DE3535341A1 - Heizkessel fuer fluessige oder gasfoermige brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel für flüssige oder gas­ förmige Brennstoffe gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches und insbesondere für eine Betriebsweise im sog. Nieder- oder Tief­ temperaturbereich. Nahezu jeder moderne Heizungskessel ist heute im Prinzip nach der eingangs genannten Art ausgebildet, die somit hinlänglich bekannt ist und insoweit an sich keines druckschrift­ lichen Nachweises bedarf. Derartige Kessel unterscheiden sich le­ diglich durch konstruktive Varianten, wozu bspw. auf die DE-PS 29 06 362 und die DE-OS 33 39 615 verwiesen sei, wobei sich die vor­ bekannten Heizungskessel nach diesen Druckschriften durch die prinzipielle Zweischaligkeit ihrer Wärmeübertragungsflächen be­ sonders auszeichnen.

Um einerseits den Strömungswiderstand im Rahmen zu halten und um andererseits im Rohrzug genügend wirksame Wärmetauschfläche unter­ bringen zu können, wurden deshalb die Längsrippen praktisch auf ganze Länge der Brennerseite zur Abzugsseite hin durchlaufend mit entsprechend großem Rippenabstand zueinander (ca. 20 mm) vorgesehen und im Freiraum zwischen dieser "Rundumverrippung" ist die topf­ artige Brennkammer angeordnet, die sich, von einem relativ kurzen Einströmbereich in die Rippenzwischenräume bzw. Zugkanäle abgese­ hen, ebenfalls nahezu über die gesamte Länge der Längsrippen er­ streckt. Durch diese Konstruktion brennt die Brennflamme nahezu mit ihrer gesamten Länge in die topfförmige Brennkammer hinein, in der dann die Heizgase umgelenkt werden und im Rück­ strom an der brennerseitigen Kante in die von den Rippen be­ grenzten Heizgaszüge einströmen. Die von der Brennerflamme ausgehende Strahlung kann also praktisch nur über den Umweg der Brennkammerwand an die wassergekühlte Fläche des Rohrzuges ge­ langen, der die Brennkammer und die Heizgaszüge umschließt. Abgesehen davon, daß man mit einer solchen Heizkesselausbildung die unmittelbare Wärmestrahlungsübertragung an die wasser­ gekühlte Übertragungsfläche mehr oder weniger behindert, führt dies zu einer extrem heißen Brennkammer über deren gesamte Länge, wodurch aber auch bei der Verbrennung von flüssigen oder gasför­ migen Brennstoffen insbesondere in einer solchen heißen Brennkammer der sog. NOX-Anteil Werte annimmt, die in dieser Größenordnung bspw. dann nicht auftreten, wenn die Brennkammer selbst wassergekühlt wäre. Solche wassergekühlten Brennkammerkonstruktionen sind zwar bekannt, verständlicherweise aber mit einem beträchtlich größeren Fertigungs- und Materialaufwand verbunden, als dies bei einer nicht wasserge­ kühlten und lediglich topfartig eingesetzten Brennkammer der Fall ist.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Heizungs­ kessel der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Wärmeübertragungsflächenanordnung und Wärmeübertragungs­ flächenverteilung bei zumindest gleichem oder kleinerem Fer­ tigungsaufwand an die tatsächliche Art des Wärmeangebotes im Rohrzug unter Beachtung einer weitestgehenden Kondensatbildungs­ verhinderung angepaßt sein soll mit der Maßgabe einer mindestens teilweise Strömungswiderstandsverlegung aus dem vorderen Bereich in die abströmseitige Hälfte des Rohrzuges.

Diese Aufgabe ist mit einem Heizungskessel der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und praktische Ausführungsformen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist also die Wärmeübertragungs­ fläche in der vorderen Hälfte des Rohrzuges reduziert und in der hinteren Hälfte, also dort, wo die insgesamt verkürzte topfartige Brennkammer angeordnet ist, durch Konzentration bzw. "Verdichtung" vergrößert. Damit ist die ganze Wärmeübertragungsflächenanordnung und -verteilung so getroffen, daß die Wärmeübertragung im vorderen Bereich, von der Brennkammer unbehindert, im wesentlichen durch Strahlung und im Bereich der konzentrierten Wärmeübertragungsflächen durch Konvektion erfolgt, was, wie sich gezeigt hat, den tat­ sächlichen Wärmeübertragungsvorgängen gerechter wird, als dies bei einer von vorn nach hinten gleichförmig durchlaufenden Verrippung der Fall ist. In Rücksicht auf die verkürzte Brennkammer und die Reduzierung der sonst auch im vorderen Bereich des Rohrzuges vorhandenen Wärmeübertragungsfläche kann man es sich leisten, im hinteren Bereich die dortige Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern, ohne daß damit der Gesamtströmungswiderstand er­ höht wird. Die Temperatur der Wand der verkürzten und nur im hin­ teren Bereich des Rohrzuges angeordneten Brennkammer bleibt zwar zwangsläufig die gleiche, aber der Weg, den die Heizgase sowohl innen als auch außen längs der heißen Brennkammerwand zurückzulegen haben, ist entsprechend kürzer, was sich günstig auf die NOX-Bilanz auswirkt, wobei sich entsprechend niedrige NOX-Werte ergeben, wie sie sonst nur bei Heizungskesseln mit was­ sergekühlter Brennkammer erreichbar sind.

