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Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
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Aus der US 7 37 279 ist ein mit flammenloser Verbrennung arbeitender Dampferzeuger bekannt, bei dem in einem Mantelgehäuse eine Brennkammer über einem oberen Rost angeordnet ist. Eine Öffnungen für die Verbrennungsprodukte aufweisende Bodenplatte trägt eine Granulatfüllung, in welcher Wärmetauscherrohre eingebettet sind. Das brennende Gasgemisch wird aus der oberen Brennkammer durch den Rost in die keramische Granulatfüllung geführt, wo seine Verbrennung endet. Bei diesen Heizkesseln erfolgt der Wärmeübergang auf das aufzuheizende Medium nur zu einem gewissen Teil durch Strahlung und zum überwiegenden Teil durch Konvektion in dem hinter der Brennkammer liegenden Kesselteil. Es hat sich gezeigt, daß dieser mit einer Brennkammer ausgestattete Heizkessel einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad hat.
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Aus der DE-OS 22 15 101 ist ein Heizkessel der angegebenen Gattung bekannt, bei dem ein Gas-Luft-Gemisch in unvorgewärmtem und ungezündetem Zustand mit einer die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen wesentlich übersteigenden Strömungsgeschwindigkeit in eine gasdurchlässige Granulatfüllung eingeführt und verbrannt wird. Die Granulatfüllung gerät bei hohen Temperaturen in einen Wärmezustand, bei dem die gesamte an den Oberflächen freigesetzte Wärmeenergie durch Strahlung an die Wärmetauschflächen abgegeben wird. Dieser Heizkessel zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus, da die Verbrennungsreaktion in einer schmalen Zone der Granulatfüllung erfolgt, aus der im wesentlichen die gesamte Wärmeenergie abgestrahlt wird, so daß hinter dieser Zone die Verbrennungsprodukte bereits stark abgekühlt sind und keine weiteren Wärmetauschflächen zum Nachkühlen erforderlich sind, wie dies bei den vorstehend beschriebenen Kesseln notwendig ist.
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Strahlungskessel sind vorwiegend für einen volloder teilautomatisierten Betrieb bestimmt, z. B. zur Beheizung von Familienhäusern, Häuserblöcken, Wohnsiedlungsbauten u. dgl., wo sich der Heizkessel nicht unter ständiger Aufsicht befindet. Eine der Grundbedingungen für diesen Einsatz ist seine größtmögliche Betriebssicherheit gegen Störungen durch Versagen seiner Hilfseinrichtungen, z. B. einer Unterbrechung der Gaszufuhr, Stromausfall, Versagen der Flüssigkeitspumpe u. dgl. Die gefährlichste dieser Störungen ist eine kurzzeitige Unterbrechung der Gaszufuhr, bei der die Verbrennung des Gemisches im Heizkessel für eine gewisse Zeit aussetzt, worauf nach Erneuerung der Gaszufuhr sich das ungezündete Gas im Heizkessel ansammeln und eine Explosion verursachen kann. Eine ähnliche Gefahr kann auch dann eintreten, wenn das Gasgemisch nur in einem Teil des aktiven Querschnitts des Heizkessels brennt, so daß in den übrigen Teilen sich das ungezündete Gas ansammeln und die Sicherheit des Heizkessels gefährden könnte.
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Daher ist es unerläßlich, den Heizkessel gegen solche zu einer Havarie führenden Zustände und vor allem gegen eine bei einer Unterbrechung der Gaszufuhr und/oder bei einem Stromausfall entstehende Explosionsgefahr zu sichern. Eine solche Sicherung kann dadurch erzielt werden, daß in der Brennkammer, in welcher das Gas vor seinem Eintritt in den Heizkessel brennt, ein oder mehrere auf eine offene Flamme ansprechende Fühler angeordnet werden, in deren Stromkreis ein Ventil geschaltet ist, das beim Verlöschen der Flamme oder Stromausfall die Gaszufuhr absperrt.
