EP0466748B1 - Heizkessel aus kunststoff mit integrierter abgasreinigung - Google Patents

Heizkessel aus kunststoff mit integrierter abgasreinigung Download PDF

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EP0466748B1
EP0466748B1 EP90905489A EP90905489A EP0466748B1 EP 0466748 B1 EP0466748 B1 EP 0466748B1 EP 90905489 A EP90905489 A EP 90905489A EP 90905489 A EP90905489 A EP 90905489A EP 0466748 B1 EP0466748 B1 EP 0466748B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
container
heating boiler
boiler according
combustion chamber
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP90905489A
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English (en)
French (fr)
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EP0466748A1 (de
Inventor
Lothar Herold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HERWI-SOLAR-GMBH FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
Original Assignee
HERWI-SOLAR-GMBH FORSCHUNG und ENTWICKLUNG
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Publication date
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Publication of EP0466748A1 publication Critical patent/EP0466748A1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/107—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using fluid fuel

Definitions

  • the invention relates to a boiler for liquid, gaseous and / or dusty fuels, in which the heating takes place via one or more built-in burners by direct contact of the combustion exhaust gases with a heat transfer fluid in a container and the heat of condensation of the fuel is used.
  • Such a boiler is mainly used for small and medium-sized domestic heating systems, possibly with hot water heating.
  • an application also makes sense in industrial areas.
  • Boilers for heating purposes usually heat a gaseous or liquid heat transfer medium by burning liquid, solid or gaseous fuels in a combustion chamber which consists of highly heat-resistant materials, such as steel, cast or stone walls, which can withstand the high combustion temperatures.
  • the heat is transferred by contact of the heat transfer medium with the walls of the combustion chamber, which are surrounded by the combustion exhaust gases.
  • the combustion exhaust gases are then discharged at relatively high temperatures and pollutants through a mostly thermally insulated smoke pipe.
  • the combustion fumes came into the atmosphere without purification and distributed mainly sulfur oxide, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxide and soot.
  • Newer boilers now also use the heat of condensation to increase the efficiency by additional heat exchangers cooling the exhaust gases below the dew point or by the exhaust gases in direct contact with the heat transfer fluid to be brought.
  • the neutralization of the resulting condensation products is carried out very costly and therefore leads to high production costs or is not provided at all.
  • the condensation of the combustion exhaust gases produces large amounts of harmful, acidic condensate, it is not possible to operate such a boiler without neutralizing or disposing of the condensate for reasons of environmental protection.
  • a boiler with downstream condensation is known from FR-A-2 547 648.
  • the combustion exhaust gases are passed through a water curtain formed between an upper and lower tank.
  • the water curtain is part of a water circuit that is guided over the two tanks and forced by a pump.
  • the combustion chamber is located in the upper container, and the combustion exhaust gases generated therein are led via pipes to the outside of the upper container, where they then pass through the water curtain.
  • the emission of pollutants and heat caused by the thin water curtain are inadequate, since the residence time of the combustion gases in the water curtain is very short.
  • no neutralization of the pollutants is provided.
  • polyester is considered for the production of the two containers, the overall construction is extremely problematic since the hot tubes of the combustion chamber have to be led through the wall of the container.
  • the aim of the invention is therefore to provide a boiler which can be operated in an environmentally friendly manner, has a high degree of efficiency and is simple and inexpensive to manufacture
  • the object of the invention is to realize a boiler which largely reduces, neutralizes and absorbs the pollutant content of the combustion exhaust gases by utilizing the heat of condensation and which furthermore allows inexpensive production and is easy to assemble has a low weight and is long-lasting by eliminating the risk of corrosion.
  • a boiler of the type described at the outset is characterized in that the container for the heat transfer fluid made of plastic and the wall of the combustion chamber consist of a material which is resistant to the temperatures occurring and the acid formation in the heat transfer fluid, that in the heat transfer fluid for distribution of the below the Combustion exhaust gases leaving the combustion chamber, a device is provided and the heat transfer fluid is added with a means for neutralizing the pollutants extracted from the combustion exhaust gases.
  • the combustion chamber which is open at the bottom, is installed in the plastic container of the absorption and heat transfer fluid in such a way that it is completely surrounded by this liquid during operation, while it is flooded with the heat transfer fluid in the idle state of the boiler.
  • the combustion gases passed through the heat transfer fluid during the operation of the boiler are distributed into small bubbles and give off almost all of their heat and pollutants when they climb. These pollutants are collected in the corrosion-resistant plastic container of the heat transfer fluid and chemically neutralized, after which they can be disposed of in a controlled manner without harming the environment.
  • a spread of the environmentally friendly boiler according to the invention is facilitated by the low manufacturing costs and the high value retention due to the use of plastic materials as well as by simple installation and maintenance.
  • FIG. 1 shows a partially sectioned schematic diagram of the exemplary embodiment according to the invention during heating operation
  • FIG. 2 shows a representation similar to FIG. 1, but during the break and with alternative and / or additional measures.
