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Heizkessel
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel.
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Heizkessel dienen zur Erzeugung der Wärme für zentrale Heizungs-und
Klimaanlagen. In ihnen wird ein Energieträger wie z. B.
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Kohle, Gas oder Öl verbrannt. Die Verbrennungswärme wird durch Konvektion
und Strahlung an einen Wärmeträger - üblicherweise Wasser oder Wasserdampf - abgegeben.
Der Wärmeträger zirkuliert in einem geschlossenen Kreis und transportiert die Wärme
zu Wärmeverbrauchern wie z. B. Heizkörpern und Wärmeaustauschern in Lüftungs- und
Klimaanlagen.
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Bekannte Heizkessel besitzen einen geschweißten Druckkörper, dessen
Herstellung mit einem hohen Aufwand verbunden ist und insbesondere umständliche
Schweißprüfungen erfordert.
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Bekannte Heizkessel sind überdies hinsichtlich der möglichen Baugrößen
wenig flexibel.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen konstruktiv unaufwendigen,
problemlos
in verschiedensten Baugrößen zu fertigenden Heizkessel anzugeben, der insbesondere
keine druckbelasteten Schweißnähte besitzt.
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Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 gelöst durch einen Heizkessel mit
einem Gehäuse, das einen eine Brennkammer umschließenden Rohrkörper und eine nahe
dem Außenmantel des Rohrkörpers angeordnete, einen Wärmeträger führende Wärmekreisleitung
enthält, die in Schüttgut mit guten Wärmeleiteigenschaften eingebettet ist.
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Der die Brennkammer umschließende Rohrkörper kann nahtlos gefertigt
werden. Er unterliegt keinen Druckbelastungen durch den erhitzten Wärmeträger. Druckkörper
ist bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel allein die Wärmekreisleitung, die ebenfalls
ohne Schweißnähte am Strang hergestellt werden kann. Das Schüttgut, in das die Wärmekreisleitung
eingebettet ist, sorgt für einen guten Wärmeübergang zwischen der Wand der Brennkammer
und dem Wärmeträger. Es vermittelt eine schwimmende Lagerung der Wärmekreisleitung,
durch die letztere bei Temperaturschwankungen in gewissen Grenzen arbeiten, d. h.
sich ausdehen und zusammenziehen kann. Das Schüttgut stellt weiterhin einen Wärmespeicher
mit hoher Wärmekapazität dar, durch den die Wärmeentnahme von dem Heizkessel gepuffert
wird.
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Hierdurch ist ein stetiger, energiesparender Betrieb der Heizung möglich.
Der den Brennraum umgebende Rohrkörper läßt sich in einer Vielzahl möglicher Durchmesser
herstellen und in beliebiger Weise ablängen. Ebenso läßt sich auch die Länge der
Wärmekreisleitung in weiten Grenzen frei wählen, so daß
man Heizkessel
verschiedenster Baugrößen zusammenstellen kann.
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Bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sind in nachgeordneten Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Die in Anspruch 2 genannten Schüttgutmaterialien zeichnen sich durch
ein gutes Wärmeleitvermögen, eine hohe Wärmekapazität, ein geringes Gewicht und
einen niedrigen Preis aus. Sie erlauben es, hohe Packungsdichten zu verwirklichen.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 ermöglicht eine einfache Beschickung
des Gehäuses mit dem Schüttgut2 Gegebenenfalls kann Schüttgut nachgefüllt werden,
nachdem sich die erste Charge gesetzt hat. Außerdem werden einfache Wartungsmöglichkeiten
eröffnet.
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Ein Verlegen der Wärmekreisleitung gemäß Anspruch 4 oder 5 ist herstellungstechnisch
besonders einfach. Die Anordnung gemäß Anspruch 6 entspricht dem praktischen Bedürfnis,
mehrere Wärmekreise gleichzeitig zu versorgen, z. B. den einer Raumheizung und Warmwasserbereitung.
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Die Anordnung gemäß Anspruch 7 erlaubt es, die zum Kamin hin abgegebenen
Rauchgase zu kühlen. Hierdurch werden Wärmeverluste vermieden, und der Wirkungsgrad
des Heizkessels wird erhöht. Weiterhin wird sichergestellt, daß den Vorschriften
entsprechend die obere Grenztemperatur für das austretende Rauchgas (Abzugstemperatur)
nicht überschritten wird.