Da erfindungsgemäß nur ein Teil der Rippenwärmetauschfläche, der sonst auch im vorderen Bereich des Rohrzuges vorhanden ist, in den Bereich der Brennkammer bei dort reduziertem Abstand der Längsrippen zueinander verlegt angeordnet ist, ist auch der For­ derung Rechnung getragen, die verfügbare Wärmetauschfläche im vorderen Bereich ausreichend groß zu halten, um dort einem Kondensatanfall wirksam begegnen zu können, der dann auftritt, wenn in diesem Bereich eine glatte zylindrische und unmittelbar wassergekühlte Begrenzungswand vorläge, wie dies bei einem wei­ teren vorbekannten Heizkessel der Fall ist, der zwar eine, gemessen am Üblichen, etwas kürzere Brennkammer hat, die aber immer noch länger ist als die halbe Länge des Rohrzuges. Außerdem liegt bei diesem Heizkessel keine Wärmeübertragungsflächenkonzentration im Sinne der erfindungsgemäßen Lösung vor und die wirksame Wärmeübertragungsrippenfläche in diesem Bereich ist nicht größer als dies bisher der Fall war. Da damit bei diesem Kessel der Strömungswiderstand insgesamt reduziert ist, besteht auch die Gefahr, daß periphere Teile der von der Flamme gebildeten Heiz­ gase direkt in die Heizgaszüge einströmen können. Da die er­ findungsgemäße Wärmeübertragungsflächenkonzentration im hinteren Bereich des Rohrzuges mit einem gewissen Stau verbunden ist, kann dieser Effekt nicht auftreten und die Heizgase treten trotz extrem verkürzter Brennkammer weitgehend ausgebrannt in die räum­ lich verdichtete Längsrippenanordnung ein, in der dann die Restwärme im wesentlichen durch Konvektion in bekannter Weise ab­ gegeben wird. Da sich dieser Bereich aufgrund der vorhandenen und dichten Verrippung (Rippenabstand zueinander lediglich in der Größenordnung von 12-15 mm) sowieso bei Tieftemperaturbetriebs­ weise schnell aufheizt, ist dieser Bereich praktisch nicht kon­ densatgefährdet.

Der vordere Bereich, in dem also die Wärme im wesentlichen durch Strahlung übertragen wird, ist aber diesbezüglich und wie erwähnt, so gestaltet, daß hier ebenfalls kein Kondensatanfall auftreten kann, wofür es verschiedene Möglichkeiten gibt. Im einfachsten Fall, d. h., bei einem für den Niedertemperaturbereich vorgesehenen kann man sich darauf beschränken, das Wärmeaufnahmevermögen dieser Fläche durch eine Rippenanordnung mit reduzierter Anzahl und/oder reduzierter Rippenhöhe vorzusehen. Da für Hei­ zungskessel, die im Tieftemperaturbereich betrieben werden sollen, eine solche Maßnahme zur Kondensatverhinderung absehbar nicht ausreicht, kann der Heizkessel derart ausgebildet werden, daß mindestens die sich vor der Brennkammer erstreckende Wand des Rohrzuges als zweischalige Wand ausgebildet ist, wobei die zweischalige Wand innen in Form einer zylindrischen glatten, rippenfreien Innenschale ausgebildet ist, die mindestens in Teilbereichen mit der Innenwandfläche des Rohrzuges in Wärmeleit­ kontakt steht. Eine solche Maßnahme ist an sich bekannt, und deshalb wird dafür Schutz nur im Rahmen der vorliegenden Erfindung beansprucht. Das gleiche gilt für eine in dieser Hinsicht eben­ falls mögliche Ausführungsform des Heizkessels derart, daß die zwei­ schalige Wand innen in Form einer aus mehreren Gußringen gebilde­ ten Innenschale gebildet ist. Bei dieser Ausbildung besteht durch­ aus die Möglichkeit, die Anzahl der Längsrippen an den Gußringen von der Brennerseite aus zur Abzugsseite hin zunehmend zu bemessen, d. h., jeder Folgering in Richtung zur Abzugsseite hin kann eine zunehmend größere Anzahl von Längsrippen aufweisen. Aus fertigungstechnischen Gründen wird jedoch eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Ringe in zwei Gruppen gegliedert sind, nämlich in eine Brennkammer­ gruppe für den konvektiven Wärmeübergang und eine davor angeordnete Gruppe mit einer geringeren Anzahl von Längsrippen für den Strahlungswärmeübergang oder mit gleicher Anzahl von Längsrippen, deren Höhe dann jedoch reduziert ist. Zusammenfassend führt die erfindungsgemäße Ausbildung des Heizungskessels zu folgendem:

