DE3440266C3 - Heizkessel mit Abgaskondensation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1 mit Abgaskondensation mit einem Hauptwärmetauscher und einem als Kondensator dienenden Hilfswärmetauscher zur Rückgewinnung der in dem abziehenden Rauchgas enthaltenen Wärme. Diese Wärme geht ansonsten mit dem Abgas verloren.

Bekanntlich entstehen in üblichen Heizkesseln, besonders in den mit Gas betriebenen Heizkesseln, Verbrennungsprodukte mit relativ hohen Temperaturen, die eine große Menge Wasserdampf enthalten. Man hat daher versucht, diese Verbrennungsprodukte abzukühlen, um den Wasserdampf, den sie enthalten, zu kondensieren und die darin enthaltene latente Verdampfungswärme wiederzugewinnen. Zu diesem Zweck ist ein Hilfswärmetauscher 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.

Aus der DE-OS 29 50 901 ist darüber hinaus ein mit einem Brenner ausgestatteter Heizkessel mit Abgaskondensation bekannt, in dessen Feuerraum ein erster Wärmetauscher als Hauptwärmetauscher angeordnet ist. Im wesentlichen parallel zu diesem Feuerraum ist ein zweiter Zug angeordnet, in dem sich ein zweiter Wärmetauscher bzw. ein Hilfswärmetauscher befindet. Beide Wärmetauscher befinden sich somit innerhalb des Heizkessels selbst.

Ein Heizkessel mit Abgaskondensation, der auch als Brennwertkessel bezeichnet werden kann, ist auch in der DE-Z sbz 21/1981, Seite 1594 beschrieben. Bei diesem Heizkessel ist der Hilfswärmetauscher vertikal und ringförmig in einem ebenfalls ringförmigen Raum angeordnet, der den Brennraum umschließt. Auch bei diesem Heizkessel befindet sich der Hilfswärmetauscher unmittelbar im Heizkessel.

Ein weiterer Brennwertkessel mit Hilfswärmetauscher und Lüfter ist in einem Artikel von "CCI"-Zeitung, Nr. 9, vom 10. September 1982 auf den Seiten 40 und 41 beschrieben. Der Hilfswärmetauscher dient als Kondensator und ist außerhalb des Feuerraums des Heizkessels in einem separaten, gegenüber seiner Umgebung abgedichteten Kanal angeordnet. Er wird mit Wasser aus dem Rücklauf einere Warmwasserheizung gespeist, das entsprechend erwärmt dann den Hauptwärmetauscher durchläuft und schließlich wieder in das Heizungssystem geleitet wird. Nachteilig bei diesem Brennwertkessel ist in erster Linie, daß der Lüfter hinter dem Hilfswärmetauscher in einer feuchtkalten Atmosphäre angeordnet ist. Aus diesem Grund ist er einer nicht unerheblichen Korrosionsgefahr ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und wirtschaftlichen Aufbau eines Heizkessels mit Abgaskondensation zu schaffen, wobei auch auf einfache Weise herkömmliche Heizkessel zu Heizkesseln mit Abgaskondensation umrüstbar sein sollen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Lehre des Patentanspruchs 1.

Der Hilfswärmetauscher ist in einem Kanal angeordnet, der in die Rauchgasableitung des Heizkessels zwischen der Abzugsleitung des Lüfters und der Abführung der Rauchgase in die Atmosphäre eingeschaltet ist.

Der Kanal, in dem der Hilfswärmetauscher angebracht ist, besteht vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl und weist im Bereich seines unteren Endes eine Kondensatableitung auf. Der Kanal besitzt dabei vorzugsweise im Vertikalschnitt U-Form.

Der Hilfswärmetauscher ist vorzugsweise ein verrippter Block, dessen Rippen senkrecht verlaufen. Innerhalb dieser Rippen befindet sich eine Wasserleitung, beispielsweise die Rücklaufleitung einer Zentralheizung, die zum Hauptwärmetauscher führt. Vorzugsweise läuft das untere Ende jeder Rippe in Form einer Spitze aus, um das Ablaufen des Kondensationswassers zu begünstigen und den Weg für die Verbrennungsprodukte zwischen den Rippen freizuhalten.

