EP0275401A2 - Heizkessel und Verfahren zum Betreiben des Heizkessels - Google Patents

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EP0275401A2
EP0275401A2 EP87117187A EP87117187A EP0275401A2 EP 0275401 A2 EP0275401 A2 EP 0275401A2 EP 87117187 A EP87117187 A EP 87117187A EP 87117187 A EP87117187 A EP 87117187A EP 0275401 A2 EP0275401 A2 EP 0275401A2
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
wall
boiler according
burner
boiler
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Rolf Bommer
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    • F24H9/2007—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters
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    • F24H15/30—Control of fluid heaters characterised by control outputs; characterised by the components to be controlled
    • F24H15/355—Control of heat-generating means in heaters
    • F24H15/36—Control of heat-generating means in heaters of burners

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a boiler according to the preamble of patent claim 1 and a boiler according to the preamble of patent claim 6.
  • a boiler is known in which a forced draft burner burns with a horizontally directed flame in a combustion chamber, which is arranged horizontally and on its lower side which is essentially parallel to the axis of the flame of the forced draft burner over its entire length and Width opens against a flue gas collecting space penetrated by heat exchangers.
  • the wall of the firebox is cooled by a water jacket through which the domestic water to be heated and the water from the heating system flow.
  • the water jacket cooling the wall of the combustion chamber absorbs the main part of the heat generated by the burner, while the heat exchangers arranged in the subsequent flue gas collecting chamber only act as a post-heating surface, which cool the flue gases to the temperature of around 160 to 180 ° C, with which the flue gases enter the fireplace.
  • the large volume of the water jacket surrounding the wall of the combustion chamber causes this wall to be strongly cooled, and the forced draft burner must therefore be operated with a constant burner output which is matched to the cooling of the combustion chamber wall.
  • a reduction in the burner output e.g. to adapt to a lower heating requirement in the transition period, would lead to subcooling of the flame, which would result in a high pollutant content in the flue gases and even condensation on the combustion chamber wall.
  • the capacity of the forced draft burner cannot be reduced to adapt to a reduced heating requirement.
  • the burner is operated intermittently at its full output. This intermittent operation in turn results in frequent burner starts, in each of which the entire volume of the water jacket cooling the combustion chamber wall must be warmed up. In this heating phase, there is always undercooling of the burner flame, which results in a high pollutant content and poor efficiency.
  • combustion aids are preferably installed in small boilers with a low output of up to approx. 40 kW.
  • the combustion chamber wall which is enclosed and cooled by the water jacket, is a cylindrical casting wall, into which a stainless steel tube is coaxially inserted, into which the burner flame burns.
  • the stainless steel tube is held at a distance from the cast wall by inwardly directed ribs.
  • the hot combustion chamber formed by the stainless steel tube is therefore practically not cooled. Due to the low heat capacity and the lack of cooling, this combustion chamber quickly becomes high when the burner is started Temperature on, so that residue-free combustion of the fuel is guaranteed not only during continuous operation, but also very quickly when the burner is started. Only when the combustion gases flow between the combustion chamber and the casting wall of the combustion chamber are heat removed from them.
  • the high temperature in the hot combustion chamber and the long residence time of the combustion gases in the hot combustion chamber cause a strong conversion of the nitrogen in the air into NO x , so that the exhaust gases have a high proportion of harmful nitrogen oxides.
  • the combustion chamber wall coaxially surrounding the hot combustion chamber cannot adequately extract the heat from the hot flue gases.
  • downstream heating surfaces are still necessary in order to achieve sufficient efficiency.
  • the combustion chamber wall which is generally made of cast iron with the surrounding water jacket, has a high heat capacity, so that the boiler has a high inertia.
  • the heat capacity is particularly influenced by the fact that the combustion chamber has to be of large volume in order to accommodate the hot combustion chamber used and to form a sufficient heat exchanger surface.
  • the invention has for its object to provide a boiler which has at residue free as possible combustion of fossil fuels the lowest possible NO x moiety of the exhaust gases, preferably also in an adjustment of the burner output in a changing heat demand.
  • the essential idea of the invention is to extract the heat from the combustion gases not at the wall of the combustion chamber, but practically exclusively at the heat exchangers of the flue gas collecting space.
  • the wall of the firebox is cooled only very slightly, this cooling being dimensioned such that the temperature on the inside of the wall of the firebox does not rise above about 600.degree. C. even during continuous operation with full burner output.
  • This gentle cooling of the combustion chamber wall causes the combustion gases at the edge of the burner flame to be cooled very quickly to a temperature at which practically no appreciable formation of NO x occurs.
  • the cooling of the combustion chamber wall does not serve the purpose of heating the heating or service water, the cooling is kept so low that undercooling of the combustion gases on the combustion chamber wall does not occur even when the burner output is reduced.
  • the burner output can therefore be reduced to approximately 1/10 of the maximum output without the cooling of the wall of the combustion chamber leading to a cooling of the combustion gases below the temperature of approximately 180 ° C., at which the combustion of the fuels no longer takes place completely.
  • the burner output can therefore be varied within a very large range, preferably from 1 to 10, without the burner area being lower performance an incomplete combustion and condensation occurs on the wall of the combustion chamber and without the NO x content of the exhaust gases increasing in the area of high burner output.
  • the hot combustion gases only come into contact with the heat exchangers through which the combustion heat is removed when they have already left the combustion chamber and have entered the flue gas collecting chamber. The cooling of the combustion gases at the heat exchangers can therefore not cause the flame to cool down.
  • the combustion chamber can have a particularly small volume. It only has to be so large that it essentially encloses the flame of the burner.
  • the small volume of the combustion chamber also shortens the residence time of the combustion gases near the flame and thus further reduces the NO x generation.
  • the combustion chamber encloses the flame of the burner on three long sides and on the end face opposite the burner, while it is open on the fourth long side against the flue gas collecting space. This flame surrounds the flame through the recirculation of the hot combustion gases against the direction of the flame in the manner of the reverse flame in boilers with a hot combustion chamber.
  • the lateral opening of the combustion chamber towards the flue gas collection chamber additionally causes the combustion gases to circulate about an axis parallel to the flame, so that two cylinders of the combustion gases circulating helically circulating against the direction of the flame flow bilaterally in the combustion chamber the.
  • the combustion gases are guided along the preferably barrel-shaped, longitudinal wall of the combustion chamber and gently cooled, so that their temperature does not rise above the temperature at which NO x formation begins to increase. Due to the roller-shaped circulation, the gases cooled on the combustion chamber wall are partially returned to the core of the flame, so that a complete residue-free combustion of the fossil fuels is guaranteed.
  • a part of the circulating gases continuously flows to the heat exchangers in the flue gas collecting space.
  • the flue gas collecting space is preferably arranged below the combustion chamber. This favors the flow of the flue gases increasingly cooled at the heat exchanger and, in particular, an advantageous condensate discharge at the bottom of the flue gas collecting space is possible if the boiler is designed as a so-called condensing boiler, in which the flue gases on the outlet side of the heat exchanger are cooled to below the dew point that the water vapor contained in the exhaust gases is condensed and separated with the remaining pollutant (in particular sulfur oxides, ash, fuel oil residues).
  • the heat exchangers which preferably pass through the flue gas collecting space as pipe registers, can be designed with a relatively low heat capacity, so that the boiler reacts with low inertia and low energy losses.
  • the wall of the combustion chamber is thin-walled with a low heat capacity and is corrosion-resistant at least on the inside.
  • the low heat capacity be acts a minimal inertia of the combustion chamber wall, so that it reaches the desired optimal temperature between about 300 and 500 ° C within seconds when the burner is ignited.
  • the supercooling of the flame and the associated pollutant emissions are therefore minimal even when the burner is started.
  • the burner output can also be varied without adversely affecting the efficiency and the pollutant content of the exhaust gases, the burner output can be reduced with a lower heat requirement, so that the number of burner starts can be considerably reduced.
  • the corrosion-resistant, gently cooled firebox wall with low heat capacity required according to the invention can be implemented in different ways.
