DE3727372A1 - Heizkessel beziehungsweise brennwertkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel bzw. Brennwertkessel nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kessels nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 9.

Bei herkömmlichen Heizkesseln wird zur Aufheizung des Heizungswassers lediglich die sensible Wärme des Rauchgases herangezogen. Die Wärmetauscherflächen sind dabei so ausgelegt, daß das Rauchgas nach Verlassen der Wärmetauscher noch eine hinreichend hohe Temperatur aufweist, so daß es auf Grund natürlicher Kaminzugswirkung in die Umgebung abgelassen werden kann. Eine Kondensation der in dem Rauchgas dampfförmig enthaltenen flüssigen Produkte findet nicht statt. Damit wird auf die Nutzbarmachung eines erheblichen Teils der bei der Verbrennung erzeugten Wärmemenge verzichtet.

Es sind auch bereits sogenannte Brennwertkessel bekannt geworden, bei welchen auch die latente Wärme, die in den dampfförmigen bzw. flüssigen Produkten im Rauchgas enthaltene Wärme, durch eine Abkühlung des Rauchgases unter die Kondensationstemperatur dieser Produkte, nutzbar gemacht wird. Da das Rauchgas durch die Abkühlung seinen Auftrieb weitgehend verliert, befindet sich in der Abgasleitung solcher Brennwertkessel gewöhnlich ein Ventilator zur Ableitung der - abgekühlten - Rauchgase.

Die bekannten Brennwertkessel sind jedoch noch mit gewichtigen Nachteilen behaftet. So ist etwa bei einem Einsatz eines solchen Brennwertkessels in Verbindung mit einer herkömmlichen Hochtemperatur-Heizanlagen zu beobachten, daß insbesondere bei relativ niedrigen Außentemperaturen, wenn bei längerer Einschaltdauer des Brenners die Rücklauftemperatur ansteigt, eine Kondensation der dampfförmigen Produkte in dem Rauchgas nur noch teilweise oder sogar überhaupt nicht mehr erreicht wird. Die - latente - Wärme des Rauchgases wird dabei gerade in Zeiten eines hohen Wärmebedarfs nur teilweise oder gar nicht ausgenutzt. Die bekannten Brennwertkessel eignen sich daher in der Regel nicht für eine Nachrüstung bei vorhandenen Hochtemperatur-Heizungsanlagen. Aber auch bei Niedertemperaturanlagen wird bei ungünstigen Umständen nicht zuverlässig immer die gewünschte Kondensation erreicht.

Der Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit welchen unabhängig von einem Hochtemperatur- oder einem Niedertemperaturheizungssystem zuverlässig eine Ausnutzung auch der latenten Wärme der Rauchgase erreichbar ist.

Diese Aufgabe ist durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 9 angegebenen Erfindungen gelöst.

Der Wärmetausch des Rauchgases mit angesaugter Außenluft erbringt gerade bei niedrigen Außentemperaturen eine zuverlässige Abkühlung des Rauchgases unter die Kondensationstemperatur. Dadurch, daß der Außenluftweg des dritten Wärmetauschers in den Umgebungsbereich des Heizkessels mündet, kann dieser Wärmetauscher auch bei nicht angeschaltetem Brenner betrieben werden. Würde der Außenluftweg unmittelbar an den Brennraum angeschlossen sein, würde sich bei einem Betreiben des dritten Wärmetauschers bei nicht aktiviertem Brenner eine ungünstige Abkühlung des Heizungswassers in dem ersten und zweiten Wärmetauscher ergeben. Andererseits erbringt die Einleitung der (aufgewärmten) Außenluft in den Umgebungsbereich des Heizkessels noch eine spürbare Vorwärmung der Brennerluft, insbesondere wenn der Heizkessel sich etwa in einem relativ kleinen Raum befindet.

In Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der erste und zweite Wärmetauscher den Brennraum, wie dies an sich bekannt ist (vgl. beispielsweise DE-GM 84 21 409) konzentrisch umgeben und daß der Heizungsvorlauf an dem ersten, inneren Wärmetauscher angeschlossen ist, während der Heizungsrücklauf an den zweiten, äußeren Wärmetauscher angeschlossen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere auch, einem Wärmebedarf in dem Heizungssystem nachzukommen ohne daß der Brenner notwendig aktiviert werden muß. In dem inneren, den Brennraum unmittelbar umgebenden Wärmetauscher befindet sich jeweils Heizungswasser mit relativ höchsten Temperaturen.

Im einzelnen ist vorgesehen, daß der Anschluß für den Heizungsvorlauf in einem oberen Bereich des ersten Wärmetauschers angeordnet ist und daß der Brennraum von unten nach oben durchströmt wird. Damit befindet sich der Anschluß für den Heizungsvorlauf auch zugeordnet zu dem Umlenkbereich für die Rauchgase, wenn auch im einzelnen die Rauchgasführung den ersten Wärmetauscher noch um einiges überragen kann. Bezüglich des ersten Wärmetauschers ergibt sich damit praktisch eine Gleichstromführung des Rauchgases und der Wasserströmung in dem ersten Wärmetauscher. Da aber die Temperaturen in dem Brennraum, dessen innere Wandung der erste Wärmetauscher bildet, sehr hoch sind und der Wärmetausch hier zu einem sehr hohen Anteil auf Strahlung beruht, ist dies wärmetechnisch fast ohne Bedeutung.

Die Rauchgase werden sodann durch den zweiten, äußeren Gas-/Wasserwärmetauscher geleitet, welcher in Form eines Röhrenwärmetauschers ausgebildet ist, wobei die Rauchgase durch den zweiten Wärmetauscher durchsetzende Rohre strömen. Hierbei ist die Strömung des Rauchgases der Wasserströmung in dem zweiten Wärmetauscher entgegengesetzt.

Die Verbindung des ersten und zweiten Wärmetauschers ist vorteilhaft dadurch realisiert, daß der Zulauf des ersten Wärmetauschers durch ein von einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers ausgehendes, von oben in den ersten Wärmetauscher hineinragendes und im Bodenbereich des ersten Wärmetauschers mündendes Verbindungsrohr gegeben ist. Bei raumsparender Anordbarkeit ist zugleich eine wärmetechnisch vorteilhafte Lösung dadurch gefunden. Darüber hinaus ist der Anschluß für den Rücklauf des Heizsystems durch ein in einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers eintretendes und im unteren Bereich des zweiten Wärmetauschers mündendes Zulaufrohr gegeben.

Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, daß unterhalb des zweiten Wärmetauschers, der konzentrisch zu dem zylinderartigen ersten Wärmetauscher angeordnet ist, der dritte Wärmetauscher angeordnet ist, und daß ein gemeinsamer Kondensatablauf für den zweiten und dritten Wärmetauscher vorgesehen ist. Bei einem erfindungsgemäßen Heizkessel ist es nicht ausgeschlossen bzw. sogar erwünscht, daß, je nach den Randbedingungen, bereits in dem zweiten Wärmetauscher eine Kondensation eintritt. In jedem Fall wird in dem dritten Wärmetauscher die vollständige Kondensation erreicht. Die Untereinanderanordnung dieser Wärmetauscher läßt vorteilhaft eine gemeinsame Abführung des anfallenden Kondensates zu. Darüber hinaus ergibt sich auch ein insgesamt kompakter Aufbau des Heizkessels, sowie, insbesondere bei stationärem Brennerbetrieb, eine wärmetechnisch vorteilhafte Abschirmung auch im unteren Bereich des Heizkessels. Der dritte Wärmetauscher umgibt den Brennraum bevorzugt im Bereich des Brenners.

Die verfahrensmäßige Ausgestaltung, daß dem Rauchgas-/Luftwärmetauscher Außenluft zugeführt wird und daß die Außenluft nach Durchsetzen des Wärmetauschers der Umgebung des Heizkessels zugeleitet wird, erbringt die erwünschte zuverlässige Absenkung der Rauchgastemperatur unter die Kondensationstemperatur der im Rauchgas enthaltenen flüssigen Produkte, insbesondere des dampfförmigen Wassers.

