DE8412113U1 - Heizkessel - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE F,W. HEMMERICH · GERD MULLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER - 3 16. April 1984 g.ni 74 157

Robert Nuckel GmbH, Eiserfelder Str. 206a, 5900 Siegen

Heizkessel

Die Neuerung betrifft einen Heizkessel mit einer zentrisch befeuerten, an ihrem freien Ende durch eine Umlenkplatte abgeschlossenen und vom zu beheizenden Wasserkessel umschlossenen Brennkammer, bei dem der Kesselwandung ein mit ihr durch Rippen verbundener/ die Brennkammer umgrenzender Mantel vorgeordnet ist und die in der Brennkammer umgeleiteten Rauchgase nochmals gewendet zwischen dem Hantel und der inneren Kesselwandung dem Abzug zugeführt werden. Derartige Heizkessel werden verwendet, um durch Zusammenfassung der Flamme und Umgeben derselben mit den noch heißen, rückgeführten Flammgasen hohe Flammtemperaturen zu erzielen, so daß bei nur geringem Luftüberschuß CO-arme Rauchgase erzielt werden, die als Verbrennungsprodukte möglichst nur Wasser und CO^ enthalten sollen. Im übrigen wird bei einer solchen vollständigen Verbrennung bei geringem Luftüberschuß zwar die wirtschaftlichste Verbrennung erzielt, die hohe Flammentemperatür jedoch bedingt die Gefahr von Uberhitzungsschäden des Heizkessels. Weiterhin werden zum Wärmeübergang auf das Heizungswasser große Kontaktflächen gefordert, die jedoch die in der Flammzone erreichten Verbrennung stemperatüren nicht reduzieren sollen. Aus diesem Grunde läßt man die Flamme vom Brenner aus zylinderförmig in eine Brennkammer schlagen, an deren Ende die durch die wesentliche Verbrennung erzielten Rauchgase mittels der umlenkplatte umgelenkt und hohlzylindrisch, die Flamme umschließend, zurückgeführt werden. Durch eine weitere Um-

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lenkung ziehen die Rauchgase, wiederum hohlzylindrisch die bisherigen Rauchwege umschließend, im Zwischenraum zwischen dem die Brennkammer begrenzenden Mantel und der Innenwandung des Wasserkessels parallel zur ursprünglichen Flammrichtung an der Brennkammer vorbei, sammeln sich hinter der Brennkammer in einer Rauchkammer und streben durch ein Rauchrohr dem Kamin, einem Abzug oder dergleichen zu. Um dem Rauchgas die enthaltene Wärme möglichst vollständig zu entziehen, sind zwischen dem Mantel und der Innenwandung des Heizkessels mit dieser verbundene Rippen angeordnet.

Für die Ausbildung der Rippen und des Mantels sind mehrere Konstruktionen bekannt. So ist es üblich, U-Profile meist geringer Schenkellänge so divergierend zusammenzustellen, daß die an einer Seite vorgesehenen Sehenkel einander berühren und polygonartig den Mantel ergeben, während die am äußeren Ende der Joche vorgesehenen Schenkel miteinander verschweißt werden und damit die Innenwandung des Heizkessels darstellen. In den am hinteren Ende geschlossenen Innenraum kann dann die eigentliche Flamme gerichtet werden, und die zurückströmenden Rauchgase werden am vorderen Ende nochmals umgelenkt und können dann in den zwischen den U-Profilen gebildeten Kanälen rückströmen, deren Joche die Rippen der inneren Wandung des Heizkessels darstellen. Der durch die inneren Schenkel gebildete Mantel wird hierbei so gut gekühlt, daß bereits dort ein wesentlicher Wärmeübergang einsetzt und thermische Überlastungen vermieden werden. Mit den Jochen als Rippen und den äußeren Schenkeln als Wandung werden weitere große Wärmeübergangsflächen erreicht, und der metallene Übergang sorgt für eine gute Überleitung der aufgenommenen Wärme. Als nachteilig aber erweist es sich, daß für die Herstellung der Innenwandung des Wasserkessels eine große Anzahl von Schweißnähten erforderlich wird, die durch Wasser und Rauchgase einer Korrosionsbeanspruchung unterliegen und weiterhin durch den im Heiz-

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kessel herrschenden Wasserdruck beaufschlagt werden. Diese Schweißnähte erfordern daher zunächst einen unerwünscht hohen Arbeitsaufwand, und im Betriebe stellen sie ferner ständige Schwachstellen und damit Gefährdungen dar, die oft zum vorzeitigen Ausfall des Heizkessels führen.

