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Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten,
mit einem inneren, die eigentliche Brennkammer begrenzenden Hohlraum (innerer Kessel)
und einem äußeren im Abstand dazu angeordneten Hohlraum (äußerer Kessel), mit senkrecht
verlaufenden Wänden, wobei der innere und der äußere Kessel die zu erwärmende Flüssigkeit
beinhalten, und wobei der die Brennerflamme erzeugende Brenner am oberen Ende der
Vorrichtung angeordnet ist, so daß die Brennerflamme in etwa senkrecht nach unten
auf den Boden der Brennkammer gerichtet ist, und mit Vor- und Rücklaufanschlüssen
zur Weiterleitung der erwärmten Flüssigkeit in einen Heiz-: kreis.
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Bei Vorrichtungen dieser Art wird ein flüssiges Medium, üblicherweise
Wasser, in einer Brennkammer erwärmt, z. B. unter der Einwirkung der Flamme eines
Ölbrenners. Das erwärmte Wasser kann dann einer Heizungsanlage zugeführt werden.
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Beim Verbrennen entstehen bekanntlich Rauchgase, die über einen mit
der Brennkammer in Verbindung stehenden Rauchgasabzug in die Atmosphäre geleitet
werden. Diese Rauchgase bilden in nachteiliger Weise ein Kondensat, wenn ihre Kondensationstemperatur
(Rauchgastaupunkt) unterschritten wird, wobei schweflige Säure entstehen kann, die
dann zu unerwünschten Korrosionsschäden am Kessel führt.
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Die erwähnte Kondensation tritt auf bzw. an der Kesselwand des das
zu erwärmende Wasser beinhaltenden Kessels auf. Während in der Brennkammer selbst
nämlich sehr hohe Rauchgastemperaturen vorherrschen, ist im Vergleich dazu die Wandtemperatur
des Kessels relativ niedrig. Sie liegt nur etwas oberhalb
der Temperatur
des erwärmten Wassers.
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Zur Vermeidung der schädlichen Kondensatbildung könnte man zwar daran
denken, die Wandtemperatur des Kessels immer oberhalb des Taupunktes (etwa 50 bis
60"C) zu halten, allerdings ließe sich das nur zu Lasten einer schlechten Energiebilanz
verwirklichen. Man hat nämlich erkannt, daß der Wirkungsgrad der hier zur Rede stehenden
Vorrichtungen besonders günstig ist, wenn der sogenannte Niederternperaturbetrieb
zugrundegelegt wird, das Wasser also nur so weit erwärmt wird, wie dies die angeschlossene
Heizungsanlage erfordert. Ein wesentlicher Faktor ist dabei, daß die Abstrahlungsverluste
im Niedertemperaturbetrieb geringer sind als im Hochtemperaturbetrieb.
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Für eine Fußbodenheizung ist es beispielsweise völlig ausreichend,
das Wasser auf etwa 30 bis 40"C zu erwärmen.
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Würde man das Wasser - um den Taupunkt nicht zu unterschreiten - auf
höhere Werte aufheizen, so wäre der Einbau zusätzlicher Mischer erforderlich, um
das heiße Wasser auf die gewünschte niedrigere Temperatur 8herunterzumischen". Im
übrigen ist es natürlich unwirtschaftlich, das Wasser auf höhere Temperaturwerte
zu erhöhen, als erforderlich.
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Dem Niedertemperaturbetrieb kommt also gerade im Blickwinkel der
allgemeinen Energieknappheit und dem Ziel der Energieeinsparung eine zunehmend gewichtige
Bedeutung bei.
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Unter dem wichtigen Gesichtspunkt eines guten Wirkungsgrades ist
auch noch die Größe der Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten entscheidend.
Die Tendenz geht hier zu einem kompakten Aufbau und zu relativ kleinen Kesseln,
weil dadurch die Abstrahlungsverluste in Grenzen gehalten werden können, wenn gleichzeitig
dafür Sorge getragen ist, daß
trotz der kompakten Bauweise noch
eine relativ große Heizfläche zum Erwärmen der Flüssigkeit zur Verfügung steht.