  • the wall of the firebox can consist of two layers.
  • the inner wall layer is thin-walled and consists of a corrosion-resistant material, preferably of a steel sheet with a thickness of about 0.5 to 2.5 mm or of a thin-walled ceramic material.
  • the outer wall layer is preferably loosely arranged on the inner wall layer and held on the inner wall layer with a pretension under uniform contact pressure.
  • the outer wall layer preferably consists of a copper or aluminum sheet with a wall thickness of approximately 0.5 to 1.5 mm, on which water-carrying coils are soldered or welded for cooling or are formed as embossed water channels.
  • the externally tensioned over the inner wall layer Outer wall layer has the advantage that the outer wall layer can be replaced in order to adapt its cooling capacity to the burner.
  • the cooling capacity can be controlled by the contact pressure of the outer wall layer against the inner wall layer, for. B. is varied by hydraulic regulation of the bias. With increasing contact pressure, the contact area between the inner and outer wall layer and thus the heat transfer for cooling increases.
  • the good heat-conducting material of the outer wall layer ensures uniform cooling of the entire wall of the combustion chamber despite the small number of coils arranged at a mutual distance.
  • the wall of the firebox can also be made of cast material, e.g. B. cast iron exist, the cooling water leading water channels are cast, which are arranged in small numbers at a mutual distance.
  • cast material e.g. B. cast iron exist
  • the cooling water leading water channels are cast, which are arranged in small numbers at a mutual distance.
  • the burner output is varied over a wide range during operation to adapt to a different heat requirement, it is advantageous to also adapt the cooling of the combustion chamber wall in order to keep its temperature as optimal as possible from about 400 to 500 ° C.
  • the liquid throughput can be controlled through the water channels carrying the cooling water.
  • water is preferably used which is already present in the heat exchangers, preferably in the heat exchanger furthest from the burner warms. This results from the fact that the combustion chamber wall is not intended for heating water, but should only be cooled gently so that the wall temperature does not rise too much.
  • the combustion chamber wall can also be cooled by air.
  • the air heated during cooling of the combustion chamber wall can advantageously be used as combustion air for the forced air burner.
  • the heat exchangers arranged under the combustion chamber are preferably designed such that they only guide the combustion gases from top to bottom and have no horizontal trains for the combustion gases. In addition to the favorable flow conditions for the combustion gases, this has the advantage that any combustion residues, such as soot and the like, cannot deposit on the heat exchangers, but instead fall down through the heat exchangers, so that they are collected and disposed of together with the condensate will. The effectiveness of the heat exchanger is therefore not affected by deposits.
  • a spray device for a cleaning liquid preferably water
  • the cleaning liquid rinses both the wall of the Combustion chamber as well as the heat exchanger and flows down through the heat exchanger, where it is collected and disposed of.
  • the entire boiler can be cleaned in this way if necessary or automatically at predetermined time intervals in an extremely simple manner, without manual cleaning work or even a partial disassembly of the boiler is necessary.
  • the wall of the flue gas collecting space can be produced in one piece with the wall of the combustion chamber, and in the case of a double-layer wall of the combustion chamber with the inner wall layer. Since the combustion chamber is functionally completely separate from the heat exchanger and the flue gas collection chamber, it is also possible to design the heat exchanger and the flue gas collection chamber as separate components which are detachably connected to the combustion chamber in a gas-tight and water-tight manner. As a result, a heat exchanger adapted to the respective requirements can be used in a particularly simple manner in connection with a combustion chamber, which can be produced in series for a wide range of applications. It is also possible to replace the firebox without any other changes to the boiler if this is appropriate to adapt to a future improvement in the burner design. Finally, this has the advantage that the firebox can also be used in connection with heat exchangers and flue gas plenums from other manufacturers.
  • the combustion chamber can have a volume of preferably approx. 6 to 12 dm3.
  • the length to width ratio is preferably between 1.5 and 1.0, while the ratio length to height of the firebox is preferably in the range between 2.0 and 1.0.
  • the boiler consists of a barrel-shaped, curved combustion chamber 1, which is closed on its two axial end faces. In the middle of an end wall there is an opening 9 in which a compressed air oil or gas blower burner (according to DIN 4788, parts 2 to 5) can be used.
  • the flame 10 of the burner burns horizontally in the axial direction into the combustion chamber 1.
  • the combustion chamber 1 is open over its entire axial length and merges into a flue gas collecting chamber 11, which has the same length and width as the combustion chamber 1.
  • the open passage area between the combustion chamber and the flue gas collection space 11 is approximately 1/3 to 1/4 of the entire circumferential surface of the casing of the fire space 1.
  • the flue gas collection space 11 is horizontally penetrated by a heat exchanger 12 which is in the form of a pipe register. Below the heat exchanger 12 there is an outlet 13 through which the flue gas collecting space 11 can be connected to a chimney.
  • the length of the combustion chamber 11 is approximately 1.5 to 1.0 times its width and approximately 2.0 to 1.0 times its height.
  • the total volume of combustion chamber 1 is approximately 6 to 12 dm3.
  • the combustion chamber 1 and the flue gas collecting chamber 11 are enclosed in a gas-tight manner by a common wall 4 which consists of a 0.5 to 2.5 mm thick steel sheet.
  • a common wall 4 which consists of a 0.5 to 2.5 mm thick steel sheet.
  • an outer wall layer 5 is arranged on the outside of the wall 4, which lies in loose contact with the end faces and the peripheral surface areas of the wall 4.
  • the outer wall layer 5 is fixed to the wall 4 by means of screws or pins 14 in the region of the lower edge of the combustion chamber 1.
  • the outer wall layer 5 consists of a copper or aluminum sheet with a thickness of 0.5 to 1.5 mm. It is guided from the attachment points by the screws or pins 14 in two parts upwards over the combustion chamber 1 and z. B.
  • springs 8 seated on the bolts 15 tension the outer wall layer 5 over the wall 4 and bring about a contact pressure of the outer wall layer 5 against the wall 4, which leads to a regionally heat-conducting contact between the wall 4 and the outer wall layer 5.
  • An increase in the pressure of the springs 8 causes a larger contact and thus a better heat transfer between the wall 4 and the outer wall layer 5, while a weaker pressure of the springs 8 leads to less contact and poorer heat transfer.
  • springs 8 preferably hydraulically controllable tensioning means can also be provided, which tension the outer wall layer 5 with an adjustable contact pressure and thus with an adjustable heat transfer over the wall 4.
  • meandering coils 7 are arranged, which are evenly distributed run at a mutual distance on the end and outer surfaces of the outer wall layer 5.
  • the mutual distance between the individual turns of the coils 7 is measured according to the required cooling capacity.
  • the coils 7 can be soldered and welded onto the outer wall layer 5, as shown in FIG. 4, and have a round or oval cross section, as shown in FIG. 4 by the cross sections 7 and 7 '.
  • the outer wall layer can also be a double-skin sheet with embossed channels as coils 7 ⁇ , as is indicated in FIG. 5.
  • a coolant is passed through the coils 7, for which purpose a fraction of the water preheated in the heat exchanger 12 is preferably used, which is branched off in a controllable flow rate via a control valve 6.
  • the hot combustion gases of the flame 10 flow back in an axial recirculation flow 2 against the direction of the flame 10.
  • This recirculation can be further promoted by a bulge 16, indicated in FIG. 1, in the end wall of the combustion chamber 1 opposite the burner. Due to the asymmetrical opening of the combustion chamber 1 against the flue gas collecting chamber 11, the combustion gases flowing back axially receive an additional movement component in the radial direction, which primarily leads the combustion gases flowing upwards from the flame 10 along the cooled combustion chamber wall 4 downwards. A part of the combustion gases guided downward in this way with the radial circulation flow 3 flows through the heat accumulation shear 12 in the flue gas collection chamber 11, while the other part is returned to the flame 10 by the roller-shaped circulation 3.