Es ist weiterhin bekannt, auf dem Markt erhältliche, segmentartige Rippenprofile als Ausgangsmaterial zu verwenden, die eine gekrümmte, einen Sektor eines Zylindermantels darstellende Grundfläche enthalten, die mit strahlenförmig nach außen gerichteten Rippen versehen ist. Um hier die gewünschte Kesselform zu erhalten, ist es zunächst erforderlich, die Profile im Gegensinne durchzubiegen und dann miteinander zu verschweißen. Zwar ist die Anzahl der Schweißnähte gegenüber der der vorerwähnten Konstruktion wesentlich reduziert, erweist sich in der Praxis jedoch noch als unliebsam hoch. Ferner sind die Abmessungen von dem handelsüblichen Rippenprofil abhängig und können daher nicht beliebig, bspw. den jeweiligen Anforderungen entsprechend, bemessen werden. Als unvorteilhaft erweist sich weiterhin, daß die nunmehr nach innen weisenden Rippen einen inneren Leitzylinder erfordern, der nicht mit vollem Materialquerschnitt an die Rippen anschließbar ist, sondern vielmehr nur im wesentlichen auf deren Stirnflächen aufliegt. Damit aber fehlt eine direkte Wärmeableitung, so daß der innere Leitzylinder unerwünscht hoch aufgeheizt wird und starken Wärme- und Korrosionsbeanspruchungen unterliegt und jedenfalls nicht in der Lage ist, zur Wärmeübernahme wirksam beizutragen. Die immer noch unvorteilhaft hohe Anzahl der zur Fertigung der Kesselwandung erforderlichen Schweißnähte bedingt nicht nur unerwünscht hohe Herstellungskosten, auch die Anfälligkeit des Kessels unterbindet die erwünschten langen Standzeiten. Es ist zwar bekannt, freitragende Innenzylinder einer Brennkammer aus keramischem und damit hitzeresistentem Material zu erstellen, aber auch hier ergeben

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sich hohe Herstellungskosten und, bedingt durch die Zerbrechlichkeit solcher Zylinder _t unerwünschte Gefährdungsmomente, ohne daß ein solcher Zylinder zur Übernahme der Wärme beizutragen vermag.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, einen gattungs· gemäßen Heizkessel mit der eingangs genannten Führung der Flammte und der Rauchgase zu schaffen, bei der die Anzahl insbesondere der mit Druck beanspruchten Schweißnähte äußerst gering ist und die Wandungen und Rippen durch gute Wärmeableitung im Betriebe nur relativ niedrige Temperaturen annehmen*, so daß eine einfache, billige Herstellung und verläßliche Konstruktion auch mit weniger anspruchsvollen bzw. thermisch resistenten und dadurch aufwendigen Materialien erreicht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem auf die Innenseite der Innenwandung des Wasserkessels des neuerungsgemäß ausgebildeten Heizkessels paarweise gestreckte Blechstreifen so geschweißt sind, daß die Scheitel einander gegenüberstehender Blechstreifen zweier Paare zur Bildung eines Rauchkanales einander berühren, und indem die zwischen Kauchkanälen anstehenden Bereiche mit der Umlenkplatte abgeschlossen sind. Hierdurch wird zunächst einmal erreicht, daß einfache gestreckte Blechstreifen zur Bildung der Rauchkanäle und des Innenmantels herangezogen werden können. Die hierbei erforderlichen Schweißnähte sind nicht nur leicht zugängig und damit mit relativ geringem Aufwände zu fertigen, als wesentlich hat sich noch gezeigt, daß diese Schweißnähte allein der Verbindung und der Wärmeübertragung dienen und nicht vom im Wasserkessel herrschenden Druck beaufschlagt werden. Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, daß durch die Schweißverbindung eine gute Wärmeableitung zur Kesselwandung hin erreicht wird, so daß das Material nur auf noch relativ niedrige Temperaturen aufgeheizt wird und damit so-

