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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizkessel mit Rauchgaszirkulation nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein Heizkessel, der eine Wasserspeicheranlage oder einen Speicher einschließt, der von
einer zylindrischen Verbrennungskammer umgeben ist, ist in unserer europäischen
Patentschrift EP-0 166 703 beschrieben. Dieser Kessel ist ein sogenannter Niedertemperaturkessel,
mit dem die Wärmeenergie der Rauchgase wirksam ausgenutzt wird, indem man die
Rauchgaskanäle, die zwischen dem Wasserspeicher und der Verbrennungskammer liegen, in vier
Gruppen teilt, so daß aus der Verbrennungskammer auf der Brennerseite ankommende
Rauchgase zu der unteren Gruppe von Kanälen und von dort zu Seitenkanälen mit Hilfe einer
Rauchgasumkehrkammer auf der der Brennerseite entgegengesetzten Seite geführt werden
und dann von den Seitenkanälen zu der oberen Gruppe von Kanälen mit Hilfe einer zweiten
Rauchgasumkehrkammer auf der Brennerseite geführt werden, wobei diese obere Gruppe von
Kanälen die Rauchgase zu einer Rauchgasauslaßleitung führt.
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Aus Umweltgründen werden an den Stickstoffoxidgehalt (NOx) der Rauchgase strenge
Anforderungen gestellt, und demnach wurden in jüngster Zeit rastlose Bemühungen gemacht,
die NOx-Gehalte von in Niedertemperaturkesseln der in der Einleitung beschriebenen Art
entwickelten Gase weiter zu vermindern. Eine bekannte Lösung in dieser Beziehung schließt
eine Rückführung eines Teils der Rauchgase zu der Verbrennungskammer an eine Stelle in der
Nähe des Brenners ein, so daß die in der Verbrennungskammer erzeugten Gase mit den
Rauchgasen verdünnt werden, so daß diese das Verbrennungsverfahren dämpfen und auch
daran teilhaben, die Brennstoffverbrennungstemperatur auf einem Wert zu halten, der
ausreichend niedrig gehalten werden kann, um der Bildung von NOx entgegenzuwirken.
Heizkessel, in denen Rauchgase rezirkuliert werden, um zugegebene Reaktionspartner zu verdünnen,
sind in der DE-A1-3 601 000, DE-A1-3 628 293, DE-C1-3 738 623 und EP-A-0 288 031
beispielhalber beschrieben. Gegen den Hintergrund der immer zunehmend strengen
Anforderungen bezüglich der Emission schädlicher Substanzen gesehen, ist die Verdünnung
zugegebener Reaktionspartner durch Rückführung der Rauchgase solcher Kessel nicht
ausreichend, um den Stickstoffoxidgehalt der Gase zu senken.
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Folglich wurde vorgeschlagen, zunächst die Rauchgase zu kühlen und dann die Gase
zu der Verbrennungskammer zurückzuführen. In diesem Fall haben die rückgeführten Gase
sowohl verdünnende als auch kühlende Wirkung auf das Verbrennungsverfahren, so daß
damit der Stickstoffoxidgehalt der Gase im Vergleich mit Heizkesseln, in denen die Rauchgase
nur rückgeführt und nicht gekühlt werden, weiter vermindert wird. Die DE-A-4 035 262
beschreibt einen Kessel dieser Art, der einen hindurchdringenden Spalt zur Entfernung von
Rauchgasen aus der Verbrennungskammer hat. Diese Gase werden zu der Brennerseite
geführt, von wo ein Teil des Rauchgases zurück zu der Verbrennungskammer geleitet und ein
Teil des Rauchgases durch vier getrennte Verbindungsleitungen zu einem Rauchschornstein
abgezogen wird. Dies führt zu einer relativ komplizierten Konstruktion. Ein anderer derartiger
Kessel, der als der Heimax-Kessel bezeichnet wird, ist in der DE-A-3 905 762 beschrieben, in
welcher das Volumen von gekühlten und rückgeführten Rauchgasen an die Art des
betreffenden Brennstoffes und auch an andere Faktoren, die das Verbrennungsverfahren beeinflussen,
angepaßt werden kann, indem man die Größe des Spaltes variiert, durch welchen die
gekühlten Rauchgase zurückgeführt werden. Diese Art von Heizkessel erfüllt alle derzeitigen
Erfordernisse bezüglich niedriger NOx-Emissionen und stellt damit eine wirksame Lösung dieses
Problems dar. Ein Nachteil mit dieser Art von Heizkessel besteht jedoch darin, daß er ähnlich
dem Kessel, der in der DE-A-4 035 262 beschrieben ist, eine relativ komplizierte Konstruktion
hat und daher teurer als andere im Handel erhältliche Kessel ist, die aus der Sicht der NOx-
Emissionen weniger attraktiv sind. Die Konstruktion des Heimax-Kessels wird auch durch das
Erfordernis zusätzlicher Kanäle für einen rückwärtigen Auslaß der Rauchgase kompliziert.
