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Heizungskessel für flüssige und gasförmige Brenn-
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stoffe sowie Verfahren zur Steuerung Die Erfindiinq bezieht sich auf
einen Heizkessel für flüssige und gasförmige Brennstoffe, mit einem Wasserraum,
in dem eine Brennkammer, ein im Abgasrohr endender Hauptheizgaszug und dazwischen
ein Verbindungskanal angeordnet ist sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung.
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Heizungskessel unterschiedlichen Typs sind allgemein bekannt und ihre
Hauptaufgabe besteht darin, die aus Gas oder Öl vermittels eines Brenners erzeugte
Wärmeenergie dem Kesselwasser zuzuführen und dieses in den Heizkreislauf einzuspeisen.
Bei deren Konstruktion wird das Hauptaugenmerk zum einen darauf gerichtet, daß eine
möglichst hohe Energieausnutzung d. h. ein hoher feuerungstechnischer Wirkungsgrad
und zum anderen eine lange Lebensdauer erreicht wird. Bereits seit langem sind die
sogegannten Normaltemperaturkessel (70 - 90 C) bekannt, die so gesteuert sind, daß
die Kesseltemperatur zur Vermeidung der Kondensation der Heizgase stets oberhalb
des Taupunktes eingeregelt wird. Der Vorteil dieses Betriebs ist in der vergleichsweise
langen Lebensdauer, der Nachteil demgegenüber in der geringen Energieausnutzung
und insbesondere den hohen Warmeverlusten zu sehen. In jüngerer Zeit sind deshalb
unterstützt durch das "Energiesparbewunt-3ein" der Öffentlichkeit die sogenannten
Niedertempcratur- und Tief temperaturkessel auf den Markt
gelangt,
die entweder auf einer, wenn auch niedrigen Mindesttemperatur gehalten werden müssen
(Niedertemperaturkessel) oder aber völlig abschalten, wenn keine Wärme benötigt
wird (Tieftemperaturkessel). Auf diesen Wegen lassen sich die auftretenden Wärmeverluste
stark reduzieren, was eine entsprechende Einsparung an Brennstoff zur Folge hat.
Als nachteilig ist jedoch anzusehen, das zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind,
um der Kondensation der Heizgase und der im Gefolge davon auftretenden Einschränkungen
der Lebensdauer entgegenzuwirken. Dabei sind sämtliche der bekannten Heizungskesseltypen
in ihrem Aufbau recht ähnlich, da sie aus einer Brennkammer, einem von dort ausgehenden
und zu einem Heizgaszug führenden Verbindungskanal bestehen, der seinerseits in
das zum Kamin führende Abgasrohr einmündet.
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Zur Vermeidung der vorgenannten Mängel hat sich die Erfindung die
Schaffung eines Heizungskessels zur Aufgabe gemacht, durch den ein hohes Maß an
Energieausnutzung auf Grund der geringen Wärmeverluste und gleichzeitig eine hohe
Lebensdauer möglich wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß am Einlaß des
Hauptheizgaszuges eine steuerbare Klappe angeordnet ist und das vom Verbindungskanal
ein oder mehrere weitere (Neben-) Heizgaszüge ausgehen, die in den Hauptheizgaszug
und/oder das Abgasrohr münden. Im allgemeinen Fall steht dann den aus der Brennkammer
ausströmenden Heizgasen die Möglichkeit offen entweder direkt in den Hauptheizgaszug
und von dort in das Abgasrohr zu gelangen oder aber weitere Nebenheizgaszüge zu
durchströmen.
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Zur Klarstellung und in Abgrenzung gegen den Hauptheizgaszug werden
die neuen, zusätzlichen als Nebenheizgaszüge bezeichnet. Während ihrer Durchströmung
wird ein Teil der Wärme an das umgebende Kesselwasser abgegeben, so daß das austretende
Heizgas eine Temperatursenkung erfahren hat. Durch entsprechende Einstellung der
Klappe läßt sich der Anteil des aus der Brennkammer sofort in den Hauptheizgaszug
strömenden Gases bestimmen ebenso wie die Temperatur des im Abgasrohr befindlichen
Gemisches, das sich zusammensetzt aus dem unmittelbar dem Hauptheizgaszug entströmenden
und dem zuvor die Nebenheizgaszüge durchlaufenden, also eine geringere Temperatur
aufweisenden Anteil.