  • the container 1 in connection with the heat transfer fluid 22 can be made of plastic, which can reach temperatures of 90 to 100 ° C must be dimensionally and heat resistant.
  • Plastic is easy to process, is cheaper than conventional boiler construction materials and has numerous other advantageous properties.
  • Cross-linked polyethylene is preferably used. The production of plastic components with any shape is known to the person skilled in the art and does not present any difficulties using conventional manufacturing techniques.
  • the heat insulation 3 of the container 1 can be formed on the inside of the outer jacket 2 using modern, known manufacturing processes. This is preferably done in such a way that the thermal insulation 3 is foamed internally to any thickness, so that the finished colored and structured outer jacket 2 in the same step with the insulation 3 can be trained. Additional degreasing, priming, insulation and painting or the use of cladding materials can thus be omitted.
  • the thermal insulation is usually attached separately to the outside of a steel or cast iron container.
  • plastics offer a high level of resistance to chemically aggressive liquids, which arise when the temperature falls below the dew point or when the condensation heat is used in a targeted manner.
  • the combustion chamber 4 is located in the upper inner region of the container 1. It is preferably mounted perpendicular to the burner 14 on the top of the container 1 in such a way that the burner 14 is accessible from the outside.
  • the combustion chamber 4 is open at the bottom, so that it is largely filled by the heat transfer fluid 22 in the idle or ready state, but without the burner 14 and its ignition device being wetted.
  • the construction shown ensures that the combustion air supplied by the blower of the burner 14 can only escape downwards from the combustion chamber 4, that is to say through the heat transfer fluid 22.
  • the burner 14 can be a conventional burner type known per se, but preferably with a stronger exhaust. A person skilled in the art can easily carry out this modification.
  • the combustion chamber 4 is emptied before the burner 14 is started up. This is done by blowing air in through the burner fan or by creating a vacuum above the liquid 22 outside the combustion chamber 4 or a combination of both techniques. In all cases, a pressure difference forms, which presses the heat transfer fluid 22 out of the combustion chamber 4, so that the air supplied through the burner 14 can escape below the combustion chamber 4 and bubble upwards.
  • the heat transfer fluid 22 previously contained therein has risen in the container 1 and now preferably covers the entire outer part of the combustion chamber 4, as can be seen from the comparative illustration between FIG. 1 and 2 emerges.
  • the flame 5 burns with the supply of fuel and the combustion air supplied now in the interior of the emptied combustion chamber 4.
  • the resulting combustion exhaust gases 20 escape down through the open part of the combustion chamber 4 and bead up on the surface of the heat transfer fluid 22.
  • the combustion chamber wall 24 is made of a material that is resistant to the temperatures occurring inside and the acid formation in the heat transfer fluid 22, such as e.g. Metal, ceramics, glass or plastics. Since the liquid 22 which has risen on the wall 24 brings about constant cooling of the entire combustion chamber 4, a material which can only tolerate low temperatures can also be used with a larger combustion chamber cross section without direct contact with the flame.
  • the construction of the combustion chamber 4 is designed by suitable design measures so that the plastic material of the container 1 is not stressed beyond its maximum temperature resistance. In any case, the combustion chamber 4 can be kept small, so that e.g. even when using stainless steel there are no high costs.
  • the combustion exhaust gases 20 emerging below the combustion chamber 4 during burner operation are produced by distributed a device that leads to the smallest possible gas bubbles 20.
  • this is a fine-meshed grid or sieve 21 through which the exhaust gases are pressed.
  • this grating or sieve 21 can be excited to mechanical vibrations, as a result of which the fine gas bubbles 20 are strongly swirled.
  • the now slowly swirling bubbles 20 form a turbulent foaming bath in which the heat exchangers 6, 7 for heating and hot water circuits are located.
  • These heat exchangers 6, 7 are designed as tube, finned tube, plate or other heat exchangers. Such constructions are known to the person skilled in the art. Stainless steel, copper or other corrosion-resistant materials are used as materials. However, according to the invention, the heat exchangers 6, 7 are preferably made of plastic. Due to the turbulent movement in the heat transfer fluid 22, the heat transfer is significantly better than in standing or only moderately agitated liquids. Plastic offers the advantage of freedom from corrosion, the free design of the shape and the inexpensive production.
  • the heat exchanger 7 can be designed in such a way that the exhaust gas bubbles 20 get intimate contact with the exchanger walls and thus a high exchanger performance is achieved.
  • a preferred option is the design as a double-jacket heat exchanger 6 in the container 1. This is preferably used to heat domestic water.
  • filling bodies 26 can be introduced into the container 1, which obstruct the movement of the gas bubbles 20 and thus cause a longer residence time in the liquid 22 and at the same time enlarge the reaction surface. As a result, the heat emission and, as described below, the emission of pollutants is improved.
  • the exhaust gas bubbles 20 release not only their heat when they bubble up, but also their pollutants to the heat transfer fluid 22. This happens through chemical reactions.
