DE3440266A1

DE3440266A1 - Heizkessel mit abgaskondensation

Info

Publication number: DE3440266A1
Application number: DE19843440266
Authority: DE
Inventors: René Drancy Prevot
Original assignee: ELM Leblanc SAS
Current assignee: ELM Leblanc SAS
Priority date: 1983-11-07
Filing date: 1984-11-03
Publication date: 1985-06-13
Anticipated expiration: 2004-11-04
Also published as: GB2149484A; BE900985A; IT8468074A0; DE3440266C2; ES295465U; NL8403385A; ES291670Y; NL188664C; IT8468074A1; ATA350484A; FR2554565A1; ES291670U; AT400081B; FR2554565B1; ES295465Y; DE3440266C3; IT1179800B; GB2149484B; GB8426327D0

Description

JAEGER & PARTNER 3 44 02

PATENTANWÄLTE 30. Oktober 1984

-s-

E.L.M. LEBLANC LEB-3

123-125 rue Diderot Jae/zi

F-93700 Drancy .-

Heizkessel mit Abgaskondensation

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizkessel mit Abgaskondensation, d.h. einen Heizkessel mit einem Kondensator, der die Wiedergewinnung der im Abgas enthaltenen Wärme beim Verlassen des Heizungssystems erlaubt, die sonst im Abluftsystem verloren geht.

Es ist bekannt, daß in einem üblichen Heizkessel, besonders in einem Heizkessel mit Gasheizung, Verbrennungsprodukte mit relativ hohen Temperaturen entstehen, die eine große Menge Wasserdampf enthalten. Man hat daher versucht, diese Verbrennungsprodukte abzukühlen, um den Wasserdampf, den

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sie enthalten, zu kondensieren und die darin enthaltene latente Verdampfungswärme wiederzugewinnen. Zu diesem Zweck ist ein Hilfswärmeaustauscher verwendet worden, der in der Abgasleitung liegt, um die Hauptmenge der Abgaswärme zu gewinnen und sie dem Heizkreislauf wieder zuzuführen.

Es sind verschiedene Heizkessel mit Abgaskondensation bekannt, die einen Hauptwärmetauscher und einen in der Leitung der Verbrennungsgase nach dem Durchgang durch den Hauptwärmetauscher angeordneten Hilfswärmetauscher umfassen. In diesen bekannten Heizsystemen ist der Hilfswärmetauscher im allgemeinen über dem Hauptwärmetauscher angeordnet, vorzugsweise im Rauchfang des Heizkessels, und ist gegen die Horizontale geneigt, um das Kondensat leichter zu sammeln und abzuleiten.

Diese Heizkessel arbeiten im allgemeinen zufriedenstellend, weisen jedoch den Nachteil auf, aufgrund ihrer Bauart kostenaufwendig in der Herstellung und in der Reparatur zu sein, vor allem durch die Lage des Hilfswärmetauschers.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,, die Nachteile der bekannten Heizkessel mit Abgaskondensation zu vermeiden und einen einfachen und wirtschaftlichen Aufbau eines Heizkessels mit Abgaskondensation auf der Basis des herkömmlichen Heizkesseltypus zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Heizkessel der eingangs genannten Art gelöst, der die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist.

Die Erfindung betrifft also einen Heizkessel mit Abgaskondensation mit einem Hauptwärmetauscher und einem Hilfswärme-

tauscher zur Nutzung der im Abgas enthaltenen Wärme und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmeaustauscher senkrecht in einem dichten Kanal angeordnet ist, der vorzugsweise U-förmig verläuft und aus nichtrostendem Stahl besteht, außerhalb der Heizzone des Kessels angebracht ist, und zwar zwischen dem Abgasabzug des Heizkessels und der Ableitung der Abgase in die Atmosphäre, und der in seinem unteren Teil eine Leitung zur Entfernung der Kondensate enthält.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Hilfswärmetauscher ein senkrecht gerippter Block, dessen Rippen von einer Wasserleitung durchsetzt sind, beispielsweise der Rücklaufleitung einer Zentralheizung, die zum Hauptwärmetauscher führt. Vorzugsweise ist die untere Seite jeder Rippe in Form einer Spitze ausgeführt, um das Ablaufen des Kondensationswassers zu begünstigen und den Weg für die Verbrennungsprodukte zwischen den Rippen freizuhalten.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält der dichte Kanal einen hermetisch verschließbaren entfernbaren Deckel, durch den ein Zugang zu dem Hilfswärmetauscher von oben her gewährleistet ist.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Hilfswärmeaustauscher aus mehreren, beispielsweise vier gleichartigen tafelförmigen Rohrschlangenelementen, die als Bündel angeordnet sind und von einem einzigen Verteiler gespeist werden, an dem beispielsweise die Rücklaufleitung einer Zentralheizung angeschlossen ist.