  • the axial recirculation with the cylindrical rotation on both sides of the flame 10 along the cooled wall 4 results on the one hand in a sufficient return of the combustion gases into the flame 10 to ensure complete combustion, and on the other hand a certain cooling of the combustion gases returned to the flame Too high a flame temperature prevents and thus counteracts the NO x formation.
  • the portion of the hot combustion gases flowing continuously downward into the flue gas collecting space, in conjunction with the small volume of the combustion chamber 1, causes the combustion gases in the combustion chamber 1 to dwell briefly, which likewise counteracts the formation of NO x in the exhaust gases.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the boiler.
  • the combustion chamber 1 with its wall 4 is a separate component, which is detachably connected to the heat exchanger 12 by means of screw bolts 14, which also serve to fasten the outer wall layer 5.
  • the heat exchanger 12 is in turn detachably connected to the subsequent flue gas collecting space 11 by screw bolts 14.
  • the connection between the combustion chamber 1 and the heat exchanger 12 and between the heat exchanger 12 and the flue gas collecting chamber 11 is gas-tight and liquid-tight.
  • a condensate drain 17 is provided in the floor of the flue gas collecting space 11.
  • Figure 7 shows a third embodiment in which the wall 4 of the combustion chamber 1 made of a thin-walled cast material, for. B. consists of a cast metal or a ceramic material.
  • the coils 7 are formed by channels cast onto the wall 4.
  • the heat exchanger 12, the flue gas collection chamber 11 and the connection of the combustion chamber 1 with the heat exchanger 12 and the heat exchanger 12 with the flue gas collection chamber 11 correspond to the exemplary embodiment in FIG. 6.
  • the cold return water of a heating system is fed to the heat exchanger 12 via a return line R1, in which it is fed heated and fed back into the heating system via the flow line V1.
  • a branch R1 is branched off from the return line R1, via which a small portion of the flow of the cold return water is introduced into the coils 7 for cooling the combustion chamber wall 4.
  • a flow line V2 feeds the cooling water after flowing through the coil 7 into the flow line V1 and thus into the heating system.
  • a control valve 18 inserted in line V2 controls the flow rate of the cooling water through the coils 7 in accordance with the temperature of the return water in line R2 determined by means of a sensor 19. By controlling the flow rate by means of the control valve 18, it is ensured that the temperature inside the wall 4 does not rise above 600 ° C. and, when the burner is reduced in power, does not decrease to such an extent that the combustion gases in the combustion chamber 1 are subcooled.
  • FIG. 8 shows a further embodiment in which the wall 4 of the combustion chamber is constructed in the same way as in the embodiment in FIG. 7.
  • two heat exchangers 12 are arranged one behind the other in the direction of flow of the flue gases.
  • the return water of the heating system is fed to the upper heat exchanger 12 near the burner via the return line R1 and, after heating in the heat exchanger 12, is returned to the heating system via the flow line V1.
  • the lower heat exchanger 12 remote from the burner serves to further cool the flue gases which have already cooled on the upper heat exchanger until they condense, so that the boiler can be operated as a condensing boiler.
  • FIG. 9 shows a fifth exemplary embodiment of the boiler, in which the wall 4 of the combustion chamber 1 is made of a thin steel sheet in the same way as in the exemplary embodiment in FIG stands.
  • the wall 4 is enclosed by an airtight, heat-insulating cover 18 in such a way that an air duct 19 extending over the entire surface of the wall 4 remains free between the wall 4 and the cover 18.
  • An air flow is passed through this air duct 19 for cooling the wall 4 by means of a suitable fan.
  • the heated air of this air stream can advantageously be fed to the burner as combustion air.
  • FIG. 10 shows a sixth embodiment of the boiler, which corresponds essentially to the embodiment shown in Figure 9.
  • a spray device 22 is arranged at the top in the combustion chamber.
  • This spray device 22 consists of a heat-resistant pipeline extending in the longitudinal direction of the combustion chamber 1 with outlet openings for a cleaning liquid, preferably water, distributed over the circumference and the length.
  • a cleaning liquid preferably water
  • the sprayed-in water also flows from top to bottom through the heat exchanger 12 and also rinses off any combustion residues deposited thereon. All the flushing water from the wall 4 of the combustion chamber 1 and from the heat exchanger 12 with the flushed combustion residues is in the bottom of the flue gas collecting chamber 11 collected and derived via the condensate drain 17.
  • a line 24 is branched from the flow line V1, through which a partial flow of the water heated in the heat exchanger I2 is returned to the flow line R1 and mixed with the cold flow water.
  • a control valve 26 inserted into the line 24 controls the flow rate through the line 24 in accordance with the temperature determined by a sensor 28 on the inlet side of the heat exchanger 12. In this way, a minimum temperature of the water entering the heat exchanger 12 via the return line R1 can be maintained. in order to avoid undercooling of the burner flame 10 by the uppermost heat exchanger 12 even with a reduced burner output and a low return temperature.

Abstract

Bei einem Heizkessel für Gas- oder Ölgebläsebrenner ist der Feuerraum (1) tonnenförmig gewölbt und öffnet sich seitlich über seine ganze Länge und Breite nach unten in einen Rauchgassammelraum (11), der von Wärmetauschern (12) durchsetzt ist. Die Wand (4) des Feuerraumes (1) wird nur soweit gekühlt, daß die Temperatur innen an der Wand (4) nicht über ca. 600°C ansteigt. Die minimale Kühlung der Feuerraumwand (4) ermöglicht eine Reduzierung der Brennerleistung ohne daß eine Unterkühlung der Brennerflamme (10) eintritt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizkessels gemäß dem Oberbegriff des Patentan­spruchs 1 und einen Heizkessel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
  • Aus der DE-OS 35 37 704 ist ein Heizkessel bekannt, bei welchem ein Gebläsebrenners mit horizontal gerichteter Flamme in einem Feuerraum brennt, der horizontal ange­ordnet ist und sich an seiner zur Achse der Flamme des Gebläsebrenners im wesentlichen parallelen unteren Sei­te über seine gesamte Länge und Breite gegen einen von Wärmetauschern durchsetzten Rauchgassammelraum öffnet. Die Wand des Feuerraums ist durch einen Wassermantel gekühlt, durch welchen das zu erwärmende Brauchwasser und das Wasser des Heizungssystems strömen. Der die Wand des Feuerraums kühlende Wassermantel nimmt den Hauptteil der von dem Brenner erzeugten Wärme auf, während die im anschließenden Rauchgassammelraum ange­ordneten Wärmetauscher nur noch als Nachheizfläche wirken, die die Rauchgase auf die Temperatur von etwa 160 bis 180°C abkühlen, mit welcher die Rauchgase in den Kamin eintreten.
  • Das große Volumen des die Wand des Feuerraums umschlie­ßenden Wassermantels bewirkt eine starke Kühlung dieser Wand, der Gebläsebrenner muß daher mit einer konstanten Brennerleistung betrieben werden, die auf die Kühlung der Feuerraumwand abgestimmt ist. Eine Reduzierung der Brennerleistung, Z. B. zur Anpassung an einen geringe­ren Heizbedarf in der Übergangszeit, würde zu einer Unterkühlung der Flamme führen, was einen hohen Schad­stoffgehalt der Rauchgase und sogar Kondensation an der Feuerraumwand zur Folge hat. Zur Anpassung an einen verringerten Heizbedarf kann dementsprechend die Lei­stung des Gebläsebrenners nicht reduziert werden. Der Brenner wird vielmehr mit seiner vollen Leistung inter­mittierend betrieben. Dieser intermittierende Betrieb hat wiederum häufige Brennerstarts zur Folge, bei wel­chen jeweils das gesamte Volumen des die Feuerraumwand kühlenden Wassermantels aufgewärmt werden muß. In die­ser Anheizphase tritt dabei stets eine Unterkühlung der Brennerflamme mit der Folge eines hohen Schadstoffge­haltes und eines schlechten Wirkungsgrades auf.