  • chemicals are added to the heat transfer fluid 22, for example calcium carbonate, which combines with the sulfur in the combustion exhaust gases 20 to form calcium sulfate. This achieves neutralization and retention of the sulfur that would otherwise be released into the atmosphere.
  • the neutralization product which is ultimately gypsum, is removed in a thickened form at certain maintenance intervals and, according to current regulations, can be disposed of with household waste without any problems.
  • the necessary chemicals can be added to the liquid 22 in liquid form, or in the form of a granular absorption and neutralizing agent 23, as shown in FIG. 2 is shown.
  • the neutralization chemicals used for example as a pressed or sintered cartridge 16, through an opening to bring in contact with the liquid 22 in the container 1.
  • the consumption of the chemicals can then be detected by optical control or automatically, and a maintenance message can then be issued by a control in the control and display panel 15.
  • Such a monitoring can easily be implemented by a person skilled in the art on the basis of his specialist knowledge.
  • Residue products also include soot, dust and other particles as well as unburned oil components (in the case of oil firing). These are also retained in the heat transfer fluid 22. They can also be removed at longer maintenance intervals, e.g. annually, with disposal.
  • a filter cartridge 17 is preferably installed in the container 1 between the riser pipe 27 and the condensate drain 18. The filter cartridge 17 serves to separate these particles or solids, so that they can be disposed of by changing the cartridge 17. By introducing the excess condensate through the filter cartridge 17, no solid waste can get into the sewage system.
  • the combustion exhaust gases which collect in the container 1 above the heat transfer fluid 22, have been largely cleaned and are now passed either directly or via a heat exchanger 11 through the exhaust pipe 12 into the atmosphere.
  • the container 1 is sealed on all sides, so that the entire exhaust gas is forced into the exhaust pipe 12.
  • the exhaust gas heat exchanger 11 is preferably designed as an air-air cross-flow heat exchanger known per se and emits the residual heat of the exhaust gases 20 to the intake combustion air.
  • the temperature of the exhaust gases in the exhaust pipe 12 is therefore only slightly higher than that of the surroundings. This makes it possible to use, for example, a plastic pipe for the exhaust pipe 12.
  • the heat exchanger 11 in the exhaust gas stream can be designed as an air-water heat exchanger that heats domestic or swimming pool water.
  • the heat exchanger 11 can also be used to heat the return 10 of the heating circuit.
  • the fillers 26 can be conventional fillers made of metal and / or plastic, as are used in chemical processes.
  • the burner cover 13, in which the control and display panel 15 is integrated, can also be made of plastic.
  • the burner 14 is connected to a fuel supply line (not shown).
  • a fuel supply line (not shown).
  • gas and liquid-tight closable openings (not shown) are provided through which the boiler can be serviced and disposed of.
  • Known screw connections can be used to seal the container in a gas-tight and liquid-tight manner.
  • a plastic powder is introduced into a hollow mold corresponding to the container 1, which rotates about two axes in a wobbling movement.
  • the mold is heated in an oven to about 250 ° C, whereby the plastic powder melts.
  • the wall thickness of the outer wall 2 of the container 1 formed in this way is determined by the amount of the powder.
  • the internal insulation 3 is foamed. The thickness of the insulation 3 is determined by the amount of plastic powder and the blowing agent.
  • a second smaller container heat exchanger wall of the double jacket heat exchanger 6
  • the inner and outer container can be sealed by fusing or gluing. If a removable lid is required for the container 1, it can be made in one of these steps.
  • PE polyethylene
  • GRP fiber-reinforced plastics
  • foamed sheet goods such as FOREX or K ⁇ MACEC (from Kömmerling) can be used to manufacture the outer jacket and insulation in one step.
  • FOREX or K ⁇ MACEC from Kömmerling
  • the outer jacket and insulation can also be made from this.

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Description

    Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel für flüssige, gasförmige und/oder staubförmige Brennstoffe, bei dem die Erwärmung über einen oder mehrere eingebaute Brenner durch direkten Kontakt der Verbrennungsabgase mit einer Wärmeträgerflüssigkeit in einem Behälter erfolgt und die Kondensationswärme des Brennstoffes ausgenutzt wird.
  • Anwendung findet ein solcher Heizkessel hauptsächlich für Hausheizungen kleiner und mittlerer Leistung, gegebenenfalls mit Brauchwassererwärmung. Aber auch in industriellen Bereichen ist eine Anwendung sinnvoll.
    • Charakteristik des bekannten Stand der Technik
  • Heizkessel für Heizzwecke erwärmen üblicherweise einen gasförmigen oder flüssigen Wärmeträger durch Verbrennung von flüssigen, festen oder gasförmigen Brennstoffen in einem Brennraum, der aus hochwärmebeständigen Materialien, wie Stahl-, Guß- oder Steinwänden besteht, die die hohen Verbrennungstemperaturen aushalten. Die Wärme wird durch Kontakt des Wärmeträgers mit den Wänden des Brennraums übertragen, die von den Verbrennungsabgasen umspült werden. Die Verbrennungsabgase werden dann mit relativ hohen Temperaturen und mit Schadstoffen belastet über ein meist thermisch isoliertes Rauchrohr abgeleitet.
