DE3442467C2 - Niedertemperatur-Heizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Niedertemperatur-Heizkes­ sel für Schwerkraftzirkulation mit einer zylindrischen, vertikal angeordneten Brennkammer, die an ihrem unteren Ende offen ist, und an deren oberen Ende ein Brenner so angeordnet ist, daß die Brennerflamme senkrecht nach unten gerichtet ist, wobei die Brennkammer mit radialem Abstand von einem doppelwandigen zylin­ drischen, das aufzuheizende Medium enthaltenden Kessel umgeben ist, dessen unteres Ende zu einem topfförmigen Körper ergänzt ist, auf dessen Boden die Brennerflamme auftrifft, von wo die Rauchgase durch den Zwischenraum zwischen Brennkammer und Kessel nach oben in den Abzug strömen. Ein solcher Kessel ist aus der DE 31 40 821 A1 bekannt.

Bei der Verbrennung von Heizöl wird bekanntlich Wasser freigesetzt. Ferner entsteht Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid. Bei Unterschreiten des Taupunktes bilden diese Schwefelverbindun­ gen mit dem kondensierten Wasserdampf schwefelige Säure und Schwefelsäure, die Korrosionen am Kessel hervorrufen und den Kes­ sel schließlich zerstören können.

Es muß daher unter allen Umständen vermieden werden, daß die Wandtemperatur an dem das zu erwärmende Medium (in der Regel Wasser) beinhaltenden Kessel den Rauchgastaupunkt unterschreitet. Während in der Brennkammer selbst sehr hohe Rauchgastemperaturen herrschen, ist im Vergleich dazu die Wandtemperatur des Kessels relativ niedrig. Sie liegt nur etwas oberhalb der Temperatur des erwärmten Wassers.

Früher war es daher üblich, zur Vermeidung der schädlichen Kondensatbildung die Wandtemperatur des Kessels immer oberhalb des Taupunktes zu halten, d. h. die Kesselwasser-Temperatur auf etwa 70°C zu begrenzen, obwohl eine normale Heizanlage erst bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes eine Vorlauftempe­ ratur von 70°C benötigt. Ein solcher Betrieb bedeutet einen schlechten Wirkungsgrad, d. h. Verschwendung der inzwischen teuer gewordenen Primärenergie.

Die im Interesse einer Energie-Einsparung liegende For­ derung geht also dahin, das Wasser auf keine höhere Temperatur zu erwärmen als sie zur Befriedigung des jeweiligen Wärmebedarfs ge­ rade erforderlich ist, wobei noch hinzukommt, daß moderne Heiz­ systeme mit vergrößerten Flächen der Heizkörper oder Fußbodenhei­ zungen ohnehin keine höhere Vorlauftemperatur als etwa 40°C erfor­ dern.

Aus diesem Grunde hat man Niedertemperatur-Heizsysteme entwickelt, bei denen der Brenner bei Erreichen der jeweils ge­ forderten Wärmeleistung abschaltet, wobei die Temperatur zwischen etwa 20°C und 75°C gleitet und damit die durch Unterschreiten des Taupunktes erwähnten Korrosionsprobleme auftreten.

Aus der DE 29 27 193 A1 (Fig. 3) ist ein Niedertemperatur-Heizkessel bekannt, bei dem ein innerer ringför­ miger, vertikal angeordneter Kessel und ein äußerer, ebenfalls ringförmiger Kessel vorhanden ist und die Kessel zwischen sich einen Zwischenraum bilden, wobei der innere Kessel die Brennkam­ mer bildet, in die ein Brenner eine vertikal nach unten gerichte­ te Flamme hineinleitet, so daß die Rauchgase durch den Zwischen­ raum zwischen den beiden Kesseln nach oben zum Rauchgasabzug strömen.