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wohl die thermische Beständigkeit als auch die Korrosionsresistenz nur relativ wenig beansprucht werden, zumal ein direkter Kontakt von Flüssigkeiten sowohl zu den Blechstreifen als zu den Schweißnähten nicht erfolgt. Die von den V-förmig aufeinander zu gerichteten Blechstreifen umschlossenen Rauchkanäle stehen mit ihren Innenseiten mit den zweifach Jimgelenkten Rauchgasen in direkter Verbindung und vermögen daher, die in diesen Rauchgasen enthaltene Wärme zu übernehmen und der Innenwandung des Wasserkessels zuzuführen. Entlag ihrer Außenseiten bewegen sich die einmal umgelenkten Rauchgase und übermitteln Wärme ebenso, wie die eigentliche Flamme durch Strahlung Wärme überträgt. Hierbei ist ein Schließen bzw. Verschweißen der Scheitel der Blechstreifen nicht erforderlich; die geschlossenen Rauchkanäle werden mit ausreichender Sicherheit allein durch ein Aneinanderschließen der Scheitel gegeben. Die Herstellung wird noch weiter vereinfacht, wenn die Blechstreifen auf eine zunächst ebene, für die Innenwandung des Wasserkessels vorgesehene Blechplatte geschweißt werden und diese dann nachträglich zur rohrförmigen Innenwandung gebogen wird, wobei ihre freien Enden durch eine einzige Schweißnaht zu verbinden sind. Damit ist die Anzahl der im Wasser und dem Wasserdruck ausgesetzten Schweißnähte entlang des Mantels des Wasserkessels auf eine einzige Schweißnaht beschränkt, die entsprechend überdimensioniert ausgeführt werden und damit in gewünschter Weise sicher gestaltet werden kann.

Zur Abdichtung hat es sich bewährt, im Bereiche der Umlenkplatte die Endzonen der Blechstreifen eines Paares aufeinander zu zu biegen und ihre Endkanten miteinander zu verschweißen, so daß die nach oben offenen Bereiche des Mantels im Bereiche der Umlenkplatte geschlossen sind. Im Ubergangsbereich läfit sich dieses Schließen verbessern, indem die die Ausbiegungen aufweisende Endzone der Bischstreifen von

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einer auf deren Scheitel aufliegenden Blechmanschette abgedeckt ist, die durch einige Schweißpunkte mit den Scheiteln verbindbar ist. Bewährt hat es sich, und beim nachträglichen Biegen des Innenmantels läßt sich dieses leicht bewerkstelligen, die Scheitel der Blechstreifen vorgespannt aneinander liegen zu lassen.

Zum Ausbau des Innenmantels können einfache, ebene Blechstreifen vorgesehen sein. Es hat sich aber auch bewährt, zur Oberflächenvergrößerung und damit Verbesserung der Wärmeübertragung Blechstreifen vorzusehen, die in Querrichtung profiliert, bspw. gewellt, ausgeführt sind.

Nachstehend sind die Merkmale der Neuerung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit dieses darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel, und

Figur 2 einen außerhalb des Innenmantels abgebrochenen Querschnitt des Heizkessels der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Heizkessel dargestellt, zwischen dessen Außenwandung und dessen Wasserkessel 1 eine Isolierschicht vorgesehen ist. Der Wasserkessel 1 ist von einer Brennkammer 3 durchzogen und gegen diese durch eine Innenwand 4 abgegrenzt. Die Frontseite der Brennkammer 3 ist durch eine Brennerplatte 5 Übergriffen, die mit einer Keramikplatte gegen die in der Brennkammer herrschenden Temperaturen abgedeckt ist, und die einen Brenner 6 trägt, dessen Düse in die Brennkammer gerichtet ist. Von der Düse aus schlägt eine Flamme in die Brennkammer 3 hinein, die am gegenüberliegenden Ende durch eine Umlenkplatts 7 abgedeckt ist, so daß die Flammgase entsprechend den eingetragenen Pfeilen im Endbereiche der Brennkammer 3 umgelenkt werden und, die Flamme mantelförmig um-

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ziehend, in Richtung auf die Brennerplatte hin abgeführt werden.