  • Verstärkte Bemühungen um verbesserte Wirkungsgrade und niedrigere Schadstoffanteile führten zu davon abweichenden Lösungen. So sind Heizvorrichtungen bekannt, bei denen die Rauchgase durch eine Wärmeträgerflüssigkeit geleitet werden und somit die Kondensationswärme genutzt wird. Weiterhin sind Lösungen bekannt, die Schadstoffe aus Kondensationsprodukten neutralisieren, wie es beispielsweise aus der DE-OS 34 06 028 bekannt ist, oder den Schadstoffgehalt der Verbrennungsabgase reduzieren.
  • Nachteilig bei den üblichen Heizkesseln sind die teure Bauweise, der niedrige Wirkungsgrad und der hohe Schadstoffgehalt der Abgase.
  • Da im Brennraum sehr hohe Temperaturen entstehen, werden teure und aufwendig zu verarbeitende Werkstoffe verwendet, um die Temperaturbeständigkeit zu gewährleisten. Stahl- und Gußeisenwerkstoffe, die üblicherweise angewandt werden, müssen in energie- und zeitaufwendigen Arbeitsschritten zu Brennkammern und Kesselgehäusen zusammengebaut werden, wodurch hohe Gestehungskosten verursacht werden.
  • Weil die Wärmeübertragung durch eine Konvektion der Verbrennungsabgase an den Brennraumwänden stattfindet, ist aufgrund der schlechten Wärmeübertragung eine hohe Abgastemperatur und damit ein schlechter Wirkungsgrad die Folge. Die hohe Abgastemperatur wurde bisher aber bewußt beibehalten, um eine Unterschreitung des Taupunktes der Abgase und damit eine Zerstörung des Heizkessels und die Versottung der herkömmlichen Abgasrohre zu vermeiden, oder es wurden teure Materialien verwendet, die gegen die Kondensationsprodukte unempfindlich waren.
  • Die Verbrennungsabgase gelangten ohne Reinigung in die Atmosphäre und verteilten dort vor allem Schwefeloxid, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickoxid und Ruß.
  • Neuere Heizkessel nutzen nun auch die Kondensationswärme, um den Wirkungsgrad zu steigern, indem zusätzliche Wärmetauscher die Abgase unter den Taupunkt abkühlen oder indem die Abgase in direkten Kontakt zur Wärmeträgerflüssigkeit gebracht werden. Die Neutralisierung der dabei entstehenden Kondensationsprodukte wird, wie es z.B. in der DE-OS 34 06 028 ausgeführt ist, sehr aufwendig betrieben und führt dadurch zu hohen Herstellungskosten oder ist überhaupt nicht vorgesehen. Da jedoch durch die Kondensation der Verbrennungsabgase hohe Mengen an schädlichem, säurehaltigem Kondensat anfallen, ist ein Betrieb eines solchen Heizkessels ohne Neutralisation oder Entsorgung des Kondensats aus Gründen des Umweltschutzes nicht möglich.
  • Aus der FR-A-2 547 648 ist ein Heizkessel mit nachgeschalteter Kondensation bekannt. Die Verbrennungsabgase werden durch einen zwischen einem oberen und unteren Behälter ausgebildeten Wasservorhang geleitet. Der Wasservorhang ist Teil eines über die beiden Behälter geführten und mit einer Pumpe erzwungenen Wasserkreislaufes. Die Brennkammer befindet sich im oberen Behälter, und die darin erzeugten Verbrennungsabgase werden über Röhren zur Außenseite des oberen Behälters geführt, wo sie dann durch den Wasservorhang treten. Die durch den dünnen Wasservorhang bewirkte Schadstoffabgabe und Wärmeabgabe sind allerdings unzulänglich, da die Verweilzeit der Verbrennungsabgase im Wasservorhang sehr gering ist. Darüberhinaus ist keine Neutralisation der Schadstoffe vorgesehen. Für die Herstellung der beiden Behälter ist zwar Polyester in Betracht gezogen, jedoch ist der konstruktive Gesamtaufbau äußerst problematisch, da die heißen Röhren der Brennkammer durch die Wandung des Behälters geführt werden müssen.
    • Ziel der Erfindung
  • Ziel der Erfindung ist es daher, einen Heizkessel zu schaffen, der umweltfreundlich betrieben werden kann, einen hohen Wirkungsgrad hat sowie einfach und preisgünstig herzustellen ist
    • Darlegung des Wesens der Erfindung
  • Ausgehend von den oben dargelegten Mängeln der bekannten technischen Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel zu realisieren, der unter Ausnutzung der Kondensationswärme den Schadstoffgehalt der Verbrennungsabgase weitgehend reduziert, neutralisiert sowie absorbiert und der darüber hinaus eine kostengünstige Herstellung erlaubt, montagefreundlich ist, ein niedriges Gewicht hat und durch Beseitigung der Korosionsgefahr langlebig ist.
  • Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Heizkessel der eingangs beschriebenen Art dadurch aus, daß der Behälter für die Wärmeträgerflüssigkeit aus Kunststoff und die Wandung der Brennraumes aus einem gegen die auftretenden Temperaturen und die Säurebildung in der Wärmeträgerflüssigkeit resistenten Material bestehen, daß in der Wärmeträgerflüssigkeit zur Verteilung der unterhalb des Brennraumes austretenden Verbrennungsabgase eine Vorrichtung vorgesehen ist und daß der Wärmeträgerflüssigkeit ein Mittel zur Neutralisation der den Verbrennungsabgasen entzogenen Schadstoffe beigegeben wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel ist der nach unten offene Brennraum so in den aus Kunststoff bestehenden Behälter der Absorptions- und Wärmeträgerflüssigkeit eingebaut, daß er im Betrieb außen vollständig von dieser Flüssigkeit umgeben ist, während er im Ruhezustand des Heizkessels von der Wärmeträgerflüssigkeit geflutet ist. Es wurde erkannt, daß die obigen Maßnahmen ein preisgünstiges und leicht verarbeitbares Material, also Kunststoff, für fast alle Teile des Heizkessels gestatten, einschließlich des Behälters. Diese Verwendung von Kunststoff ist mit einem beachtlichen technischen Fortschritt verbunden, zumal bei Kunststoffteilen keine Korrosionsgefahr besteht.
  • Die beim Betrieb des Heizkessels durch die Wärmeträgerflüssigkeit geleiteten Verbrennungsabgase werden in kleine Bläschen verteilt und geben beim Hochsteigen ihre Wärme und die Schadstoffe fast vollständig ab. Diese Schadstoffe werden in dem korrosionsbeständigen Kunststoffbehälter der Wärmeträgerflüssigkeit gesammelt und chemisch neutralisiert, wonach sie kontrolliert ohne Beeinträchtigung der Umwelt entsorgt werden können.
  • Analysen haben in den letzten Jahren gezeigt, daß gerade im häuslichen Anwendungsbereich eingesetzte herkömmliche Heizkessel eine starke globale Umweltschädigung verursachen. Diese Schäden können durch einen energiesparenden und schadstofffreien Heizkessel erheblich reduziwert werden. Das Hauptanwendungsgebiet liegt daher im Bereich häuslicher Heizungen, zumal der weitgehend aus Kunststoff hergestellte Heizkessel eine gleitende Betriebsweise ermöglicht.
  • Die Verwendung von Kunststoffbehältern im Heizkesselbau wurde bisher ausgeschlossen, da die hohe Flammtemperatur und der niedrige Schmelzpunkt der Kunststoffe als unvereinbar galten. Durch die thermische Abschirmung über die Wärmeträgerflüssigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Kunststoffes lassen sich erstmals aufgrund der Erfindung die aufgeführten Vorteile preisgünstig realisieren.
  • Eine Verbreitung des umweltfreundlichen Heizkessels nach der Erfindung wird durch die geringen Herstellungskosten und die hohe Wertbeständigkeit aufgrund der Verwendung von Kunststoffmaterialien sowie durch einfache Installation und Wartung erleichtert.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Es zeigt:
  • FIG.1 eine teilweise geschnittene Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels während des Heizbetriebs,
  • FIG.2 eine ähnliche Darstellung wie FIG. 1, jedoch während der Betriebspause und mit alternativen und/ oder zusätzlichen Maßnahmen.
  • Den realisierten Aufbau des als Ausführungsbeispiel dargestellten Heizkessels kann der Fachmann ohne weiteres den FIG. 1 und 2 entnehmen. Darin bedeuten: 1 Behälter, 2 Außenwand des Behälters, 3 Isolierung des Behälters, 4 Brennraum, 5 Verbrennungsflamme, 6 Doppelmantelwärmetauscher, 7 Heizkreiswärmetauscher, 8 Heizkreisumwälzpumpe, 9 Heizkreisvorlauf, 10 Heizkreisrücklauf, 11 Kreuzstromwärmetauscher, 12 Abgasrohr, 13 Brennerverkleidung, 14 Brenner (vorzugsweise Gas oder Öl), 15 Bedien- und Anzeigepult, 16 Absorptions- und Neutralisationsmittelpatrone, 17 Filterpatrone, 18 Kondensatablauf, 19 Oberfläche einer Absorptions- und Wärmeträgerflüssigkeit im Betriebsfall, 20 Verbrennungsabgasbläschen, 21 Abgasverteilersieb, 22 Absorptions- und Wärmeträgerflüssigkeit, 23 granulatförmiges Absorptions- und Neutralisationsmittel, 24 Brennraumwandung, 25 Oberfläche der Absorptions- und Wärmeträgerflüssigkeit während der Betriebspause, 26 Füllkörper und 27 Steigrohr.