Um auch in einem Übergangszeitraum, wenn nach einem Stillstand der Brenner wieder aktiviert werden soll, auf Grund von Wärmenachfrage im Heizungssystem, die Abkühlung unter die Kondensationstemperatur in dem dritten Wärmetauscher sicherzustellen, schlägt die Erfindung vor, daß zunächst bei inaktivem Brenner für eine gewisse Abkühlungszeit, vorzugsweise einige Minuten, beispielsweise 3-6 Minuten, der Rauchgas-/ Luftwärmetauscher mit Außenluft durchströmt wird. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Betrieb eines Heizkessels, bei welchem der Brenner bei Wärmenachfrage im Heizungssystem aktiviert wird, wird erfindungsgemäß diese Aktivierung für einen gewissen Zeitraum unterdrückt, während aber, beispielsweise durch eine Aktivierung eines Gebläses, die Durchströmung des dritten Wärmetauschers mit Außenluft ausgelöst wird. Dieser Maßnahme kommt in dem erfinderischen Konzept erhebliche Bedeutung zu.

Darüber hinaus ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß ein in der Abgasleitung gewöhnlich angeordnetes Gebläse in der zuvor definierten Abkühlzeit inaktiv ist. Damit ist weiter sichergestellt, wie an sich schon auf Grund des sich durch die Konstruktion des Brennwertkessels ergebenden "Thermosiphon-Effekt", daß während der Abkühlzeit eine Abkühlung im Brennraum und den nachgeschalteten Rauchgaswegen bis zum dritten Wärmetauscher, etwa auf Grund von den Brennraum und die genannten Rauchgaswege durchströmender (kalter) Umgebungsluft bei nicht aktiviertem Brenner, vermieden wird.

Während der vorgeschalteten Abkühlzeit, bevor eine Aktivierung des Brenners bei gleichwohl gegebener Wärmenachfrage in dem Heizungssystem schaltungstechnisch möglich ist, könnte sich eine Komforteinbuße ergeben. Erfindungsgemäß ist daher weiterhin vorgesehen, daß während der Abkühlzeit zur Vermeidung von Komforteinbußen Warmwasser aus den Gas-/Warmwasserwärmetauschern in das Heizungssystem eingespeist wird. Bevorzugt hierbei aus dem ersten bzw. inneren Gas-/Warmwasserwärmetauscher, da das in diesem befindliche Wasser regelmäßig die höchsten Temperaturen aufweisen wird. Es versteht sich, daß sich je nach Größe des Heizungssystems eine entsprechende Größe dieses Wärmetauschers hinsichtlich des Wasservolumens empfiehlt.

Nachstehend wird die Erfindung noch im einzelnen, jedoch lediglich beispielhaft, an Hand der beigefügten Zeichnung erläutert, auf welcher zeigt:

Fig. 1 eine - schematische - Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Heizkessels; und

Fig. 2 ein Blockschaltdiagramm des erfindungsgemäßen Heizkessels.

Dargestellt und beschrieben ist ein Heizkessel 1, der als sogenannter Brennwertkessel arbeitet, mit einem ersten Wärmetauscher 2 und einem zweiten Wärmetauscher 3, welche als Gas-/Wasserwärmetauscher ausgelegt sind, zur Aufheizung von Warmwasser für ein Heizungssystem.

Der erste Wärmetauscher 2 und der zweite Wärmetauscher 3 sind zylinderartig ausgebildet, wobei der erste Wärmetauscher 2 unmittelbar den Brennraum umgibt und der zweite Wärmetauscher 3 konzentrisch zu dem ersten Wärmetauscher 2 angeordnet ist.

Der Brenner 4 ist im unteren Bereich des Heizkessels 1 angeordnet, so daß die Rauchgase nach oben strömen, wo sie in einem Umlenkbereich 5 umgelenkt werden und durch Rohre 6, die den zweiten Wärmetauscher 3 durchsetzen, wieder nach unten strömen.