  • Um die Nachteile der Unterkühlung der Flamme zu verhin­dern, werden bei kleinen Heizkesseln geringer Leistung bis ca. 40 kW vorzugsweise sogenannte Verbrennungshil­fen eingebaut. Die von dem Wassermantel umschlossene und gekühlte Feuerraumwand ist eine zylindrische Guß­wand, in welche koaxial ein Edelstahlrohr eingesetzt ist, in welches die Brennerflamme hineinbrennt. Das Edelstahlrohr wird von nach innen gerichteten Rippen der Gußwand im Abstand von dieser gehalten. Die durch das Edelstahlrohr gebildete heiße Brennkammer wird daher praktisch nicht gekühlt. Aufgrund der geringen Wärmekapazität und der fehlenden Kühlung nimmt diese Brennkammer beim Brennerstart sehr schnell eine hohe Temperatur an, so daß eine rückstandslose Verbrennung der Brennstofe nicht nur während des Dauerbetriebs, sondern auch sehr schnell mach dem Brennerstart gewähr­leistet ist. Erst wenn die Verbrennungsgase zwischen der Brennkammer und der Gußwand des Feuerraums hin­durchströmen, wird ihnen Wärme entzogen.
  • Bei diesem Heizkessel bewirkt die hohe Temperatur in der heißen Brennkammer und die lange Verweildauer der Verbrennungsgase in der heißen Brennkammer eine starke Umwandlung des Stickstoffs der Luft in NOx, so daß die Abgase einen hohen Anteil an schädlichen Stickoxiden aufweisen. Die die heiße Brennkammer koaxial umgebende Feuerraumwand kann trotz ihrer Rippen den heißen Rauch­gasen die Wärme nicht ausreichend entziehen. Daher sind in der Regel noch nachgeschaltete Heizflächen notwen­dig, um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erreichen. Diese machen den Heizkessel konstruktiv aufwendig. Die im allgemeinen aus Gußeisen bestehende Feuerraumwand mit dem umschließenden Wassermantel weist eine hohe Wärmekapazität auf, so daß der Heizkessel eine große Trägheit besitzt. Die Wärmekapazität wird insbesondere auch dadurch beeinflußt, daß der Feuerraum großvolumig ausgeführt sein muß, um die eingesetzte heiße Brennkam­mer aufzunehmen und eine ausreichende Wärmetauscherflä­che zu bilden.
  • Aus der DE-PS 32 05 121 ist es schließlich bekannt, die Wand des Feuerraums eines Heizkessels aus einer Blech­doppellage zu bilden, wobei sich die innere und die äußere Wandlage nur bereichsweise berühren, um den Wärmedurchgang von der inneren zur äußeren Wandlage zu verringern. Die innere Wandlage nimmt dadurch eine relativ hohe Temperatur an, während die äußere Wandlage durch den koaxial umschließenden Wassermantel des Heizkessels gekühlt wird.
  • Die Verringerung des Wärmeübergangs von der inneren Wandlage zur äußeren Wandlage ist bei diesem Heizkessel problematisch, da bei einem zu geringen Wärmeübergang eine wirtschaftliche Erwärmung des die äußere Wandlage kühlenden Wassermantels nicht möglich ist, während bei zu starkem Wärmeübergang eine Unterkühlung der inneren Wandlage und damit der Flamme mit den oben beschriebe­nen Nachteilen auftritt. Da die Feuerraumwand zur Wär­meübertragung auf das Heizungswasser dient, kann auch dieser Heizkessel nur mit im wesentlichen konstanter Brennerleistung betrieben werden. Eine Absenkung der Brennerleistung zur Anpassung an einen verringerten Wärmebedarf ist insbesondere im Dauerbetrieb nicht mög­lich, da eine Unterkühlung der Flamme an der gekühlten Feuerraumwand auftritt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heiz­kessel zu schaffen, der bei möglichst rückstandsloser Verbrennung der fossilen Brennstoffe einen möglichst geringen NOx-Anteil der Abgase aufweist, vorzugsweise auch bei einer Anpassung der Brennerleistung an einen sich ändernden Wärmebedarf.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben eines Heizkessels gemäß der in Anspruch 1 genanten Gattung erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 und bei einem Heizkessel der im Patentanspruch 6 genannten Gattung erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 6.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
  • Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, den Verbrennungsgasen die Wärme nicht an der Feuerraum­wand, sondern praktisch ausschließlich an den Wärmetau­schern des Rauchgassammelraumes zu entziehen. Die Wand des Feuerraums wird nur ganz wenig gekühlt, wobei diese Kühlung so bemessen ist, daß die Temperatur an der In­nenseite der Wand des Feuerraums auch im Dauerbetrieb bei voller Brennerleistung nicht über etwa 600°C an­steigt. Diese sanfte Kühlung der Feuerraumwand bewirkt, daß die Verbrennungsgase am Rand der Brennerflamme sehr schnell auf eine Temperatur abgekühlt werden, bei wel­cher praktisch keine nennenswerte NOx-Bildung auftritt. Da die Kühlung der Feuerraumwand jedoch nicht dem Zwecke der Erwärmung des Heizungs- oder Brauchwassers dient, wird die Kühlung so gering gehalten, daß auch bei einem Absenken der Brennerleistung eine Unterküh­lung der Verbrennungsgase an der Feuerraumwand nicht auftritt. Die Brennerleistung kann daher auf etwa 1/10 der maximalen Leistung abgesenkt werden, ohne daß die Kühlung der Wand des Feuerraums zu einer Abkühlung der Verbrennungsgase unter die Temperatur von etwa 180°C führt, bei welcher die Verbrennung der Brennstoffe nicht mehr vollständig erfolgt. Bei dem erfindungsge­mäßen Heizkessel kann die Brennerleistung daher in einem sehr großen Bereich von vorzugsweise 1 zu 10 variiert werden, ohne daß im Bereich niedriger Brenner­ leistung eine unvollständige Verbrennung und Kondensa­tion an der Wand des Feuerraums auftritt und ohne daß im Bereich hoher Brennerleistung der NOx-Gehalt der Abgase ansteigt. Mit den Wärmetauschern, durch welche die Verbrennungswärme abgeführt wird, kommen die heißen Verbrennungsgase erst dann in Berührung, wenn sie den Feuerraum bereits verlassen haben und in den Rauchgas­sammelraum eingetreten sind. Die Abkühlung der Verbren­nungsgase an den Wärmetauschern kann also keine Abküh­lung der Flamme verursachen.
  • Da der Feuerraum nicht dazu dient, den Verbrennungsga­sen eine größere Wärmemenge zur Wassererwärmung zu ent­ziehen, kann der Feuerraum ein besonders kleines Volu­men aufweisen. Es muß nur so groß ausgebildet sein, daß er im wesentlichen gerade die Flamme des Brenners um­schließt. Das kleine Volumen des Feuerraumes bringt zu­sätzlich eine Verkürzung der Verweilzeit der Verbren­nungsgase in Flammennähe und damit eine weitere Verrin­gerung der NOx-Erzeugung mit sich. Der Feuerraum um­schließt die Flamme des Brenners an drei Längsseiten und an der dem Brenner gegenüberliegenden Stirnseite, während er an der vierten Längsseite gegen den Rauch­gassammelraum offen ist. Diese Umschließung der Flamme durch den Feuerraum bewirkt eine Rezirkulation der hei­ßen Verbrennungsgase gegen die Flammenrichtung nach Art der Umkehrflamme bei Heizkesseln mit heißer Brennkam­mer. Die seitliche Öffnung des Feuerraums zum Rauchgas­sammelraum hin bewirkt jedoch zusätzlich eine Zirkula­tion der Verbrennungsgase um eine zur Flamme parallele Achse, so daß sich in dem Feuerraum beiderseits der Flamme zwei gegen die Flammenrichtung schraubenförmig zirkulierend strömende Walzen der Verbrennungsgase bil­ den. Durch diese Zirkulation werden die Verbrennungs­gase an der vorzugsweise tonnenförmig gewölbten Längs­wand des Feuerraums entlanggeführt und dabei sanft ab­gekühlt, so daß ihre Temperatur nicht über die Tempera­tur ansteigt, bei welcher die NOx-Bildung verstärkt einsetzt. Durch die walzenförmige Zirkulation werden die an der Feuerraumwand gekühlten Gase teilweise wie­der in den Kern der Flamme zurückgeführt, so daß eine vollständige rückstandslose Verbrennung der fossilen Brennstoffe gewährleistet ist. Ein Teil der zirkulie­renden Gase strömt kontinuierlich zu den Wärmetauschern in dem Rauchgassammelraum.