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Durch die DE-OS 29 27 193 (Fig. 3), von der die Erfindung ausgeht,
ist eine Vorrichtung bekannt geworden, die gerade den zuletzt angesprochenen Aspekt
berücksichtigt. Zur Erzielung einer großen Heizfläche trotz kompakter Bauweise ist
dort ein "Doppelkessel" vorgesehen, der einen inneren ringförmigen Kessel und einen
äußeren ebenfalls ringförmigen Kessel umfaßt, die zwischen sich einen Zwischenraum
bilden, durch den die Rauchgase nach oben zum Rauchgasabzug strömen. Die Erwärmung
des Wassers erfolgt also zum einen in der eigentlichen Brennkammer, und zum anderen
wird das Wasser auch noch durch die in dem Zwischenraum strömenden warmen Rauchgase
aufgeheizt. Um eine geordnete Zirkulation des Wassers sowohl zwischen dem inneren
und äußeren Kessel (bei abgeschaltetem Vorlauf, d. h. bei nicht angeschalteter Heizung)
als auch zwischen den Kesseln und der angeschlossenen Heizung (wenn diese in Betrieb
ist) zu erzielen, ist bei der bekannten Vorrichtung eine übliche Kesselkreispumpe
vorgesehen, die eine Zwangsführung für die jeweiligen Wasserkreisläufe bildet.
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Zwar hat sich die bekannte Vorrichtung gegenüber den bis dahin üblichen
Anlagen als vorteilhaft erwiesen, dennoch ist anzumerken, daß das weiter oben angesprochene
Problem der Kondensatbildung der Rauchgase noch nicht befriedigend gelöst ist. Als
Folge der erwähnten Zwangsführung mit hoher Wassergeschwindigkeit in der Rohrschlange
unterscheidet sich nämlich die Temperatur der Kesselwände nur gering von der Wassertemperatur,
d. h., wegen des geringen wasserseitigen Temperaturgradienten der Kesselwand liegt
deren Temperatur nur wenig über der Wassertemperatur. Im Niedertemperaturbetrieb
fallen somit die schädlichen Rauchgaskondensate in großer Menge an, die an den Kesselwänden
herunterlaufen und sich unten auf dem
Boden der Brennkammer sammeln.
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Bei der bekannten Vorrichtung werden die schädlichen Kondensationsprodukte
allerdings dadurch beseitigt, daß die Brennerflamme direkt auf den heißen, ungekühlten
Boden der Brennkammer gerichtet ist, so daß die dort sich ansammelnde Flüssigkeit
wieder verdampft. Diese Art der Beseitigung der Kondensationsprodukte muß jedoch
aus Energieüberlegungen als unrentabel angesehen werden. Die Aufheizung des Bodens
der Brennkammer sorgt zwar für eine Verdampfung der Kondensationsprodukte, diese
Energie geht aber für die vorrangig gewünschte Erwärmung des Wassers verloren. Die
Strahlungsverluste am Boden der Brennkammer tragen somit zu einem relativ ungünstigen
Wirkungsgrad bei.
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Die voranstehenden Ausführungen verdeutlichen, daß sich bisher zwei
Gesichtspunkte gegenüberstanden, deren Verwirklichungen sich gegenseitig ausschließen.
So wird einerseits angestrebt, den Niedertemperaturbetrieb zu ermöglichen, was aber
zwangsläufig zu einer erhöhten Kondensatbildung führt. Die Beseitigung der Kondensatprodukte
läßt sich andererseits nur durch einen erhöhten Energieaufwand realisieren.
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Zur Beherrschung des Problems der schädlichen Kondensate war es daher
bis jetzt unumgänglich, eine Begrenzung der Minimaltemperatur des Wassers einzuhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vereinigung der oben
erwähnten sich bisher ausschließenden Gesichtspunkte zu ermöglichen und unter Beibehaltung
einer kompakten Bauweise eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten zu schaffen,
die sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet und frei von einer Begrenzung
der Minimal temperatur beim Niedertemperaturbetrieb ist, ohne daß eine erhöhte Kondensatbildung
auftritt.
