DE2403466C2 - Heizkessel mit einem Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel mit einem Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Zeitschrift »sbz«, März 1971, ist in einem Artikel »Wozu Überdruck im Feuerraum?« ein Hochleistungskessel bekanntgeworden, der nach Art eines Flammrohrkessels mit einer am hinteren Ende des zylindrischen Flammrohres liegenden Umkehrkammer und um das Flammrohr herum angeordneten Nachschaltheizflächen versehen ist, die horizontal im Gegenstrom zur Flamme durchströmt werden.

Ferner ist ein gußeiserner Gliederkessel bekanntgeworden, dessen Brennkammer im Querschnitt etwa tropfen- oder birnenförmig ausgebildet ist und eine verrippte Oberfläche hat.

Das dem Brenner gegenüberliegende Ende der Kammer ist mit Schamottsteinen zur Flammenumlenkung versehen. Die Gase treten über die Kessellänge verteilt zwischen den Gliedern in Nachschaltheizflächen ein, durchströmen diese horizontal und vertikal und verlassen den Kessel über einen unten liegenden Rauchgassammelkanal. Diese Kessel erreichen eine Verwirbelung der Verbrennungsgase nur infeige der vom Brenner selbst herrührenden Rotation. Sie basieren auf einer langgestreckten, später umgelenkten Flamme. In diesem Zusammenhang ist ein ebenfalls im Zweizugprinzip ausgebildeter Kessel mit Umkehrflamme bekanntgeworden, in dem die Rauchgase, die Flamme umgebend, zur in Nachbarschaft des Brenners gelegenen Umkehrkammer strömen. Trotz eines Überdrucks im Kesselraum basieren diese Kessel immer noch auf der Grundbauart eines langgestreckten Flammrohres, die im Zusammenhang mit Rost-Kesseln für feste Brennstoffe

5u entwickelt wurden. Trotz eines Bestrebens nach hoher spezifischer Heizflächenbelastung und einem idealen Verbrennungswirkungsgrad konnten diese beiden Forderungen gemeinsam noch nicht erfüllt werden.
Aus den Zeitschriften »IKZ«, Heft 11, 1964 und »Schweizerische Blätter für Heizung und Lüftung«, November 1970, sind Kugelfeuerungen bzw. Brennkammern für toroidale Verbrennung bekanntgeworden, die durch kugel- bzw. herzförmig gestaltete Brennräume mit allseitig gekrümmten Brennkammerwänden eine bessere Verwirbelung zu erreichen suchen. Dazu ist es teilweise nötig, mit der Flamme entgegengerichteter Zusatzluft zu arbeiten. Ferner sind die gewölbten Brennkammerwände schwer herzustellen und die Wärmeträgerführung an ihnen schafft Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel dieser Art so auszubilden, daß er gegenüber den bisher bekannten Ausführungen eine verbesserte Verbrennung ermöglicht, und die Luftverschmutzung

durch die Verbrennungsprodukte dementsprechend herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß die Gase durch spiralförmig rotierende Wirbelbewegungen mehrmals in die heißeste Verbrennungszone zurückströmen. Diese Rezirkulation der Brenngase gewährleistet eine vollständige Verbrennung mit minimalem Luftüberschuß und optimaler Heizflächenbelastung. Vorteilhaft für die Rezirkulationsbewegung ist bei der Erfindung neben der Aufrechterhaltung eines Überdrukkes, daß die Brennkammer frei von in diesen von der oberen und unteren Brennkammerwand hineinragenden Wandteilen ist.