Das Rohrschlangenbündel ist in einem quaderförmigen Gehäuse angeordnet, in dem das Abgas von oben nach unten strömt und

in dessen unterem Teil eine Ableitung für das Kondensat vorgesehen ist, wobei das Kondensat und das Abgas im Gleichstrom fließen.

Die Erfindung ist sowohl für einen Heizkessel mit einem Rauchgasabzug als auch für einen Heizkessel mit klassischer Entlüftung durch einen Kamin anwendbar.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Seitensicht und im Axialschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Heizkessel mit zwangsweisem Zug;

Pig. 2 eine schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Art ,mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Heizkessels, und zwar mit Abzug durch einen Kamin;

Fig. 3 die Frontansicht eines Hilfswärmeaustauschers des erfindungsgemäßen Heizkessels;

Fig. 4 die Frontansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Hilfswärmeaustauschers;

Fig. 5 in schematischer Darstellung und teilweise im Axialschnitt die Seitensicht eines Heizkessels mit dem in Fig. 1 gezeigten Wärmetauscher;

und

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Fig. 6

und 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Darstellungsweise der Fig. 1 und 2.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen ist zu erkennen, da 3 der Heizkessel 10 wie bekannt einen Brenner 12, einen direkt über dem Brenner im Strom der Verbrennungsabgase angeordneten Wärmetauscher 14, einen Lüfter 16 und eine Abgas-Abzugsleitung 18 enthält. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wird die Erfindung auf einen Heizkessel mit einem Rauchgasabzug 20 angewendet, während sich das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel auf einen Heizkessel mit Kamin bezieht.

In beiden Fällen ist ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen, der die Zurückgewinnung der im Abgas enthaltenen Wärme sicherstellt und allgemein als "Kondensator bezeichnet wird. Dieser zweite Wärmetauscher ist im rückwärtigen Teil 22 des Heizkessels, der den Expansionsraum enthält, außerhalb der Feuerungskammer des Heizkessels angeordnet. Dieser Hilf swärmetauscher-Kondensator 28 befindet sich in einem geschlossenen Kanal 26, der vorzugsweise U-Form aufweist, aus rostfreiem Stahl besteht und sich zwischen dem außenliegenden Abzug 20 oder 20' und der Abzugsleitung 18 des Lüfters 16 befindet. Der Hilfswärmetauscher 28, der senkrecht in dem geschlossenen Kanal 26 angeordnet ist, ist ein Block mit senkrechten Rippen und wird von einem Wasserrohr 30 eines Heizungsrücklaufs durchsetzt, das zum Hauptwärmetauscher 14 führt. Am Eingang 32 des Rippenblocks dieses Wärmetauschers 28 ist das Röhr 30 mit dem Rücklauf einer Heizungsanlage (Heizkörper einer Zentralheizung) verbunden, wobei der Zwangskreislauf des Wassers durch eine Umwälzpumpe 34 bewirkt wird. An seinem unteren Teil ist der geschlossene Kanal 26 mit einem Konden-

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satablaßrohr 36 versehen, welches durch einen Schwimmer (auf der Zeichnung nicht dargestellt) verschlossen wird. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das untere Ende jeder Rippe vorzugsweise in Form einer Spitze ausgebildet, um das Ablaufen des Kondensationswassers zu erleichtern und den Durchgang zwischen den Rippen für die Verbrennungsabgase freizugeben.

