EP0345683A2 - Heizungskessel für die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe - Google Patents

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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/263—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body with a dry-wall combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a boiler for the combustion of liquid or gaseous fuels according to the preamble of the main claim.
  • the longitudinal ribs which divide the ring-cylindrical heating gas flue into individual flues, can be provided in a variety of ways in the design of the combustion chamber. So it is known for the formation of the combustion chamber to produce this as an internally ribbed one-part or multi-part cast body. Furthermore, it is known to form the combustion chamber by means of extruded profiles, the longitudinal ribs of which are also formed during their manufacture.
  • Two other variants consist in the fact that appropriately adapted, internally ribbed cast rings are used in the cylindrical combustion chamber in a heat-conducting manner, or that a correspondingly large sheet metal blank is provided with a large number of folded longitudinal ribs, this blank is rounded cylindrical and inserted overall into the cylindrical combustion chamber and for a heat-conducting one Connection of the two layers ensures. Apart from that, you can of course also arrange angle profiles parallel to the axis and closely lined up on the inner wall of the combustion chamber.
  • the invention is therefore based on the object to improve heating boilers of the generic type and to find a compromise between "hot” and “cold” combustion chamber wall, ie to ensure from the boiler construction that there are no impermissibly high NOX values in the exhaust gas can adjust and with the proviso that the previous boiler design principle can be essentially maintained and also the combustion chamber in terms to optimally train their insertability and condensate-proof design.
  • the end edges of the longitudinal ribs are at least pre-machined so that all opposing rib end edges are at the same distance from one another, the combustion chamber divided into individual rings then being pushed in under compressed air to produce the thermal contact.
  • the division of the combustion chamber into at least two rings according to the invention is of particular importance, since it is easier to achieve the thermal contact in all areas than with a one-piece combustion chamber, individual rings are easier to insert by pressing in, no high demands have to be made on the processing of the longitudinal ribs and there is also the advantage for the condens area of the combustion chamber where there is a risk of satellites, condensate-proof material for the ring can only be used in this area.
  • heating boilers of the generic type are double-layered for reasons of condensate safety with regard to the partition between the combustion chamber and the water-carrying interior of the boiler housing, the inner layer consisting of a correspondingly folded sheet metal blank, which, as it were, is rounded and forms an internal insert.
  • folding the ribs it is inevitable because the folds at the foot of the ribs cannot be made sharp-edged, that between the inner layer and the actual combustion chamber wall, gusset gaps arise, in the area of which the heat transfer is substantially reduced.
  • the boiler consists of a water-carrying housing 13 with a cylindrical combustion chamber 6, in which a pot-like combustion chamber 2 in the space between the end edges of the ring-cylindrical heating gas flue, which extends along the water-cooled combustion chamber wall 11 and is thermally conductively connected to this wall 14 in individual channels 14 'sliding longitudinal ribs 4 is arranged.
  • the wall 1 of the combustion chamber 2 is selectively connected in a heat-conducting manner to the end edges 3 of the longitudinal ribs 4, as can be seen from FIGS. 2, 3.
  • the end edges 3 of the longitudinal ribs 4 are machined, for which purpose the longitudinal ribs at their end edges 3 are overturned, for example, in order to ensure that all opposing ones Rib end edges 3 have the same distance D from one another, which ensures that the combustion chamber wall to be used can be brought into heat-conducting contact with these at all end edges 3.
  • the combustion chamber is formed for the reasons mentioned in FIG. 6 from a plurality of rings 17 of the same width B, which correspond to the length L of the combustion chamber when strung together.
  • the rings 17 are provided on one side with a circumferential bend 18 pointing into the interior of the combustion chamber, which overlaps the crank-free edge 19 of the respective connecting ring.
  • the burner-side ring can, as shown, be combined in one part in a boiler construction according to FIG. 6 (vertical boiler with lintel burner chamber) with the wall 21 surrounding the burner area.
  • the strong division of the combustion chamber wall into, as shown, four rings 17 is not absolutely necessary, but in the exemplary embodiment is based on the fact that the inner shell 16 is also divided into four rings 15.
  • This division of the combustion chamber into several rings is particularly advantageous in view of the avoidability of high manufacturing accuracy of the rib support edges for the combustion chamber wall, because the combustion chamber sections can be introduced better and are also better brought to the ribs for heat-conducting contact.
  • the entire combustion chamber does not have to be formed from high-quality steel sheet if necessary, but can be limited to producing only the most condensate-prone ring 17 'from expensive stainless steel.