Bei dem Brenner 4 handelt es sich um einen atmosphärischen Brenner.

Der Vorlauf 7 des Heizungssystems ist an den ersten Wärmetauscher 2, in dessen oberen Bereich, angeschlossen. Der Rücklauf 8 des Heizungssystems ist an den zweiten Wärmetauscher 3 angeschlossen. Im einzelnen ist der Rücklauf 8 durch ein im oberen Bereich in den zweiten Wärmetauscher 3 eintretendes Rücklaufrohr realisiert, welches im Bereich des Bodens 9 des zweiten Wärmetauschers 3 mündet.

Der Heizkessel 1 weist darüber hinaus einen dritten Wärmetauscher 10 auf, in welchem das Rauchgas im Wärmetausch zu angesaugter Außenluft geführt ist. Die Außenluft wird über eine Zuleitung 11 mittels eines in der Zuleitung befindlichen Gebläses 12 angesaugt. Beispielsweise kann die Zuleitung 11 in einem Fensterbereich 13 eines Raumes, in welchem sich der Heizkessel 1 befindet, nach außen münden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Außenluft durch eine ringförmig den Heizkessel im Bereich des Brenners umgebende Leitung 14 geleitet. Die Leitung 14 mündet, was im einzelnen nicht dargestellt ist, unmittelbar in die Umgebung des Heizkessels 1.

Der erste Wärmetauscher 2 und der zweite Wärmetauscher 3 sind durch ein von einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers 3 ausgehendes, von oben in den ersten Wärmetauscher 2 hineinragendes und im Bodenbereich 15 des ersten Wärmetauschers 2 mündendes Verbindungsrohr 16 strömungsmäßig miteinander verbunden.

Wie ersichtlich, ist der dritte Wärmetauscher 10 unterhalb des ersten Wärmetauschers 3 angeordnet und es ist ein gemeinsamer Kondensatablauf 17 für den zweiten Wärmetauscher 3 und den dritten Wärmetauscher 10 vorgesehen. Der dritte Wärmetauscher 10 umgibt den Brennraum des Kessels 1 also etwa im Bereich des Brenners 4.

In der Blockschaltdarstellung gemäß Fig. 1 ist ersichtlich, daß dem Brenner 4 aus der Umgebung des Heizkessels 1 vorgewärmte Frischluft zugeführt wird. Nach Durchsetzen des Brenners weisen die Rauchgase bei 19 etwa eine Temperatur von 450 Grad Celsius auf. Bei dieser Temperatur heizen sie das Warmwasser in dem ersten Wärmetauscher 2 auf, vorwiegend durch Strahlung. Nach dem ersten Wärmetauscher 2 besitzen die Rauchgase bei 20 etwa eine Temperatur von 140 Grad Celsius, mit welcher sie in den zweiten Wärmetauscher 3 eintreten. Dort wird, vorwiegend durch konvektiven Wärmeübergang, dem Rauchgas weiter Wärme entzogen, so daß es bei 21 etwa eine Temperatur von 70 Grad Celsius aufweist. In dem dritten Wärmetauscher 10 wird das Rauchgas weiter abgekühlt, soweit, daß es zuverlässig immer eine Temperatur von weniger als etwa 37 Grad bis 40 Grad Celsius bei 22 aufweist, oftmals auch noch darunter. Dem dritten Wärmetauscher 10 wird Frischluft 11 zugeführt, während bei dem dritten Wärmetauscher 10 und dem zweiten Wärmetauscher 3 gleichzeitig Kondensat 17 anfällt.

Nach Durchsetzen des dritten Wärmetauschers 10 wird das Rauchgas der Abgasleitung 23 zugeführt, durch welche es, auf Grund des Gebläses 24, nach außen abgegeben wird.

Der zweite Wärmetauscher 3 ist mit dem ersten Wärmetauscher 2 über die Leitung 16 verbunden.

Zwischen dem Vorlauf 7 und dem Rücklauf 8 des Heizungssystems 25 bzw. des Kessels 1 ist ein üblicher, bekannter Vier-Wege-Mischer 26 eingebaut.