Mindestens die Hälfte des Rohrzuges ist bei gleichzeitiger kondensat­ verhindernder Gestaltung und entsprechender Verkürzung der Brennkammer einer Wärmeübertragung durch Strahlung zugänglich gemacht.

Durch Widerstandsreduzierung in der vorderen Hälfte des Rohrzuges ist die Möglichkeit geschaffen, die Konvektionsheizfläche im Bereich der verkürzten Brennkammer zu konzentrieren bzw. zu vergrößern.

Der verkürzte Weg der Flamm- bzw. Heizgase längs der kurzen Brennkammer führt zu einer NOX-Reduzierung, wie sie sonst nur bei wasserge­ kühlten Brennkammern erreichbar ist.

Das an sich bekannte und bewährte Prinzip einer zweischaligen Aus­ bildung läßt sich beim erfindungsgemäßen Prinzip problemlos zur Anwendung bringen, und zwar in verschiedenen Ausführungsformen insbesondere dann, wenn der Heizungskessel in Tieftemperaturbetriebs­ weise gefahren werden soll.

Trotz kondensatverhindernder Maßnahmen über die gesamte Länge des Rohrzuges liegt zumindest in bezug auf Kessel der eingangs genannten Art im vorderen Bereich bezüglich der strahlungswärmewirksamen Übertragungsflächen eine Massereduktion und im Bereich der Brennkammer eine Massenkonzentration vor, welche Reduktionen bzw. Konzentrationen regeltechnisch besser zu erfassen sind.

Durch die "verdichteten" Heizflächen und den damit erhöhten Strömungswiderstand im Konvektionsbereich wird ein Gasstau erzeugt, der weitgehend verhindert, daß Heiz- bzw. Flammgase, ohne in die Brennkammer gelangt und ausreichend ausgebrannt zu sein, direkt aus dem Strahlungsbereich in die relativ engen Heizgaszüge ein­ strömen können.

Der größere Strömungswiderstand im Konvektionsbereich kann nur deshalb vorgesehen werden, weil der Widerstand im Strahlungsbereich des Rohrzuges stark reduziert ist. Außerdem ergibt sich durch die Konvektionsflächenverdichtung der Vorteil, den Kessel, insbesondere wenn es sich um einen Kessel mit kleinerer Leistung handelt, mit einem zweistufigen Brenner betreiben zu können, was bei reduzierter Leistungsstufe nämlich nicht dazu führt, daß die Abgastemperatur unerwünscht abfällt, denn die Abgase strömen bei der niedrigeren Leistungsstufe und entsprechend reduziertem Gasvolumen langsamer durch die konzentrierte Konvektionsfläche und geben entsprechend weniger Wärme ab.

Der erfindungsgemäße Heizungskessel wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt schematisch

Fig. 1 im Schnitt die einfachste Ausführungsform des Heizungskessels;

Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt durch eine andere Aus­ führungsform des Heizungskessels;

Fig. 3, 4 Schnitte durch den Rohrzug im Bereich der "verdichteten" Konvektionsheizfläche;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Heizkessel im Sinne der Fig. 1 in einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 6-8 in Durchströmrichtung gesehen, Einzelteile des Hei­ zungskessels gemäß Fig. 5.