Wie insbesondere auch Fig. 2 zeigt, ist die Innenwand 4 des Wasserkessels 1 durch Schweißnähte paarweise mit Blechstreifen 8 verbunden, von denen jeweils zwei einander gegenüberstehende benachbarter Paare aufeinander zu derart geneigt sind, daß ihre Scheitel unter Vorspannung aufeinanderliegen. Damit aber werden einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisende Rauchkanäle 10 gebildet, innerhalb derer die Rauchgase, kurz vor der Brennerplatte 5 erneut umgelenkt, in die Rauchkammer 13 abziehen können, aus der sie über den Rauchabzug 14, bspw. in einen nicht dargestellten Kamin, entweichen'.

Hieroei werden auch zwischen den Rauchkanälen 10 umgekehrt keilförmige Ausnehmungen gebildet. Nach einer nicht dargestellten Variance ist die Umlenkplatte entlang ihres Umfanges mit entsprechend dreieckigen Ansätzen ausgeführt, welche diese zwischen den Rauchkanälen 10 gebildeten Räume abdecken und damit ein direktes Entweichen der Flammgase in die Rauchkammer 13 unterbinden. Im Ausführungsbeispiel jedoch sind die Endzonen 11 der Blechstreifen eines Paares wieder aufeinander zu derart ausgebogen, daß ihre in Fig. 1 rechts stehenden Enden sich berühren, und zweckmäßig sind diese Enden 11 zusätzlich mittels einer Schweißnaht 12 verbunden. In diesem Falle genügt es, eine einfache, kreisförmig geschnittene Umlenkplatte 7 jeweils mit den Enden 11 der Blechstreifen zu verschweißen, insbesondere wenn die Zone, innerhalb deren diese Ausbiegung erfolgt, zusätzlich durch eine auf den Scheiteln der Blechstreifen 8 aufliegende Manschette 9 abgedeckt ist.

Der neuerungsgemäß ausgebildete Heizkessel erweist sich als außerordentlich vorteilhaft. Zunächst einmal wird erreicht,

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daß der Wasserkessel und insbesondere seine Innenwand 4 beliebig und den jeweiligen Anforderungen entsprechend bemessen werden kann, da kein Aufbau aus vorgefertigten Profilen oder Rippenplatten erfolgt. Außerordentlich bewährt hat es sich, daß beim Zusammenfügen des Innenmanfcels nur noch eine einzige Schweißnaht benötigt wird, die vom Inhalt des Wasserkessels benetzt und vom im Wasserkessel herrschenden Druck beaufschlagt wird. Hierdurch werden 4: viele der bei bisherigen Konstruktionen auftretenden Ge-

% fahrenquellen vermieden,und die Standzeit des Heizkessels

f wird damit erheblich erhöht. Zwar sind zum Aufbringen der

f Blechstreifen weitere Schweißnähte erforderlich; diese

Κ lassen sich jedoch recht einfach und damit kostengünstig

ausführen, da zweckmäßig hierzu der noch plane Zuschnitt der Innenwand 4 benutzt wird, so daß die zu legenden Schweißer nähte leicht zugängig sind. Gleichzeitig läßt sich hierbei

leicht erreichen, daß beim Formen der Innenwand durch zy- '■'. lindrisches Biegen des Zuschnittes die Blechstreifen sich