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Solche Fühler können jedoch nur bei Heizkesseln verwendet werden, bei denen dem Rost eine Brennkammer vorgeschaltet ist. Bei einem Heizkessel, bei dem in der auf einem Rost gelagerten Granulatfüllung ein ungezündetes und unvorgewärmtes Gemisch eingeführt wird, können diese Fühler nicht verwendet werden, weil dann das Gemisch noch vor dem Einströmen in die Füllung zumindest teilweise verbrannt werden müßte. Damit würde dieser Heizkessel auf das Niveau der mit einer freien Brennkammer ausgestatteten Kessel sinken, die einen weit niedrigeren Wirkungsgrad haben. Ohne die Betriebsüberwachung durch Meßfühler bietet jedoch ein solcher Kessel nicht die geforderte Sicherheit gegen Explosionen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines mit sehr hohem Wirkungsgrad arbeitenden Strahlungs-Heizkessels, der gegen Explosionen und andere Havarien gesichert ist, eine verlängerte Lebensdauer hat und mit geringeren Betriebsgeräuschen arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Zur Verbrennung sind sowohl gasförmige als auch flüssige Brennstoffe geeignet. Die letzteren müssen jedoch zuvor in Dampfform überführt werden, um ähnlich wie ein Gas weiterbehandelt werden zu können. In den folgenden Ausführungen wird deshalb der Ausdruck " Brenngas" verwendet, das auch verdampfter flüssiger Brennstoff sein kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel wird das Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel außerhalb der Granulatfüllung gezündet. Sobald eine zur Anzeige erforderliche Flamme entsteht, jedoch noch bevor das Gemisch in vollen Brand gerät, wird das entzündete Gemisch über das freie obere Niveau der Granulatfüllung in gleichmäßiger Verteilung in diese eingeführt, worauf seine Strömungsgeschwindigkeit erhöht und eine flammenlose Verbrennung hervorgerufen wird, die im Granulat eine Glutzone erzeugt.
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Die Rohre des Umfangsmantels und die durch die Granulatfüllung hindurchgehenden Rohrelemente sind an die Zufuhrleitung für die zu erwärmende Flüssigkeit angeschlossen, in der eine Flüssigkeitspumpe und ein Sicherheitsgefäß für die Flüssigkeit eingeschaltet sind. Dieses über dem Heizkessel angeordnete Gefäß ist über gesonderte Leitungen einerseits an die Flüssigkeits-Zulaufleitung und andererseits an die Ablaufleitung angeschlossen. Sowohl der Einlauf in das Sicherheitsgefäß als auch sein Ablauf werden durch in einen Sicherungsstromkreis eingeschaltete Elektromagnet-Ventile überwacht. Beim Stromfluß sind die Ventile geschlossen, während sie bei Stromausfall öffnen. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich bei Versagen des Flüssigkeitszulaufs in den Kessel durch einen Stromausfall und Ausfall der Pumpe das Sicherheitsgefäß selbsttätig in den Heizkreis des Kessels einschaltet, so daß die in der Füllung des Kessels angesammelte Wärme der Flüssigkeit an den Sicherheitskreislauf übergeben wird, in welchem die Flüssigkeit durch Gravitationseinfluß strömt. Bei einem Stromausfall wird gleichzeitig die Gaszufuhr durch Ansprechen der in der Zünd- und Indikationsspalte angeordneten Meßfühler und Schließen des Gasventils gesperrt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht die Granulatfüllung aus mehreren granulometrisch und/oder qualitativ verschiedenen Schichten. Dies bietet die Möglichkeit, durch gegenseitige Abstimmung z. B. der Abstände zwischen den Wärmetauschflächen, der Größen ihrer Oberflächen und der Führung des Kesselregimes die Stärke und gegebenenfalls auch die Lage der Strahlungszone mit den höchsten Temperaturen in derjenigen Schicht der Füllung zu fixieren, die aus einem hochwertigen Material, z. B. auf der Basis von Korund besteht während in den thermisch weniger beanspruchten Zonen ein weniger wertvolles Material genügt.
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Die von der Flüssigkeit durchströmten Rohre sind hohen Temperaturen ausgesetzt, insbesondere in der Strahlungszone, in der sie mit dem hoch erhitzten Strahlungsstoff in unmittelbarer Berührung sind. Sie müssen deshalb intensiv gekühlt werden. Obgleich die Rohre ständig von Flüssigkeit durchströmt sind, könnten sich an den Rohrwänden laminare Ströme von Dampfblasen ausbilden und bei Kondensation des Dampfes Stöße im Kessel auftreten. Um dies zu verhindern, werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in die Rohre schraubenförmige Leit- und Mischelemente z. B. in der Gestalt von Propellerschaufeln od. dgl. eingelegt, die eine vollkommene Bespülung der Wände mit der Flüssigkeit in den Rohren sichern und die Bildung einer laminaren Dampfströmung verhindern.