  • Im betriebsfertigen Zustand des dargestellten Heizkessels befindet sich im Inneren des drucklosen Behälters 1 eine Wärmeträgerflüssigkeit 22, bei der es sich vorzugsweise um Wasser handelt. Der Brennraum 4, der von der Flüssigkeit 22 umgeben ist, kann im Zentrum des oberen Teils des Behälters 1 eingebaut sein. Die hier stattfindende Verbrennung heizt, wie später beschrieben, die Wärmeträgerflüssigkeit 22 auf. Da Wasser bei Normaldruck nicht mehr als 100°C erreichen kann und in Heizungsanlagen üblicherweise keine höheren Temperaturen als etwa 90°C benötigt werden, läßt sich der in Verbindung mit der Wärmeträgerflüssigkeit 22 stehende Behälter 1 aus Kunststoff fertigen, der bis zu Temperaturen von 90 bis 100°C form- und wärmebeständig sein muß. Kunststoff läßt sich leicht verarbeiten, ist billiger als herkömmliche Heizkesselbaumaterialien und weist zahlreiche weitere vorteilhafte Eigenschaften auf. Vorzugsweise wird vernetztes Polyethylen verwendet. Die Herstellung von Kunststoffbauteilen mit beliebiger Formgestaltung ist dem Fachmann bekannt und bietet unter Anwendung herkömmlicher Fertigungstechniken keinerlei Schwierigkeiten.
  • So kann z.B mit modernen, an sich bekannten Fertigungsverfahren die Wärmeisolierung 3 des Behälters 1 auf der Innenseite des Außenmantels 2 ausgebildet werden. Vorzugsweise geschieht dies derart, daß die Wärmeisolierung 3 innen in beliebiger Stärke aufgeschäumt wird, so daß der fertig eingefärbte und strukturierte Außenmantel 2 im gleichen Arbeitsschritt mit der Isolierung 3 ausgebildet werden kann. Eine zusätzliche Entfettung, Grundierung, Isolierung und Lackierung oder Verwendung von Verkleidungsmaterialien kann somit entfallen. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Kunststoffbehälter 1 aus integrierter Außenwand 2 und Isolierung 3 ist beim Stand der Technik üblicherweise die Wärmeisolierung separat an der Außenseite eines Stahl- oder Gußeisenbehälters angebracht.
  • Weiterhin bieten Kunststoffe eine hohe Beständigkeit gegen chemisch aggressive Flüssigkeiten, die beim Unterschreiten des Taupunktes oder beim gezielten Nutzen der Kondensationswärme entstehen .
  • Wie vorher beschrieben, befindet sich der Brennraum 4 im oberen Innenbereich des Behälters 1. Er ist vorzugsweise senkrecht mit dem Brenner 14 auf der Oberseite des Behälters 1 so angebracht, daß der Brenner 14 von außen zugänglich ist. Nach unten ist der Brennraum 4 offen, so daß er im Ruhe- oder Bereitschaftszustand von der Wärmeträgerflüssigkeit 22 größtenteils ausgefüllt wird, ohne daß jedoch der Brenner 14 und seine Zündvorrichtung benetzt werden. Die aufgezeigte Konstruktion stell sicher, daß die vom Gebläse des Brenners 14 gelieferte Verbrennungsluft nur nach unten aus dem Brennraum 4, also durch die Wärmeträgerflüssigkeit 22, entweichen kann.
  • Bei dem Brenner 14 kann es sich um eine herkömmliche, an sich bekannte Brennerbauart handeln, jedoch vorzugsweise mit einem stärkeren abläse. Ein Fachmann kann diese Modifikation ohne weiteres durchführen.
  • Vor der Inbetriebnahme des Brenners 14 wird der Brennraum 4 entleert. Dies geschieht durch Einblasen von Luft über das Brennergebläse oder durch Erzeugung eines Vakuums über der Flüssigkeit 22 außerhalb des Brennraumes 4 oder eine Kombination beider Techniken. In allen Fällen bildet sich eine Druckdifferenz aus, die die Wärmeträgerflüssigkeit 22 aus dem Brennraum 4 drückt, so daß unterhalb des Brennraumes 4 die durch den Brenner 14 zugeführte Luft entweichen und nach oben perlen kann.
  • Mit dem Entleeren des Brennraumes 4 ist die vorher darin enthaltene Wärmeträgerflüssigkeit 22 im Behälter 1 hochgestiegen und bedeckt jetzt vorzugsweise den gesamten äußeren Teil des Brennraumes 4, wie es aus der vergleichenden Darstellung zwischen FIG. 1 und 2 hervorgeht. Die Flamme 5 brennt unter Zufuhr von Brennstoff und der gelieferten Verbrennungsluft nun im Inneren des entleerten Brennraumes 4. Die dabei entstehenden Verbrennungsabgase 20 entweichen nach unten durch den offenen Teil des Brennraumes 4 und perlen an die Oberfläche der Wärmeträgerflüssigkeit 22.