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Mit den Maßnahmen des Anspruchs 8 wird eine annnähernd vollständige
Einbettung der Wärmekreisleitung in das Schüttgut gewährleistet und der Wärmeübergang
verbessert. Die Weiterbildung gemäß Anspruch 9 verhindert eine Schwitzwasserbildung
in dem Schüttgutraum.
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Das gemäß Anspruch 10 als Gehäusemantel dienende Hüllrohr läßt sich
auf kostengünstige Weise z. B. aus Kunststoff fertigen.
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Seine Anordnung koaxial zu dem die Brennkammer enthaltenden Rohrkörper
sichert dem erfindungsgemäßen Heizkessel einen höchst kompakten Aufbau.
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Die Anordnung einer die Brennkammer umgebenden Wärmekreisleitung macht
den erfindungsgemäßen Heizkessel besonders geeignet für Anwendungen als Prozeßkessel
in der chemischen Industrie.
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Die Anordnung gemäß Anspruch 13 erlaubt insbesondere eine Erwärmung
aggressiver Medien.
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Bei einer Verbrennung von Feststoffen gemäß Anspruch 14 und 15 hat
die rohrförmige Ummantelung der Brennkammer den besonderen Vorteil, daß auch die
herabfallende Asche einen Beitrag zur Aufheizung des Wärmeträgers leistet.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Schematisch zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel
mit Ölfeuerung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel
mit Gasfeuerung; Fig. 3 einen stirnseitigen Blick in die-Brennkammer eines Heizkessels
mit Festkörperfeuerung teilweise im Schnitt, Fig. 4 die ausschnittsweise Mantel
abwicklung eines Rohrkörpers, der die Brennkammer gemäß Fig. 3 begrenzt.
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Bezugnehmend auf Fig. 1, erkennt man einen Ölkessel. Dieser besitzt
eine Brennkammer 1, die von einem Rohrkörper 2 umschlossen wird. Der Rohrkörper
2 ist im wesentlichen kreiszylindrisch. Er wird an seinem einen axialen Ende von
einem Boden 3 verschlossen, der mit dem Rohrmantel fest verbunden, z. B. verschweißt
ist. Das andere axiale Ende des Rohrkörpers 2 ist wenigstens teilweise offen. An
diesem Ende ist an den Rohrkörper 2 ein Flansch 4 angeformt, an den sich in bekannter
Weise ein Öl brenner 5 anflanschen läßt. Von der Brennkammer 1 geht ein Rauchrohr
6 ab, das die Verbrennungsgase zu einem Kamin führt. Weiterhin ist ein Abzugsrohr
7 kleinen Durchmessers vorgesehen, durch das Schwitzwasser aus der Brennkammer 1
abgeleitet wird.
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Die Brennkammer 1 wird von einer Wärmekreisleitung 8 umgeben, die
einen Wärmeträger führt. Die Wärmekreisleitung 8 kann insbesondere Teil eines üblichen
Heizungskreislaufs sein, wobei als Wärmeträger in erster Linie Wasser oder Wasserdampf
in Betracht kommt. Gemäß Fig. 1 hat die Wärmekreisleitung 8 die Gestalt einer Rohrschlange,
die in spiralen Windungen um den Rohrkörper 2 gelegt ist. Die Rohrschlange kommt
dabei nahe dem Außenmantel des Rohrkörpers 2 zu liegen. Sie ist
in
ein Schüttgut 9 mit guten Wärmeleiteigenschaften eingebettet.
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Das Schüttgut 9 nimmt einen Bereich zwischen dem Rohrkörper 2 und
den Wänden eines Gehäuses 10 ein, das einen Schüttgutraum 11 begrenzt. An der Außenseite
des Gehäuses 10 befindet sich ein zur Wärmedämmung dienender Isoliermantel 12.
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Die Wärmekreisleitung 8 bildet den Druckkörper des Heizkessels.
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Sie ist mit Anschlüssen für den Vorlauf 13 und Rücklauf 14 des Wärmekreises
versehen, die in geeigneter Weise durch den Isoliermantel 12 hindurchgeführt sind.