Aus der Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Frischluft dem Heizkessel durch die Leitung 38 zugeführt wird, die Verbrennungsgase den Hauptwärmetauscher 14 durchströmen und mittels des Ventilators 16 durch die Leitung 18 über den Hilfswärmetauscher 28 gedrückt werden, bevor sie über den Rauchgasabzug 20 ins Freie gelangen. Die Verbrennungsgase übertragen die in ihnen enthaltene Wärme zunächst auf den Hauptwärmetauscher 14, in dem sie das über die Leitung 33 zugeführte Wasser erwärmen. Das Abgas gelangt dann mit noch relativ hoher Temperatur auf den Hilfswärmetauscher 28 und überträgt seine Restwärme durch Kondensation dem Wasser, das durch den Hilfswärmetauscher 28 strömt. Das Wasser erreicht den Hilfswärmetauscher 28 aus dem Rücklauf der angeschlossenen Zentralheizung und läuft dann über die Leitungen 30, zum Hauptwärmetauscher 14, von wo das erwärmte Wasser schließlich durch die Leitung 31 zu den Heizkörpern der Zentralheizung strömt. Auf diese Weise wird ein höchstmöglicher Wirkungsgrad erreicht, wobei das emittierte Abgas bereits eine sehr niedrige Temperatur aufweist.

Das in dem Hilfswärmetauscher 28 anfallende Kondensatwasser sammelt sich am Boden des geschlossenen Kanals 26 und wird durch das Rohr 36 abgeleitet. Wie bereits oben angegeben, ist ein Schwimmer vorgesehen, der das Entweichen von Abgas über das Rohr 36 verhindert; wenn kein Kondensat angefallen

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ist, wirkt der Schwimmer wie eine Rückschlagklappe,.

Der geschlossene Kanal 26 ist in seinem oberen Teil mit einer öffnung versehen, die durch einen Deckel 39 (Fig. 3) hermetisch verschlossen werden kann. Bei bestehender Notwendigkeit kann daher ein Abbau des Hilfswärmeaustauschers 28 sehr leicht vorgenommen werden.

In der in Fig. 2 dargestellten Variante weist der Heizkessel einen Kamin 20¹ auf. In diesem Heizkessel erfolgt die Frischluftzufuhr direkt aus dem Raum, in dem der Heizkessel aufgestellt ist, wobei dieser offene Heizkessel im übrigen mit dem in Fig. 1 dargestellten geschlossenen Heizkessel identisch ist. Es geht daraus hervor, daß der hauptsächliche Vorteil der Erfindung darin liegt, daß man in einfacher Weise einen klassischen Heizkessel zu einem Heizkessel mit Abgas-Nachkondensation umrüsten kann. Im übrigen ist der Abzugsventilator 16 des Heizkessels nicht der Korrosion ausgesetzt, da er sich nicht in einem dem Kondensat ausgesetzten Bereich befindet, was bei den bekannten Heizkesseln mit Kondensation sehr wohl der Fall ist, da hier der Abzug meistens nach dem HilfsWärmeaustauscher angeordnet ist. .

Die in den Fig. 5 und 7 dargestellte Variante der Erfindung unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Beispiel durch die Ausführung des Hilfswärmeaustauschers.

In dieser Variante setzt sich der zusätzliche Wärmetauscher 28 aus vier identischen Rohrschlangentafeln 46 (die Zahl vier ist selbstverständlich keine obere Grenze) zusammen, die, wie aus den Figuren zu erkennen ist,, derart als Bündel zusammengefasst sind, daß die Achsen der einzelnen Rohre,

die die Rohrschlangentafeln bilden, von Tafel zu Tafel jeweils verschoben sind. Die Rohrwindungen werden durch einen gemeinsamen Zulauf 32 gespeist, durch den wieder zu erwärmendes Wasser aus dem Rücklauf des Heizkreislaufes des Heizkessels 10 fließt.

Die Gruppe der Rohrschlangentafeln des Hilfswärmeaustauschers 28 ist in einer quaderförmigen Kammer angeordnet, die einen geschlossenen Kanal 26 bildet und an seinem unteren Teil einen Ablauf 36 enthält, wobei das Abgas in dieser Kammer von oben nach unten strömt. Das Abgas aus dem Heizkessel 10 wird, nachdem es den Hauptwärmetauscher durchströmt hat (in den Fig. 4 und 7 nicht dargestellt), mit dem dieser Heizkessel, wie oben beschrieben, ausgerüstet ist, durch das Lüftergebläse 16 über die Abzugsleitung 18 in die quaderförmige Kammer 26 gefördert.