  • Der Rauchgassammelraum ist vorzugsweise unterhalb des Feuerraums angeordnet. Dadurch wird die Strömung der an dem Wärmetauscher zunehmend abgekühlten Rauchgase be­günstigt und insbesondere ist eine vorteilhafte Konden­satabführung am Boden des Rauchgassammelraumes möglich, wenn der Heizkessel als sogenannter Brennwertkessel ausgebildet ist, bei welchem die Abgase an der Aus­trittsseite des Wärmetauschers bis unter den Taupunkt abgekühlt werden, so daß der in den Abgasen enthaltene Wasserdampf mit den verbleibenden Schadstoff (insbe­sondere Schwefeloxide, Asche, Heizölrückstände) kon­densiert und abgeschieden wird. Die Wärmetauscher, die vorzugsweise als Rohrregister den Rauchgassammelraum durchsetzen, können mit relativ geringer Wärmekapazität ausgebildet sein, so daß der Heizkessel mit geringer Trägheit und geringen Energieverlusten reagiert.
  • Die Wand des Feuerraums ist mit geringer Wärmekapazität dünnwandig und zumindest an der Innenseite korrosions­beständig ausgebildet. Die geringe Wärmekapazität be­ wirkt eine minimale Trägheit der Feuerraumwand, so daß diese beim Zünden des Brenners innerhalb von Sekunden auf die gewünschte optimale Temperatur zwischen etwa 300 und 500°C gelangt. Auch beim Brennerstart ist daher die Unterkühlung der Flamme und der damit verbundene Schadstoffausstoß minimal. Da erfindungsgemäß vor allem aber auch die Brennerleistung ohne nachteiligen Einfluß auf den Wirkungsgrad und den Schadstoffgehalt der Abgase variiert werden kann, kann die Brennerleistung bei geringerem Wärmebedarf reduziert werden, so daß auch die Zahl der Brennerstarts erheblich verringert werden kann.
  • Die erfindungsgemäß geforderte korrosionsbeständige, sanft gekühlte Feuerraumwand mit geringer Wärmekapa­zität kann in unterschiedlicher Weise realisiert wer­den.
  • Die Wand des Feuerraums kann aus zwei Wandlagen beste­hen. Die innere Wandlage ist dabei dünnwandig und be­steht aus einem korrosionsfesten Material, vorzugsweise aus einem Stahlblech mit einer Stärke von etwa 0,5 bis 2,5 mm oder aus einem dünnwandigen keramischen Mate­rial. Die äußere Wandlage ist vorzugweise lose auf der inneren Wandlage angeordnet und mit einer Vorspannung unter gleichmäßigem Anpreßdruck an der inneren Wandlage gehalten. Die äußere Wandlage besteht vorzugsweise aus einem Kupfer- oder Aluminiumblech mit einer Wandstärke von etwa 0,5 bis 1,5 mm, auf welchem zur Kühlung was­serführende Rohrschlangen aufgelötet oder aufgeschweißt sind oder als eingeprägte Wasserkanäle ausgebildet sind. Die lösbar über die innere Wandlage gespannte äu­ ßere Wandlage hat den Vorteil, daß die äußere Wandlage ausgetauscht werden kann, um ihre Kühlleistung dem Brenner anzupassen. Außerdem kann die Kühlleistung gesteuert werden, indem der Anpreßdruck der äußeren Wandlage gegen die innere Wandlage, z. B. durch hydrau­lische Regulierung der Vorspannung, variiert wird. Mit zunehmendem Anpreßdruck nimmt die Berührungsfläche zwi­schen der inneren und der äußeren Wandlage und damit der Wärmeübergang für die Kühlung zu. Das gut wärmelei­tende Material der äußeren Wandlage bewirkt eine gleichmäßige Kühlung der gesamten Wand des Feuerraums trotz der geringen Anzahl der im gegenseitigem Abstand angeordneten Rohrschlangen.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die Wand des Feuerraums auch aus Gußmaterial, z. B. Gußeisen, be­stehen, wobei das Kühlwasser führende Wasserkanäle angegossen sind, die in geringer Anzahl im gegensei­tigen Abstand angeordnet sind.
  • Wird die Brennerleistung während des Betriebs zur An­passung an einen unterschiedlichen Wärmebedarf in einem größeren Bereich variiert, so ist es vorteilhaft, auch die Kühlung der Feuerraumwand anzupassen, um deren Tem­peratur möglichst auf dem optimalen Wert von etwa 400 bis 500°C zu halten. Hierzu kann der Flüssigkeitsdurch­satz durch die das Kühlwasser führenden Wasserkanäle gesteuert werden.
  • Zur Kühlung der Feuerraumwand wird vorzugsweise Wasser verwendet, welches bereits in den Wärmetauschern, vor­zugsweise in dem brennerfernsten Wärmetauscher vorge­ wärmt ist. Dies ergibt sich daraus, daß die Feuerraum­wand nicht für die Wassererwärmung vorgesehen ist, son­dern nur sanft gekühlt werden soll, um die Wandtempe­ratur nicht zu stark ansteigen zu lassen.
  • Da nur eine geringe Kühlung der Feuerraumwand erforder­lich und erwünscht ist, kann die Feuerraumwand auch durch Luft gekühlt werden. Die bei der Kühlung der Feuerraumwand erwärmte Luft kann dabei vorteilhaft als Verbrennungsluft für den Gebläsebrenner verwendet wer­den.
  • Die unter dem Feuerraum angeordneten Wärmetauscher sind vorzugsweise so ausgebildet, daß sie die Verbrennungs­gase nur von oben nach unten führen und keine waage­rechten Züge für die Verbrennungsgase aufweisen. Außer den günstigen Strömungsverhältnissen für die Verbren­nungsgase hat dies den Vorteil, daß sich evtl. Ver­brennungsrückstände, wie Ruß und dgl., nicht an den Wärmetauschern ablagern können, sondern durch die Wär­metauscher hindurch nach unten fallen, so daß sie zu­sammen mit dem Kondensat gesammelt und entsorgt werden. Die Wirksamkeit der Wärmetauscher wird deshalb nicht durch Ablagerungen beeinträchtigt.
  • Der an seiner Unterseite offene Feueraum und die verti­kale Führung der Verbrennungsgase in den Wärmetauschern ermöglicht eine besonders einfache Reinigung des Heiz­kessels. Es kann oben im Feuerraum eine Sprüheinrich­tung für eine Reinigungsflüssigkeit, vorzugsweise Was­ser, vorgesehen sein, durch welche die Reinigungflüs­sigkeit in den Feuerraum eingesprüht werden kann. Die Reinigungsflüssigkeit spült dabei sowohl die Wand des Feuerraums als auch die Wärmetauscher ab und fließt durch die Wärmetauscher nach unten ab, wo sie aufge­fangen und entsorgt wird. Der gesamte Heizkessel kann auf diese Weise bei Bedarf oder automatisch in vorge­gebenen Zeitintervallen in äußerst einfacher Weise ge­reinigt werden, ohne daß manuelle Reinigungsarbeiten oder sogar eine teilweise Demontage des Heizkessels notwendig sind.
