozeß gleichfalls das in dem Wasserwärmetauscher 11 vorhandene Vorlauf- Kaltwasser vorgewärmt wird. Möglich ist auch, die den Abgasen entzogene Restwärme unmittelbar zur Erwärmung der Verbrennungsluft des Brenners 3 zu nutzen, dies in der Form, daß diese direkt der Zuluft 22 zugemischt wird. Somit ist gewährleistet, daß bei dieser Verfahrensweise, der Durchströmung der Abgase durch den Wasserwärmertauscher 11, die Abgase den Heizkessel 1 mit einer Temperatur zwischen 8 bis maximal 30°C verlassen.

Ruß, Staub und einige Schadstoffe, wie z. B. Schwefel, werden im Wasserbad gebunden.

Damit eine Kondensation der im Abgas enthaltenen Wassermenge nur bei Temperaturen unter 47°C für Ölheizungen und etwa 10°C für Gasheizungen möglich ist, darf die Wasserbadtemperatur sich nicht über 40°C erwärmen. Dieses wird erreicht, indem vorrangig durch den Kaltwasserdurchfluß zum Warmwasseraufbereiter 29 die Wärme entzogen wird. Ist kein Wärmeentzug mehr über die Kaltwasserleitung möglich, wird der Kesselrücklauf für den Wärmeentzug des Wassers und für eine Kesselrücklaufanhebung herangezogen. Reicht der Wärmegewinn für die Kaltwasserleitung, der Warmwassererwärmung und/oder Rücklaufanhebung nicht aus, erfolgt eine Umsteuerung derart, daß die Zuluft erwärmt wird.

Das Umlenkkammersystem 28 ist wasserseitig gesehen, ein geschlossenes System, während es gasseitig als offenes System ausgebildet ist. Dies ist notwendig, um den Heizkessel 1 funktions­ sicher betreiben zu können. Im Ruhestand des Heizkessels ist der Behälter 25 des Heizkessels bis zu einer bestimmten Höhe mit Wasser gefüllt, dabei muß gewährleistet sein, daß der Was­ serstand 30 stets über der Austrittsöffnung der Umlenkkammer 16 liegt, damit kein Wasser in die Brennkammer 17 gelangen kann. Zum Starten des Brenners 13 wird ein nicht näher darge­ stelltes Unterdruckgebläse eingeschaltet. Dieses erzeugt über der Wasserfläche außerhalb des Brennraumes 17 einen Unterdruck, so daß die in den Umlenkkammern 14; 15; 16 vorhandene Luft evakuiert wird. Nach dem Zünden des Brenners 3 findet nun in der Brennkammer 17 die Verbrennung statt. Nachdem die Abgase den größten Teil ihrer Wärme an die Heizflächen des Umlenkkammersystems 28 abgegeben haben, treten die Verbrennungsgase aus dem Abgasver­ teiler aus und perlen nach oben. Dabei geben sie ihre Restwärme bis auf die Temperatur des Wassers ab, wobei das in den Abgasen enthaltene Wasser kondensiert und Schadstoffe wie Ruß und Schwefel werden im Wasserbad absorbiert.

Der in dem Wasserbad 31 vorgesehene Wasserwärmertauscher 11 ist ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung und bringt erhebliche wirtschaftliche sowie ökologische Vorteile. Das in dem gesamten Heizsystem vorhandene Wasser dient als Mittel zum Wärmetransport. Das Wasser wird erwärmt und über Rohrleitungssysteme zum Wasseraufbereiter 29 und von dort zu den entsprechenden Verbraucher geführt. Dort gibt es einen Teil seiner Wärme ab und fließt wieder durch den Rücklauf zum Wärmeerzeuger zurück und der beschriebene Vorgang beginnt von Neuem.

Claims (9)

1. Heizkessel mit integrierter Abgasreinigung für flüssige, gasförmige und/oder staubförmige Brennstoffe, bei dem die Erwärmung über einen oder mehrere eingebaute Brenner durch indirekten Kontakt der Verbrennungsabgase mit der Wärmeträgerflüssigkeit erfolgt und die Kondensationswärme des Brennstoffes ausgenutzt wird, der Behälter des Heizkessels aus Kunststoff besteht und der Heizkessel mit einer Einrichtung ausgebildet ist, die den Verbrennungsabgasen die Schadstoffe entzieht, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Behälters (25) vom Heizkessel (1) ein Umlenkkammersystem (28), be­ stehend aus drei Umlenkkammern (14; 15; 16) vorgesehen ist, somit der Heizkessel (1) als Drei-Zug-Kessel ausgebildet ist und arbeitet, in dem weiterhin eine doppelwandige Brennkammer (17), ein Turbo-Wärmetauscher (2) sowie ein geschlossen ausgebildeter Wasserbehälter (6) angeordnet sind und der Heizkessel (1) mit einem im Wasserbad (31) vorgesehenen Wasserwärmertauscher (11) ausgerüstet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbo-Wärmetauscher (2) weitestgehend einen T-förmigen Querschnitt besitzt und neben seinem zylindrisch ausgebildeten Schaft aus einem flanschartig gestalteten oberen Teil (4) und einem ringförmigen Teil (5) besteht und am Deckel (10) des Heizkessels (1) angeordnet ist.

3. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ringförmigen Teil (5) des Turbowärmetauschers (2) umfangsseitig und zum Deckel (10) gerichtet, eine Isolierung (7) zugeordnet ist und der Wasserbehälter (6) gleichfalls umfangsseitig mit einer Isolierung (7) ausgebildet ist.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten des Umlenkkammersystems (28) über eine Stütze (19) zusätzlich zum Boden des Heizkessels (1) abgestützt sind.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserbad (31) innerhalb des Heizkessels (1) derart angeordnet und der Wasserstand (30) so anliegt, das kein Wasser in die Brennkammer (17) gelangen kann.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum (18) Warmwasserbereiter (29) angeordnet sind.

7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkessel (1) durch einen Deckel (10) in ein Oberteil (26) und den Behälter (25) unterteilt ist und im Oberteil (26) des Heizkessels (1) die Funktions- und Regeleinrich­ tungen des Heizkessels (1) angeordnet sind.

8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmwassertauscher (11) aus einem Rohrsystem besteht, welches mit dem Kaltwasserzulauf (21) verbunden ist.

9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase gesteuert und regelbar durch das Umlenksystem (28) geführt, nach dem Verlassen des Umlenksystem (28) durch das Wasserbad (31) geführt und anschließend aus dem Heizkessel (1) abgeleitet werden, wobei über den Ablüfter (12) auf die Abgasführung regelnd Einfluß genommen wird.