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Gliederkessel für Sajnmelheizungsanlagen Zusatz zu Patent 2 117 203
Gegenstand des Patents 2 117 203 ist ein Saumelheizungs-Gliederkessel hoher Leistung
für Betrieb mit strömenden Brennstoffen und mit Wasser als Wärmeträger, wobei die
ldittelglieder des Kessels Wasserräume aufweisen, die die obere Vorlauf-Verbindungsnabe
mit der unteren Rücklauf-Verbindungsnabe verbinden, die Heizflächen (Feuerraum und/oder
Nachschaltheizflachen) umgeben und auf je einer Gliedseite vor Anschluß an die Vorlauf-Verbindungsnabe
zu je einem einzigen Wasserlauf zusammengefaßt sind, und wobei die Mi-ttelglieder
ferner von den Heizflächen getragene, unmittelbar die Heizwärme des Brennstoffes
speichernde Elemente (Rippen, Stifte, Dicht- und/oder Umlenkleisten, Wirbeleinbauten
o. dgl.) aufweisen.
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Einen derartigen Sammelheizungs-Gliederkessel zeigt die DAS 1 136
808 (Fig. 1 und3). Sammelheizungsanlagen mit derartigen Hochleistungs-Glederkesseln
sind meist juit zur Regelung der Heizungsvorlauftemperatur dienenden Mischventilen
ausgerüstet. Je nach der Stellung dieser Mischventile wird das Rücklaufwasser in
den Vorlauf mehr oder weniger oder sogar ganz eingeführt, also zumindest teilweise
oder überhaupt nicht dem Gliederkessel zugeführt. Auch bei Anlagen ohne Mischyentile
andert sich die durch den Kessel umlaufende Wasserinenge je nachdern, ob einzelne
Wärmeabnehmer, z.B. Heizkörper, ein- oder ausgeschaltet werden. Auch gibt es Heizungsregelungen,
die ein Aus- oder Einschalten der Pumpen des Heizungskreislaufs bewirken. Der Gliederkessel
unterliegt also den verschiedensten Wasserdurchströmungen, die zwischen dem Durchfluß
Null und
einem maximalen Wert schwanken können.
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Die Wassertemperatur im Kessel wird üblicherweise dadurch geregelt,
beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 85° C und 900 C, daß ein Thermostat,
der an einer Stelle höchsten Wassertemperatur, also im Vorlauf, angeordnet ist,
bei Unterschreiten von 850c den Brenner einschaltet und bei Uberschreiten von 900
C wieder ausschaltet.
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Diese Regelung läßt aus verschliedenen Gründen in der Praxia oft
zu wünschen übrig: In der Vorlaufverbindungsnabe jedes Kesselgliedes vereinigen
sich die Wasserströmungen verschiedener Wasserräume, welche verschiedenen Aufheizbedingungen
(Temperatur und Laurstrecke) ausgesetzt sind und daher Wasser verschiedener Temperaturen
der Vorlauf Verbindungsnabe zuführen. Diese Wasserströmungen verschiedener Temperatur
sind an der Meßstelle des Thermostaten oft noch unvermischt, so daß die dem Thermostaten
angezeigte Temperatur nicht für die mittlere Temperatur des Kesselwassers repräsentativ
ist. Der Fehler in der Anzeige ist in hohem Maße von der Wassermenge abhängig, die
den Kessel gerade durchström. Ist diese Wassermenge nämlich groß, so stellen sich
in den Wasserräumen des Kessels hohe Strömungsgeschwindigkeiten ein, die einen Temperaturausgleich
des Kesselwassers in sich durch inneren Schwerkraftumtrieb unterdrücken.
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Die umlaufende Wassermenge ist meisterls groß, da sehr häufig Punlpen
hoher Förderlieistung in heizungsanlagen eiiigebaut sind.
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Ein besonderes Regelungsproblem des Gliederkessels tritt dann auf,
wenn der Gleiderkessel plötzlich nicht mehr von Wasser durchströmt wird, z.B. durch
irgendwelche Eingriffte eines Regelungssystems. Der Thermostat schaltet zwar dann
den Brenned aus, sobald im Vorlauf die eingestellte obere Grenztemperatur (z.B.