Vorzugsweise ist der Kanal mit einem dichtschließenden abnehmbaren Deckel versehen, der einen Zugang zum Hilfswärmetauscher ermöglicht.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Hilfswärmetauscher aus mehreren identischen, beispielsweise vier, Ebenen oder tafelförmigen Rohrschlangen, die in einer als Bündel bezeichneten Anordnung zu einem Block zusammengefaßt sind und von einem gemeinsamen Zulauf gespeist werden, an dem beispielsweise die Rücklaufleitung einer Zentralheizung angeschlossen ist.

Das Rohrbündel aus vorzugsweise glatten Rohren ist ausschließlich oder teilweise im abwärtsführenden Kanalabschnitt des Kanals angeordnet. Im unteren Teil ist eine Ableitung für das Kondensat vorgesehen. Somit fließen das Kondensat und das Abgas von unten nach oben und daher im Gleichstrom.

Die Erfindung ist sowohl für einen Heizkesel mit künstlichem Zug als auch für einen Heizkessel mit Naturzug durch einen Kamin anwendbar.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

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

Fig. 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 Hilfswärmetauschers des erfindungsgemäßen Heizkessels;

Fig. 4 die Frontansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Hilfswärmetauschers;

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

Fig. 6 und 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Darstellungsweise der Fig. 1 und 2.

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

In beiden Fällen ist ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen, der die im Abgas enthaltene Wärme nutzbar macht und allgemein als Hilfswärmetauscher 28 bezeichnet wird. Dieser Hilfswärmetauscher ist im rückwärtigen Teil 22 des Heizkessels außerhalb der Feuerungskammer des Heizkessels angeordnet. Er befindet sich in einem geschlossenen Kanal 26, der U-Form aufweist, aus rostfreiem Stahl besteht und sich zwischen dem außenliegenden Kanalabschnitt 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 eines Heizungsrücklaufs durchsetzt, das zum Hauptwärmetauscher 14 führt. Am Zulauf 32 des Rippenblocks des Hilfswärmetauschers 28 ist das Rohr 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 einer Kondensatableitung 36 versehen, welche durch einen Schwimmer (auf der Zeichnung nicht dargestellt) verschließbar ist. Das untere Ende jeder Rippe ist in Form einer Spitze ausgebildet, um das Ablaufen des Kondensationswassers zu erleichtern und den Durchgang zwischen den Rippen für die Verbrennungsabgase freizugeben (nicht dargestellt).

Aus der Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Verbrennungsluft 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 Kanalabschnitt 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 in den Hilfswärmetauscher 28 und überträgt seine Restwärme durch Kondensation auf das 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, 33 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 Kondensat sammelt sich am Boden des geschlossenen Kanals 26 und wird durch die Kondensatableitung 36 abgeleitet. Wie bereits oben angegeben, ist ein Schwimmer vorgesehen, der das Entweichen von Abgas über die Kondensatableitung 36 verhindert; wenn kein Kondensat angefallen 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 geschlossen werden kann. Bei bestehender Notwendigkeit kann daher ein Ausbau des Hilfswärmetauschers 28 sehr leicht vorgenommen werden.

In der in Fig. 2 dargestellten Variante weist der Heizkessel einen Kamin 20′ 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.

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

In dieser Variante setzt sich der zusätzlich Wärmetauscher 28 aus vier identischen tafelförmigen Rohrschlangen 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 tafelförmigen Rohrschlangen bilden, von "Tafel zu Tafel" jeweils verschoben sind. Die Rohrwindungen werden durch einen gemeinsamen Zulauf 32 gespeist, durch die wieder zu erwärmendes Wasser aus dem Rücklauf des Heizkreislaufes des Heizkessels 10 fließt.

Die Gruppe der tafelförmigen Rohrschlangen des Hilfswärmetauschers 28 ist in einer quaderförmigen Kammer angeordnet, die den geschlossenen Kanal 26 bildet und an seinem unteren Teil den 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), durch das Lüftergebläse 16 über die Abzugsleitung 18 in die quaderförmige Kammer gefördert.