Bei einer Wärmenachfrage in dem Heizungssystem 25 wird zunächst - lediglich - das Gebläse 12 in der Leitung 11 aktiviert, welches (kalte) Außenluft dem dritten Wärmetauscher 10 durchführt. Hierdurch wird der dritte Wärmetauscher 10 zuverlässig soweit abgekühlt, daß bei nachfolgendem Anspringen des Brenners 4 jeweils die erforderliche, den Kondensationspunkt der flüssigen Produkte in dem Rauchgas unterschreitende, Temperatur aufweist, bzw. diese Temperatur sich dort einstellt. Gewöhnlich beträgt die erforderliche Abkühlzeit etwa 3-6 Minuten.

Zur Vermeidung von Komforteinbußen wird während dieser Abkühlzeit aus dem ersten Wärmetauscher 2 über den Vorlauf 7 Warmwasser in das Heizungssystem 25 eingespeist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedensten Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (12)

1. Heizkessel bzw. Brennwertkessel, mit einem ersten und zweiten Wärmetauscher, zur Aufheizung von Heizungswasser im Wärmetausch zu der Brennerflamme bzw. dem Rauchgas und mit einem Anschluß für den Vor- bzw. Rücklauf eines Heizungssystems, gekennzeichnet durch einen dritten, nachgeschalteten Wärmetauscher (10) für einen Wärmetausch des Rauchgases mit angesaugter Außenluft, wobei der Außenluftweg des dritten Wärmetauschers (10) in den Umgebungsbereich des Heizkessels (1) mündet.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Wärmetauscher den Brennraum konzentrisch umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungsvorlauf (7) an den ersten, inneren Wärmetauscher (2) angeschlossen ist und daß der Heizungsrücklauf (8) an den zweiten, äußeren Wärmetauscher (3) angeschlossen ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß für den Heizungsvorlauf (7) in einem oberen Bereich des ersten Wärmetauschers (2) angeordnet ist und daß der Brennraum von unten nach oben durchströmt wird.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmetauscher (2) im wesentlichen ein Strahlungswärmetauscher ist und daß der zweite Wärmetauscher (3) im wesentlichen ein Konvektionswärmetauscher ist.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf des ersten Wärmetauschers (2) durch ein von einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers (3) ausgehendes, von oben in den ersten Wärmetauscher (2) hineinragendes und im Bodenbereich (15) des ersten Wärmetauschers (2) mündendes Verbindungsrohr (6) gegeben ist.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß für den Rücklauf (8) des Heizsystems (25) durch ein in einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers (3) eintretendes und im unteren Bereich (9) des zweiten Wärmetauschers mündendes Zulaufrohr gegeben ist.

7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wärmetauscher (10) unterhalb des zweiten Wärmetauschers (3) angeordnet ist und daß ein gemeinsamer Kondensatablauf (17) für den zweiten Wärmetauscher (3) und den dritten Wärmetauscher (10) vorgesehen ist.

8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wärmetauscher (10) den Brennraum im Bereich des Brenners (4) umgibt.

9. Verfahren zum Betreiben eines Heizkessels, insbesondere eines Brennwertkessels, vorzugsweise eines Heizkessels nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Rauchgas-/Luftwärmetauscher vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rauchgas-/Luftwärmetauscher Außenluft zugeführt wird und daß die Außenluft nach Durchsetzen des Wärmetauschers der Umgebung des Heizkörpers zugeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wärmenachfrage in dem angeschlossenen Heizungssystem zunächst bei inaktivem Brenner für eine gewisse Abkühlzeit, vorzugsweise einige Minuten, beispielsweise 3-6 Minuten, der Rauchgas-/Luftwärmetauscher mit Außenluft durchströmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in der Abgasleitung ein Gebläse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gebläse in einer Kaminleitung während der Abkühlzeit inaktiv ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abkühlzeit zur Vermeidung von Komforteinbußen Warmwasser aus dem Gas-Warmwasserwärmetauscher in das Heizungssystem eingespeist wird.