Die Erwärmung des Wassers erfolgt also einerseits in der eigentlichen Brennkammer, und andererseits wird das Wasser auch noch durch die in den Zwischenraum strömenden warmen Rauch­ gase aufgeheizt. Um eine geordnete Zirkulation des Wassers sowohl zwischen dem inneren, die Brennkammer bildenden Kessel und dem äußeren Kessel (bei abgeschaltetem Vorlauf, d. h. bei nicht ange­ schalteter Heizung) als auch zwischen den Kesseln und der ange­ schlossenen Heizung (wenn diese in Betrieb ist) zu erzielen, ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine übliche Kessel-Kreispumpe vorgesehen, die eine Zwangsführung für die jeweiligen Wasser­ kreisläufe bildet.

Bei dieser Vorrichtung ist jedoch das Problem der Bil­ dung und Beseitigung der Kondensatprodukte der Rauchgase nicht befriedigend gelöst. Als Folge der erwähnten Zwangsführung mit hoher Wassergeschwindigkeit in den Kesseln unterscheidet sich nämlich die Temperatur der Kesselwände nur wenig von der Wasser­ temperatur, d. h. wegen des geringen wasserseitigen Temperatur­ gradienten der Kesselwand liegt deren Temperatur nur wenig über der Wassertemperatur. Im Niedertemperatur-Betrieb fallen daher die schädlichen Rauchgaskondensate in großer Menge an, die an den Kesselwänden herunterlaufen und sich unten auf dem Boden der Brennkammer sammeln.

Bei der bekannten Vorrichtung werden die schädlichen Kondensatprodukte allerdings dadurch beseitigt, daß die vertikal nach unten gerichtete Brennerflamme direkt auf den heißen unge­ kühlten Boden der Brennkammer trifft, so daß die sich dort an­ sammelnde Flüssigkeit wieder verdampft. Diese Art der Beseitigung der Kondensationsprodukte ist jedoch aus Energie-Überlegungen unrentabel. Die Aufheizung des Bodens sorgt zwar für eine Ver­ dampfung der Kondensationsprodukte, jedoch geht diese Energie für die vorrangig gewünschte Erwärmung des Wassers verloren.

Aus diesem Grunde wurde gemäß der eingangs genannten DE 31 40 821 A1, von der die vorliegende Erfindung aus­ geht, das untere Ende des äußeren Kessels zu einem topfförmigen Körper ergänzt. Es ist also hier ein mit der Flüssigkeit gefüll­ ter Bodenraum vorgesehen, und dies bedeutet, daß auch an dieser Stelle eine Erwärmung der Flüssigkeit stattfindet. Da hier aber aufgrund des wassergekühlten Bodens das dort anfallende Kondensat bei Niedertemperatur-Betrieb wegen der relativ geringen Tempera­ tur des Bodens nicht mehr in größeren Mengen verdampfen kann, wird ein reiner Schwerkraftbetrieb vorgesehen. In diesem Falle strömt das Wasser erheblich langsamer an den Kesselwänden, und es hat sich auch gezeigt, daß sich dann ein größerer wasserseitiger Temperaturgradient der Kesselwand ergibt.

In der Praxis hat sich jedoch diese Kesselanordnung als nicht ausreichend sicher gegen Korrosionsschäden im Niedertempe­ ratur-Betrieb erwiesen, so daß die gefährdeten Kesselflächen mit einer Schutzschicht versehen werden mußten.

Solche Schutzschichten in Form einer emailleartigen Glasur sind auch bei anderen, für Niedertemperatur-Betrieb ausge­ legten Kesseln schon angewendet worden, jedoch hat auch hier die Praxis gezeigt, daß selbst bei größter Sorgfalt eine absolut po­ renfreie Beschichtung mit keramischem Material nicht möglich ist, sondern daß kleinste Fehlstellen unvermeidbar auftreten, in die das säurehaltige Kondensat - unterstützt durch Kapillarwirkung - eindringt und dann permanenter als ein auf einer unbeschichteten Wand ablaufender Tropfen die Korrosion bewirkt.

