DE2829361C2 - Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, mit einer Brennkammer, in welcher ein Brenner mit einem tangential gerichteten Bren.iermund angeordnet ist, und mit einem die Brennkammer umgebenden Wassermantel, der mit einem Vorlaufrohr und einem Rücklaufrohr versehen ist

Bei einem bekannten Heizkessel der eingangs genannten Art (CH-PS 2 05 460) bestreichen die Heizgase eines ölbrenners auf dem Rotationswege die Brennkammerwandung, um den Wassermantel zu erhitzen. Der Wassermantel wird dabei !ediglich durch thermischen Auftrieb bewegt, und das e^rwärmte Wasser staut sirh im oberen Bereich des Wassermantels, was zu einem ungünstigen Wärmeübergang und relativ hohen Außentemperaturen, jedenfalls im oberen Bereich des Wassermantels führt. Aus der DE-PS 2 90 271 ist ferner ein Flüssigkeitserhitzer bekannt, der ein tangential angeschlossenes und außerdem etwas ansteigendes Einlaufrohr verwendet, um die einströmende Flüssigkeit in eine schraubenförmig kreisende Bewegung zu versetzen, und zwar mit einer sich vermindernden Bewegungsfähigkeit nach oben. Durch die schraubenförmige Bewegung soll ein für den Wärmetausch schädliches Absetzen von Niederschlagen vermieden werden. Die Problematik des Wärmeübergangs auf ein zu erhitzendes oder auch zu kühlendes Medium wird dabei aber nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel der eingangs genannten Bauart derart auszubilden, daß sich trotz einfachen Kesselaufbaus ein besonders günstiger Wärmeübergang und niedrige Außentemperaturen ergeben, was einen optimalen Wirkungsgrad zur Folge hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die Maßnahmen gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 vor.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus den Unteransprüchen.

In der Brennkammer des erfindungsgemäßen Kessels entsteht ein Wirbel der Verbrennungsgase mit hoher Wirbelgeschwindigkeit, wobei durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Anordnung des Rücklaufrohrs eine Gegenrotation des Wassers hervorgerufen wird, die so stark ist, daß sich eine thermische Schichtung von innen nach außen ergibt. Dabei reduzieren die geringeren Temperaturen am Außenmantel auf natürliche Weise die Abstrahlung des Heizkessels. Die hohen Geschwindigkeiten der Rundströmung des ganzen Wassers sichern im Mantelbereich um die Brennkammer herum insbesondere durch die vom Hohlzylinder des Brenneransatzes hervorgerufene Wassermischung eine höchstmögliche Temperaturdifferenz zwischen Brennkammer und Heizwasser. Ferner bewirkt die

Rotation der Verbrennungsgase infolge der Fliehkraft eine starke Temperaturschichtung von innen nach außen, so daß ein Teilstrom, der wesentlich kälter ist als die Gase im Bereich der Flamme, ständig eine hinterspülende Grenzschicht zwischeii dem Wassermantel und der daran umgelenkten Flamme bildet, wobei sich keine Fremdstoffteile rußbildend an der für die Oxidation zu kalten Kesselfläche abkühlen oder auch ansetzen können. Den Verbrennungsgasep wird dabei kein irgendwie gearteter Strömungsweg aufgezwungen· die Verbrennungsgase bewegen sich vielmehr ausschließlich entgegen der Wasserrotation, d. h. vorzugsweise mit einem linksdrehenden, durch die geradlinig einströmende Flamme ausgelösten Drall. Asche oder Feststoffteilchen sammeln sich daher im Kern der Brennkammer am Boden an, so daß in der Mitte der Brennkammer kein Führungselement erforderlich ist. Ferner ergibt sich eine vollkommene Durchmischung der Gase, wobei es zu widerholtem Kontakt mit dem Flammenbereich kommt. Dies gilt infolge der Zentrifu- :o gaJwirkung im Wirbel insbesondere für die schweren Kohlenstoff/Sauerstoffverbindungen im Gegensatz zu den leichteren Wasserstoff/Sauerstoffverbindungen der Verbrennungsgase. Eine vorteilhafte Verbrennung ist die Folge. Selbst mit Heizölbrennern herkömmlicher Art, die an anderen Kesseln nur mit hohem Luftüberschuß rußfrei arbeilen, gelingt beim erfindungsgemäßen Heizkessel eine nahezu stöchiometrische Verbrennung mit ruß- und schadstofffreien Abgasen.