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Somit besteht ein Bedarf an einem Heizkessel, mit welchem die Rauchgase einen
ausreichend niedrigen NOx-Gehalt haben, der sich aber als attraktiver für jene erweisen kann,
die sonst einen billigeren, aber weniger umweltfreundlichen Heizkessel wählen würden, wie
beispielsweise von der obenbeschriebenen Art. Es besteht auch ein Bedarf, existierende
Standardkessel modifizieren zu können, wie beispielsweise Kessel, in denen ein
Wasserspeicher eine zylindrische Verbrennungskammer umgibt und von denen man in vielen Ländern
eine große Anzahl vorfindet, um in die Lage versetzt zu werden, diese Kessel zu benutzen,
während sie in Übereinstimmung mit strengeren Erfordernissen bezüglich der NOx-Emissionen
gebracht werden.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Heizkessel zu bekommen, der den
obigen Anforderungen genügt.
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Diese Ziele erreicht man mit einem Heizkessel mit den Merkmalen, die in den
Ansprüchen 1 bis 5 wiedergegeben sind.
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Die Erfindung betrifft somit einen Heizkessel, der mit Rauchgasrezirkulation arbeitet,
wobei dieser Kessel einen Wasserspeicher umfaßt, der von einem äußeren und einem inneren
runden Gehäuse umgeben ist. Der Außenmantel hat normalerweise eine ovale Form, kann
aber auch runde oder selbst rechteckige Form haben. Der Kessel hat zwei Außenwände und
eine zylindrische Verbrennungskammer, die innerhalb des Innengehäuses und der
Außenwände angeordnet ist. Die Verbrennungskammer enthält mehrere umgebende Rauchgaskanäle
oder -durchgänge, die voneinander durch sich längs erstreckende Flansche, Flügel oder
dergleichen getrennt sind, wie beispielsweise durch U-förmige Profile, die um den Umfang des
runden Innengehäuses des Wasserspeichers angeordnet sind. Die Verbrennungskammer ist
durch eine zylindrische Leitung, eine Wand an einem Ende der Leitung, wobei diese Wand mit
einer einen Brenner aufnehmenden Öffnung versehen ist, und einer undurchlochten zweiten
Wand am anderen Ende der Leitung begrenzt. Die zylindrische Leitung ist mit einer
sattelförmigen Öffnung versehen, die in der Nachbarschaft der anderen distalen Wand angeordnet ist
und die sich höchstens um die Hälfte des Umfangs der Leitung erstreckt. Die Kanäle sind in
zwei Gruppen mit Hilfe einer Abdichtung geteilt, die zwischen dem inneren Gehäuse des
Wasserspeichers und der Verbrennungskammerleitung angeordnet ist. Diese Öffnung steht
nur mit der ersten Gruppe von Rauchgaskanälen einschließlich jener Rauchgaskanäle in
Verbindung, die im wesentlichen in der Nachbarschaft des halben Umfangs angeordnet sind
und die ihrerseits nur mit einer Rauchgaswendekammer in Verbindung stehen, welche auf der
Brennerseite vorgesehen ist. Die Rauchgaswendekammer ist durch die Außenwand auf dieser
Seite und durch die Wand, die die Brenneröffnung enthält, begrenzt. Die
Rauchgaswendekammer ist mit der Verbrennungskammer über einen Schlitz, der in Nachbarschaft zu der
Brenneröffnung liegt, und auch mit einer zweiten Gruppe von Rauchgaskanälen verbunden, die den
Rest dieser Rauchgaskanäle einschließen und die mit einer Rauchgasauslaßleitung verbunden
sind, welche sich durch die Außenwand gegenüber der Brennerseite erstreckt. Die
Rauchgasleitung steht in Verbindung mit der Umgebung.