90°) erreicht bei, doch heizen dann die die wärmeübeftragung
steigenden
oder beeinflussenden wärmespeichernden Elemente, wie Stifte, Rippen oder Dicht-
und Umlenkleisten auch nach Abschalten des Brenners durch Abgabe der gespeicherer
ten Wärme das Kesselwasser weitSauf oft unerwünschte Werte auf, insbesondere dann,
wenn nur ein Teil des Kesselwassers, nämlich der im oberen Teil des Kessels vorhandenen
Teil des Wassers, diese zusätzliche Wärme allein aufnimmt und sich, da es spezifisch
leichter ist, mit dem darunter liegenden kalten Wasser nicht vermischt, sondern
schichtet.
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Der Erfindung des Patentes 2 117 205 liegt die neue, erfinderische
Aufgabe zugrunde, eine sichere Temperaturregelung eines Hochleistungs-Gliederkessels
auch bei extremen Durchströmungen (großen oder kleinen den Kessel durchströmenden
Wassermengen) zu gewahrleisten. Insbesondere soll das Kesselwasser bereits beim
Eintritt in die Vorlaufnabe gut durchmischt sein, so daß die dortige Temperatur,
die ja den Fühler des Thermostaten beeinflußt, repräsentativ für die Kesselwassertemperatur
ist, und es soll eine lokale unerwünscht starke Erhitzung des Kesselwassers bei
Sperrung des Wasserdurchflusses unterbunden werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Hochleistungs-Gliederkessel der eingangs
genannten Art
gemäß dem deutschen Patent 2 117 205 dadurch gelöst, daß jedes Glied in seinen beiden
Gliedseiten gleiche Erwärmungsbedingungen für das zirkulierende Wasser hat, daß
der einzige Wasserlauf jeder Gliedseite als Turbulenzen erzeugender, beispielsweise
rohrartiger Wassermischraum ausgebildet ist und daß die wesentlich unmittelbar die
-Heizwärme des Brennstoffes speichernden Elemente sämtlich nur nahe der Rücklauf-Verbindungsnabe
angeordnet sind.
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Der Temperaturfühler des Thermostaten ist in üblicher Weise in der
Vorlauf-Verbindungsnabe angeordnet, weil dort die höchsten Kesselwassertemperaturen
auftreten. Jedoch soll
das aus den einzelnen Gliedern in diese Vorlauf-Verbindungsnabe
gelangende Wasser bereits vermischt sein und eine homogene emperaturverteilung aufweisen.
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Um sicherzustellen, daß das von den beiden Gliedseiten kommende Wasser
die gleiche mittlere Temperatur aufweist, ist jedes Glied gemäß dem deutschen Patent
2 11t 203 derart aufgebaut, daß es in seinen beiden Gliedseiten gleiche Erwärmungsbedingungen
für das zirkulierende Wasser hat; vorteilhaft und konstruktiv am einfachsten, nämlich
ohne zusätzliche Einbauten, wird dies dadurch erreicht, daß Jedes Glied symmetrisch
zu der von den beiden übereinanderliegenden Verbindungsnaben aufgespannten Ebene
ausgebildet ist. Hierdurch sind auf der Gas- und Wasserseite gleiche Bedingungen
gegeben. Der Gliederkessel der DAS 1 156 808 zeigt, wie man den Fig. 1 und 3 entnimmt,
einen Gliederkessel, dessen Mittelglieder in ihren beiden Gliedseiten ungleiche
Erwärmungsbedingungen für das zirkulierende Wasser aufweisen.
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Um eine Mischung des von jeder Hälfte des Gliedes der Vorlauf-Verbindungsnabe
zuströmenden Wassers sicherzustellen, ist gemäß dem deutschen Patent 2 117 205 der
einzige Wasserlauf jeder Gliedseite als Turbulenzen erzeugender Wassermischraum
ausgebildet. Gemäß der DAS 1 136 808 dagegen ist der einzige Wasserlauf jeder Gliedseite,
in dem sich gemäß der dortigen Fig. 3 die Wasserräume vereinigen, mit sich zur Nabe
hin wesentlich erweiterndem Querschnitt ausgebildet, was den Nachteil hat, daß eine
hinreichend gute Vermischung nicht stattfinden kann.