weiter aufeinander zu neigen, so daß ihre Scheitel nunmehr, wie gewünscht, mit Vorspannung aufeinanderliegen. Eine Verbindung im Scheitelbereich ist nicht erforderlich, da die gewünschte Abgrenzung der einmal umgelenkten gegenüber den zweimal umgelenkten Heizgasen auch ohne dichten Schluß erreicht wird. Bei einfacher Herstellung lassen sich damit Innenwände 4 mit beliebig vorgegebener Länge und ebenso entsprechend den vorgegebenen Bedingungen gewähltem Durchmesser ausführen, wobei gegenüber bisherigen Ausführungen die Schweißarbeiten erheblich erleichtert, sind und insbesondere nur eine durch Druck und Wasser beanspruchte Schweißnaht zu fertigen ist. Ebenso frei wählen lassen sich die Abmessungen der Rauchkanäle durch Wahl entsprechend breiter und in entsprechenden Abständen angeschweißter Blechstreifen, Diese Blechstreifen bilden den eigentlichen Innenmantel, und durch ihre gute Schweißverbindung mit der Innenwand wird die von ihnen aufgenommene Wärme problemlos abgeleitet,

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so daß die Blechstreifen selbst nur relativ niedrige Temperaturen annehmen und auch bereits hierdurch der Wärmeübergang durch hohe Temperaturdifferenzen begünstigt ist. Auf einen gesondert eingeschobenen und durch nur geringe Wärmeableitung thermisch hoch beanspruchten Innenmantel kann also verzichtet werden.

Auch die Temperatur der Umlenkplatte 7 läßt sich in den Verschleiß unterbindenden Grenzen halten. Von der Umlenkplatte 7 und auch von der Blechmanschette 9 aufgenommene Wärme läßt sich ableiten/ wenn diese entsprechend mit den Blechstreifen β verschweißt, oder anderweitig wärmeleitend verbunden sind. Aber auch die aufgenommene Wärme läßt sich zur Absenkung der Temperatur begrenzen, indem die Umlenkplatte mit einer hitzebeständigen Keramikschicht überzogen ist, die bspw. durch Auestreichen mit einem Schamott- bzw. Schantottmörtelgemisch erstellbar ist. Zweckmäßig wird hierbei auch die Blechmanschette 9 durch eine Schamottschicht abgedeckt, und auch die unterhalb derselben anstehenden, Sacköffnungen bildenden Endzonen der Blechstreifen können mit einer solchen Isolierschicht ausgestrichen sein. Bewährt hat es sich hierbei, die Blechmanschette relativ schmal auszubilden, und jedenfalls schmaler als dies in der Zeichnung dargestellt ist.

An sich ergeben sich durch die zick-zack-förmige Führung der Blechstreifen bereits relativ große Übergangsflächen und damit ein günstiger Wärmeübergang. Gesteigert werden kann die gebotene Fläche zwar durch eine dichtere Anordnung der Blechstreifen; ein unerwünschtes Ansteigen der Anzahl der benötigten Schweißnähte läßt sich aber trotz einer Oberflächenvergrößerung unterbinden, wenn zur Bildung der Rauchkanäle nicht glatte Blechstreifen, sondern in Querrichtung profilierte und damit größere Oberflächen bietende Blechstreifen eingesetzt werden.