In der Herstellung ist dieser Heizkesse! aufgrund seiner kompakten Bauart und der relativ einfachen verwendeten Formen, die auch Schweißkonstruktionen zulassen, günstiger als die Heizkessel nach dem Stand der Technik. Der Heizkessel gemäß der vorliegenden Erfindung haut auf dem Gedanken auf, einen Brennraum zu schaffen, dessen Seitenwände und obere bzw. untere Wandabschnitte geometrisch durch eine zur Brennerrohrachse parallele Linie als Erzeugende gebildet wird, die entlang einer geschlossenen Kurve geführt ist, die die vorstehend angegebenen Bedingungen in bezug auf die Abstandsverhältnisse erfüllt. Hierdurch erhält die Brennkammer die Form einer zylindrischen Fläche, die jedoch nicht kreiszylindrisch ist und auch nicht prismatisch zu sein braucht. Wenn dies fertigungsmäßig keine Schwierigkeiten bildet, können die Wandflächen auch gekrümmt oder gewölbt sein, obwohl dies für die Funktion nicht zwingend notwendig ist. Die Wärmeabgabe an die die Brennkammer umgebenden Wände, die von einem Wärmeträger, beispielsweise Wasser, gekühlt sind, erfolgt sowohl durch Strahlung als auch durch Konvektion, was durch die hohe Geschwindigkeit gefördert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die obere Brennkammerwand als gasdichte Wand ausgebildet und das die untere Brennkammerwand bildende Bündel von Rohren mit den zwischen diesen vorgesehenen Abgasauslässen mit Abstand oberhalb einer gasdichten Bodenwand angeordnet, wobei sich zwischen dem Rohrbündel und der Bodenwand eine Abgassammeikammer befindet die über zumindest einen Abzug mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Alternativ kann vorgesehen sein, daß die untere Brennkammerwand als gasdichte Bodenwand ausgebildet ist und daß die obere Brennkammerwand bildende Bündel von Rohren mit den zwischen diesen vorgesehenen Abgasauslässen mit Abstand unterhalb einer gasdichten Stirnwand liegt und sich zwischen dem Rohrbündel und der Stirnwand eine Abgassammeikammer befindet, die über zumindest iinen Abzug mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sowohl die obere als auch die untere Brennkammerwand durch ein Dündel von Rohren mit zwischen diesen vorgesehenen Abgasauslässen gebildet ist, wobei jedes Rohrbündel mit Abstand unterhalb bzw. oberhalb einer gasdichten Wand angeordnet ist und sich zwischen dieser Wand und dem jeweiligen Rohrbündel eine Abgassammelkammer befindet, die über zumindest einen Abzug mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Die Rohre jedes Rohrbündels verlaufen vorzugsweise im wesentlichen Daiallel zur vorderen und hinteren Brennkammerwand, sie können aber auch so angeordnet sein, daß sie im wesentlichen parallel zu den Seitenwänden der Brennkammer verlaufen. Nach einem anderen Erfindungsmerkmal hat der Einlaß jedes Abzugs die Form eines von der hinteren Brennkammerwand in die jeweilige Abgassammelkammer hineinragenden Rohrstutzens. Hierdurch erhält man auch eine Rotationsbewegung der Gase in der Abgassammelkammer und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Abzug. Beim erfindungsgemäßen Heizkessel kann die Brennkammer insgesamt im wesentlichen zylindrisch oder prismatisch ausgebildet sein, wobei die einzelnen Wandflächen sowohl aus gewölbten als auch aus ebenen Flächenbereichen zusammengesetzt sein können.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 und 2 zeigen je in einem Vertikalschnitt einen Heizkessel mit im wesentlichen zylindrischer bzw. prismatischer Brennkammer.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt nach c,/ Linie y-y in Fig. 1 bzw. Fig.2, der für Fig. 1 und 2 gleich ist, weil die dargestellten Brennkammern die gleiche Höhe und in ihrem unteren Teil einen gleichartig ausgebildeten Abzug haben.

Fi,:: 4 und 5 zeigen je einen Vertikalschnitt durch andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Heizkessels.

F i g. 6 ist ein Schnitt nach der Linie y-y in F i g. 4 bzw. F i g. 5, der, ähnlich wie F i g. 3, sowohl für die Ausführungen nach F i g. 4 und F i g. 5 gilt.

In den Zeichnungen sind gleiche bzw. einander entsprechende Teile und angedeutete Strömungsverhältnisse mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Für alle gezeigten Ausführungsfo^rmen gilt, daß ein Wärmeträger 1 in Räumen vorhanden ist, die zu einem wesentlichen Teil eine Brennkammer 2 des Heizkessels umgeben. Bei allen Ausführungsformen weist ferner die Brennkammer 2 zwei einander gegenüberliegende Seitenwände 12 auf, die durch eine obere und eine untere Brennkammerwand 15 bzw. 14 (Fig. 1 bis 3) und 13 b/rw. 14 (Fig.4 bis 6) miteinander verbunden sind, wobei bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1 bis 3 die untere Brennkammerwand 14 und bei den Ausführungsformen nach den F i g. 3 bis 6 sowohl die obere als auch die untere Brennkammerwand 13 bzw. 14 durch ein Bündel von Rohren 3 gebildet ist, die zwischeneinander Abgasauslässe 8 begrenzen. Die Brennkammer 2 wird ferner durch eine vordere Brennkammerwand 17, in der ein Brennerrohr 18 angeordnet ist, und eine hintere Brennkammerwand 19 begrenzt. Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 ist die obere Brennkammerwand 15 als gasdichte Stirnwand ausgebildet und es ist das die untere Brennkammerwand bildende Bündel von Rohren 3 mit Abstand oberhalb einer gasdichten Bodenwand 16 angeordnet, wobei s;:h zwischen dem Rohrbündel und der Bodenwand eine Abgassammelkammer 9 befindet, die über zumindest einen Abzug mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Ähnlich ist bei den Ausführungsformen nach den F i g. 4 bis 6 jedes Rohrbündel mit Abstand unterhalb bzw. oberhalb einer gasdichten Wand 15 bzw. 16 angeordnet und begrenzt mit dieser eine Abgassammelkammer 9, die über zumindest einen Abzug 10 mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, sind die Seitenwände der Brennkammer 2 in bezug auf eine Symmetrieebene v-y(F i p.. 1,2,4 und 5) spiegelbildlich ausgebil-