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Die Erfindung löst die Aufgabe bei der eingangs vorausgesetzten Vorrichtung
dadurch, daß der äußere Kessel sich nach Art eines Topfes auch im Bereich des Bodens
erstreckt, wodurch ein mit der Flüssigkeit gefüllter Bodenraum entsteht, daß der
äußere und innere Kessel im unteren Bereich der Brennkammer unter Beibehaltung von
Zwischenräumen für die Rauchgasströmung miteinander in Verbindung stehen, und daß
der Vorlaufanschluß am oberen Ende des inneren Kessels angeschlossen ist und über
eine Drossel mit dem äußeren Kessel in Verbindung steht, an den der Rücklauf anschließt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also am Boden der Brennkammer
ein mit der Flüssigkeit gefüllter Bodenraum vorgesehen, und dies bedeutet, daß auch
an dieser Stelle eine Erwärmung der Flüssigkeit stattfindet, während bei der bekannten
Vorrichtung der Boden unnütz aufgeheizt wurde, was zu relativ großen Strahlungsverlusten
geführt hat. Somit führt das erste Merkmal der Erfindung zu einer wesentlichen Verringerung
der Strahlungsverluste und damit auch zu einem besseren Wirkungsgrad, da mehr Wasser
erwärmt wird.
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Es ist allerdings daran zu erinnern, daß bei der bekannten Vorrichtung
der sehr heiße Boden erforderlich war, um für die Verdampfung des sich am Boden
ansammelnden Kondensats zu sorgen. Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sozusagen
ein "wassergekühlter Boden" vorliegt, läßt sich das dort anfallende Kondensat insbesondere
bei Niedertemperaturbetrieb wegen der relativ geringen Temperatur des Bodens nicht
mehr in größeren Mengen verdampfen.
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Um hier Abhilfe zu schaffen, verzichtet die Erfindung auf die bei
der bekannten Vorrichtung vorgesehene Zwangs führung des Wassers, bei der das Wasser
durch eine Kesselpumpe angetrieben
und relativ schnell an den
Kesselwänden vorbeiströmt.
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Vielmehr nutzt die Erfindung das sogenannte Schwerkraftprinzip aus,
bei dem die in jedem Fall erforderliche Zirkulation des Wassers allein aufgrund
der Temperaturunterschiede des Wassers im Kessel erfolgt. In diesem Fall strömt
das Wasser erheblich langsamer an den Kesselwänden, und es hat sich gezeigt, daß
sich dann ein größerer, wasserseitiger Temperaturgradient der Kesselwand ergibt.
Die Temperatur der der Brennkammer zugewandten Kesselwand ist deshalb beträchtlich
höher als die Temperatur des in dem Kessel befindlichen Wassers, so daß auch im
Niedertemperaturbetrieb der Taupunkt für die Rauchgase nicht unterschritten zu werden
braucht.
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Die geordnete Zirkulation des Wassers zwischen dem inneren und dem
äußeren Kessel sowie auch in Verbindung mit dem angeschlossenen Heizkreis wird bei
der Erfindung dadurch ermöglicht, daß der äußere und der innere Kessel im unteren
Bereich der Brennkammer miteinander in Verbindung stehen, und daß der am oberen
Ende des inneren Kessels angeschlossene Vorlaufanschluß über eine Drossel mit dem
äußeren Kessel in Verbindung steht.
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Versuche haben bestätigt, daß durch diese neuartigen Merkmale eine
geordnete Zirkulation des Wassers sowohl bei angeschalteter Heizkreispumpe als auch
bei abgesperrtem Vorlauf gewährleistet ist.
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Damit die Rauchgase nach wie- vor in dem Zwischenraum zwischen dem
inneren und dem äußeren Kessel nach oben strömen können, erfolgt die Verbindung
des äußeren und des inneren Kessels im unteren Bereich der Brennkammer in der Weise,
daß ausreichend Platz für die Rauchgase zur Verfügung steht, so daß diese ungehindert
am Boden der Brennkammer in den erwähnten Zwischenraum zwischen dem inneren und
äußeren Kessel gelangen können.