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Der Heizkessel gemäß der Erfindung weist zahlreiche Vorteile gegenüber den bekannten Strahlungsheizkesseln auf. Es werden optimale Betriebsparameter eingehalten und äußerst hohe Wirkungsgrade bei geringen Abmessungen erzielt. Ferner können auch spezielle standardbedingte Forderungen auf einfache Weise erfüllt werden. So gelten z. B. bei einer Kesselanordnung auf dem Dach eines Gebäudes bestimmte Vorschriften bezüglich der Abgastemperatur, die unbedingt eingehalten werden müssen. In einem Kesselraum oder in Kellerräumen können dagegen höhere Abgastemperaturen erwünscht sein. Der erfindungsgemäße Heizkessel erreicht seine volle Leistung bereits nach sehr kurzer Anfahrzeit.
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Ein weiterer großer Vorteil beruht darin, daß der Kessel keinen feuerfesten Rost benötigt, da das brennende Gemisch in die Granulatfüllung von oben durch das freie obere Niveau dieser Füllung einströmt. Bekanntlich bildet ein thermisch hoch beanspruchter Rost einen empfindlichen und störanfälligen Bestandteil von Kesseln. Schließlich arbeitet der Heizkessel fast geräuschlos, was vom Standpunkt des Umweltschutzes ebenfalls vorteilhaft ist.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt eines Heizkessels zur Beheizung von Räumlichkeiten anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt des Heizkessels,
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Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des Heizkessels längs der Schnittlinie II-II in Fig. 1,
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Fig. 3 einen schematischen Querschnitt des Heizkessels längs der Schnittlinie III-III in Fig. 1,
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Fig. 4 einen schematischen Querschnitt längs der Schnittlinie IV-IV in Fig. 1, und
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Fig. 5 eine Schaltung des Heizkessels im Heizsystem.
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Der dargestellte Heizkessel enthält einen zusammenhängenden Mantel 1 aus Rohren 2, deren Achsen zur Strömungsrichtung des Gasgemisches parallel sind. Die Rohre 2 können miteinander in unmittelbarer Berührung stehen oder durch separate Zwischenstücke 3 verbunden sein. Es können auch Rohre verwendet werden, an denen die Zwischenstücke bereits vorgesehen sind. An den Heizkessel ist an seinem Unterende eine Zuleitung 4 für eine kühle Flüssigkeit und an seinem Oberende eine Ableitung 5 für die erwärmte Flüssigkeit angeschlossen. Der Mantel 1 ist oben durch eine Doppelhaube 6 abgeschlossen. Am unteren Ende ist ein Sieb 7 angeordnet, unter dem sich ein Stutzen 8 zum Abziehen der Abgase und der Verbrennungsprodukte befindet. Das Brennstoff-Luftgemisch wird durch eine Zuleitung 9 in eine schmale Zünd- und Verteilerkammer 10 unterhalb der Doppelhaube 6 geführt.
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Im Heizkessel sind Rohrelemente 11 vorgesehen, von denen jedes einen oberen Teil 12 enthält, der sich in mindestens zwei Zweige 13 teilt, deren Unterenden an eine gemeinsame Verteilerkammer 14 angeschlossen sind. Die Verteilerkammer 14 ist an die gemeinsame Zuleitung 4 angeschlossen, durch die auch Flüssigkeit den Mantelrohren 2 zugeführt wird. Die oberen Teile 12 der Rohrelemente 11 münden in eine Sammelkammer 15, die an die gemeinsame Ableitung 5 angeschlossen ist, in welche auch die Flüssigkeit aus den Mantelrohren 2 geführt wird.
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Die Doppelhaube 6 besteht aus einer Kappe 16 und einer Platte 17, die die obere Begrenzung der schmalen Zünd- und Verteilerkammer 10 bildet. Das brennbare Gemisch wird der Kammer 10 aus der Ringleitung 9 durch ein System von gleichmäßig verteilten Rohren 18 zugeleitet, die gleichzeitig zum Vorwärmen des Gemisches dienen.