  • FIGS. 3-5 relate to a particular embodiment of such heating boilers, in which the longitudinal ribs 4 are obtained by unfolding a corresponding sheet metal blank, which corresponds overall and chend cylindrically rounded and made endless as an inner shell in the combustion chamber 6 is used to conduct heat to the combustion chamber wall 11.
  • 3-5 approximately correspond to the normal size of such rib designs, it is clear from this that not inconsiderable folding gussets arise between this inner shell 7 and the combustion chamber wall 11, which gussets 8 represent corresponding heat transfer barriers.
  • each rib fold 5 in the combustion chamber wall-side fold gusset 5 is one of them Gusset cross section arranged in cross section corresponding filling profile 9.
  • Relatively soft metallic material can expediently and advantageously be used in order to achieve the best possible filling of the gusset volume when the components are pressed together.

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Abstract

Der Heizungskessel ist für die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe bestimmt und besteht aus einem wasserführenden Gehäuse (13) mit einem zylindrischen Feuerraum (6) in dem eine topfartige Brennkammer (2) im Freiraum zwischen den Endrändern (3) von sich längs der wassergekühlten Feuerraumwand (11) mindestens zum Teil über die Länge des Feuerraumes erstreckenden, mit dieser Wand wärmeleitend verbundenen, den ringzylindrischen Heizgaszug (14) in Einzelkanäle (14') gliedernden Rippen (4) angeordnet ist. Um für NOX-reduzierte Abgase eines solchen Heizkessels zu sorgen, ist die Wand (1) der einzuschiebenden Brennkammer (2) mit allen bearbeiteten Endrändern (3) der Längsrippen (4) wärmeleitend, preßverbunden. Der Durchmesser (D1) der Brennkammer (2) ist dabei etwas größer gehalten, als die Distanz (D) der bearbeiteten Rippenränder (3) und ferner ist die Wand (1) der Brennkammer (2) aus mindestens zwei Rippen (17) gebildet, die aneinandergereiht der Länge (L) der Brennkammer entsprechen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Heizkessel für die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
  • Derartige Heizungskessel sind hinlänglich bekannt und bedür­fen insoweit keines besonderen druckschriftlichen Nachweises. Die Längsrippen, die dabei den ringzylindrischen Heizgaszug in Einzelzüge gliedern, können dabei auf die unterschiedlich­ste Weise konstruktiv im Feuerraum vorgesehen werden. So ist es bekannt, für die Ausbildung des Feuerraumes diesen als in­nenberippten ein- oder mehrteiligen Gußkörper herzustellen. Ferner ist es bekannt, den Feuerraum durch Strangpreßprofile zu bilden, bei deren Herstellung die Längsrippen mit ange­formt werden. Zwei weitere Varianten bestehen darin, daß man in den zylindrischen Feuerraum entsprechend angepaßte, eben­falls innenberippte Gußringe wärmeleitend einsetzt oder daß man einen entsprechend großen Blechzuschnitt mit einer Viel­zahl von gefalteten Längsrippen versieht, diesen Zuschnitt zylindrisch rundet und insgesamt in den zylindrischen Feuer­raum einschiebt und für eine wärmeleitende Verbindung der beiden Lagen sorgt. Abgesehen davon kann man selbstver­ständlich auch Winkelprofile achsparallel und dicht an­einandergereiht auf der inneren Feuerraumwand anordnen. In derartige, mit Längsrippen bestückte Feuerräume wurde bisher leicht einsetzbar und wieder herausnehmbar eine topfartig ausgebildete Umkehrbrennkammer eingesetzt, die aufgrund ihres Untermaßes in Bezug auf den verfügbaren Freiraum zwi­schen den Rippen, von wenigen Rippen im unteren Bereich abge­sehen, praktisch keinen wärmeleitenden Kontakt zu den Längsrippen hatte, was bedeutete, daß eine Wärmeabfuhr aus der Brennkammerwand in die Längsrippen nicht stattfand, was im übrigen aber auch nicht gewünscht war, da man derartige Kessel mit möglichst heißer Brennkammer betreiben wollte, um schon in diesem Bereich für einen optimalen Ausbrand der Brennstoffe zu sorgen. Soweit sich wärmeleitende Verbindungen zwischen Brennkammer und Längsrippen ergaben, erfolgte dies erst, wenn sich die Brennkammer ausreichend erwärmt und ge­dehnt hatte.