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Insgesamt wird durch die Erfindung eine neuartige Vorrichtung geschaffen,
die eine kompakte Bauweise gestattet, und die den in wirtschaftlicher Hinsicht so
günstigen Niedertemperaturbetrieb ermöglicht und praktisch keine Begrenzung der
Minimal temperatur des Kesselwassers erforderlich macht.
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Gleichwohl ist das Problem des Kondensats voll gelöst, da wegen des
verwendeten Schwerkraftprinzips und dem damit verbundenen hohen Temperaturgradienten
der Kesselwände der Taupunkt der Rauchgase an den Kesselwänden nicht unterschritten
wird. Von besonderem Vorteil ist auch noch der Umstand, daß der gesamte Aufwand
der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ gering ist, da wegen des Schwerkraftprinzips
die bekannte Kesselpumpe nicht mehr erforderlich ist und entfallen kann.
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Auch auf die bei bekannten Vorrichtungen eingesetzten zusätzlichen
Mischventile kann bei der Erfindung verzichtet werden, da wegen des ohne Schwierigkeiten
möglichen Niedertemperaturbetriebes ein "Heruntermischen" der Wassertemperatur nicht
mehr erforderlich ist.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird die erwähnte
Drossel durch eine Bohrung in dem als Rohr ausgebildeten Vorlaufanschluß gebildet.
Das Verhältnis des Drosselquerschnitts beträgt vorzugsweise 1/5 des Querschnitts
des Rohres des Vorlaufanschlusses. Dieses Verhältnis von 1:5 entspricht etwa den
Heizleistungen der beiden Kessel, wobei dann dafür Sorge getragen ist, daß an der
Drosselstelle möglichst gleiche Temperaturen des Wassers des-inneren und des äußeren
Kessels vorherrschen.
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Es kann vorkommen, daß sich bei extrem geringen Wassertemperaturen
im Niedertemperaturbetrieb auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung geringe Kondensatmengen
an den nachgeschalteten Heizflächen bilden, die an den senkrechten Kesselwänden
nach unten auf den Boden fließen. Letzterer ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung muldender
Erfindung muldenförmig ausgebildet, wobei
die tiefste Stelle in der Mitte der Brennkammer liegt, wo sich dann die Flüssigkeit
sammeln wird. An dieser Stelle trifft aber die Brennerflamme auf den Boden auf,
so daß für eine Verdampfung der u U. anfallenden Kondensate Sorge getragen ist.
Korrosion der Heizflächen durch zeirweise anfallendes Kondensat verhindert eine
bekannte Beschichtung.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird
die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Prinzipdarstellung
einer Querschnittsansicht eines Doppelkessels, Fig. 2 eine weitere Querschnittsansicht
in Richtung der Längsachse, und Fig. 3 eine Detail-Querschnittsansicht gemäß Fig.
1.
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Der zeichnerisch dargestellte Doppelkessel 1 mit einem nur schematisch
angedeuteten Brenner 2 zur Erzeugung einer Brennerflamme 4 in der Brennkammer 6
umfaßt einen inneren Kessel 8 und einen äußeren Kessel 10, die jeweils mit dem zu
erwärmenden Medium - hier Wasser - gefüllt sind.
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Der innere Kessel 8 und der äußere Kessel 10 bilden einen ringförmigen
Zwischenraum 12, durch den die aufsteigenden Rauchgase zum Rauchgasabzug 14 gelangen
können. Ein Kesseldeckel 16 schließt den Doppelkessel 1 ab, während die Brennkammer
6 durch einen Brennkammerdeckel 18 begrenzt ist.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist in dem Brennkammerdeckel ein Trichter 48 vorgesehen,
der einen geringen Spalt 50 freiläßt, und durch diesen Spalt werden in der Arbeitsstellung
des Brenners 2 als Folge der dann auftretenden Sogwirkung geringe
Rauchgasanteile
in die Brennkammer 6 zurückgeleitet. Dadurch wird ein gewisser Unterdruck hergestellt,
wodurch der Anfahrstoß beim Brennerstart reduziert wird.