det. Die Längsachse 7 des Brennerrohres 18 liegt in der Symmetrieebene y-y, wobei der in Richtung senkrecht zur Symmetrieebene gemessene Abstand der Längsachse 7 von den Seitenwänden, d. h. der in der Horizontalebene x-x gemessene Abstand, sich von den in der Sym- metrieebene gemessenen Abständen der Längsachse von der oberen und unteren Brennkammerwand 15 (Fig. 1,2) bzw. 13 (F ig. 4,5) und 14 unterscheidet.

Der Durchströmquerschnitt, der von den Rohren 3 begrenzten Abgasauslässe 8 ist so gewählt, daß in der Brennkammer ein Überdruck erzeugt wird.

Bei den gezeigten Heizkesseln wird durch das Brennerrohr 18 Brennstoff (ölnebel oder Gas) in die Brennkammer 2 eingespritzt, wo er mit dem Luftsauerstoff verbrennt, wobei Strahlungs- und Konvektionswärme frei wird. Der Wärmeträger 1, der eine Flüssigkeit, wie Wasser, sein kann, durchströmt die die Brennkammer umgebenden Räume und das bzw. die Bündel von parallel zueinander und zur vorderen und hinteren Brennkammerwand verlaufenden Rohren 3.

Der besondere Vorteil der gezeigten Brennkammer 2 besteht darin, daß eine vollständige Verbrennung mit minimalem Luftüberschuß und eine optimale Brennkammerbelastung erhalten wird. Die in die Brennkammer 2 eingeblasene Verbrennungsluft hat eine höhere Geschwindigkeit als der eingespritzte ölnebel oder die Gasmasse, wodurch in Verbindung mit dem Überdruck in der Brennkammer 2 bewirkt wird, daß in der Brennkammer spiralförmig rotierende Wirbel 4 entstehen, weil die an der Verbrennung teilnehmenden Stoffe an den Wänden der Brennkammer abgelenkt und zu einer Wirbelbewegung veranlaßt werden, wie dies in den Zeichnungen angedeutet ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die an der Verbrennung teilnehmenden Stoffe mehrmals in die heißeste Verbrennungszone zurückgeführt werden, bevor die Abgase die Brennkammer 2 verlassen. Die mit hoher Geschwindigkeit rotierenden spiralförmigen Wirbel 4 tragen auch dazu bei, die spezifische Brennkammerbelastung zu erhöhen. Da die Brennzone sich nahezu auf die gesamte Brennkammer erstreckt, wird eine erhöhte Strahlungswärme erreicht und zufolge der hohen Geschwindigkeit der Wirbel auch die Konvektion verstärkt. Durch die direkte Anordnung der vom Wärmeträger durchströmten Rohre 3 in der Brennkammer wird eine hohe Wärmeübertragung erreicht.

Die Abgasauslässe 8 haben die Form von Schlitzen zwischen den in Rohrbündeln angeordneten parallelen Rohren 3, die auch als Drosselung dienen. Dadurch entsteht im Bereich der Rohre eine sehr hohe Wärmeübertragung, die durch die schnelle Querströmung durch das Rohrbündel entsteht. Zusätzlich wird das Rohrbündel aus der Brennkammer heraus mit Strahlung beaufschlagt. Durch die kompakte Form und die geringen freien Oberflächen in Verbindung mit der Überdruckbauweise sind Stillstandsverluste des Kessels auf ein Minimum verringert, wodurch insbesondere beim Aussetzbetrieb der erreichbare totale Wirkungsgrad bedeutend verbessert wird. Dadurch ist auch die Verwendung einer elektrischen Zusatzheizung des Wärmeträgers ohne wesentliche Verluste möglich.