Im wasserreichen Ringraum der als Rippenrohr ausgebildeten Nachschaltheizfläche bewegt sich die rotierende Wasserströmung quer über die Wülste der Längsschweißnähte des Rippenrohres. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dabei (bereits bei üblichem Betrieb mit Heizungspumpen kleinster Leistung) so stark, daß Turbulenzen in der Grenzschicht auftreten, die ihrerseits den Wärmeübergang entscheidend verbessern. Die eintretende Temperaturschichtung wird im obersten Kesselbereich durch eine Leitfläche im Bereich der Wasserentnahme aus dem Kessel aufgehoben, d. h. es ao tritt eine Mischung ein. Diese Mischung bringt eine Wassertemperatursenkung am oberen Ende des Rippenrohrs. Dadurch wird im Bereich der bereits abgekühlten Heizgase die Differenz zur Temperatur der Heiz- oder Verbrennungsgase abermals erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Vertikalschn'tt durch den Heizkessel:

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1; so

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 1;

F i g. 4 das Rücklaufrohr des Heizkessels;

F i g. 5 eine alternative Anordnung des Rücklaufrohrs des Heizkessels.

Der dargestellte Heizkessel 1 besteht aus einem Wassermantel 3, der mit seinem oberen Mantelteil 5 ein Rippenrohr 30 umgibt, während der untere Manteiteil 4 eine Brennkammer 9 seitlich umgibt.

Der untere Mantelteil 4 steht mit seinem unteren Ende 12 in einer mit einer feuerfesten Isoliermatte 14 ausgelegten Bodenwanne 13.

Isoliermantel 2 umgibt unter Zwischenschaltung einer aus Luft oder einem anderen Material bestehenden Isolierung den Wassermantel 3 und auch die Bodenwanne 13.

Die Brennkammer 9 ist kuppeiförmig ausgebildet, d. h. sie besteht aus einem Kreiszylinderraum, der sich nach oben hin kegel- oder kuppeiförmig (vgl. Fig. 1) verengt. Die Höhe der Brennkammer 9 ist etwa gleich dem Radius des Kreiszylinderraurns.

Der Wassermantel 3 wird außen durch eine kreiszylindrische Außenwand 6 begrenzt, die sich nach oben zum oberen Ende der Innenwand kegelförmig verjüngt; vgl. in F i g. 1 den oberen Außenwandabschnitt 69. Diese Innenwand ihrerseits besteht aus drei Abschnitten,und zwar einem unteren Wandabschnitt 72 einem mittleren Wandabschnitt 71 >uid einem oberen Wandabschnitt 73. Der obere Wandabschnitt 73 wird durch die Außenwand des Rippenrohrs 30 gebildet. Der untere Wandabschnitt 72 verläuft parallel zur Außenwand 6, ist also ebenfalls von kreiszylindrischer Gestalt Der mittlere Wandabschnitt 71 wird durch eine sich nach oben verjüngende Fläche gebildet, die am oberen Wandabschnitt 73 angeschweißt ist. Auf diese Weise entsteht ein Wassermantel 3, der mit einem breiten Ringraum die Zone des Rippenrohrs 30 und mit einem schmalen Ringraum die Brennkammer 9 umgibt Dieser Heizkesselaufbau ist fertigungstechnisch vorteilhaft und auch einfach zu montieren.

Im Bereich der Brennkammer 9 ist ein wassergekühlter Brennerstu;zen 20 vorgesehen, der seitlich nach rechts gegenübei der Kesselachse 26 versetzt ist (vgl. Fig.2). Der Brennerstutzen verläuft im wesentlichen tangential zur Brennkammer 9. Ein Brenner 25 ist über einen Brennerflansch 23 im Brennerstutzen 20 befestigt. Der obere Abschnitt 73 wird, wie bereits erwähnt, von der Außenfläche eines Rippenrohrs 30 gebildet. Das Rippenrohr 30 besteht aus einer Vielzahl von miteinander längs verschweißten Rippen 31. Die inneren Enden der Rippen 31 bilden einen Kreiszylinder, in den ein passendes Innenrohr 40 eingesetzt ist. Ein Deckel 41 verschließt das an beiden Enden offene Innenrohr 40 an seinem oberen Ende. Der Deckel 41 liegt lediglich lose auf dem Flansch d^s Innenrohrs auf.

Das Rippenrohr 30 ist außen an seinem oberen Ende mit der Außenwand 6 und an seinem unteren Ende mit dem oberen Ende des Innenmantelabschnitts 71 verschweißt, wobei zwischen dem Abschnitt 71 und dem Rippenrohr 30 ein Überstand 33 gebildet wird.