Durch die Einbettung der Wärmekreisleitung 8 in ein Schüttgut wird ein guter Wärmeübergang
von dem Rohrmantel 2 der Brennkammer 1 auf den Wärmeträger erzielt, der in der Wärmekreisleitung
8 zirkuliert. Weiterhin ermöglicht das Schüttgut 9 der Wärmekreisleitung 8, bei
auftretenden thermischen Spannungen in gewissen Grenzen zu arbeiten, d. h. sich
auszudehen oder zusammenzuziehen, ohne daß der Wärmekontakt zu dem Rohrkörper 2
verlorengeht. Als Schüttgut kommen beispielsweise Graphit, Kohlenstofffasern oder
Metallpartikel insbesondere in Form von Staub oder feinen Spänen in Betracht. Geeignete
metallische Materialien sind Kupfer, Aluminium und Leichtmetall-Legierungen.
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Die erwähnten Schüttgüter können in Reinform oder als Gemische Verwendung
finden. Sie zeichnen sich durch ein hohes Wärmeleitvermögen bei niedrigem spezifischem
Gewicht und nicht zuletzt durch einen günstigen Preis aus. Weiterhin stellt die
erfindungsgemäße Schicht aus Schüttgut einen Wärmespeicher mit hoher Wärmekapazität
dar. Dieser Wärmespeicher puffert die Energieentnahme von dem Heizkessel. Es ist
dadurch möglich, die Verbrennung stetiger zu fahren, als bei konventionellen
Heizkesseln,
was sich günstig auf den Brennstoffverbrauch und die Abgaswerte des Heizkessels
auswirkt.
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Die äußere Wand des Schüttgutraums 11 wird gemäß Fig. 1 von einem
Hüllrohr gebildet, das die Brennkammer 1 in koaxialer Anordnung umgibt. Das Gehäuse
des erfindungsgemäßen Heizkessels wird so im wesentlichen aus zwei Rohren aufgebaut,
nämlich einem inneren, die Brennkammer 1 umschließenden Rohrkörper 2, und einem
äußeren, den Schüttgutraum 11 begrenzenden Hüllrohr. Diese Anordnung bringt wesentliche
herstellungstechnische Vereinfachungen und entsprechende Preisvorteile mit sich.
Die Rohre können insbesondere nahtlos am Strang gefertigt werden, so daß umständliche
Schweißarbeiten und die damit verbundenen Schweißprüfungen in weitem Umfang entfallen.
Das Material des Rohrkörpers 2, der die Brennkammer 1 umgibt, ist entsprechend den
Forderungen nach Wärmebeständigkeit und Gasdichtigkeit zu wählen. Es sei angemerkt,
daß der Rohrkörper 2 keinen Druckbelastungen unterliegt, da als Druckkörper des
Heizkessels die Wärmekreisleitung 8 dient.
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Vorzugsweise ist der Rohrkörper 2 aus Guß, Stahl oder Edelstahl gefertigt,
wobei die Wandstärke niedriger gehalten werden kann als bei konventionellen Heizkesseln.
Die Innenwand des Rohrkörpers 2 kann mit einem hitzebeständigen Material wie Schamott
oder Asbest ausgekleidet sein; in vielen Fällen kann man jedoch auf eine derartige
Auskleidung verzichten.
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An das äußere, den Schüttgutraum 11 begrenzende Hüllrohr werden hinsichtlich
der mechanischen Stabilität und Wärmebeständigkeit geringere Anforderungen gestellt.
Das Hüllrohr kann insbesondere aus Blech oder Kunststoff bestehen.
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Gemäß Fig. 1 stößt des Hüllrohr 10 an den Flansch 4 am axialen Ende
des Rohrkörpers 2 an. Es ist mit diesem Flansch 4 in geeigneter Weise verbunden,
z. B. verschweißt oder verschraubt.
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Das axial gegenüberliegende Ende des Hüllrohrs 10 wird von einem Deckel
15 verschlossen. Der Deckel 15 kommt im Abstand zu dem Boden 3 der Brennkammer 1
zu liegen. Der zwischen Boden 3 und Deckel 15 bestehende Zwischenraum ist ebenfalls
mit Schüttgut 9 gefüllt. Der Deckel 15 ist mit dem Hüllrohr 10 in nicht näher dargestellter
Weise lösbar verbunden, z.B.
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verschraubt. Er nimmt annähernd den vollen Querschnitt des Hüllrohrs
10 ein, wodurch es in einfacher Weise möglich ist, den Schüttgutraum 11 zu beschicken.
Die lösbare Befestigung des Deckels 15 ermöglicht es, Schüttgut nachzufüllen, nachdem
sich eine erste Charge gesetzt hat. Weiterhin können auf einfache und bequeme Weise
Wartungsarbeiten durchgeführt werden.