Der Abzug 10, der von jeder Abgassammeikammer 9 zu einem Schornsteinanschluß führt, ist ebenfalls vom Wärmeträger I umgeben und kann aus einem oder mehreren Kanälen bestehen. Wie die Zeichnungen zeigen, hat der Einlaß jedes Abzuges 10 die Form eines von der hinteren Brennkammerwand 19 in die jeweilige Abgassammelkammer 9 hineinragenden Rohrstutzens 11.

Hierdurch wird auch dem Abgas in der Abgassammeikammer eine Wirbelbewegung erteilt und eine relativ hohe Geschwindigkeit des Abgases im Abzug 10 erreicht.

Die beschriebenen Ausführungsformen haben auch den Vorteil, daß sie zum Aufrechterhalten der Verbrennung relativ unabhängig vom Schornsteinzug sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Heiakessel mit einem Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe und mit einer Brennkammer, die zu einem wesentlichen Teil von Räumen umgeben ist, die einen Wärmeträger enthalten, wobei die Brennkammer durch zwei einander gegenüberliegende Seitenwände, die durch eine obere und eine untere Brennkammerwand miteinander verbunden sind sowie durch eine ein Brennerrohr enthaltende vordere Brennkammerwand und eine dieser gegenüberliegende hintere Brennkammerwand begrenzt ist, wobei sowohl die vordere als auch die hintere Brennkammerwand im wesentlichen eben sind und insbesondere parallel zueinander verlaufen, und wobei in zumindest einer der oberen und unteren Brennkammerwände Abgasauslässe vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Brennerrohres (18) in an sich bekannter Weise in der Symmetrieebene (y-y)der spiegelbildlich ausgebildeten Seitenwände (12) gelegen ist, wobei der in Richtung senkrecht zur Symmetrieebene (y-y) gemessene Abstand der Längsachse des Brennerrohres (18) von den Seitenwänden (12) sich von den in der Symmetrieebene gemessenen Abständen der Längsachse von der oberen und der unteren Brennkammerwand (15 bzw. 14; 13 bzw. 14) unterscheidet, und daß zumindest eine der oberen und unteren Brennkammerwände (15, 14) durch ein Bündel von ri°n Wärmeträger führenden Rohren (3) gebildet ist, die zwischeneinander die Abgasauslässe (8) zur Erzeugung eine:, Brennkammer-Überdruckes begrenzen.

2. Heizkessel nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Brennkammerwand als gasdichte Wand (15) ausgebildet und daß die untere Brennkammerwand (14) bildende Bündel von Rohren (3) mit den zwischen diesen vorgesehenen Abgasauslässen (8) mit Abstand oberhalb einer gasdichten Boden wand (16) angeordnet ist und sich zwischen dem Rohrbündel und der Bodenwand eine Abgassammeikammer (9) befindet, die über zumindest einen Abzug (10) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

3. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Brennkammerwand als gasdichte Bodenwand (16) ausgebildet ist und daß die obere Brennkammerwand (13) bildende Bündel von Rohren (3) mit den zwischen diesen vorgesehenen Abgasauslässen (8) mit Abstand unterhalb einer gasdichten Stirnwand (15) liegt und sich zwischen dem Rohrbündel und der Stirnwand eine Abgassammeikammer (9) befindet, die über zumindest einen Abzug (10) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

4. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die obere als auch die untere Brennkammerwand (13 bzw. 14) durch ein Bündel von Rohren (3) mit zwischen diesen vorgesehenen Abgasauslässen (8) gebildet ist, wobei jedes Rohrbündel mit Abstand unterhalb bzw. oberhalb einer gasdichten Wand (15 bzw. 16) angeordnet ist und sich zwischen dieser Wand und dem jeweiligen Rohrbündel eine Abgassammeikammer (9) befindet, die über zumindest einen Abzug (10) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) jedes Rohrbündels im wesentlichen parallel zur vorderen und zur hinteren Brennkammerwand (17,19) verlaufen.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) jedes Rohrbündels im wesentlichen parallel zu den Seitenwänden (12) der Brennkammer verlaufen.

7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß jeJes Abzugs (10) die Form eines von der hinteren Brennkammerwand (19) in die jeweilige Abgassammeikammer hineinragenden Rohrstutzens (11) hat.