Am oberen Ende des Rippenrohres bzw. der Außenwand 6 des Kessels ist ein rohrförmiger Rauchgassammler 51 angeordnet, der nach oben durch einen Rauchgasdeckel 50 abgedeckt werden kann und zum Zwecke der Reinigung der Rippen entfernbar ist. Nach hinten austretend ist im Rauchgassammler 51 ein Abgasstutzen 52 angeschlossen.

Im obersten Bereich des oberen Mantelteils 5 ist noch ein Vorlaufrohr 10 mit dem Wassermantel in Verbindung stehend angeschweißt, um das aufgeheizte Wasser der Heizung zuzuführen.

Ein Rücklaufrohr 11 ist derart ausgebildet, daß das Wasser im Wassermantel in eine Drehung im Uhrzeigersinn (Fig. 3) versetzt wird. Nachdem der Brenner mit seiner Mittelachse nach rechts gegenüber der Kesselachse 26 versetzt angeordnet ist und somit einen gegen den Uhrzeigersinn nach links umlaufenden Verbrennungsgasstrom erzeugt, erreicht man durch die im Uhrzeigersinn im Wassermantel umlaufende Wasserströmung eine Gegenströmung zwischen dem Verbrennungsgas und dem Wasser, so daß sich eine wirkungsvolle Wärmeübertragung im Heizkessel ergibt. Wie in Fig. 1 gezeigt, durchdringt das Rücklaufrohr von oben her den Wassermantel 3 und endet mit seiner Austrittsöffnung 112 im Wassermantel der Brennkammer, so daß die Rotation des Wasserinhalts im Uhrzeigersinn bewirkt und durch die Umwälzpumpe

des Heizkreises aufrechlcrhallen wird (vgl. Fig.4 und 5). Alternativ kann (Fig.5) das Rücklaufrohr ill auch seitlich tangential derart an der Außenwand 6 im Bereich des unleren Wasserraums angeschweißt werden, daß sich die gewünschte Rotation im Uhrzeigersinn für das Wasser ergibt.

Ein kegelförmig nach oben stehender Leitring 61 ist im oberen Wassermantelteil 5 nahe dem unteren Ende des Rippenrohrs 30 befestigt.

Ferner ist im oberen Wassermantelteil 5 benachbart zur Mündung des Vorlaufrohrs 10 ein dreieckiges Leitblech 60 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Leitblech aus einem rechtwinkligen Dreiecksblech hergestellt, welches mit seiner Hypotenuse an der Innenseite der kegelförmig nach oben verlaufenden Außenwand 6 angeschweißt ist.

Es sei besonders darauf hingewiesen, daß es durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Heizkessels möglich ist, diesen aus verhältnismäßig wenigen Einzelteilen und mit nur wenigen einfachen Schweißnähten herzustellen. Der Kessel besteht, wie insbesondere aus Fi g. 1 ersichtlich ist, im wesentlichen aus einem die Außenwand 6 bildenden Stahlblech, welches in die in Fig. 1 gezeigte oben kegelförmig zulaufende Form gedrückt ist, sowie einem kleineren die Abschnitte 71 und 72 bildenden gedrückten Stahlblech, und schließlich noch dem Rippenrohr 30. Lediglich drei einfache Schweißnähte 90, 91, 92 sind erforderlich, um die drei eben genannten Bauteile miteinander zu verbinden.

Der in denkbar einfacher Weise aufgebaute Heizkessel wird vorzugsweise mit Öl beheizt (kann aber auch mit Gas beheizt werden) und ermöglicht in der Brennkammer 9 eine Verbrennung, bei der die Verbrennungsgase einen gleichsam endlosen Ausbrand in einem links rotierenden Wirbel erzeugen, so daß sich eine vollständige und nahezu stöchiometrische Verbrennung ergibt, wobei durch die Gegenrotation im Wassermantel 3 der Wärmeübergang an allen Stellen auf den physikalischen Maximalwert angehoben wird.

Der Ausdruck »links rotierend« bezieht sich auf die Draufsicht der F i g. 2. Die Corriolis-Kraft bewirkt auf der nördlichen Erdhalbkugel von Natur aus eine Wirbelbildung links herum, wobei für die Südhalbkugel das Gegenteil gilt. (Offensichtlich würde daher bei einem Heizkessel für die südliche Erdhalbkugel der Brenner in F i g. 2 nach links gegenüber der Kesselachse 26 tangential angeordnet sein, um die natürliche Wirbelbewegung auszunutzen.) Durch die tangenliale Einströmung der Verbrennungsgase in den Heizkessel wird die Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn oder links herum angeregt. Der in der Brennkammer entstehende Wirbel der Verbrennungsgase besitzt eine hohe Wirbelgeschwindigkeit, wobei die Rotation eine starke Temperaturschichtung von innen nach außen infolge der Fliehkraft hervorruft.