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Um eine einwandfreie Umleitung der Rauchgase und das Eintreten derselben in die Rauchkanäle zu erleichtern, hat es sich bewährt, die Blechstreifeft sich nicht über die volle Länge der Innenwandung 4 des Wasserkessels 1 bzw. der Brennkammer erstrecken zu lassen. Bei den vorbekannten/ aus Profilen erstellen Konstruktionen war dies nur dadurch möglich, daß vor den aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung miteinander verschweißten Profilen gebildeten Bereich der Kesselwand mit einer Ringnaht ein weiterer Bereich geschweißt wurde, der aus einem glatten, zum Hohlzylinder gebogenen und entlang einer Mantellinie verschweißten Stahlblech bestand. Auch diese Ringnaht hatte sich in der Praxis nicht nur als aufwendig, sondern auch als Schwachpunkt einer solchen Konstruktion und Ansatz von Korrosionsvorgängen erwiesen. Wahrscheinlich bereitete es Schwierigkeiten, ein Schweißmaterial, ein Stahlblech und profiliertes Halbzeug in völlig gleicher und damit Korrosionsansätze unterbindender Materialzusammensetzung zu erhalten. Gemäß der Erfindung lassen sich dagegen beliebig lange, ohne Blechstreifen und damit Rauchgaskanäle besetzte Mäntel der Brennkammer bzw. Innenwände des Kessels erreichen, ohne daß eine solche aufwendige und die Standzeit gefährdende Ringnaht erforderlich wird: Die für den Mantel der Brennkammer bzw. die Innenwand des Kessels vorgesehene Blechplatte wird entsprechend der endgültigen Größe dieser Innenwand bzw. dieses Mantels gewählt, und es steht im völlig freien Belieben des Konstrukteurs, die Rippen bildenden Blechstreifen sich über beliebige Teillängen dieses Mantels erstrecken zu lassen.

Damit aber werden die gesetzten Ziele erreicht, einen Heizkessel hoher Standzeit und Korrosionsbeständigkeit zu schaffen, der mit geringem Aufwände erstellbar ist, und der frei von den Abmessungen verfügbaren Halbzeuges herstellbar ist und auch Kombinationen solchen Halbzeuges mit glatten Rohrabschnitten vermeidet.

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Diefee Vorteile bleiben auch erhalten/ wenn bei größeren Heizkesseln mehrere Brenner und Brennkammern innerhalb eines Wasserkessels vorgesehen sind und die neuerungsgemäße Anordnung von Rauchkanäle bildenden Blechstreifen entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Innenwandungen vervielfacht ist.

Claims (8)

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   Robert Nuckel GmbH, Eiserfelder Str. 206a, Siegen

   Schutzansprüche

   1„ Heizkessel mit einer zentrisch befeuerten, an ihrem freien Ende durch eine Umlenkplatte abgeschlossenen und vom zu beheizenden Wasserkessel umschlossenen Brennkammera bei dem der Kesselwandung ein mit ihr durch Rippen verbundener, die Brennkammer umgrenzender Mantel vorgeordnet ist und die in der Brennkammer umgeleiteten Rauchgase nochmals gewendet zwischen dem Mantel und -Jer inneren Kesselwandung dem Abzug zugeführt werden,,

   dadurch gekennzeichnet, daß auf die Innenseite der Innenwandung (4) des Wasserkessels (1) paarweise gestreckte Blechstreifen (8) so geschweißt sind, daß die Scheitel einander gegenüberstehender Blechstreifenpaare zur Bildung eines Rauchkanales (10) einander berühren, und daß die zwischen Rauchkanälen anstehenden Bereiche mit der Umlenkplatte abgeschlossen sind.
2. 2. Heizkessel nach Anspruch 1 ,

   dadurch gekennzeichnet, daß im Bereiche der Umlenkplatte (7) die Endzonen der Blechstreifen (8) eines Paares aufeinander zu gebogen und ihre Endkanten miteinander verschweißt sind.

   PATENTANWAiJE F.W. HEMMERICH · GERD MÖLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER - 2 -
3. 3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausbiegungen aufweisenden Endzonen der Blechstreifen (8) von einer Blechmanschette (9) abgedeckt sind.
4. 4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitel der Blechstreifen (8) vorgespannt aneinander liegen.
5. 5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ebene Blechstreifen (8).
6. 6. Heizkessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (8) zur Oberflächenvergrößerung in Querrichtung profiliert ausgebildet sind.
7. 7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (8) sich von der Umlenkplatte (7) aus nur über eine Teillänge der Innenwandung (4) des Wasserkessels (1) erstrecken.
8. 8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkplatte (7) sowie vorzugsweise die Blechmanschette (9) und/oder die Endzonen der Blechstreifen (8) durch eine hitzebeständige Keramik-, vorzugsweise eine Schamottschicht, abgedeckt sind.