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Um schließlich ein Überschwingen der Kesselwassertemperatur des erfindungsgemäßen
Kessels zu verhindern, sind gemäß dem deutschen Patent 2 117 203 die wesentlich
unmittelbar die Heizwärme des Brennstoffes speichernden Elemente "sämtlich nur"
nahe der Rücklfauf-Verbindungsnabe angeordnet, so daß, sobald kein Rücklaufwasser
mehr dem Kessel zugeführt wird, der Auf trieb des von den genannten Elementen aufgeheiten
Wasser einen
inneren Wasserkreislauf im Kessel derart sicherstellt,
daß die Temperatur innerhalb des Kessels ausgeglichen bleibt und nicht örtlich zu
hohe Temperaturen auftreten können. Es kommt hinzu, daß das Wasser im unteren Kesselbereich,
also in der Nähe der Rücklauf-Verbindungsnabe, am kältesten ist, so daß es die nach
Abschaltung des Brenners durch die genannten Elemente bewirkte Nachheizung gut aufnehmen
kann. Gemäß der DAS 1 136 808 dagegen sind die Dichtleisten, die dort mit den Bezugszeichen
6 und 7 bezeichnet sind und die heizwärmespeichernden Elemente darstellen, sehr
hoch und daher mit hoher Wärmekapazität ausgebildet und nicht nur nahe der Rücklauf-Verbindungsnabe,
sondern auch nahe der Vorlauf-Verbindungsnabe angeordnet.
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Es wurde nun gefunden, daß es abweichend von der Lehre des deutschen
Patentes 2 117 903 zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe nicht
erforderlich ist, daß die wesentlich unmittelbar die Heizwärme des Brennstoffes
speichernden Elemente "sämtlich nur" nahe der Rücklaufverbindungsnabe angeqp ordnet
sind, sondern daß es genügt, wenn die Alemente überwiegend" nahe der Rücklauf-Verbindungsnabe
angeordnet sind.
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Einige wenige oder kleinere Elemente in der Nähe der Vorlauf-Verbindungsnabe
sind unschädlich, da die geringe Wärmemenge,-die in diesen Elementen gespeichert
ist, auch von den geringen sWassermengen ilil Bereich der Vorlauf-Verbindungsnabe
ohne Überhitzung leicht aufgenommen werden kann. Da der überwiegende Teil der wärmespeichernden
Elemente in der Nähe der Rücklauf-Verbindungsnabe sitzt, also im unteren Kesselbereich,
steht eine große Wassermenge zur Aufnahme der Speicherwärme zur Verfürunz. sich
nämlich die Kesselwassermenge oberhalb der Elemente. Es stellt / infolge der Wårmeabgabe
an das untere Kesselwasser eine innere QJasserzirkulation ein, die einen Temperaturausgleich
bewirkt und Uberhitzungen vermeidet. Es ist somit das gesamte Kesselwasser zur Aufnahme
der gespeicherten Wärme herangezogen worden.
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Diese neue erfindungsgemäße Lehre ist eine weitere Ausgestaltung
der Lehre des Patentes 2 117 203.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochleistungs-Gliederkessels
ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Langsschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Hochleistungs-Gliederkessel längs der Linie I - I von Fig. 2,
3 und 4, wobei die hinter der Schnittebene liegenden Rippen nicht dargestellt sind
und Fig. 2, 3 und 4 je einen Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 1 langs der Linie
II - II, III - III bzw. IV - IV. Hinter der Schnittebene liegende Teile sind hier
nicht abgebildet.
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Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt Hochleistungs-Gliederkessel
weist ein Vorderglied 2 mit einem Brenner 4, ein Hinterglied 6 sowie zwischen diesen
beiden Endgliedern liegende Mittelglieder 8, 10, 12, 14, 15, 16, 17 und 18 auf.