Beim erfindungsgemäßen Heizkessel erfolgt die Verbrennungsgasentnahme aus der Brennkammer 9

über den bereits erwähnten Überstand 33 hinweg durch einen kreisrunden Ringspalt (in den hinein sich die erwähnten Kippen erstrecken) nach oben. Durch die Höhe des Überstands 33 wird verhindert, daß zu heiße Gase aus dem Flammenbereich infolge des Auftriebs auf zu kurzem Weg zum Rippenrohr 30 gelangen. Die Rippen 31 des Rippenrohrs 30 spalten aus dem rotierenden Verbrennungsgaswirbel Teilströme ab, die mit natürlichem Drall turbulent aufsteigen und Wärme an die Rippen abgeben.

Der heiße Wirbelkern kann dabei den Totraum des Rippenrohrs 30 bestreichen, ohne jedoch abziehen zu können.

Der Überstand 33, der durch das Rippenrohr gebildet wird, in die Brennkammer 9 hinein beträgt mindestens V₅ des Durchmessers des Rippenrohrs.

Der erfindungsgemäße Heizkessel kann vorzugsweise in einem Leistungsbereich von etwa 10 bis 30 000 Kcal/h betrieben werden. Dabei ist eine Kesselgröße für diesen Leistungsbereich ausreichend, wobei

die verschiedenen LeistungiStufen durch Brennereinstellung erreicht werden.

Es sei besonders darauf hingewiesen, daß durch die beiden kegelförmig schräg nach oben verlaufenden Wände, nämlich Wandabschnitt 71 und oberen Außenwandabschnitt 69, erreicht wird, daß die Wärmedehnung des thermisch stark beanspruchten Rippenrohres 30 auf sehr einfache Weise von der Kesselaußenwand 6 und der Kesselinnenwand aufgenommen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, mit einer Brennkammer, in welcher ein Brenner mit einem tangential gerichteten Brennermund angeordnet ist, und mit einem die Brennkammer umgebenden Wassermantel, der mit einem Vorlaufrohr und einem Rücklaufrohr versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rücklaufrohr (11, 111) mit einer tangential entgegengesetzt zum Brennermund (27) gerichteten den gesamten Wassermantel (3) in Rotation versetzenden Austrittsöffnung (112) versehen ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermund (27) entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassermantel (3) mit dem oberen Mantelteil (5) ein Rippenrohr (30) und mit dem unteren Mantelteil (4) die Brennkammer (9) umgibt.

4. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (9) als Kreiszylinderraum ausgebildet ist, der sich nach oben hin kegelförmig verengt

5. Heizkessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Brennkammer (9) etwa gleich dem Radius R des Kreiszylinderraumes ausgebildet ist

6. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassermantel (3) von einer kreiszylindrischen Außenwand (6) umgeben ist, an der oben ein kegelförmig verjüngter Außenwandabschnitt (69) angeordnet ist.

7. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Wassermantels (3) durch einen unteren Wandabschnitt (72), einen mittleren Wandabschnitt (71) und einen oberen Wandabschnitt (73} gebildet ist, wobei der miniere Wandabschnitt (71) durch eine sich kegelförmig verjüngende Fläche gebildet ist.

8. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Wandabschnitt (73) durch die Außenwand des Rippenrohres (30) gebildet ist.

9. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem mittleren Wandabschnitt (71) ein Überstand (33) des Rippenrohres (30) vorsteht.

10. Heizkessel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (33) mindestens ein Fünftel des Durchmessers des Rippenrohres (30) beträgt

11. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorlaufrohr (10) im obersten Bereich des Wassermantels (3) angeordnet ist.

12. Heizkessel nach Anspruch! bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rücklaufrohr (11) den oberen Mantelteil (5) durchdringt und mit einer als Bogen ausgebildeten Austrittsöffnung (112) im Bereich des mittleren Wandabschnitts (71) endet.

13. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rücklaufrohr (111) an der Außenwand (6) im Bereich des unteren Wasserraumes angeordnet ist.

14. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmig nach oben

stehender Leitring (61) im oberen Mantelteil (5) nahe dem unteren Ende des Rippenrohres (30) angeordnet ist

15. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Mantelteil (5) an der Mündung des Vorlaufrohrs (10) ein Leitblech (60) angeordnet ist

16. Heizkessel nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech (60) quer zur Rotationsrichtung des Wassers angeordnet ist