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Durch entsprechende Stellung der Klappe läßt sich eine bestimmte Temperatur
des in den Kamin einströmenden Gases erreichen. Es ist allgemein bekannt, daß je
nach Beschaffenheit des Kamines eine bestimmte Energiemenge dem Kamin zuzuführen
ist, damit er nicht versottet, d. h. damit sich innerhalb des Kamines keine langfristig
zur Zerstörung führende schweflige Säure absetzen kann. Bei zu geringer Energiezufuhr
entsteht eine Säurekorrosion, da sich die Temperatur innerhalb des Kamines unterhalb
des Taupunktes befindet. Bei einer zu hohen Energiezufuhr geht unnötigerweise Wärmeenergie
verloren, die an die Umgebung unmittelbar über den Kamin abgegeben wird. Die soeben
geschilderten Probleme lassen sich nur durch den Einsatz eines kostspieligen Edelstahlkamins
verringern.
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Bei geöffneter Klappe durchlaufen die die Brennkammer verlassenden
Heizgase lediglich den Verbindungskanal und strömen von dort direkt in den Hauptheizgaszug
und von dort in das Abgasrohr ein. Dann ist die Wärmeabgabe innerhalb
des
Heizkessels vergleichsweise gering, da praktisch nur an das die Brennkammer umgebende
Kesselwasser Wärme abgegeben wird. Dafür tritt eine rasche Erhitzung von Brennerraum,
Verbindungskanal, Hauptheizgaszug und Abgasrohr und letztlich auch des Kamines ein.
Da dann die Heizgase in der Brennkammer, aber auch im Verbindungskanal, Hauptheizgaszug
eine hohe Temperatur aufweisen, tritt kaum Kondensation und Säurekorrosion auf.
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Im anderen Fall der in Schließstellung befindlichen Klappe muß das
die Brennkammer verlassende Heizgas vollständig die Nebenheizgaszüge durchströmen,
wo es Wärme an das umgebende Kesselwasser abgibt, um dann erst bei einer niedrigeren
Temperatur in den Hauptheizgaszug und/oder das Abgasrohr einzumünden.
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Der erfindungsgemäße Heizungskessel gestattet in vorteilhafter Weise
eine maximale Ausnutzung der Energie, was bedingt ist zum einen dadurch, daß der
Kessel ähnlich wie ein Tieftemperaturkessel vollständig abschalten kann, so daß
die durch Abgabe der Wärme an den Außenraum auftretenden Verluste vergleichsweise
gering gehalten werden können und zum anderen durch optimale Ausnutzung der Energie
insbesondere bei weitgehend geschlossener Klappe, da in diesem Fall das Heizgas
zusätzlich die Nebenheizgaszüge durchströmt, wo es weitere Energie abgibt.
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Schließlich ist noch als Vorzug anzusehen, daß durch das Verstellen
der Klappe der dem Heizgas dargebotene Strömungswiderstand veränderbar wird und
insbesondere im Startmoment ein hoher Überdruck in der Brennkammer dadurch vermieden
wird, daß sich die Klappe auf Grund des vorgeschilderten Regelvorganges in Öffnungsstellung
befindet.
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Darüber hinaus ist der Leistungsbereich des erfindungsgemäßen Kessels
etwa 4 mal so groß wie bei den im Stande der Technik bekannten, so daß sich Herstellungs-
und Lagerkosten einsparen lassen. Bei den bekannten Vorrichtungen wird schon bei
gerinfügigen Erhöhungen der Leistung ein starker Anstieg der Abgastemperatur und
eine wesentliche Verschlechterung des Wirkungsgrades festgestellt, und andererseits
bei einer Drosselung der Leistung die Abgastemperatur sehr schnell unterhalb des
Taupunktes abgesenkt.
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Für die Erfindung letztlich unerheblich ist, welche Art von Brennkammer
eingesetzt wird, ob es sich insbesondere um einen einfachen oder um zwei konzentrische
Zylinder handelt, deren Zwischenraum vom Heizgas durchströmt wird.
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In Weiterbildung ist vorgesehen, einige oder sämtliche der Nebenheizgaszüge
in Reihe zu schalten, so daß das durchströmende Gas einen größeren Weg zurücklegt
und deshalb eine größere Energiemenge in das umgebende Kesselwasser übertragen kann.