Der Weg der Heizgase ist mit den Pfeilen 20 bezeichnet; im Bereich des Hintergliedes
6 wenden die Heizgase im Feuerraum 21 ein erstes Mal um, strömen wieder nach vorne
und treten dann durch die vordere Wendekammer 22 in den Vorströmzug 24 ein, der
in ehen Abgasstutzen mündet; in Fig. 4 erkennt man, daß es sich hierbei um zwei
parallel liegende Vorströmzüge 24 und 26 handelt. Iin Vorderglied 2 ist eine mit
einem Deckel 23 verschlossene Öffnung zur Reinigung der Züge.
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Das Rücklaufwasser tritt durch den Rücklauf-Anschlußstutzen 28 in
die Rücklauf-Verbindungsnabe 30 ein. bereits im unteren Wasserraum 32 und im oberen
Wasserraum 34 (vgl.
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Fig. 4) wird das Wasser eriiitzt. Da die Erhitzung in den beiden
Wasserräumen
32 und 34 im allgemeinen unterschiedlich sein wird, herrscht an den Vereinigungsstellen
36 und 38 dieser beiden Wasserräume eine stark inhomogene Temperaturverteilung.
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Das Wasser strömt weiter in den Misch-Wasserräumen 40 und 41 aufwärts;
außer der Länge dieser Mischwasserräume tragen vor allem die Knickstellen 42, 44
bzw. 46, 48 durch Turbulenzen bildung erheblich zu einer guten Vermengung und Vermischung
des Wassers bei, so daß das in den Vorlauf 50 eintretende Wasser gut vermischt ist
und eine gleichmäßige Temperaturverteilung besitzt. Das Abführen des Wassers erfolgt
durch den Stutzen 27.
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Zur Homogenisierung der Temperaturverteilung ist der dargestellte
Gliederkessel symmetrisch zu der Ebene, die von den übereinanderliegenden Verbindungsnaben
30 und 50 aufgespanntz ist, aufgebaut, so daß in der rechten und in der linken Kesselhäfte
genau die gleiche Erwärmungsverhältnisse und Mischbedingungen herrschen und infolgedessen
das von rechts und von links in die Vorlauf-Verbindungsnabe 50 eintretends Wasser
die gleiche Tempe-ratur aufweist0 Wie man Fig. 2, 3 und 4 entnimmt, sind die die
Wärmeübertragung steigernden, wärmespeichernden Elemente, nämlich die Rippen 52
bzw. 54, an der feuerraumseitigen Wandung des Wasserraumes 34 und im Heizgaszug
24 überwiegend in dem Bereich eingebaut, der vor der Vereinigungsstelle 36 bzw.
38 des unteren Wasserraumes 32 mit dem oberen Wasserraum 34 liegt; wenige oder kleinere
im Bereich der Vorlauf-Verbindungsnabe 50 liegende Rippen 53 stören nichts da die
in ihnen gespeicherte Wärme auch von einem geringen Wasserinhalt des Kessels im
oberen Nabenbereich leicht aufgenommen werden kann.
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Fig. 2 zeigt im Schnitt längs der Linie II - II einen Schnitt durch
das Hinterglied 6 und Fig 3 längs der Linie III - III einen Schnitt durch das Vorderglied
2 mit der Öffnung 1 für den Einbau des Brenners 40
Ini oberen Bereich
des Hintergliedes 6 und des Vordergliedes 2 sind inl Wasserraum Leitbleche 70, 72
und 74 angeordnet, welche auch in diesen beiden Endgliedern dafür sorgen, daß das
in diesen Endgliedern aufwartsströmende Wasser in den Wassermischräumen 140, 141
durch Turbulenzbildung vor Eintritt in die Vorlauf-Verbindungsnabe 50 durchmischt
wird.
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Eine gute Durchmischung wird hier insbesondere dadurch erzielt, daß
das Wasser in den Wassernischräumen zunächst einen engen Kanal, dann eine Erweiterung
mit Uilenkung und schließlich einen engen Kanal zur Vorlaufnabe hin durchströmt.
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Im unteren Bereich sind die Endglieder 2 und 6 ähnlich ausgebildet
wie die Mittelglieder.
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Die Erfindung läßt sich auch auf Heizkessel anwenden, die nicht aus
einzelnen Gliedern zusaimnensetzbar sind.