Weiterhin ist aus der DE-OS 23 49 202 ein Kessel mit den Merkmalen der eingangs genannten Art bekannt. Allerdings handelt es sich dabei nicht um einen Niedertemperatur-Kessel. Dieser Kes­ sel besitzt eine ungekühlte Brennkammer, die relativ starkwandig ausgeführt ist, so daß die Strahlungswärme der Brennerflamme mit relativ großer Verzögerung auf den zylindrischen Teil der Heiz­ fläche des Kessels wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kessel der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen Tieftemperatur- Betrieb mit trockenen Heizflächen ermöglicht, so daß die Notwen­ digkeit einer Beschichtung zum Schutz der Kesselwände entbehrlich wird.

Ausgehend von einem Kessel der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß die zylindri­ sche Wand der Brennkammer die Strahlungswärme unverzögert durch­ läßt, indem sie als Folie mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm ausgebildet ist, und daß der Rücklauf am oberen Ende des Kessels in eine ringförmige Düse mündet, die auf ihrem Umfang verteilt nach unten gerichtete Düsenöffnungen aufweist.

Während bei dem bekannten Kessel die Brennkammer durch einen doppelwandigen zylindrischen Kessel gebildet wird, der das zu erwärmende Wasser enthält, so daß ein Übergang von Strahlungs­ wärme auf die Nachschaltheizfläche des äußeren Kessels verhindert wird, sieht die Erfindung eine strahlungsdurchlässige Brennkam­ merwand vor, die theoretisch aus Glas bestehen könnte, die aber vorzugsweise wegen der Verschmutzungsgefahr und damit der Beein­ trächtigung der Strahlungsdurchlässigkeit vorzugsweise aus einer Stahlfolie mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm besteht. Eine so dünne Ausbildung der Wandung der Brennkammer ist bei der vertikalen Anordnung möglich. Auf diese Weise wird bei Einschal­ ten des Brenners sofort ein hoher Anteil von Strahlungswärme auf die Kesselwand geleitet, so daß bei Unterschreiten des Taupunktes bei abgeschaltetem Brenner sich gebildetes Kondensat rasch ver­ dampft wird und bei eingeschaltetem Brenner auch im Niedertempe­ ratur-Betrieb sich erst gar kein Kondensat ausbilden kann.

Die Anordnung der Rücklaufringdüse im oberen Wasserraum bewirkt ferner eine gleichmäßige, intensive Rücklaufmischung und Anhebung der Rücklauftemperatur, weil die Rücklaufringdüse die natürliche, rotationssymmetrische Schwerkraft-Zirkulation des stehenden, zylindrischen Kessels verstärkt.

Eine optimale Wärmeübertragung ergibt sich, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das obere Ende des Kessels etwa in gleicher Höhe wie das obere Ende der zylindrischen Wand der Brennkammer und der Mündung des Brenner-Rohres liegt.

Vorzugsweise sind an der inneren Kesselwand radial nach innen in Richtung auf die Brennkammer weisende Rippen vorgesehen.

Derartige Rippen sind an sich bei sogenannten Rippen­ rohrkesseln bekannt, bei denen die abgasseitigen Flächen gegen­ über der Fläche vergrößert werden, die Wärme an das Wasser des Heizkreislaufs abgibt. Ein wesentlicher Vorteil solcher Rippen besteht darin, daß zusätzlich Strahlungswärme auf die Heizfläche übertragen wird.

Allerdings erweist sich gerade beim Niedertemperatur- Betrieb, d. h. bei Schwachlast mit kurzen Brennerlaufzeiten und langen Stillstandszeiten die bekannte Bauart des Rippenrohrkes­ sels als nachteilig. Die erhebliche Wärmeträgheit der dickwandi­ gen, großvolumigen liegenden Brennkammer reduziert im Niedertem­ peratur-Betrieb mit kurzen Brennerlaufzeiten die Wärmestrahlung in die Rippenrohr-Heizfläche, so daß ein trockener Betrieb bei Schwachlast und niedrigen Kesseltemperaturen nicht möglich ist. Außerdem erfordert das große Wärmespeichervermögen der Brennkam­ mer zur Begrenzung des Temperatur-Überlaufs durch Nachheizung einen großen Kesselwasserinhalt, welcher die Wirtschaftlichkeit des unterbrochenen Heizbetriebs hindert.