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Der Innenraum des Mantels 1 enthält eine Granulatfüllung 19, die zweckmäßig aus zwei bzw. mehreren Schichten 20, 21 zusammengesetzt ist. Diese Schichten bestehen aus granumetrisch und/oder qualitativ verschiedenen Materialien. So besteht beispielsweise in der Zone der höchsten Temperaturen die eine Granulatschicht 20 aus einem hochwertigen Material auf der Basis von Korund, während die Granulatschicht 21 im kühleren Bereich aus einem weniger wertvollen Material bestehen kann.
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Die Zünd- und Verteilerkammer 10 ist oben durch die Platte 17 und unten durch das freie Niveau 22 der Granulatfüllung 20 begrenzt. Die Bezeichnung "freies oberes Niveau" bedeutet, daß das Gemisch in diesem Niveau ohne einen Rost in die Füllung einströmt.
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In die Kammer 10 mündet ein Zündorgan 23 in Form eines elektrischen Funkenzünders oder eines Hilfs-Gasbrenners oder dergleichen und an der gegenüberliegenden Seite sind ein oder mehrere auf eine offene Flamme ansprechende Meßfühler 24 angebracht.
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Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist in dem Flüssigkeitskreis 25 unmittelbar über dem Kessel ein Sicherheitsgefäß 26 vorgesehen. Dieses Gefäß 26 ist über ein Magnetventil 27 und eine Steigleitung 28 an die Ablaufleitung 5 für die erwärmte Flüssigkeit und über eine Falleitung 29 sowie ein weiteres Magnetventil 30 an die Zulaufleitung 4 für die kühle Flüssigkeit angeschlossen. Ferner ist in den Flüssigkeitskreis ein vorgeschriebenes Expansionsgefäß 31 eingeschaltet.
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Der beschriebene Heizkessel arbeitet wie folgt:
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In den im Heizkreis 25 eingeschalteten Heizkessel wird das brennbare Gemisch bei aktiviertem Zündorgan 23 eingeführt und in der Zünd- und Verteilerkammer 10 entzündet. Das brennende Gemisch gelangt auf das freie obere Niveau 22 der Granulatfüllung 19. Beim Durchgang durch die Füllung steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches und es bildet sich eine Glutzone in der Schicht 20 aus hochwertigem Material. In dieser Zone wird die Wärmemenge durch Strahlung an die Rohrwandungen abgegeben. Beim weiteren Durchgang durch die Füllung 19 sinkt die Temperatur des annähernd vollständig verbrannten Gemisches rapide. In der Schicht 21 der Füllung wird die Restwärme an die vergrößerte Oberfläche der Rohrzweige 13 abgegeben und gleichzeitig durch eine andere Körnung und Zusammensetzung der Füllung in der Schicht 21 der Wärmeübergang verbessert.
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Die Vergrößerung der Oberfläche der Wärmetauschflächen ist aus Fig. 3 und 4 ersichtlich. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Glutzone mit der geringeren Anzahl der Rohrteile 12, während Fig. 4 einen Schnitt durch die Granulatschicht 21 mit der größeren Anzahl der Rohrteile 13 darstellt.
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Die Zünd- und Verteilerkammer 10 hat kleinstmögliche Ausmaße und ist nicht größer als zur Zündung des Gemisches und Überwachung der Flamme unumgänglich notwendig. Diese Kammer ist keinesfalls eine bei den mit offener Flamme arbeitenden Kesseln vorhandene Brennkammer, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches so groß ist, daß in ihr eine vollständige Verbrennung des Gemisches nicht erfolgen kann.
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In die Rohre sind schraubenförmige Leit- und Mischelemente z. B. in Form von Wendelschaufeln 32 eingelegt, die die Bildung eines laminaren Stromes aus Dampfblasen verhindern und die im Rohr strömende Flüssigkeit intensiv vermischen.
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Bei einer Störung der Gaszufuhr oder bei einem Stromausfall sprechen die Meßfühler 24 an und bewirken das Schließen eines in der Gaszufuhrleitung 9 vorgesehenen - nicht dargestellten - Ventils.
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Bei einem Stromausfall öffnen gleichzeitig auch die beiden Magnetventile 27, 30 und schalten das Sicherheitsgefäß 26 in den Kesselkreislauf ein. Die Flüssigkeit fließt dann unter Wirkung der Schwerkraft durch diesen Kreislauf und führt die Wärme aus der Granulatfüllung 19 ab.