  • Wie sich herausgestellt hat, haben aber derartig "heiße" Brennkammern, die in der Regel aus relativ dünnem Edelstahl gebildet sind, den Nachteil, daß die aus dem Kessel abströ­menden Gase relativ hohe NOX-Werte aufweisen, deren Reduzie­rung in Rücksicht auf die damit verbundene Umweltbelastung mittlerweile absolut wünschenswert geworden ist. Da derartige Kessel bis jetzt scheinbar keine konstruktiven Möglichkeiten boten, von der Kesselseite her für eine NOX-Reduzierung sor­gen zu können, haben sich diese Maßnahmen zur NOX-Reduzierung im wesentlichen auf die Brennergestaltung reduziert. Trotz dieser Maßnahmen im Brennerbereich bleiben aber die NOX-­Werte in den Abgasen noch in unerwünscht hoher Größenordnung, die durch die Kesselkonstruktion selbst bedingt ist, d.h., insbesondere die Ursachen dafür in der bisherigen Anordnung und Ausbildung der Brennkammer liegen. Heizungskessel, die mit sogenannter "kalter" Brennkammer Betrieben werden - das sind solche, deren Brennkammerwand als wasserführende Doppel­wand ausgebildet ist - stellen das andere Extrem dar und sind außerdem mit einem relativ hohen Fertigungsaufwand verbunden.
  • Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, Hei­zungskessel der gattungsgemäßen Art dahingehend zu ver­bessern und einen Kompromiß zwischen "heißer" und "kalter" Brennkammerwand zu finden, d.h., von der Kesselkonstruktion her dafür zu sorgen, daß sich keine unzuläßig hohen NOX-Werte im Abgas einstellen können und zwar mit der Maßgabe, das bis­herige Kesselkonstruktionsprinzip im wesentlichen beibehal­ten zu können und ferner die Brennkammer dabei hinsichtlich ihrer Einbringbarkeit und kondensatfesten Gestaltung optimal auszubilden.
  • Diese Aufgabe ist mit einem Heizungskessel der eingangs ge­nannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.
  • Dieses denkbar einfache und den Fertigungsaufwand nicht wesentlich vergrößernde Ausbildungsprinzip führt, wie sich gezeigt hat zu überraschend guten Ergebnissen bzgl. der NOX-­Werte, und zwar deshalb, weil durch die gezielt angesetzten Wärmeleitungsübergänge aus der Brennkammerwand zu allen Längsrippen für einen unmittelbaren Wärmeabfluß aus der Brennkammerwand in die Längsrippen gesorgt ist. Da die Wärme ständig aus der Brennkammerwand abfließen kann, nimmt diese aufgrund dieses ständigen Wärmeabflußes nicht mehr die bisher hohen Temperaturwerte an, so daß diese gewissermaßen als "warme" Brennkammer zu bezeichnen und einzustufen ist. Im Vergleich zu einer aufwendig herzustellenden und wasserge­kühlten Brennkammer ist die Zuordnung der Brennkammer zu den Längsrippen wesentlich weniger aufwendig und im Gegensatz zu solchen "kalten" Brennkammern fällt bei der erfindungsgemäßen Brennkammer auch kein Kondensat in diesem Bereich an.
  • Die Endränder der Längsrippen sind dabei zumindest vorbearbeitet, so daß alle sich gegenüberstehenden Rippenend­ränder zueinander die gleiche Distanz aufweisen, wobei dann die in Einzelringe gegliederte Brennkammer unter Herstellung des Wärmeleitkontaktes unter Preßluft eingeschoben wird. Die erfindungsgemäße Gliederung der Brennkammer in mindestens zwei Ringe ist dabei von besonderer Bedeutung, da damit der Wärmeleitkontakt in allen Bereichen besser erzielbar ist als mit einer einstückigen Brennkammer, Einzelringe durch einpressen leichter einzubringen sind, an die Bearbeitung der Längsrippen keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen und außerdem der Vorteil besteht, für den konden­ satgefährdeten Bereich der Brennkammer geziehlt konden­satfestes Material für den Ring nur in diesem Bereich verwenden zu können.