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Von dem Schüttgutraum 11 geht eine Entlüftungsleitung 16 ab, die zum
Abzug von Schwitzwasser aus dem Schüttgutraum 11 dient. Die Entlüftungsleitung 16
kann sich zur Atmosphäre hin öffnen; es besteht aber auch die Möglichkeit, daß die
Entlüftungsleitung 16 mit dem Rauchrohr 6 kommuniziert, wie dies in Fig. 1 illustriert
ist.
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Bezugnehmend nunmehr auf Fig. 2, ist als zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Gaskessel dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Man erkennt wiederum eine Brennkammer 1, die von einem Rohrkörper 2 begrenzt
wird. In die Brennkammer 1 ragt ein Gasbrenner 17. Der Rohrkörper
2
wird von einem Schüttgutraum 11 umgeben, der in abgewandelter Anordnung von Wärmekreisleitungen
8, 18 durchzogen ist. Der Schüttgutraum 11 ist mit einem Hüllrohr 10 gemantelt,
das an seiner Außenseite wiederum eine Wärmeisolierung 12 trägt.
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Die Wärmeentnahme aus dem Schüttgutraum 11 kann in vielfältiger Weise
erfolgen. In Fig. 2 sind exemplarisch zwei getrennte Wärmekreise illustriert, deren
Wärmekreisleitungen 8, 18 jeweils durch den Schüttgutraum 11 geführt sind. Eine
der Leitungen 8 ist in spiraligen Windungen um den Rohrkörper 2 gelegt, wobei eine
oder mehrere - in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei - Lagen vorhanden sein
können. Die andere Leitung 18 erstreckt sich in axialer Längsrichtung des Rohrkörpers
2, wobei in Fig. 2 nur ein einziger Rohrstrang gezeigt ist. Es können aber auch
mehrere, schlangenlinienförmig an dem Rohrkörper 2 entlanglaufende Rohrstränge vorhanden
sein (vgl. Fig. 3 und Fig. 4), und auch im übrigen bestehen vielseitige Gestaltungsmöglichkeiten
für das den Schüttgutraum 11 durchziehende Rohrsystem. Nicht zuletzt kann man in
dem Schüttgutraum 11 auch ein volumiges Wärmeträger-Reservoir vorsehen, an das die
Wärmekreisleitung angeschlossen ist und dessen Querschnitt wesentlich größer ist
als der der Wärmekreisleitung (nicht dargestellt).
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Fig. 2 zeigt eine Bauform, bei der das Rauchrohr 6 über einen beträchtlichen
Teil seiner Länge durch den Schüttgutraum 11 geführt ist. Hierdurch wird den Verbrennungsgasen
Wärme entzogen, und die Abzugstemperatur wird gesenkt. Es kann
so
auf einfache Weise sichergestellt werden, daß ein vielerorts vorgeschriebener, oberer
Grenzwert für die Abzugstemperatur 0 von z. B. 125 Celsius nicht überschritten wird.
Natürlich muß andererseits darauf geachtet werden, daß die Abzugstemperatur auch
nicht zu niedrig wird, da sonst der Kamin versottet.
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Durch eine entsprechende Leitungsführung des Rauchrohrs 6 in dem Schüttgutraum
11 lassen sich optimale Betriebsbedingungen herstellen, die dem erfindungsgemäßen
Heizkessel einen guten Wärmewirkungsgrad sichern.
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Fig. 2 illustriert weiterhin die Möglichkeit, ein von dem Schüttgutraum
11 abgehendes Schwitzwasser-Abzugsrohr 16 unmittelbar zur Atmosphäre hin münden
zu lassen.
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Fig. 3 und Fig. 4 zeigen schematisch einen Heizkessel für feste Brennstoffe.
Der Blick ist in die Brennkammer 1 gerichtet.
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die von einem Rohrkörper 2 umschlossen wird. Der Rohrkörper 2 ist
zur Vergrößerung seinerwärmeübertragenden Oberfläche mit radialen Ausbuchtungen
19, Rippen, Sicken o. ä. versehen, und er kann zu demselben Zweck auch insgesamt
wellenförmig profiliert sein (nicht dargestellt). Die erhaltenen Ausprägungen, Vorsprünge
oder Noppen können in vorteilhafter Weise zugleich als Auflage für die Wärmekreisleitung
8 dienen.