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Der Doppelkessel 1 arbeitet nach dem sogenannten Schwerkraftprinzip,
d. h. die Zirkulation des Wassers erfolgt lediglich aufgrund der Temperaturunterschiede
des Wassers an unterschiedlichen Stellen des Doppelkessels 1, so daß eine besondere
Kesselpumpe nicht erforderlich ist. Der äußere Kessel 10 ist nach Art eines Topfes
mit einem Bodenraum 20 ausgestattet, in dem sich gleichfalls Wasser befindet, und
der über vier Rohrstutzen 22 (vgl. auch Fig. 2) mit dem unteren Ende des inneren
Kessels 8 verbunden ist.
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Am oberen Ende des inneren Kessels 8 ist ein Vorlaufanschluß 28 angeschlossen,
der zu einem Heizkreis 30 mit einer Heizkreispumpe 40 und einer Heizungsanlage 42
führt. Der Rücklaufanschluß 44 befindet sich am unteren Ende des äußeren Kesseis
10. Schließlich ist noch in an sich bekannter Weise ein offenes Ausdehnungsgefäß
46 vorgesehen.
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Eine weitere Verbindung zwischen dejn inneren Kessel 8 und dem äußeren
Kessel 10 wird dadurch hergestellt, daß in dem Vorlaufanschluß 28 eine Drossel 26
in Form einer Bohrung vorgesehen ist, so daß an dieser Stelle ein Wasserübergang
zwischen dem inneren und äußeren Kessel stattfinden kann. Zusammen mit den schon
erwähnten Rohrstutzen 22 gewährleistet die Drossel 26, die übrigens auch durch mehrere
Bohrungen realisiert werden kann, eine geordnete Wasserzirkulation.
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Das Verteilungsproblem des Wassers zwischen dem inneren Kessel 8
und dem äußeren Kessel 10 ist sowohl bei Stillstand der Heizkreispumpe 40 (abgesperrter
Vorlauf) als auch bei in Betrieb befindlichem Heizkreis 30 gewährleistet. Bei abgesperrtem
Vorlauf
strömt das erwärmte Wasser in dem thermisch hoch belasteten inneren Kessel 8 von
unten nach oben, und diese Strömung setzt sich über die Drossel 26 in dem äußeren
thermisch schwach belasteten Kessel 10 als nach unten gerichtete Strömung fort,
so daß eine geschlossene Zirkulation entsteht.
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Bei angeschalteter Heizkreispumpe erfolgt die Zirkulation über den
Heizkreis 30, wobei die Drossel 26 dann dafür sorgt, daß keine Überhitzung des äußeren
Kessels 10 auftritt, von dem ebenfalls heißes Wasser in den Heizkreis 30 gelangt.
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Der Querschnitt der Drossel 26 verhält sich zum Querschnitt des Vorlaufanschlusses
28 etwa wie 1:5, was in etwa dem Verhältnis der Heizleistungen des äußeren Kessels
10 und des inneren Kessels 8 entspricht.
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Im Vorlaufanschluß 28 sind in an sich üblicher Weise noch Temperaturfühler
34 angeordnet, die mit Reglern und Sicherheits-Temperaturbegrenzern 36 und einer
Temperatur anzeige 38 verbunden sind. Außerdem ist am oberen Ende des äußeren Kessels
10 noch eine Entlüftung 32 vorgesehen.
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Aufgrund der großen, horizontalen Wasserquerschnitte des Doppelkessels
sind die durch die Heizkreispumpe erzwungenen Wassergeschwindigkeiten sehr klein.
Auch die sich aufgrund des Schwerkraftprinzips einstellende Strömung im inneren
Kessel 8 und im äußeren Kessel 10 ist relativ gering, und dies führt dazu, daß ein
relativ großer Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Wassers und der
Temperatur des Kesselmantels auf der dem Wasser abgewandten Seite vorhanden ist.