Nachteilig ist auch der heiße Brennkammerboden und die lange Verweildauer der Rauchgase, welche eine erhöhte Stickoxid­ bildung der Flamme bedingen.

Die rauchgasseitig und wasserseitig gleiche Temperatur­ verteilung im liegenden Kessel, d. h. oben und vorn hohe Kessel­ wasser- und Rauchgastemperaturen und unten sowie hinten niedrige Kesselwasser- und Rauchgastemperaturen bedingen eine zusätzliche Korrosionsempfindlichkeit der unteren, hinten gelegenen Heizflä­ che.

Das mit abnehmendem Wärmebedarf immer ungünstigere Ver­ hältnis von Brennkammer-Oberfläche, d. h. Wärmeträgheit zur Bren­ nerleistung macht die bekannten Rippenrohr-Kessel ungeeignet für kleine Leistungen von etwa 10 kW, wie sie heute für die Mehrzahl gut isolierter Wohneinheiten gefordert werden.

Demgegenüber wird durch die Erfindung erreicht, daß die Flamme und die Rauchgas-Wärmestrahlung unmittelbar auf die Heiz­ fläche des Kessels wirkt, wobei die Rippen den Strahlungseffekt verstärken, so daß nach Einschaltung des Brenners wegen der un­ verzögerten Übertragung der Wärmestrahlung eine mögliche Korro­ sion vermieden und infolge des geringen Nachheiz-Effektes auch nur ein kleiner Kesselwasser-Inhalt erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 einen Kessel im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine der zwischen den Rippen des Kessels angeordneten Nebenheizplatten in Vorderan­ sicht und

Fig. 4 die Nebenheizplatte in Seitenansicht.

Innerhalb eines Gehäuses 1 ist in eine Isolierung 2 eingebettet ein Kessel 3, der aus einem Außenzylinder 4 und einem Innenzylinder 5 besteht, wobei Außen- und Innenzylinder vertikal angeordnet sind und jeweils an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind, so daß der Kessel die Form eines Topfes aufweist. Der Innenzylinder 5 ist nach oben gegenüber dem Außenzylinder 4 verlängert und bildet eine Rauchgaskammer 6 mit einem radialen Rauchgasabzug 7. Das obere Ende des Innenzylinders 5 wird durch einen Rauchkammerdeckel 8 abgeschlossen, in dem zentrisch ein Brenner 9 so angeordnet ist, daß die Öffnung seines Flammrohrs 10 nach unten weist und die Flamme gegen den Boden des Kessels 3 gerichtet wird. Unten am Rauchkammerdeckel ist eine stumpfkegeli­ ge, isolierte Brennkammerhaube angeflanscht, an die sich ein nach unten offener Zylinder 12 anschließt, der einen Abstand von dem Innenzylinder 5 aufweist und die Brennkammer 13 bildet.

Der Zylinder 12 ist gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß er Strahlungswärme unverzögert durchläßt, was sich dadurch erreichen läßt, daß er als Folie mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm ausgebildet ist. Eine so dünne Ausbildung ist möglich, da der Zylinder 12 hängend angeordnet ist und daher keine stati­ schen Belastungen aushalten muß.

Die Verlängerung des Innenzylinders nach oben hat den Vorteil, daß der Brenner mit seinem Flammrohr 10 so angeordnet werden kann, daß die Strahlungswärme schon von der Mündung des Flammrohrs auf den Kessel 3 wirken kann.

Im Betrieb trifft die Brennerflamme durch die offene Brennkammer 13 auf den Boden des Innenzylinders 5, von wo die Ab­ gase durch den Zwischenraum zwischen dem Zylinder 12 der Brenn­ kammer 13 und dem Innenzylinder 5 nach oben in die Rauchgaskammer 6 und den Abzug 7 strömen.