  • Die Brennraumwandung 24 ist aus einem Material gefertigt, das gegen die im Inneren auftretenden Temperaturen und die Säurebildung in der Wärmeträgerflüssigkeit 22 resistent ist, wie z.B. Metall, Keramik, Glas oder auch Kunststoffe. Da die an der Wandung 24 hochgestiegene Flüssigkeit 22 eine ständige Kühlung des gesamten Brennraumes 4 bewirkt, kann bei größerem Brennraumquerschnitt ohne direkte Flammberührung auch ein Material verwendet werden, das nur geringe Temperaturen verträgt. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen ist die Befestigung des Brennraumes 4 so ausgelegt, daß das Kunststoffmaterial des Behälters 1 nicht über seine maximale Temperaturbeständigkeit hinaus belastet wird. Auf jeden Fall kann der Brennraum 4 kleingehalten werden, so daß z.B. auch bei Verwendung von Edelstahl keine hohen Kosten entstehen.
  • Die während des Brennerbetriebs unterhalb des Brennraumes 4 austretenden Verbrennungsabgase 20 werden durch eine Vorrichtung verteilt, die zu möglichst kleinen Gasblasen 20 führt. Im einfachsten Fall ist dies ein feinmaschiges Gitter oder Sieb 21, durch das die Abgase gedrückt werden. Zur Verbesserung des Effekts kann dieses Gitter oder Sieb 21 zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, wodurch eine starke Verwirbelung der feinen Gasbläschen 20 erreicht wird.
  • Die nun langsam hochwirbelnden Bläschen 20 bilden ein turbulent schäumendes Bad, in dem sich die Wärmetauscher 6, 7 für Heiz- und Brauchwasserkreisläufe befinden. Diese Wärmetauscher 6, 7 sind als Rohr-, Rippenrohr-, Platten- oder sonstige Wärmetauscher ausgelegt. Solche Konstruktionen sind dem Fachmann bekannt. Als Materialien werden Edelstahl, Kupfer oder sonstige korrosionsbeständige Stoffe verwendet. Vorzugsweise sind jedoch nach der Erfindung die Wärmetauscher 6, 7 aus Kunststoff gefertigt. Durch die turbulente Bewegung in der Wärmeträgerflüssigkeit 22 ist der Wärmeübergang bedeutend besser als in stehenden oder nur mäßig bewegten Flüssigkeiten. Kunststoff bietet den Vorteil der Korrosionsfreiheit, der freien Gestaltung der Form und der kostengünstigen Herstellung. Der Wärmetauscher 7 kann so ausgelegt sein, daß die Abgasbläschen 20 einen innigen Kontakt zu den Tauscherwandungen bekommen und damit eine hohe Tauscherleistung erreicht wird. Eine bevorzugte Möglichkeit ist die Ausbildung als Doppelmantelwärmetauscher 6 im Behälter 1. Hiermit wird vorzugsweise Brauchwasser erwärmt.
  • Wie in FIG. 2 dargestellt, können in den Behälter 1 zusätzlich Füllkörper 26 eingebracht werden, die die Bewegung der Gasbläschen 20 behindern und somit eine längere Verweilzeit in der Flüssigkeit 22 bewirken und gleichzeitig die Reaktionsoberfläche vergrößern. Infolgedessen wird die Wärmeabgabe und, wie nachfolgend beschrieben, auch die Schadstoffabgabe verbessert.
  • Die Abgasbläschen 20 geben nämlich beim Hochperlen nicht nur ihre Wärme, sondern auch ihre Schadstoffe an die Warmeträgerflüssigkeit 22 ab. Dies geschieht über chemische Reaktionen. Zu diesem Zweck werden der Wärmeträgerflüssigkeit 22 Chemikalien beigemischt, beispielsweise Calciumcarbonat, das sich mit dem Schwefel der Verbrennungsabgase 20 zu Calciumsulfat verbindet. Damit wird eine Neutralisation und Rückhaltung des ansonsten in die Atmosphäre geleiteten Schwefels erreicht. Das Neutralisationsprodukt, das letztendlich Gips darstellt, wird in eingedickter Form in bestimmten Wartungsintervallen entnommen und kann nach heutigen Bestimmungen problemlos im Hausmüll entsorgt werden.
  • Bei Verwendung anderer Neutralisationsstoffe, wie z.B. Magnesiumhydroxid, werden außer Schwefel noch weitere umweltbelastende Stoffe wie Kohlendioxid und Stickoxide chemisch gebunden. Bei der Verbrennung in der gekühlten Brennkammer 4 entstehen jedoch ohnehin kaum Stickoxide, so daß ihre Entfernung aus den Verbrennungsabgasen 20 unter Umständen ganz entfallen kann. Die Neutralisationsprodukte einiger Chemikalien können sogar mit der überschüssigen Kondensationsflüssigkeit, die sich im Wärmeträger 22 bildet, über den Kondensatablauf 18 in die Kanalisation abgeleitet werden, da sie umweltverträglich sind. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist der Kondensatablauf 18 mit dem Steigrohr 27 verbunden.