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Es ist bevorzugt, daß die Größe des Rauchgasrezirkulierspaltes eingestellt werden kann
und daß die rezirkulierten, gekühlten Rauchgase im wesentlichen in einem Kreis um die
Brennerflamme herum zu der Verbrennungskammer zurückgeführt werden.
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Der erfinderische Heizkessel bietet somit zwei sogenannte Rauchgaswege, einen
unteren und einen oberen Weg, wobei der obere Weg vorzugsweise mit der
Verbrennungskammer über den Auslaß verbunden ist, der in der Verbrennungskammerleitung vorgesehen
ist. Die Rauchgase treten somit aus dem Verbrennungskammerauslaß aus und bewegen sich
aufwärts zu dem oberen Rauchgasweg, welcher mehrere Rauchgaskanäle in der oberen Hälfte
des Kessels umfaßt.
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Anschließend an die Umkehr in der Rauchgaswendekammer auf der Brennerseite
werden jene Rauchgase, die nicht zu der Verbrennungskammer rezirkuliert werden, dazu
gezwungen, in die Richtung des Rauchgasweges zu der Rauchgasleitung zu strömen, und
dann durch die Leitung und hinaus zur Atmosphäre. Da die Rauchgase entlang zweier
Rauchgaswege strömen, werden die Gase durch das kältere Wasser in dem runden Wasserspeicher
gekühlt, der an die beiden Rauchgaswege angrenzt. Um weitere Kühlung der Rauchgase zu
bekommen, ist es somit bequem, den die Verbrennungskammer verlassenden Rauchgasweg
mit einer Wärmeisolierung zu versehen, entweder vollständig oder teilweise, vorzugsweise
durch Isolieren der unteren inneren Hälfte der Verbrennungskammerleitung. Es wird aus dem
Obigen ersichtlich sein, daß die Öffnung in der zylindrischen Verbrennungskammerleitung
vorzugsweise nach oben blickt, wobei die erste Gruppe von Rauchgaskanälen im wesentlichen
an die obere Hälfte des zylindrischen Wasserspeichers angrenzt.
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Die Verbrennungskammer kann bequemerweise als eine leicht entfernbare Einheit
konstruiert werden, die gegen jene Flansche abgedichtet anliegt, die Teil der Rauchgaskanäle
bilden. Die Verbrennungskammerleitung wird dann eine der begrenzenden Oberflächen der
Rauchgaskanäle bilden.
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Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung beschrieben, in welcher
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Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung eines Heizkessels nach der Erfindung ist,
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Fig. 2 und
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Fig. 3 Querschnitte des Heizkessels nach der Erfindung entlang den Linien A-A bzw. B-B in
Fig. 1 sind und
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Fig. 4 und
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Fig. 5 jeweils perspektivische Darstellungen einer Verbrennungskammer des Heizkessels aus
zwei verschiedenen Richtungen gesehen sind.