Die auf den Hilfswärmetauscher 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 Hilfswärmetauschers 28 fließt. Das Wasser, das durch den Zulauf 32 aus dem Heizungsrücklauf kommt, wird so in den Windungen des Hilfswärmetauschers 28 erwärmt und anschließend durch die Leitung 30 zu dem Hauptwärmetauscher 14 des Kessels 10 geleitet.

Um den soeben beschriebenen Hilfswärmetauscher 28 verschiedenen Anwendungsbedingungen anzupassen (vor allem Leistung, hohe räumliche Packungsdichte, Drücke usw.), lassen sich zwei Wege zur Führung der Verbrennungsprodukte vorsehen.

In dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Rohrschlange 46 im abwärts führenden Abschnitt des Kanals 26 angeordnet. Dabei wird der Hilfswärmetauscher 28 nur ein einziges Mal von dem aus dem Heizkessel 10 kommenden Abgas durchströmt. In dem in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel hält dagegen eine Trennwand 42 der Kammer 26′ die Rohrschlangen des Hilfswärmetauscher 26′ so, daß ein Teil 44 des Rohrbündels im aufwärts führenden Kanalabschnitt 20′′ des Kanals 26′ liegt.

Durch diese Ausgestaltung wird 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.

Claims (12)

1. Heizkessel mit Abgaskondensation mit einem Hauptwärmetauscher und einem als Kondensator dienenden Hilfswärmetauscher zur Rückgewinnung der in dem abziehenden Rauchgas enthaltene Wärme, bei dem der Hilfswärmetauscher (28) außerhalb des Feuerraums des Heizkessels (10) vertikal in einem flachen, separaten Kanal (26, 26′) angeordnet ist, der gegenüber seiner Umgebung abgedichtet ist und im Bereich seines unteren Endes eine Kondensatableitung (36) aufweist, wobei der Hilfswärmetauscher (28) mit Wasser aus dem Rücklauf einer Warmwasserheizung gespeist wird, das im Hilfswärmetauscher (28) erwärmte Wasser dann den Hauptwärmetauscher (14) durchläuft und schließlich wieder in das Heizungssystem eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (26, 26′) in die Rauchgasableitung des Heizkessels (10) zwischen der Abzugsleitung (18) des Lüfters (16) und der Abführung der Rauchgase in die Atmosphäre eingeschaltet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (26, 26′) aus korrosionsbeständigem Stahl besteht.

3. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (26, 26′) im Vertikalschnitt U-Form besitzt.

4. Heizkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatableitung (36) ein Schwimmerventil zum Verschluß der Kondensatableitung, wenn kein Kondensat anfällt, aufweist.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmetauscher (28) ein verrippter Block ist, dessen Rippen senkrecht verlaufen.

6. Heizkessel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende jeder Rippe des Hilfswärmetauschers (28) in einer Spitze ausläuft.

7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daß der Kanal (26, 26′) mit einem dicht schließenden abnehmbaren Deckel (39) versehen ist, der einen Zugang zum Hilfswärmetauscher (28) ermöglicht.

8. Heizkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (42) des U-förmigen Kanals (26, 26′) senkrecht zu dessen Hauptseitenflächen verläuft (Fig. 4, Fig. 6).

9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswärmetauscher (28) aus mehreren identischen ebenen oder tafelförmigen Rohrschlangen (46) besteht, die in einer als Bündel bezeichneten Anordnung zu einem Block zusammengefaßt sind und von einem gemeinsamen Zulauf (32) gespeist werden.

10. Heizkessel nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel ausschließlich im abwärts führenden Kanalabschnitt des Kanals (26) angeordnet ist.

11. Heizkessel nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (44) des Rohrbündels im abwärts führenden Kanalabschnitt, ein anderer Teil im aufwärts führenden Kanalabschnitt (20′′) des Kanals (26′) angeordnet ist.

12. Heizkessel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlangen (46) aus glatten Rohren geformt sind.