Demzufolge ist dann die beim Ausströmen erreichte Endtemperatur noch niedriger.
Die Parallelschaltung der Nebenheizgaszüge bewirkt, daß der dem Heizgas dargebotene
Strömungswiderstand reduziert wird.
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Zur weiteren Verringerung der Kondensation des Heizgases im Hauptheizgaszug
ist dieser von einem Rohr umgeben, in welches die aus den Nebenheizgaszügen ausströmenden
Heizgase gelangen. Dabei ist unter dem Begriff "Hauptheizgaszug" der Teil zu verstehen,
der vom Verbindungskanal zum Abgasrohr hin innerhalb des Kesselwassers führt. Das
Abgasrohr selbst hingegen befindet sich nicht mehr innerhalb
des
Kesselwassers sondern ragt nach außen und stellt die Verbindung zum Kamin her. Im
Ergebnis erhält man einen von Heizgasen niederer Temperatur umströmten Hauptheizgaszug,
so daß an den Grenzflächen zwischen dem Gas im Hauptheizgaszug und dem in dem umgebenden
Rohr sowie zwischen dem letzteren und dem Kesselwasser eine Verringerung des Temperaturgefälles
und demzufolge eine Reduzierung der Kondensation erreicht wird. Die Mischung der
beiden Gase verschiedener Temperaturen erfolgt dann erst im Abgasrohr.
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Eine Verminderung der Kondensation in der Brennkammer läßt sich xdurch
doppelwandige Ausbildung, also durch eine Ausbildung in zwei aneinander anliegender
Schichten der zwischen Heizgas und Kesselwasser befindlichen Trennfläche erreichen.
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Des weiteren werden zur Verwendung als Heizgaszüge gerade Rohre empfohlen,
da sich diese am einfachsten reinigen lassen. Ein verbesserter Wärmeaustausch und
eine einfache Herstellung läßt sich erreichen, wenn man in diese Rohre in radialer
Richtung verlaufende Zwischenwände einbringt, die einen stirnseitigen Durchlaß aufweisen,
so daß auf der einen Seite der Zwischenwand das Heizgas in der einen und auf der
gegenüberliegenden Seite in der entgegengesetzten Richtung durchströmen kann. Diese
Zwischenwand ist einschiebbar, kann also zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise
bei der Reinigung wieder herausgenommen werden.
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Ebenfalls ergibt sich eine Vereinfachung, wenn der Verbindungskanal
stirnseitig, also vorne angebracht ist, da dann bereits durch Öffnen der vorne befind-
lichen
Kesseltür die Heizgaszüge zugängig werden.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Steuerung der im Einlaß
des Hauptheizgaszuges sitzenden Klappe über einen im Abgasrohr sitzenden Temperaturfühler
erfolgen, wodurch sich erreichen läßt, daß das das Abgasrohr durchströmende Heizgas
mit einer gewünschten und beispielsweise für den Kamin optimalen Temperatur in diesen
einströmt, damit Versottungen und Säurekorrosionen vermieden werden können. In einer
Alternative hierzu wird der Temperaturfühler im Kesselwasser angeordnet, so daß
das Erreichen und Überschreiten des Taupunktes unmittelbar festgestellt werden kann
und auf diese Weise die Stellung der Klappe gesteuert wird. Erst mit Überschreiten
des Taupunktes ist sichergestellt, daß keinerlei Kondensation mehr in den Haupt-
und den Nebenheizgaszügen auftreten kann.