  • Die Wand des Rauchgassammelraumes kann mit der Wand des Feuerraums, bei einer doppellagigen Wand des Feuerraums mit der inneren Wandlage einstückig hergestellt werden. Da der Feuerraum von dem Wärmetauscher und dem Rauch­gassammelraum funktionsmäßig völlig getrennt ist, ist es auch möglich, den Wärmetauscher und den Rauchgas­sammelraum als selbständige Bauteile auszubilden, die gas- und wasserdicht lösbar mit dem Feuerraum verbunden werden. Dadurch kann in besonders einfacher Weise ein den jeweiligen Anforderungen angepaßter Wärmetauscher in Verbindung mit einem Feuerraum verwendet werden, der für ein breites Spektrum von Anwendungsfällen einheit­lich serienmäßig hergestellt werden kann. Außerdem ist es möglich, den Feuerraum ohne sonstige Änderungen des Heizkessels auszutauschen, wenn dies zur Anpassung an eine zukünftige Verbesserung der Brennerkonstruktion zweckmäßig ist. Schließlich hat dies den Vorteil, daß der Feuerraum auch in Verbindung mit Wärmetauschern und Rauchgassammelräumen anderer Hersteller verwendet werden kann.
  • Bei Heizkesselleistungen bis ca. 40 kW kann der Feuer­raum ein Volumen von vorzugsweise ca. 6 bis 12 dm³ haben. Das Verhältnis Länge zu Breite liegt dabei vor­zugsweise zwischen 1,5 und 1,0, während das Verhältnis von Länge zu Höhe des Feuerraumes vorzugsweise im Be­reich zwischen 2,0 und 1,0 liegt. Bei diesen Abmessun­gen ergibt sich eine besonders günstige Ausbildung der zirkulierenden Verbrennungsgaswalzen und ein günstiges Verhältnis von walzenförmig in die Flamme rückzirkulie­renden Verbrennungsgasen zu in den Rauchgassammelraum austretenden Verbrennungsgasen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 - schematisch einen Längsschnitt des Heizkes­sels mit Darstellung der Zirkulationsströ­mung der Verbrennungsgase,
    • Figur 2 - schematisch einen Querschnitt des Heizkes­sels mit Darstellung der Zirkulationsströ­mung der Verbrennungsgase,
    • Figur 3 - schematisch einen Querschnitt des Heizkes­sels mit äußerer Wandlage,
    • Figur 4 und 5 - unterschiedliche Ausführungen der Rohr­schlangen der äußeren Wandschale,
    • Figur 6 - einen Querschnitt einer zweiten Ausfüh­rungsform,
    • Figur 7 - einen Querschnitt einer dritten Ausfüh­rungsform,
    • Figur 8 - einen Querschnitt einer vierten Ausfüh­ rungsform,
    • Figur 9 - einen Querschnitt einer fünften Ausfüh­rungsform und
    • Figur 10 - einen Querschnitt einer sechsten Ausfüh­rungsform
  • Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, besteht der Heizkessel aus einem tonnenförmig gewölbten Feuerraum 1, der an seinen beiden axialen Stirnseiten geschlossen ist. Mittig in einer Stirnwand ist eine Öffnung 9 vor­gesehen, in welcher ein Preßluft-Öl- oder Gasgebläse­brenner (nach DIN 4788, Teil 2 bis 5) eingesetzt werden kann. Die Flamme 10 des Brenners brennt dabei horizon­tal in axialer Richtung in den Feuerraum 1.
  • An der Unterseite ist der Feuerraum 1 über seine gesam­te axiale Länge offen und geht in einen Rauchgassammel­raum 11 über, der die gleiche Länge und Breite wie der Feuerraum 1 aufweist. Die offene Durchtrittsfläche zwi­schen dem Feuerraum und dem Rauchgassammelraum 11 be­trägt etwa 1/3 bis 1/4 der gesamten Mantelumfangsfläche des Feuerraums 1. Der Rauchgassammelraum 11 wird von einem Wärmetauscher 12 horizontal durchsetzt, der die Form eines Rohrregisters aufweist. Unterhalb des Wärme­tauschers 12 ist ein Abzugstutzen 13 vorgesehen, über den der Rauchgassammelraum 11 an einen Kamin ange­schlossen werden kann.
  • Die Länge des Feuerraumes 11 beträgt etwa das 1,5- bis 1,0fache seiner Breite und etwa das 2,0- bis 1,0fache seiner Höhe. Das gesamte Volumen des Feuerraums 1 beträgt ca. 6 bis 12 dm³.
  • Im dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 werden der Feuerraum 1 und der Rauchgassammelraum 11 gasdicht von einer gemeinsamen Wand 4 umschlossen, die aus einem 0,5 bis 2,5 mm starken Stahlblech besteht. Im Bereich des Feuerraumes 1 ist außen auf der Wand 4 eine äußere Wandlage 5 angeordnet, die sich in loser Berührung an die Stirnflächen und die Umfangsmantelflächen der Wand 4 anlegt. Die äußere Wandlage 5 ist mittels Schrauben oder Zapfen 14 im Bereich des unteren Randes des Feuer­raums 1 an der Wand 4 festgelegt. Die äußere Wandlage 5 besteht aus einem Kupfer- oder Aluminium-Blech einer Stärke von 0,5 bis 1,5 mm. Sie ist von den Befesti­gungspunkten durch die Schrauben oder Zapfen 14 aus­gehend in zwei Teilen nach oben über den Feuerraum 1 geführt und wird z. B. oben auf dem Scheitel des Feuer­raums 1 durch Bolzen 15 zusammengehalten. Auf den Bol­zen 15 sitzende Federn 8 spannen die äußere Wandlage 5 über die Wand 4 und bewirken einen Anpreßdruck der äu­ßeren Wandlage 5 gegen die Wand 4, der zu einer be­reichsweisen wärmeleitenden Berührung zwischen der Wand 4 und der äußeren Wandlage 5 führt. Eine Verstärkung des Druckes der Federn 8 bewirkt eine großflächigere Berührung und damit einen besseren Wärmeübergang zwi­schen der Wand 4 und der äußeren Wandlage 5, während ein schwächerer Druck der Federn 8 zu einer geringeren Berührung und einem schlechterem Wärmeübergang führt. Anstelle von Federn 8 können auch vorzugsweise hydrau­lisch steuerbare Spannmittel vorgesehen sein, die die äußere Wandlage 5 mit einstellbarem Anpreßdruck und damit mit einstellbarem Wärmeübergang über die Wand 4 spannen.
  • Auf der äußeren Wandlage sind meanderförmige Rohr­schlangen 7 angeordnet, die in gleichmäßiger Verteilung mit gegenseitigem Abstand auf den Stirn- und Mantelflä­chen der äußeren Wandlage 5 verlaufen. Der gegenseitige Abstand der einzelnen Windungen der Rohrschlangen 7 wird nach der erforderlichen Kühlleistung bemessen. Die Rohrschlangen 7 können auf die äußere Wandlage 5 aufge­lötet und aufgeschweißt sein, wie dies in Figur 4 dar­gestellt ist und runden oder ovalen Querschnitt aufwei­sen, wie dies in Figur 4 durch die Querschnitte 7 bzw. 7ʹ dargestellt ist. Die äußere Wandlage kann auch ein zweischaliges Blech mit eingeprägten Kanälen als Rohrschlangen 7ʺ sein, wie dies in Figur 5 angedeutet ist.
  • Durch die Rohrschlangen 7 wird ein Kühlmittel geleitet, wozu vorzugsweise ein Bruchteil des in dem Wärmetau­scher 12 vorgewärmten Wassers verwendet wird, das über ein Regelventil 6 in steuerbarer Durchflußmenge abge­zweigt wird.
  • Wie aus den Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, strömen die heißen Verbrennungsgase der Flamme 10 in einer axialen Rezirkulationsströmung 2 gegen die Richtung der Flamme 10 zurück . Diese Rezirkulation kann noch durch eine in Figur 1 angedeutete Auswölbung 16 der dem Bren­ner gegenüberliegenden Stirnwand des Feuerraumes 1 be­günstigt werden. Aufgrund der asymmetrischen Öffnung des Feuerraumes 1 gegen den Rauchgassammelraum 11 er­halten die axial zurückströmenden Verbrennungsgase zu­sätzlich eine Bewegungskomponente in radialer Richtung, die vor allem die von der Flamme 10 nach oben strömen­den Verbrennungsgase entlang der gekühlten Feuerraum­wand 4 nach unten führt. Ein Teil der auf diese Weise mit der radialen Zirkulationsströmung 3 nach unten geführten Verbrennungsgase strömt durch den Wärmetau­ scher 12 in den Rauchgassammelraum 11, während der an­dere Teil durch die walzenförmige Zirkulation 3 wieder in die Flamme 10 zurückgeführt wird.