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Es wird so gewährleistet, daß die Rohre der Wärmekreisleitung 8 annähernd
auf ihrem gesamten Umfang von Schüttgut 9 umgeben sind, wodurch ein besonders guter
Wärmeübergang gewährleistet ist. Der Schüttgutraum 11 wird von einem im Querschnitt
rechteckigen Isoliermantel 12 begrenzt.
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Wie man insbesondere in Fig. 4 erkennt, erstreckt sich der
Rohrstrang
der Wärmekreisleitung 8 schlangenförmig in axialer Längsrichtung des Rohrkörpers
2. Der Schüttgutpackung 9 wird über den vollen Umfang des Rohrkörpers 2 Wärme entzogen.
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Zurückkommend auf Fig. 3, ist in die Brennkammer 1 ein Rost 20 eingelegt,
auf dem feste Brennstoffe wie z. B. Kohle oder Holz verbrennen. Der Rost 20 stützt
sich unmittelbar an der Innenwand des Rohrkörpers 2 ab. Seine Breite ist kleiner
als der Durchmesser der kreiszylindrischen Brennkammer 1, so daß er in der unteren
Hälfte der Brennkammer 1 zu liegen kommt. Unterhalb des Rosts 20 befindet sich ein
Ascheraum 21, in den die Verbrennungstückstände herabfallen. Man erkennt, daß der
Rohrkörper 2 und das daran angrenzende Schüttgut auch im Bereich des Ascheraums
21 durch die heißen Verbrennungsrückstände erwärmt werden, was zu einer guten Wärmeausnutzung
beiträgt.
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Es versteht sich, daß die Wahl des Schüttguts 9, die Anordnung der
Wärmekreisleitungen und die Gestaltung der Rohrkörperoberfläche nicht von der Art
des Heizmaterials abhängen, das in der Brennkammer 1 verbrannt wird. Die konstruktiven
Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind auch im übrigen gegeneinander
austauschbar. Die Erfindung ist nicht auf die Verbrennung organischer, insbesondere
fossiler Brennstoffe beschränkt. Als Wärmequelle kann beispielsweise auch ein elektrisches
Heizelement o. ä. dienen.
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Der erfindungsgemäße Heizkessel kann für zentrale Heizungs-und Klimaanlagen
im Wohnungsbau Verwendung finden. Als Wärmeträger dient in diesem Fall wie üblich
Wasser oder Wasserdampf,
und die Wärmekreisleitungen 8 im Bereich
des Schüttgutraums 11 können aus Kupfer oder einem anderen Metall mit guten Wärmeleiteigenschaften
bestehen. Häufig ist eine Anordnung getrennter Wärmekreise für die Raumheizung und
Warmwasserbereitung mittels eines Durchlauferhitzers sinnvoll.
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Der erfindungsgemäße Heizkessel ist aber auch in besonderem Maße als
Prozeßkessel für Anwendungen in der chemischen Industrie geeignet. Er kann dazu
dienen, aggressive Medien zu erwärmen, die besondere, resistente Rohrmaterialien
erforderlich machen. Die Wärmekreisleitungen 8 können insbesondere aus Glas oder
Kunststoff bestehen. Das sie umgebende Schüttgut 9 gleicht Temperaturschwankungen
aus, und. es kann zugleich eine mechanische Schutz- und Stabilisierungsfunktion
erfüllen.
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Der erfindungsgemäße Heizkessel wird vorzugsweise mit kontinuierlich
arbeitendem Brenner bei relativ niedrigen Temperaturen gefahren. Ein solcher Betrieb
als Niedertemperaturkessel ist aber nicht zwingend; der Heizkessel kann vielmehr
auch als Hochtemperaturkessel zum Einsatz kommen.
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Liste der Bezugszeichen 1 Brennkammer 2 Rohrkörper 3 Boden 4 Flansch
5 Öl brenner 6 Rauchrohr 7 Abzugsrohr 8 Wärmekreisleitung 9 Schüttgut 10 Gehäuse,
Hüllrohr 11 Schüttgutraum 12 Isoliermantel 13 Vorlauf 14 Rücklauf 15 Deckel 16 Entlüftungsleitung,
Abzugsleitung, Schwitzwasserabzugsrohr 17 Gasbrenner 18 Wärmekreisleitung 19 Ausbuchtung
20 Rost 21 Ascheraum
L - Leeiseite -