Wie aus Fig. 1, 2 und 5 erkennbar, besteht der Heizkessel aus einem wasserführenden Gehäuse 16 mit Vor- und Rücklaufanschlußstutzen 18 und einem das Gehäuse 16 horizontal durchgreifenden, zu einem Rauchgasabzug 17 führenden und mit Brenner 15 bestückten Rohrzug 1, der im Freiraum einer aus Längsrippen gebildeten Rohrzuginnen­ verrippung eine topfartige Brennkammer 2 enthält. Dieser Aufbau entspricht im wesentlichen der Grundkonzeption moderner Heizkessel dieser Art. Diese Grundkonzeption ist nun, wie ebenfalls aus den genannten Figuren erkennbar, derart verändert, daß die topfartige, im hinteren Bereich des Rohrzuges 1 angeordnete Brennkammer 2 in ihrer Länge maximal der halben Länge des Rohrzuges 1 ent­ spricht, wobei ein Teil der Rippenwärmetauschfläche vor der Brennkammer 2 in den Bereich der Brennkammer 2, bei dort reduziertem Abstand A der Längsrippen 3 zueinander, verlegt angeordnet ist. Um die Rippenanordnung zueinander mit ihrem reduzierten Abstand A schon in Fig. 1 zu verdeutlichen, ist im Bereich der verkürzten Brennkammer 2 gestrichelt ein halber Schnitt angedeutet. Die Redu­ zierung der Wärmeübertragungsfläche im Strahlungsbereich 14 ist durch die Darstellung nur weniger und auch in ihrer Höhe reduzierten Längsrippen 3 verdeutlicht. Wenn es sich dabei, wie dargestellt, um einen einschaligen Rohrzug 1 handelt, kann auf die Anordnung der Rippen 3 im Bereich 14 nicht verzichtet werden, da dieser unmit­ telbar wassergekühlte Bereich zu Kondensatbildung führen könnte. Durch die stehengelassenen "Restrippen" 3 wird aber das Wärmeauf­ nahmevermögen dieses Bereiches so weit vergrößert, daß damit dem Kondensatanfall entgegengewirkt wird.

Bei gleichem Grundprinzip, wie erläutert, ist der Heizkessel nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 derart ausgebildet, daß mindestens die sich vor der Brennkammer 2 erstreckende Wand des Rohrzuges 1 als zweischalige Wand 4 ausgebildet ist. Diese zweischalige Wand 4 ist innen in Form einer zylindrisch glatten, rippenfreien Innenschale 5 ausgebildet, die mindestens in Teilbereichen mit der Innenwandfläche 6 des Rohrzuges 1 in Wärmeleitkontakt steht.

Die Wirkung derart ausgebildeter doppelschaligen Wandungen mit gezielt angeordneten Wärmeübergangsbrücken ist bekannt und bedarf insoweit keiner weiteren Erläuterung. Im Kon­ vektionsbereich 13 kann die Innenschale 5 auch aus den Basis­ stegen 6′ von dicht an dicht aufgeschweißten Rippenprofilen 7 gebildet werden, wobei es sich, wie dargestellt um Rechtwinkel-, U-Form-, Rippenfaltprofile oder dergl. handeln kann. Gemäß Fig. 4 kann ferner die Innenschale 5 im Bereich der Brennkammer 2 bzw. der Konvektion in Form eines zylindrischen Einsatzes 7 ge­ bildet sein, der aus mehreren, jeweils mehrere Längsrippen 8 aufweisenden, entsprechend gewölbten Strangpreßprofilen 9 ge­ bildet ist, die mit Längsnähten zu einem zylindrischen Einsatz zusammengefügt werden. Die bisher beschriebenen Ausführungs­ beispiele sind insbesondere für Heizungskessel bestimmt, deren Rohrzugdurchmesser in einer über ca. 60 cm Größenordnung liegt. Für Rohrzüge 1 mit kleinerem Durchmesser kommt insbesondere die Ausführungsform nach Fig. 5 in Frage. Hierbei ist die zweischalige Wand 4 innen in Form einer aus mehreren Gußringen 10 gebildeten Innen­ schale 5 ausgebildet. Dabei kann die Anzahl der Längsrippen 3 an den Gußringen 10 von der Brennerseite 11 aus zur Abzugsseite 12 hin zunehmend bemessen sein, was nicht besonders dargestellt ist.