  • Durch die axiale Rezirkulation mit der walzenförmigen Drehung beiderseits der Flamme 10 entlang der gekühlten Wand 4 ergibt sich einerseits eine ausreichende Rück­führung der Verbrennungsgase in die Flamme 10, um eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten, und anderer­seits eine gewisse Kühlung der in die Flamme zurückge­führten Verbrennungsgase, die eine zu hohe Flammentem­peratur verhindert und damit der NOx-Bildung entge­genwirkt. Der ständig nach unten in den Rauchgassammel­raum strömende Anteil der heißen Verbrennungsgase be­wirkt in Verbindung mit dem kleinen Volumen des Feuer­raums 1 eine kurze Verweilzeit der Verbrennungsgase im Feuerraum 1, was ebenfalls die Entstehung von NOx in den Abgasen entgegenwirkt.
  • In Figur 6 ist eine zweite Ausführungsform des Heizkes­sels dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Feuerraum 1 mit seiner Wand 4 ein gesondertes Bauteil, das mittels Schraubbolzen 14, die auch zur Befestigung der äußeren Wandlage 5 dienen, lösbar mit dem Wärmetau­scher 12 verbunden ist. Der Wärmetauscher 12 ist wie­derum durch Schraubbolzen 14 lösbar mit dem anschlie­ßenden Rauchgassammelraum 11 verbunden . Die Verbindung zwischen dem Feuerraum 1 und dem Wärmetauscher 12 sowie zwischen dem Wärmetauscher 12 und dem Rauchgassammel­raum 11 ist gasdicht und flüssigkeitsdicht. Zur Verwen­dung als Brennwertkessel, bei welchem die Rauchgase un­ter den Taupunkt abgekühlt werden und kondensieren, ist ein Kondensatablaß 17 im Boden des Rauchgassammelraumes 11 vorgesehen.
  • Figur 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei wel­chem die Wand 4 des Feuerraums 1 aus einem dünnwandigen gegossenen Material, z. B. aus einem Gußmetall oder aus einem keramischen Material besteht. Die Rohrschlan­gen 7 sind durch an die Wand 4 angegossene Kanäle ge­bildet. Der Wärmetauscher 12, die Rauchgassammelkammer 11 und die Verbindung des Feuerraumes 1 mit dem Wärme­tauscher 12 und des Wärmetauschers 12 mit der Rauchgas­sammelkammer 11 entsprechen dem Ausführungsbeispiel der Figur 6. Über eine Rücklaufleitung R1 wird das kalte Rücklaufwasser einer Heizungsanlage dem Wärmetauscher 12 zugeführt,wird in diesem erwärmt und über die Vor­laufleitung V1 wieder in die Heizungsanlage einge­speist. Von der Rücklaufleitung R1 ist eine Leitung R1 abgezweigt, über welche ein geringer Teil Strom des kalten Rücklaufwassers zur Kühlung der Feuerraumwand 4 in die Rohrschlangen 7 eingeleitet wird. Eine Vorlauf­leitung V2 speist das Kühlwasser nach dem Durchströmen der Rohrschlange 7 in die Vorlaufleitung V1 und damit in die Heizungsanlage. Ein in die Leitung V2 eingesetz­tes Regelventil 18 steuert die Durchflußmenge des Kühl­wassers durch die Rohrschlangen 7 entsprechend der mit­tels eines Fühlers 19 ermittelten Temperatur des Rück­laufwassers in der Leitung R2. Durch die Steuerung der Durchflußmenge mittels des Regelventils 18 wird gewähr­leistet, daß die Temperatur innen an der Wand 4 nicht über 600°C ansteigt und bei einer Leistungsabsenkung des Brenners nicht soweit absinkt, daß eine Unterküh­lung der Verbrennungsgase im Feuerraum 1 auftritt.
  • Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Wand 4 des Feuerraums in gleicher Weise aufgebaut ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 7. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 sind jedoch zwei Wärmetauscher 12 in Strömungsrichtung der Rauchgase hintereinander angeordnet. Dem brennernahen oberen Wärmetauscher 12 wird über die Rücklaufleitung R1 das Rücklaufwasser der Heizungsanlage zugeführt, das nach Erwärmung im Wärmetauscher 12 über die Vorlauflei­tung V1 wieder der Heizungsanlage zugeführt wird. Der brennerferne untere Wärmetauscher 12 dient dazu, die bereits am oberen Wärmetauscher abgekühlten Rauchgase weiter bis zur Kondensation abzukühlen, so daß der Heizkessel als Brennwertkessel betrieben werden kann. Um an dem unteren Wärmetauscher 12 die notwendige Ab­kühlung der Rauchgase unter den Kondensationspunkt zu erreichen, wird dem unteren Wärmetauscher 12 über die Leitung R2 kaltes Wasser aus der untersten kältesten Schicht eines Schichtenspeichers zugeführt. Dieses in dem unteren Wärmetauscher 12 vorgewärmte Wasser wird über die Leitung V2 den Rohrschlangen 7 zur Kühlung der Wand 4 des Feuerraums 1 zugeführt. Auch hier wird die Durchflußmenge durch das Regelventil 18 entsprechend der mittels des Fühlers 19 ermittelten Wassertemperatur in der Rohrleitung V2 eingestellt. Da durch den unteren Wärmetauscher 12 den Rauchgasen für die Kondensation nur noch eine geringe Restwärme entzogen werden muß, muß nur eine geringe Menge des kalten Wassers dem unte­ren Wärmetauscher 12 zugeführt werden. Diese geringe Durchflußmenge ist ausreichend für die Kühlung der Feurerraumwand 4, da diese nur so wenig gekühlt werden muß, daß die Temperatur an der Innenseite der Wand 4 nicht über etwa 600°C ansteigt.
  • In Figur 9 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des Heizkesselsdargestellt, bei welchem die Wand 4 des Feuerraums 1 in gleicher Weise wie in dem Ausführungs­beispiel der Figur 6 aus eirem dünnen Stahlblech be­ steht. Die Wand 4 ist von einer luftdichten, wärmeiso­lierenden Hülle 18 in der Weise umschlossen, daß zwi­schen der Wand 4 und der Hülle 18 ein sich über die gesamte Oberfläche der Wand 4 erstreckender Luftkanal 19 freibleibt. Durch diesen Luftkanal 19 wird zur Kühlung der Wand 4 mittels eines geeigneten Gebläses ein Luftstrom hindurchgeführt. Die erwärmte Luft dieses Luftstroms kann in vorteilhafter Weise als Verbren­snungsluft dem Brenner zugeführt werden.
  • Figur 10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Heizkessels, das im wesentlichen dem in Figur 9 ge­zeigten Ausführungsbeispiel entspricht. Um den Heiz­kessel einfach reinigen zu können, ist oben in dem Feuerraum eine Sprüheinrichtung 22 angeordnet. Diese Sprüheinrichtung 22 besteht aus einer sich in Längs­richtung des Feuerraums 1 erstreckenden hitzebestän­digen Rohrleitung mit über den Umfang und die Länge verteilten Austrittsöffnungen für eine Reinigungs­flüssigkeit, vorzugsweise Wasser. Zur Reinigung des gesamten Heizkessels wird bei Bedarf oder automatisch in vorgegebenen Zeitintervallen Wasser oder eine son­stige Reinigungsflüssigkeit durch die Sprüheinrichtung 22 versprüht, wie dies in Figur 10 durch Pfeile ange­deutet ist. Das Wasser spült evtl. vorhandene Verbren­nungsrückstände von der Wand 4 des Feuerraums 1 ab. Da die Führungen für die Verbrennungsgase den Wärmetau­scher 12 vertikal von oben nach unten durchsetzen, fließt das eingesprühte Wasser auch von oben nach unten durch den Wärmetauscher 12 und spült auch an diesem evtl. abgelagerte Verbrennungsrückstände ab. Das gesam­te Spülwasser von der Wand 4 des Feuerraums 1 und von dem Wärmetauscher 12 mit den abgespülten Verbrennungs­rückständen wird unten in der Rauchgassammelkammer 11 aufgefangen und über den Kondensatablaß 17 abgeleitet.