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Fig. 1 erläutert einen Heizkessel 10, der einen Wasserspeicher 11 enthält, der
zwischen einem Außengehäuse 12 und einem Innengehäuse 13 eingeschlossen ist. Obwohl nicht
gezeigt, ist die Außenoberfläche des Außengehäuses 12 isoliert. Am Umfang um die
Innenoberfläche des Innengehäuses 13 erstrecken sich Flansche 15 oder dergleichen, die teilweise
sich längs erstreckende Rauchgaskanäle begrenzen. Diese Flansche können U-förmige Profile
sein und besitzen eine radiale Ausdehnung, die allgemein gleich dem Abstand bis zu einem
zylindrischen Verbrennungskammerrohr 16 ist, welches innerhalb des Innengehäuses 13
befestigt ist, wobei sie mehrere sich längs erstreckende Rauchgaskanäle 17 außerhalb des
Verbrennungskammerrohres 16 bilden. Der Kessel umfaßt weiterhin eine
Verbrennungskammer 20, die durch das zylindrische Verbrennungskammerrohr 16 und die
Verbrennungskammerwände 18, 19 begrenzt ist. Die Wand 18 ist mit einer Öffnung versehen, in welcher
ein Brenner 21 befestigt ist, wobei dieser Brenner an den Kessel passend gezeigt ist. Das
andere Ende des Rohres 16 hat eine undurchlochte Wand 19, die als zu der Innenisolierung
passend gezeigt ist. Eine Öffnung 22, durch welche Rauchgase aus der Verbrennungskammer
20 austreten, ist in dem Ende des Rohres 16 gegenüber der Brenneröffnung vorgesehen. Die
Wand 18 an dem Brennerende des Rohres 16 ist so gestaltet, daß sie einen Spalt 23
zwischen der Wand 18 und einer Außenwand 25 des Kessels bildet.
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Wenn der Kessel in Betrieb ist, ist der Brenner 21 in die Öffnung der Wand 18 der
Verbrennungskammer und die Außenwand 25 des Kessels eingesetzt. Die Verbrennungsgase
aus dem Brenner 21, die eine Temperatur von etwa 1000 ºC am distalen Ende der Kammer
20 erreichen, treten durch die Auslaßöffnung 22 aus, wie durch die Flammensymbole
angezeigt
ist, und werden dabei gezwungen, in einer umgekehrten Richtung durch die obere
Gruppe von Rauchgaskanälen 17 zu strömen, wobei diese obere Gruppe mit 17a bezeichnet
ist, und werden dort durch das Wasser in dem oberen Teil des Wasserspeichers 11 gekühlt,
um eine Temperatur von etwa 300 bis 500 ºC an dem Brennerende zu erreichen. An dem
Brennerende erreichen die gekühlten Rauchgase eine Rauchgaswendekammer 14, die
zwischen der Verbrennungskammer und der Außenwand angeordnet ist, und ein Teil der so
gekühlten Rauchgase oder Verbrennungsgase wird durch Absaugen durch einen Spalt 23
abgezogen, der um den Brenner 21 oder das Brennerrohr 24 herum angeordnet ist, wo sie die
Verbrennungsreaktionspartner kühlen und verdünnen und damit ermöglichen, daß eine
erwünscht niedrige Verbrennungstemperatur erreicht wird. Der Rest der Rauchgase strömt
zurück aus der Rauchgaswendekammer 14 zu dem distalen Ende des Kessels, durch die
untere Gruppe 17b von Rauchgaskanälen und wird damit weiter von einer Temperatur von
etwa 300 ºC auf eine Temperatur unterhalb 200 ºC beim Erreichen der Außenwand 27 des
Kessels gekühlt, wie in der Figur angegeben ist. Die Innenoberfläche der Bodenhälfte des
Verbrennungskammerrohres 16 ist isoliert, wie bei 26 gezeigt ist, um ein Wiedererwärmen der
gekühlten Rauchgase zu verhindern. An dem distalen Ende ist die Außenwand 27 angeordnet,
die darin befestigt eine Rauchgasleitung 28 besitzt, durch welche die Gase dazu gebracht
werden, durch einen Schornstein oder dergleichen in die Umgebung auszutreten. Eine nach
außen vorspringende Kante 29 dichtet gegen die Außenwand 27 und die
Verbrennungskammerwand 19 ab und ist mit (in Fig. 2 gezeigten) Flügeln 30 verbunden, die entlang der
langen Seite des Brennerrohres 16 angeordnet sind, und zwingt damit die Rauchgase, die aus
der Brennerseite ausströmen dazu, nur durch die Rauchgasleitung 28 in der Außenwand 27
zu gehen.