  • Wie vorerwähnt, sind Heizungskessel der gattungsgemäßen Art aus Gründen der Kondensatsicherheit bezüglich der Trennwand zwischen Feuerraum und wasserführenden Innenraum des Kessel­gehäuses doppellagig ausgebildet, wobei die innere Lage aus einem entsprechend gefalteten Blechzuschnitt besteht, der entsprechend zylindrisch gerundet gewissermaßen einen inneren Einsatz bildet. Bei der Rippenfaltung ist es dabei unvermeid­lich, da man die Faltungen am Fuße der Rippen nicht scharf­kantig gestalten kann, daß zwischen der inneren Lage und der eigentlichen Feuerraumwand Hohlraumzwickel entstehen, in deren Bereich der Wärmeübergang wesentlich gedrosselt ist. Wie sich gezeigt hat, ist die Wärmeabfuhr aus der einge­preßten Brennkammerwand unmittelbar in die Endränder der Rip­pen derart stark, daß die verfügbaren Wärmeübergangsflächen zwischen den beiden Lagen aufgrund der unvermeidbaren Zwickelbereiche nicht ausreichen, die eingeleitete Wärme op­timal zur Wasserseite hin passieren zu lassen. Da ein Inter­esse daran besteht, für einen optimalen Wärmeabfluß von der Brennkammer aus über die Längsrippe zur Feuerraumwand zu er­möglichen sind deshalb bezüglich solcher Kesselausführungs­formen vorteilhafte Weiterbildungen gemäß der Ansprüche 4 bis 6 vorgesehen.
  • Der erfindungsgemäße Heizungskessel wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigt schematisch:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Heizungs­kessel der gattungsgemäßen Art;
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Heizungskessels gemäß Fig. 1;
    • Fig. 3-5 Schnitte durch besondere Ausführungsformen gefalteter Längsrippen im Verbindungsbereich zur Innenfläche der Feuerraumbegrenzungswand und
    • Fig. 6 im Schnitt einen Heizungskessel mit vertikaler Ausführungsform.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der Heizkessel aus einem wasserführenden Gehäuse 13 mit einem zylindrischen Feuerraum 6, in dem eine topfartige Brennkammer 2 im Freiraum zwischen den Endrändern von sich längs der wassergekühlten Feuerraum­wand 11 erstreckenden, mit dieser Wand wärmeleitend verbun­denen, den ringzylindrischen Heizgaszug 14 in Einzelkanäle 14′ gleidernden Längsrippen 4 angeordnet ist.
  • Unabhängig davon, welche konstruktive Gestaltung die Längs­rippen 4 tatsächlich haben, ist die Wand 1 der Brennkammer 2 gezielt mit den Endrändern 3 der Längsrippen 4 wärmeleitend verbunden, wie dies aus Fig. 2, 3 ersichtlich ist. Dafür sind die Endränder 3 der Längsrippen 4 bearbeitet ausgebildet, wofür die Längsrippen an ihren Endrändern 3 bspw. überdreht werden, um zu gewährleisten, daß alle sich gegenüberstehenden Rippenendränder 3 zueinander die gleiche Distanz D haben, was gewährleistet, daß die einzusetzende Brennkammerwand an allen Endrändern 3 mit diesen in wärmeleitenden Kontakt gebracht werden kann.
  • Unter Beibehaltung des Prinzips der wärmeleitenden Verbindung der Brennkammerwand 1 mit den Längsrippen, ist die Brennkammer aus den genannten Gründen gemäß Fig. 6 aus mehreren Ringen 17 gleicher Breite B gebildet , die aneinan­dergereiht der Länge L der Brennkammer entsprechen. Die Ringe 17 sind dabei auf einer Seite mit einer umlaufenden, in das Innere der Brennkammer weisenden Abkröpfung 18 versehen, die den kröpfungsfreien Rand 19 des jeweiligen Anschlußringes übergreift. Der brennerseitige Ring kann dabei, wie dargstellt, bei einer Kesselkonstruktion gemäß Fig. 6 (Vertikalkessel mit Sturzbrennerkammer) mit der den Brennerbereich umgebenden Wandung 21 zu einem Teil zusammengefaßt sein. Die starke Gliederung der Brennkammerwand in, wie dargestellt, vier Ringe 17 ist nicht zwingend notwendig, sondern beim Ausführungsbeispiel daran orientiert, daß die Innenschale 16 ebenfalls in vier Ringe 15 gegliedert ist. Insbesondere in Rücksicht auf die Vermeidbar­keit hoher Fertigungsgenauigkeiten der Rippenauflageränder für die Brennkammerwand ist diese Aufteilung der Brennkammer in mehrere Ringe von Vorteil, weil die Brennkammerteilstücke besser einzubringen und auch besser zur wärmeleitenden Anlage an die Rippen zu bringen sind. Außerdem muß nicht im Bedarfsfall die ganze Brennkammer aus hochwertigem Stahlblech gebildet werden, sondern man kann sich darauf beschränken, lediglich den am meisen kondensatgefährdeten Ring 17′ aus teurem Edelstahl zu fertigen.