So beträgt die Temperatur des Kesselmantels beispielsweise 50ob, wenn die Wassertemperatur
30"C ist. Wegen dieses großen Temperaturgradienten kann man relativ geringe Wassertemperaturen
wählen, ohne daß der Taupunkt auf dem Kesselmantel wesentlich unterschritten wird,
an dem die Rauchgase vorbeistreichen.
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Vorteilhaft ist auch die senkrechte Anordnung des Doppelkessels 2
und die Ausnutzung der in dem Zwischenraum 12 nach oben steigenden Rauchgase zur
weiteren Aufheizung des Wassers in dem inneren Kessel 8 und dem äußeren Kessel 10.
Trotz der kompakten Bauweise stehen somit große Aufheizflächen für das Wasser zur
Verfügung.
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Eine weitere Verbesserung läßt sich gemäß der zweckmäßigen Ausgestaltung
in Fig. 3 dadurch erzielen, daß in den Zwischenraum 12 ein als offener Zylinder
ausgebildetes Strahlungsblech 52 eingetaucht wird. Letzteres wird durch die aufsteigenden
Rauchgase erwärmt und wirkt dann als eine Nebenheizfläche, die nach beiden Seiten
Wärme zur Erhitzung des Wassers abstrahlt. In zweckmäßiger Weise ist das Strahlungsblech
nicht glatt ausgebildet, sondern mit Hindernissen 54 versehen, die eine Verwirbelung
der aufsteigenden Rauchgase bewirken. Dadurch wird der konvektive Wärmeübergang
erhöht, so daß die damit angestrebte Funktion verbessert wird.
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Das Strahlungsblech 52 ist aber noch unter einem anderen Gesichtspunkt
von Bedeutung. Bekanntlich dürfen die in den Schornstein geleiteten Rauchgase bestimmte
Temperaturwerte nicht unterschreiten und nicht überschreiten. Dies führt zu Schwierigkeiten,
wenn z. B. bei einem vorgegebenen Doppelkessel die Heizleistung erhöht werden soll,
Infolge der dann höheren Brennerleistung kann dann die Rauchgastemperatur leicht
den weiter oben erwähnten vorgeschriebenen Wert übersteigen.
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Hier hilft das Strahlungsblech 52 ab, welches den Rauchgasen zusätzliche
Wärme entnimmt.
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Durch unterschiedliche Eintauchtiefen des Strahlungsbleches 52 in
den Zwischenraum 12 lassen sich in vorteilhafter Weise bei einem vorgegebenen Doppelkessel
unterschiedliche
Leistungsbereiche realisieren, denn je tiefer
das Strahlungsblech 52 eingetaucht wird, je größer also die "Nebenheizfläche" des
ringförmigen Strahlungsbleches ist, umso mehr Wärme wird den Rauchgasen entzogen.
Somit läßt sich auch bei einer Leistungserhöhung einer vorgegebenen Anlage gewährleisten,
daß die in den Schornstein geleiteten Rauchgase den vorgeschriebenen Tamperaturwert
nicht überschreiten. Bei einer Leistungsabsenkung läßt sich ebenso vorteilhaft eine
zu weit abgesunkene Rauchgastemperatur durch eine verminderte Eintauchtiefe des
Strahlungsbleches 52 wieder über den unteren Grenzwert anheben.
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Wie die Darstellung in Fig. 1 zeigt, ist der Boden 24 muldenförmig
ausgebildet, wobei sich die tiefste Stelle in der Mitte der Brennkammer befindet.
Wenn daher bei extrem niedrigen Wassertemperaturen doch Kondensate an den senkrechten
Wänden der beiden Kessel 8 und 10 anfallen sollten, fließen diese nach unten und
sammeln sich in der Mitte des Bodens 24.
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Senkrecht darüber befindet sich aber der Brenner 2 mit der Brennerflamme
4, so daß in der erwähnten Mulde besonders hohe Temperaturen herrschen und das ggfs.
anfallende Kondensat ohne weiteres verdampfen kann.