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Zur Steuerung des soeben beschriebenen Heizungskessels wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß beim Starten die Klappe geöffnet und nach dem Durchfahren des
Taupunkts deren Stellung entsprechend der im Abgasrohr und/oder im Kesselwasser
gemessenen Temperatur des Heizgases eingestellt wird. Das hat zur Folge, daß während
des Anfahrens, also bei vollständig geöffneter Klappe das Heizgas von der Brennkammer
über den Verbindungs kanal weitgehend vollständig in den Hauptheizgaszug einströmt,
so daß er sich rasch erwärmt und keine nennenswerte Menge an Kondensat entstehen
kann. Die Nebenheizgaszüge werden während dieser Betriebsphase durch Heizgas so
gut wie überhaupt nicht beaufschlagt, so daß dort aus diesem Grun-
de
keine Kondensation auftreten kann. Nachdem der Taupunkt durchfahren ist, wird die
optimale Temperatur des Heizgases für den Kamin vermittels eines im Abgasrohr befindlichen
Temperatur fühlers durch entsprechende Stellung der Klappe eingeregelt d. h. daß
ein Mischungsverhältnis aus dem aus dem Hauptheizgaszug ausströmenden Heizgases
hoher Temperatur mit dem die Nebenheizgaszüge durchströmenden Heizgas niederer Temperatur
in einem bestimmten Verhältnis vorgenommen wird. Bei alleiniger Verwendung eines
im Kesselwasser befindlichen Temperaturaufnehmers wird unmittelbar nach Überschreiten
des Taupunktes und unabhängig von der im Abgasrohr herrschenden Temperatur die Klappe
gesteuert. Durch das Zuschalten der Nebenheizgaszüge tritt eine wesentliche Verbesserung
der Wärmeaufnahme des Kesselwassers und folglich auch der Energieausnutzung ein.
Im Ergebnis erhält man einen Heizungskessel, der bei entsprechend der Erfindung
vorgeschlagener Steuerung eine optimalen Energieausnutzung und demzufolge auch einen
sehr guten Wirkungsgrad und, auf Grund der geringen Kondensation des Heizgases im
Kesselinneren, eine hohe Lebensdauer desselben erreichbar macht und gleichzeitig
bei entsprechender Einstellung des in den Kamin einströmende Verbrennungsgases eine
Versottung des Kamines vermieden werden kann.
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In einer anderen Variante der Steuerung des erfindungsgemäßen Heizungskessel
wird die Zuflußmenge aus der Heizungsanlage während und kurz nach dem Start stark
gedrosselt und erst nach dem Durchfahren des Taupunktes entsprechend erhöht, was
sich beispielsweise durch Einsatz eines Thermostatventiles im Einlaßbereich realisieren
läßt. Man erreicht dann die
optimale und oberhalb des Taupunkts
liegende Arbeitstemperatur des Heizungskessels sehr rasch und sie wird dann im weiteren,
auch bei Zufuhr größerer, zu erhitzender Wassermengen von der Heizungsanlage beibehalten.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich
dem nachfolgendem Beschreibungsteil entnehmen, in dem an Hand der Zeichnung eine
Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
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Sie zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt etwa durch
die Mittelachse eines erfindungsgemäßen Heizungskessels.
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Der in der Zeichnung dargestellte Heizungskessel besteht üblicherweise
aus einem Gehäuse 1, in dessen unterem Bereich eine Brennkammer 2 angeordnet ist,
die von außen im Betriebszustand über einen durch Öl oder Gas betriebenen Brenner
3 verschlossen ist. Des weiteren ist, ebenfalls wie in an sich üblicher Weise die
Brennkammer 2 durch das Kesselwasser 4 umgeben. Dabei befindet sich etwa unterhalb
der Brennkammer 2 der Einlaß 5 und im oberen Bereich des Gehäuses 1 der Auslaß 6
des Kesselwassers 4, das auf Grund seiner Erwärmung durch die von der Brennkammer
2 abgegebene Energie durch Konvektion nach oben zum Auslaß 6 hin steigt. Ohne Beschränkung
der Allgemeinheit ist die Brennkammer 2 so ausgelegt, daß im Betriebszustand etwa
im Mittelbereich die Flammen ausgehend vom Brenner 3 sich nach rechts zu erstrecken,
die durch die Verbrennung erzeugten Heizgase jedoch in den Randzonen auf den Brenner
3 zu, also in entgegengesetzter Richtung strömen.
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Dies ist durch (ausgezogene) Pfeile angedeutet.