  • Die in Bezug auf die Fig. 1, 2 vergrößerten Schnittdar­stellungen der Fig. 3-5 beziehen sich insofern auf eine be­sondere Ausführungsform derartiger Heizungskessel, bei denen die Längsrippen 4 durch Auffaltung eines entsprechenden Blechzuschnittes gewonnen sind, der insgesamt und entspre­ chend zylindrisch gerundet und endlos gemacht als Innenschale in den Feuerraum 6 wärmeleitend zur Feuerraumwand 11 einge­setzt wird. Da die Darstellungen der Fig. 3-5 etwa der norma­len Größe solcher Rippenausbildungen entsprechen, wird hier­aus deutlich, daß nicht unbeträchtliche Faltungszwickel zwi­schen dieser Innenschale 7 und der Feuerraumwand 11 entste­hen, welche Zwickel 8 entsprechende Wärmeübergangsbarrieren darstellen. Um diese Barrieren, die flächenmäßig aufgrund der Vielzahl der Rippen durchaus etwa ein Viertel bis ein Drittel der gesamten verfügbaren Wärmeübertragungsfläche bil­den können, zu reduzieren und den gewünschten und erhöhten Wärmeabfluß aus der Brennkammerwand 1 zu optimieren, ist im feuerraumwandseitigen Faltungszwickel 8 jeder Rippenfaltung 5 ein dem Zwickelquerschnitt im Querschnitt entsprechendes Füllprofil 9 angeordnet. Zweckmäig und vorteilhaft kann dabei relativ weiches metallisches Material verwendet werden, um beim Zusammenpressen der Komponenten eine möglichst optimale Ausfüllung des Zwickelvolumens zu erreichen. Gemäß Fig. 4 ist es aber auch möglich, den Heizkessel derart auszubilden, daß im Bereich 12 der feuerraumwandseitigen Faltungszwickel 8 je­der Rippenfaltung 5 die Feuerraumwand 11 in den Zwickelraum 8 hinein an die Innenschale 7 angeformt bzw. eingepreßt wird.

Claims (6)

1. Heizungskessel für die Verbrennung flüssiger oder gas­förmiger Brennstoffe, bestehend aus einem wasserfüh­renden Gehäuse mit einem zylindrischen Feuerraum, in dem eine Brennkammer im Freiraum zwischen den Endrändern von sich längs der wassergekühlten Feuerraumwand mindestens zum Teil über die Länge des Feuerraums erstreckenden, den ringzylindrischen Heizgaszug in Einzelkanäle gleidernden Rippen angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle sich jeweils gegenüberstehenden und bearbeite­ten Rippenendränder (3) zueinander die gleiche Distanz (D) aufweisen und die Wand (1) der einzuschiebenden Brennkammer (20), deren Durchmesser (D₁) etwas größer ge­halten ist, als die Distanz (D) der bearbeiteten Rippen­ränder (3), mit allen bearbeiteten Endrändern (3) der Längsrippen (4) wärmeleitend preßverbunden und die Wand (1) der Brennkammer (2) aus mindestens zwei Ringen (17) gebildet ist, die aneinandergereiht der Länge (L) der Brennkammer entsprechen.
2. Heizungskessel nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet
daß mindestens der am weitesten vom Brenner (20) ange­ordnete Ring (17′) aus kondensatfestem Material, vor­zugsweise Edelstahlblech, gebildet ist.
3. Heizungskessel nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ringe (17) auf einer Seite mit einer umlaufen­den, in das Innere der Brennkammer weisenden Abkröpfung (18) versehen sind, die den kröpfungsfreien Rand (19) des jeweiligen Anschlußringes übergreift.
4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Längsrippen (4) als Faltungen (5) einer in den zylindri­schen Feuerraum (6) eingesetzten, formangepaßten Innen­schale (7) ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß im feuerraumwandseitigen Faltungszwickel (8) jeder Rippenfaltung (5) ein dem Zwickelquerschnitt im Quer­schnitt entsprechendes Füllprofil (9) angeordnet ist.
5. Heizungskessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Längsrippen (4) als Faltungen (5) einer in den zy­lindrischen Feuerraum (6) eingesetzten, formangepaßten Innenschale (7) ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß im feuerraumwandseitigen Faltungszwickel (8) jeder Rippenfaltung (5) eine wärmeleitende Füllmasse (10) an­geordnet ist.
6. Heizungskessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Längsrippen (4) als Faltungen (5) einer in den zylindrischen Feuerraum (6) eingesetzten, formangepaßten Innenschale (7) ausgebildet
dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich (12) der feuerraumwandseitigen Faltungs­zwickel (8) jeder Rippenfaltung (5) die Feuerraumwand (11) in den Zwickelraum (8) hinein an die Innenschale (7) angeformt eingepreßt ausgebildet ist.
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