Die auf den Hilfskühler 28 gelangenden Verbrennungsgase befinden sich noch auf relativ hoher Temperatur und übertragen ihre Restwärme, im wesentlichen durch Kondensation, auf das Wasser, das in den Windungen des Wärmetauschers 28 fließt. Das Wasser, das durch den Verteiler 32 aus dem Heizungsrücklauf kommt, wird so in den Windungen des Tauschers 28 erwärmt und anschließend durch die Leitung 30 zu dem Hauptwärmetauscher des Kessels 10 geleitet.

Um den soeben beschriebenen Hilfswärmetauscher verschiedenen Anwendungsbedingungen anzupassen (vor allem Leistung, hohe räumliche Packungsdichte, Drücke usw.), lassen sich zwei Wege zur Führung der Verbrennungsprodukte vorsehen.

In dem in den Abbildungen 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rohrschlangenblock 46 in der Kammer 26 ange-

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ordnet und wird der Wärmeaustauscher nur ein einziges Mal von dem aus dem Heizkessel 10 kommenden Abgas durchströmt, während in dem in den Abbildungen 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Trennwand 42 der Kammer 26 die Rohrschlangen so hält, daß ein Teil 44 der Windungen in der Abgasleitung 20" liegt.

Durch diese Ausgestaltung der Erfindungwird ein einfacher kompakter Hilfswärmetauscher erhalten, der eine Optimierung des Wärmeaustauschvorgangs durch Kondensation bewirkt, ein hydraulisches Fließschema, das den Schutz gegen Korrosion verbessert, aufweist und der die Wasser- und Abgasdruckverluste mit den bei einer Gaswandheizung zur Verfügung stehenden Drücken in Einklang bringt.

Unter den Vorteilen und technischen Wirkungen, die die Erfindung beinhaltet, kann man im besonderen aufführen:

A - Eine große Einfachheit der Installation

Die Bauweise und besondere Einbaulage der Rohrschlangen maximiert in dem zur Verfügung stehenden Raum den Krümmungsradius der Rohre, um ihre Biegung zu erleichtern.

Die Tatsache, daß alle Windungen identisch sind, ermöglicht die weitgehend automatisierte Formgebung ohne kompliziertes Werkzeug und erlaubt die Verwendung von Biegemaschinen mit numerischer Steuerung.

Die geometrischen Abmessungen der Schlangen (Durchmesser, Krümmungsradius...) sind so ausgelegt, daß dieser Wärmeaus-

tauscher aus so verschiedenen Metallen wie Kupfer, rostfreiem Stahl oder Aluminium hergestellt werden kann.

Die besonders sorgfältig durchgeführte Untersuchung des Wärmeaustausche gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers unabhängig von dem verwendeten Metall.

B - Eine Optimierung des Wärmeaustauschvorgangs

Insbesondere beim Rohrschlangenblock wird durch das Fehlen der Rippen im Rahmen des Möglichen der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Wasser und dem Abgas erniedrigt und ermöglicht so die Ausbildung von abgestuften Wasserdampfpartialdrücken auf nahezu der gesamten Tauscherfläche und daher einen ausgezeichneten Kondensationswärmeaustausch.

Trotz der geringen Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase erhöht die Anordnung der Rohre in Rohrtafelbündeln die Turbulenz und damit auch den örtlichen Konvektionswärmeaustauschkoeffizienten gegenüber der laminaren Strömung.

Die Führung des Rauchgases im Gleichstrom zum Kondensat gewährleistet in Verbindung mit den glatten Oberflächen der Rohre eine rasche Entfernung des Kondensats.

Die stets geringe Dicke des Wasserfilms auf den Rohrwandungen stört den Wärmeaustausch nicht und gestattet eine Kondensatbildung, die nahezu der freien Tropfenkondensation entspricht.

C - Eine ausgezeichnete Festigkeit gegen Korrosion

Da keine örtliche Aufkonzentration des Kondensats durch Eindampfen in toten Winkeln oder längs der Prallwände zu be-

fürchten ist, wie dies häufig in herkömmlichen Rippenkühlern zu beobachten ist, ist allein die Bauweise dieses Austauschers schon eine Garantie für seine langfristige Korrosionsbeständigkeit.

Insbesondere der freie Raum zwischen den Krümmungen der Rohrschlangen erlaubt den freien Ablauf des Kondensats nach unten und verringert die Anreicherung von korrosiven Produkten, die sich an Stellen bilden, wo sich Kondensattropfen bilden und verweilen und wieder verdunsten können, bevor ein neuer Kondensattropfen zuläuft und aufgenommen wird. Auf diese Weise wird von vorneherein allein aufgrund der konstruktiven Merkmale des Hilfswärmeaustauschers eine "gesunde" Heizungsanlage erhalten.