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Die Fig. 2 und 3 sind Querschnitte des Kessels jeweils entlang den Linien A-A und B-B
in Fig. 1 und zeigen das Innengehäuse 13 des Wasserspeichers. Verbunden mit dem
Innengehäuse 13 sind sich längs erstreckende Flansche 15. Diese Flansche 15 begrenzen sich in
Längsrichtung erstreckende Rauchgaskanäle 17 zusammen mit dem Verbrennungskammerrohr
16. Die Kanäle 17 sind in zwei Gruppen oder Wege mit Hilfe einer Dichtung geteilt, die
zwischen dem Innengehäuse 13 des Wasserspeichers und dem Verbrennungskammerrohr 16
angeordnet ist. In dem erläuterten Fall hat die Dichtung die Form eines sich in Längsrichtung
erstreckenden Flügels 30, welcher entlang dem Verbrennungskammerrohr 16 verschweißt ist
und dessen Breite und Länge derart ist, daß er gegen das Innengehäuse 13 des Speichers
entlang der gesamten Länge des Rohres 16 abdichtet. Rauchgase strömen somit nach innen,
wie in der Ebene der Zeichnung zu sehen ist, in der oberen Gruppe von Rauchgaskanälen 17a
und somit der oberhalb des Flügels 13 liegenden Gruppe, während die Gase in der unteren
Gruppe von Rauchgaskanälen 17b nach außen strömen. Es ist ersichtlich, daß die dichtende,
nach außen vorspringende Kante 29 auf der distalen Verbrennungskammerwand 19 so
gestaltet ist, daß sie an die Rauchgasleitung 28 angepaßt ist, deren Position auch in den
Figuren gezeigt ist.
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Die Fig. 4 und 5 erläutern eine Verbrennungskammer des Heizkessels 31 in der
Konstruktion gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Einheit
perspektivisch von oberhalb der Brennerseite bzw. der Rauchgasleitungsseite geneigt gezeigt
ist. Die Verbrennungskammer 31 umfaßt ein zylindrisches Rohr 16 mit einer Wand 18, welche
mit einer einen Brenner aufnehmenden Öffnung 32 versehen ist, sowie eine undurchlochte
Wand 19 am entgegengesetzten Ende des Rohres 16. Dieses entgegengesetzte Ende des
Rohres 16 ist mit der genannten sattelförmigen Öffnung 22 versehen, durch welche die
Rauchgase in die Verbrennungskammer strömen. Die Figuren erläutern die Flügel 30, die sich
entlang den Seiten des Rohres 16 erstrecken, wobei diese Flügel beispielsweise die Form
länglicher schmaler Platten haben, die an das Rohr geschweißt sind. An der distalen Wand 19
ist eine nach außen vorspringende Kante 29 angeordnet, deren Enden mit entsprechenden
Flügeln 30 verbunden sind, wobei diese Kante die Form einer gekrümmten Platte in der
erläuterten Ausführungsform hat. Die gesamte Verbrennungskammer 31 ist dazu bestimmt,
an einen Heizkessel zu passen, der einen Wasserspeicher mit einem runden Innengehäuse und
Flanschen oder Profilen umfaßt, die innerhalb des Gehäuses, wie oben beschrieben,
Rauchgaskanäle begrenzen. Die Verbrennungskammer 31 kann andere
Verbrennungskammeranordnungen ersetzen, die in solche Heizkessel passen.
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Somit arbeiten die obenbeschriebenen Anordnungen in einer Weise, die vom
Umweltstandpunkt äußerst zufriedenstellend ist, da der NOx-Gehalt sehr niedrig gehalten werden
kann (< 120 mg/kWh). Die einbezogenen Anordnungen sind extrem einfache mechanische
Konstruktionen, die einfach und billig produziert werden können. Die Anordnungen sind auch
leicht aus der Sicht der Wartung zu handhaben. Beim Reinigen der Anlage wird die
Außenwand 25 entfernt und die Verbrennungskammereinheit 31 aus dem Kessel gezogen. Wenn die
Wartung oder Reinigung beendet ist, wird die Einheit 31 einfach in den Kessel eingesetzt, und
der Kessel ist dann wieder betriebsbereit.