An dem Innenzylinder 5 sind nach Art eines Rippenrohr- Heizkessels radial verlaufende Rippen 14 angebracht, die die konvektive Heizfläche vergrößern und den Wärmeübergang zum Kessel 3 verbessern. Eine weitere Verbesserung des konvektiven Wärme­ übergangs läßt sich dadurch erreichen, wenn zwischen den Rippen 14 die in Fig. 3 und 4 in Vorderansicht und Seitenansicht darge­ stellten Nebenheizplatten 15 angeordnet werden. Diese Nebenheiz­ platten 15 bestehen aus dünnen Stahlblechen, die an ihrem oberen Ende rechtwinklig abgebogen sind, so daß sie auf die oberen Kan­ ten der Rippen 14 aufgelegt werden können, wobei Ausklinkungen 17 unter einem Winkel von 45° das Einsetzen und Herausnehmen er­ leichtern. Zu beiden Seiten der Platten 15 sind aus deren Ebene durch Einschnitte gebildete Nasen 16 herausgebogen, die die Ne­ benheizplatten 15 zwischen den Rippen 14 zentrieren.

Der Vorlauf verläßt den Kessel 3 über einen Stutzen 21 am oberen Ende des Kessels 3 durch ein Rohr 18 zu den schematisch angedeuteten Heizkörpern 22, und der Rücklauf wird über ein Rohr 19 ebenfalls in das obere Ende des Kessels 3 eingeleitet. Das Rohr 19 mündet in eine Ringdüse 20, die an ihrer Unterseite gleichmäßig auf dem Umfang verteilt Öffnungen aufweist, durch die das kühle Rücklaufwasser am Rand des Außenzylinders allein unter Schwerkraftwirkung nach unten strömt, bis es im Bereich des Bo­ dens des Innenzylinders 5 durch die Hitze der dort auftreffenden Flamme erwärmt wird und wieder an der Innenseite des Innenzylin­ ders 5 aufwärtsströmt. Auf diese Weise ergibt sich eine hervorra­ gende Durchmischung des Wassers im Kessel 3 und eine Anhebung der Rücklauftemperatur, weil die Ringdüse die Schwerkraftzirkulation im Kessel verstärkt. Somit wirkt die nach oben ansteigende Kes­ selwasser-Temperatur am Innenzylinder der nach oben abfallenden Rauchgastemperatur entgegen.

Claims (4)

1. Niedertemperatur-Heizkessel für Schwerkraftzirkulation mit einer zylindrischen, vertikal angeordneten Brennkammer, die an ihrem unteren Ende offen ist, und an deren oberen Ende ein Brenner so angeordnet ist, daß die Brennerflamme senkrecht nach unten gerichtet ist, wobei die Brennkammer mit radialem Abstand von einem doppelwandigen zylindrischen, das aufzuheizende Medium enthaltenden Kessel umgeben ist, dessen unteres Ende zu einem topfförmigen Körper ergänzt ist, auf dessen Boden die Brenner­ flamme auftrifft, von wo die Rauchgase durch den Zwischenraum zwischen Brennkammer und Kessel nach oben in den Abzug strömen, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand (12) der Brenn­ kammer (13) die Strahlungswärme unverzögert durchläßt, indem sie als Folie mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm ausgebildet ist, und daß der Rücklauf am oberen Ende des Kessels (3) in eine ringförmige Düse (20) mündet, die auf ihrem Umfang verteilt nach unten gerichtete Düsenöffnungen aufweist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Kessels (3) etwa in gleicher Höhe wie das obere Ende der zylindrischen Wand (12) der Brennkammer (13) und der Mündung des Brennerflammrohres (10) liegt.

3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der inneren Kesselwand (5) radial nach innen in Richtung auf die Brennkammer weisende Rippen (14) vorgesehen sind.

4. Heizkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rippen ebenfalls radial verlaufende dünnwandige Nebenheizplatten (15) angeordnet sind, aus deren Ebene zu beiden Seiten durch Einschnitte gebildete Nasen (16) herausgebogen sind, die sich an den benachbarten Rippen abstützen.