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Claims

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PATENTANWÄLTE

30. Oktober 1984

E.L.ML LEBLANC LEB-3

123-125 rue Diderot Jae/zi

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Heizkessel mit Abgaskondensation

Patentansprüche

( 1.) Heizkessel mit Abgaskondensation mit einem Hauptwärmeaustauscher und einem als Kondensator dienenden Hilfswärmeaustauscher zur Rückgewinnung der in dem abziehenden Rauchgas enthaltenen Wärme,
dadurch gekennzeichnet, daß der HilfsWärmeaustauscher (28) vertikal in einem geschlossenen Kanal (26), vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, angeordnet ist, der außerhalb des Feuerraumes des Heizkessels (10) zwischen der Rauchgasabzugsleitung (18) des Heizkessels und der Abführung der Rauchgase in 'die Atmosphäre eingeschaltet ist.

BERQSTRASSE 48¹Ij · Ο-ΘΟ35 MÜNCHEN-GAUTINQ TELEPHONi (OBB) 8602030 · TELEXt 821777 leer d
2. Heizkessel mit Abgaskondensation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kanal (26) U-Form besitzt.
3. Heizkessel mit Abgaskondensation nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kanal (26) in seinem unteren Teil eine Kondensatableitung (36) aufweist.
4. Heizkessel mit Abgaskondensation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatableitung (36) mit.einem Schwimmervenil versehen ist, um ein Austreten von Rauchgas über diese Leitung auch dann nicht eintreten zu lassen, wenn keine Kondensation stattfindet.
5. Heizkessel mit Abgaskondensation nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmeaustauscher (28) ein verrippter Block ist, dessen Rippen senkrecht angeordnet sind.
6. Heizkessel mit Abgaskondensation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende jeder Rippe des Hilfswärmeaustauschers in einer Spitze ausläuft, um den Ablauf des Kondensats zu erleichtern und den Durchgang für die Verbrennungsprodukte zwischen den Rippen freizugeben.
7. Heizkessel mit Abgaskondensation nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmeaustauscher (28) mit Wasser aus dem

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Rücklauf einer Warmwasserheizung gespeist wird, daß das in diesem HilfsWärmeaustauscher (28) erwärmte Wasser dann den Hauptwärmeaustauscher (14) durchläuft und schließlich wieder in das Heizungssystem eingespeist wird.
8. Heizkessel mit Äbgaskondensation nach einem der Ansprüche 1 bis 7/

dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kanal (26) mit einem dicht schließenden abnehmbaren Deckel (39) versehen ist, der einen Zugang zum Hilfswärmeaustaüscher (28) ermöglicht.
9. Heizkessel mit Abgaskondensation nach einem der . Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmeaustaüscher (28) aus mehreren identischen ebenen oder tafelförmigen Rohrschlagen (46) besteht, die in einer als Bündel bezeichneten Anordnung zu einem Block zusammengefaßt sind und von einem gemeinsamen Zulauf (32) gespeist werden.
10. Heizkessel mit Abgaskondensation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmeaustaüscher (28) vier Rohrschlagen (46) umfaßt.
11. Heizkessel mit Abgaskondensation nach einem der Ansprüche 9 oder 10,

dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (10) in einer quaderförmigen Kammer (26) angeordnet ist, die einen geschlossenen Kanal bildet, durch den die Abgase aus dem Heizkessel (10) von oben nach unten strömen und an dessen unterer Seite eine

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Kondensatableitung (36) vorgesehen ist, so daß das Kondensat und das Abgas den HilfsWärmeaustauscher im. Gleichstrom durchlaufen.
12. Heizkessel mit Abgaskondensation nach einem der Ansprüche 9 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennwand (42) der Kammer (26¹), welche die ■ Rohrschlangen (46) enthält, so angeordnet ist, daß das Rohrbündel in der Weise geteilt wird, daß ein Teil (44) des Bündels im Rauchgasabzugskanal (20") liegt.
13. Heizkessel mit Abgaskondensation nach einem der Ansprüche 9 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlagen aus glatten Rohren ohne Rippen geformt sind.