In Rücksicht auf den Fertigungs- und Formenaufwand für die inso­ weit unterschiedlichen Gußringe ist gemäß Fig. 5 der Heizkessel nämlich derart ausgebildet, daß die Ringe 10 in zwei Gruppen ge­ gliedert sind, nämlich in einer Brennkammergruppe 13 (Konvektionsbereich) und eine davor angeordnete Gruppe 14 (Strahlungsbereich) mit einer geringeren Anzahl von Längs­ rippen 3. Dabei kann der vorderste Ring 10′ innen rippen­ frei ausgebildet werden. Die Ringe 10 im Bereich der Brennkammer 2 bzw. im Konvektionsbereich 13 sind dabei, wie dies Fig. 8 er­ kennen läßt, sehr dicht mit Längsrippen 3 besetzt, deren Abstand A nur ca. 12 bis 15 mm beträgt, wodurch die hohe Konzentration an Wärmeübertragungsfläche in diesem Bereich erzielt ist. Für die davor befindlichen Ringe 10, d. h., die Ringe im Strahlungsbereich 14, genügt eine beträchtliche "Aus­ dünnung" des Rippenbesatzes, und zwar so weitgehend, wie dies aus den Fig. 6, 7 ersichtlich ist. Abgesehen von einer dadurch beschleunigten Aufheizung dieser Ringe in diesem Bereich, die aber letztlich für die gewünschte Wärmeübertragung in diesem Bereich an das Wärmeträgermedium gar nicht wesentlich ist, son­ dern auch der Kondensatbildungsverhinderung dient, haben die Rippen 3 bzw. 3′ primär eine Aussteifungsfunktion für die dünn­ wandigen Gußringe und erleichtern gleichzeitig das Einführen der extrem verkürzten Brennkammer 2 in den in der hinteren Hälfte befindlichen Konvektionsbereich 13. Je nach den Erfordernissen und wie aus Fig. 6, 7 erkennbar, können dabei die Längsrippen 3 in ihrer Höhe H der Höhe der Rippen der Ringe 10 im Konvektions­ bereich 13 entsprechen oder in bezug auf deren Höhe bei ggf. vergrößerter Anzahl entsprechend reduziert sein.

Claims (11)

1. Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, bestehend aus einem wasserführenden Gehäuse mit Vor- und rücklaufanschluß­ stutzen und einem das Gehäuse horizontal durchgreifenden, zu einem Rauchgasabzug führenden und mit Brenner bestückten Rohrzug, der im Freiraum einer aus Längsrippen gebildeten Rohrzuginnen­ verrippung eine topfartige Brennkammer enthält, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die topfartige, im hinteren Be­ reich des Rohrzuges (1) angeordnete Brennkammer (2) in ihrer Länge maximal der halben Länge des Rohrzuges (1) entspricht und ein Teil der Rippenwärmetauschfläche vor der Brennkammer (2) in den Be­ reich der Brennkammer (2) bei dort entsprechend reduziertem Ab­ stand (A) der Längsrippen zueinander verlegt angeordnet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens die sich vor der Brennkammer (2) erstreckende Wand des Rohrzuges (1) als zweischalige Wand (4) ausgebildet ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweischalige Wand (4) innen in Form einer zylindrisch glatten, rippenfreien Innenschale (5) ausge­ bildet ist, die mindestens in Teilbereichen mit der Innenwand­ fläche (6) des Rohrzuges (1) in Wärmeleitkontakt steht.

4. Heizkessel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innenschale (5) im Bereich der Brennkammer (2) aus den Basisstegen (6′) von Rippenprofilen (7), wie Rechtwinkel-, U-Form-, Rippenfalt­ profilen oder dergl. gebildet ist.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschale (5) im Bereich der Brennkammer (2) in Form eines zylindrischen Ein­ satzes ( 7) und dieser aus mehreren, jeweils mehrere Längs­ rippen (8) aufweisenden, entsprechend gewölbten Strangpreß­ profilen (9) gebildet ist.

6. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweischalige Wand (4) innen in Form einer aus mehreren Gußringen (10) gebildeten Innenschale (5) ausgebildet ist.

7. Heizkessel nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der Längsrippen (3) an den Gußringen (10) von der Brennerseite (11) aus zur Abzugsseite (12) hin zunehmend bemessen ist.

8. Heizkessel nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens der brennerseitige Ring (10′) innen rippenfrei ausgebildet ist.

9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (10) in zwei Gruppen gegliedert sind, nämlich in eine Brennkammergruppe (13) und eine davor angeordnete Gruppe (14) mit einer geringeren Anzahl von Längsrippen (3).

10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (10) in zwei Gruppen gegliedert sind, nämlich in eine Brennkammergruppe (13) und eine davor angeordnete Gruppe (14 ) mit einer entsprechenden Anzahl von Längsrippen (3) mit geringerer Höhe (H).

11. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippen (3′) im Bereich vor der Brennkammer (2) mit einer geringeren Höhe (H) als der der im Bereich der Brennkammer (2) angeordneten Längsrippen (3) verse­ hen ist.