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Im Bereich des Brenners 3 verlassen die Heizgase die Brennkammer 2
und strömen nach oben. Hierfür stehen im allgemeinsten Falle zwei Möglichkeiten
zur Verfügung, nämlich zum einen das Aufwärtsströmen unmittelbar hinter der Vorderfront
des Gehäuses 1 direkt auf den mit der Klappe 7 verschließbaren Hauptheizgaszug 8
zu oder aber über den unteren 9 und/oder oberen Nebenheizgaszug 10 in das den Hauptheizgaszug
8 konzentrisch umgebende Rohr 11, welches ebenso und gemeinsam mit dem Hauptheizgaszug
8 in das Abgasrohr 12 mündet, wo eine Durchmischung der beiden, regelmäßig unterschiedliche
Temperaturen aufweisenden Anteile erfolgt und eine Zuleitung zu dem hier nicht gezeigten
Kamin möglich wird. Zur besseren Verdeutlichung ist der Strömungsverlauf im ersten
Fall durch ausgezogene und im letzteren, also bei Umleitung über den Nebenheizgaszüge
9, 10, durch gestrichelte Pfeile widergegeben. Durch die entsprechende Stellung
der Klappe 7 läßt sich der Anteil der direkt von der Brennkammer 2 in den Hauptheizgaszug
8 strömende Anteil des Heizgases in Bezug auf den die Nebenheizgaszüge 9, 10 durchlaufenden
Anteil bestimmen. Da im letzten Fall mehr Wärme an das umgebende Kesselwasser 4
abgegeben wird, liegt die Endtemperatur des in das Abgasrohr 12 fließenden Heizgases
unter der den Hauptheizgaszug 8 verlaßenden Gases. Durch entsprechende Änderung
des Mischungsverhältnisses läßt sich eine bestimmte Temperatur des sich im Abgasrohr
12 bildenden Gemisches erreichen. Dies ist insofern von besonderer Bedeutung, da
auf diese Weise am späteren Einsatzort gezielt die exakt richtige Energiemenge dem
Kamin zugeführt
werden kann, so daß auf der einen Seite keine unnötigen
Energieverluste auftreten, auf der anderen Seite jedoch eine Säurekorrosion und
eine Versottung des Kamins vermieden wird.
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Als weiterer der Kondensation entgegenwirkender Vorzug ist bei der
gezeigten Ausführungsform anzusehen, daß während der Startphase und bei geöffneter
Klappe ein unmittelbarer, also nur über eine Trennwand hergestellter Kontakt zwischen
Kühlwasser und Rauchgasen nicht gegeben ist. Die Heizgaszüge 8, 9, 10 können aus
Rohren bestehen, innerhalb der zur Führung der Heizgase in radialer Richtung verlaufende
Zwischenwände 13 eingeschoben sind, welche an ihrer Stirnseite einen Durchlaß freigeben.
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Die Steuerung des dargestellten Heizungskessels erfolgt gemäß einem
weiteren Vorschlag der Erfindung auf folgende Weise: Während des Startvorganges
ist die Klappe 7 weit geöffnet, so daß auf Grund des geringeren Strömungswiderstandes
nahezu das gesamte in der Brennkammer 2 erzeugte Heizgas direkt in den Hauptheizgaszug
8 und von dort in das Abgasrohr 12 einströmt. Die erzeugte Wärmeenergie wird dann
im wesentlichen dazu genutzt die Brennkammer 2 und den Hauptheizgaszug 8 sowie die
dazwischen befindlichen Kanälen und insbesondere des Kesselwassers rasch soweit
zu erhitzen daß eine Temperatur oberhalb des Taupunktes des Heizgases erreicht wird,
so daß auf Grund der hohen Temperaturen der Heizgase praktisch keinerlei Kondensation
und im Gefolge davon Säurekorrosion der Kesselteile vorkommt.
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Erst nach Erreichen dieses Temperaturbereiches wird durch entsprechendes
Verschließen von Klappe 7 erreicht, daß ein gewisser Anteil des aus der
Brennkammer
2 ausströmenden Heizgases in den unteren 9 und/oder oberen Nebenhei zgaszug 10 strömt,
dort an das Kesselwasser 4 Energie abgibt, um anschließend erst über das Rohr 11
in das Abgasrohr 12 zu gelangen. Durch den größeren zurückgelegten Weg und die längere
Verweildauer wird ein größerer Anteil der dem Heizgas innewohnenden Wärmeenergie
an das Kesselwasser 4 abgegeben, so daß eine bessere Energieausnutzung möglich ist.
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Im Ergebnis erhält man einen Heizungskessel, durch den eine optimale
Energieausnutzung und auf Grund der geringen Korrosion auch hohen Lebensdauer sowohl
des Kessels als auch des Kamines möglich wird.