  • Wird dem der Brennerflamme 10 nächsten obersten Wärme­tauscher 12 sehr kaltes Wasser über die Rücklaufleitung R1 zugeführt, so könnte dies zu einer Unterkühlung der Brennerfkamme 10 führen. Um dies zu vermeiden, ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 von der Vorlauflei­tung V1 eine Leitung 24 abgezweigt, durch welche ein Teilstrom des im Wärmetauscher I2 erhitzten Wassers in die Vorlaufleitung R1 zurückgeführt und dem kalten Vor­laufwasser zugemischt wird. Ein in die Leitung 24 ein­gesetztes Regelventil 26 steuert die Durchflußmenge durch die Leitung 24 entsprechend der durch einen Füh­ler 28 ermittelten Temperatur an der Eintrittsseite des Wärmetauschers 12. Auf diese Weise kann eine Mindest­temperatur des über die Rücklaufleitung R1 in den Wär­metauscher 12 eintretenden Wassers eingehalten werden, um eine Unterkühlung der Brennerflamme 10 durch den obersten Wärmetauscher 12 auch bei reduzierter Bren­nerleistung und niedriger Rücklauftemperatur zu ver­meiden.

Claims (25)

1. Verfahren zum Betreiben eines Heizkessels mit einem Feuerraum, dessen Wand gekühlt wird, mit wenigstens einem Gebläsebrenner (DIN 4788), dessen Flamme in den Feuerraum gerichtet ist, und mit an den Feuer­raum anschließenden Wärmetauschern, die von den Rauchgasen durchströmt werden, dadurch gekennzeich­net, daß den Rauchgasen die Wärme im wesentlichen nur durch die Wärmetauscher entzogen wird und daß die Wand des Feuerraums nur so stark gekühlt wird, daß bei maximaler Brennerleistung die Temperatur an der Innenseite der Wand ca. 600°C nicht überschrei­tet und bei Reduzierung der Brennerleistung bis ca. 1/10 der maximalen Brennerleistung ca. 180°C nicht unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flamme des Brenners horizontal in den Feuer­raum gerichtet wird und daß die Verbrennungsgase aus dem Feuerraum senkrecht nach unten durch die Wärme­tauscher abgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Feuerraums flüssigkeitsgekühlt, vorzugsweise wassergekühlt wird und die Kühlung ent­sprechend der Temperatur der Kühlflüssigkeit ge­steuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit entspre­chend der Temperatur der Kühlflüssigkeit gesteuert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang von der Wand des Feuerraums zu der Kühlflüssigkeit entsprechend der Temperatur der Kühlflüssigkeit gesteuert wird.
6. Heizkessel mit wenigstens einem Gebläsebrenner (DIN 4788), mit einem Feuerraum (1), der die Flamme (10) des Gebläsebrenners mit einer gekühlten Wand (4) umschließt und an einer zur Achse der Flamme (10) im wesentlichen parallelen Seite über seine gesamte Länge und Breite offen ist und in einen von Wärme­tauschern (12) durchsetzten Rauchgassammelraum (11) übergeht, und mit einem an den Rauchgassammelraum (11) anschließenden Abzugstutzen (13) dadurch ge­kennzeichnet, daß die Wand (4) des Feuerraumes (1) nur so stark gekühlt ist, daß die Temperatur an ihrer Innenseite bei maximaler Brennerleistung ca. 600° C nicht übersteigt und bei einer auf ca. 1/10 der maximalen Brennerleistung reduzierten Brenner­leistung die Temperatur von ca. 180°C nicht unter­schreitet.
7. Heizkessel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) des Feuerraumes (1) durch im Ab­stand von einander angeordnete flüssigkeitsdurch­strömte Rohrschlangen (7, 7ʹ, 7ʺ) gekühlt ist.
8. Heizkessel nach Anspurch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) des Feuerraums (1) von einer äuße­ren Wandlage (5) umschlossen ist, die die Rohr­schlangen (7ʹ, 7ʺ) aufweist und die Wand (4) nur bereichsweise berührt.
9. Heizkessel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wandlage (5) aus einem lose unter Anpreßdruck an der Wand (4) anliegenden wärmeleiten­den Blech besteht, das vorzugweise lösbar an der Wand (4) angebracht ist.
10. Heizkessel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­zeichnet, daß die äußere Wandlage (5) mit verstell­barem Anpreßdruck an der Wand (4) anliegt.
11. Heizkessel nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­durch gekennzeichnet, daß die Wand (4) des Feuer­raums (1) aus korrosionsbeständigem Stahlblech be­steht.
12. Heizkessel nach einem Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Feuerraums aus einem keramischen Material besteht.
13. Heizkessel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) des Feuerraums (1) aus einem dünn­wandig gegossenen Material, vorzugsweise Metallguß, mit angegossenen flüssigkeitsdurchströmten Rohr­ schlangen (7) besteht.
14. Heizkessel nach einem der Ansprüche 7 bis 13, da­durch gekennzeichnet, daß die Rohrschlangen (7, 7ʹ, 7ʺ) durch in dem Wärmetauscher (12) vorgewärmtes Wasser durchströmt sind.
15. Heizkessel nach einem der Ansprüche 7 bis 14, da­durch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der die Rohrschlangen (7, 7ʹ, 7ʺ) durchströmenden Flüs­sigkeit mittels eines Regelventils (6, 18) ein­stellbar ist.
16. Heizkessel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) des Feuerraums (1) luftgekühlt ist.
17. Heizkessel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­net, daß die Wand (4) des Feuerraums (1) von einer luftdichten Hülle (20) umschlossen ist, wobei zwi­schen der Wand (4) und der Hülle (20) ein luft­durchströmter, die gesamte Wand (4) umschließender Luftkanal (21) gebildet ist.
18. Heizkessel nach einem der Ansprüche 6 bis 17, da­durch gekennzeichnet, daß der Feuerraum (1) ton­nenförmig gewölbt ist, daß die Flamme (10) des Brenners im wesentlichen in der Mittelachse des Feuerraums (10) brennt, daß der Rauchgassammelraum (11) unter dem Feuerraum (1) angeordnet ist, und daß die Durchtrittsfläche zwischen dem Feuerraum (1) und dem Rauchgassammelraum (11) etwa 1/4 bis 1/3 der Umfangsmantelfläche des Feuerraumes (1) einnimmt.
19. Heizkessel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­net, daß die Länge des Feuerraumes (1) etwa das 1,5- bis 1,0fache seiner Breite beträgt.
20. Heizkessel nach Anspruch 18 oder 19, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Länge des Feuerraumes (1) etwa das 2,0- bis 1,0fache seiner Höhe beträgt.
21. Heizkessel nach einem der Ansprüche 6 bis 20, da­durch gekennzeichnet, daß das Volumen des Feuer­raumes (1) ca. 6 bis 12 dm³ beträgt.
22. Heizkessel nach einem der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) den Feuerraum (1), die Wärmetauscher (12) und den Rauchgassammelraum (11) gemeinsam gasdicht um­schließt.
23. Heizkessel nach einem der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) des Feuerraumes (1) mit den Wärmetauschern (12) gas­dicht und flüssigkeitsdicht lösbar verbunden ist, wobei vorzugsweise die Wärmetauscher (12) auch gasdicht und flüssigkeitsdicht lösbar mit dem Rauchgassammelraum (11) verbunden sind.
24. Heizkessel nach einem der Ansprüche 6 bis 23, da­durch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (12) nur vertikal von oben nach unten führende Verbren­nungsgasführungen aufweisen.
25. Heizkessel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich­net, daß in dem Feuerraum (1) eine Sprüheinrichtung (22) vorgesehen ist, um eine Reinigungsflüssigkeit in den Heizkessel einzuleiten.
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