  • Die notwendigen Chemikalien können der Flüssigkeit 22 in flüssiger Form zugesetzt werden, oder in Form eines granulatförmigen Absorptions- und Neutralisationsmittels 23, wie es in FIG. 2 dargestellt ist. Um eine einfachere Wartung und bessere Kontrolle zu erreichen, ist es jedoch sinnvoll, die verwendeten Neutralisationschemikalien, z.B. als gepreßte oder gesinterte Patrone 16 durch eine Öffnung im Behälter 1 mit der Flüssigkeit 22 in Kontakt zu bringen. Der Verbrauch der Chemikalien läßt sich dann durch optische Kontrolle oder automatisch erfassen, und eine Wartungsmeldung kann dann durch eine Steuerung im Bedien- und Anzeigepult 15 erfolgen. Die Realisierung einer derartigen Überwachung kann von einem Fachmann aufgrund seiner Fachkenntnisse ohne weiteres vorgenommen werden.
  • Selbst wenn durch gesetzliche Bestimmungen in Zukunft die Rückstandsprodukte als Sondermüll eingestuft werden sollten, besteht der hoch einzuschätzende Vorteil, daß keine Verschmutzung der Umwelt durch in die Atmosphäre geleitete Schadstoffe entsteht, sondern daß eine kontrollierte Entsorgung der Rückstandsprodukte erfolgen kann.
  • Zu den Rückstandsprodukten zählen unter anderem auch Ruß-, Staub- und sonstige Partikel sowie unverbrannte Ölbestandteile (bei Ölfeuerung). Auch diese werden in der Wärmeträgerflüssigkeit 22 zurückgehalten. Ihre Beseitigung kann ebenfalls in größeren Wartungsintervallen, z.B. jährlich, mit der Entsorgung erfolgen. Vorzugsweise ist eine Filterpatrone 17 im Behälter 1 zwischen dem Steigrohr 27 und dem Kondensatablauf 18 eingebaut. Die Filterpatrone 17 dient zum Aussondern dieser Partikel bzw. Feststoffe, so daß sie durch Wechseln der Patrone 17 entsorgt werden können. Durch Einleiten des überschüssigen Kondensats durch die Filterpatrone 17 können somit keine festen Abfallstoffe in die Kanalisation gelangen.
  • Die Verbrennungsabgase, die sich im Behälter 1 oberhalb der Warmeträgerflüssigkeit 22 sammeln, sind weitgehend gereinigt und werden nun entweder direkt oder über einen Wärmetauscher 11 durch das Abgasrohr 12 in die Atmosphäre geleitet. Selbstverständlich ist der Behälter 1 allseitig dicht abgeschlossen, so daß das gesamte Abgas in das Abgasrohr 12 gezwungen wird. Der Abgaswärmetauscher 11 ist vorzugsweise als ein an sich bekannter Luft-Luft-Kreuzstromwärmetauscher ausgelegt und gibt die Restwärme der Abgase 20 an die angesaugte Verbrennungszuluft ab. Die Temperatur der Abgase im Abgasrohr 12 liegt somit nur wenig höher als die der Umgebung. Hierdurch ist es möglich, auch für das Abgasrohr 12 z.B. ein Kunststoffrohr zu verwenden.
  • Da die Abgase bei weiterer Abkühlung an kalten Teilen des Abgasrohres 12 geringfügig auskondensieren können, sollte eine Rückführung des Kondensats zum Behälter 1 vorgesehen sein. Bei konventionellen Heizanlagen würde die Kondensatbildung in Verbindung mit den darin enthaltenen Schadstoffen eine Versottung üblicher Kaminanlagen bewirken. Bei dem hier beschriebenen Heizkessel fallen jedoch durch die geringe Temperaturdifferenz kaum Kondensate an, und wegen des gegen Null gehenden Schadstoffgehalts ist eine Versottung von Kaminen nicht zu erwarten.
  • Alternativ kann der Wärmetauscher 11 im Abgasstrom als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgelegt sein, der Brauch- oder Schwimmbadwasser erwärmt. Der Wärmetauscher 11 kann auch zum Erwärmen des Rücklaufes 10 des Heizungskreislaufes eingesetzt werden.
  • Alle zum Herstellen des Heizkessels notwendigen Bauteile und Materialien, einschließlich der Chemikalien, sind im Handel erhältlich. Bei den Füllkörpern 26 kann es sich um übliche Füllkörper aus Metall und/oder Kunststoff handeln, wie sie bei chemischen Prozessen eingesetzt werden. Die Brennerverkleidung 13, in die das Bedien- und Anzeigepult 15 integriert ist, kann ebenfalls aus Kunststoff hergestellt sein.
  • Selbstverständlich ist der Brenner 14 mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffzufuhrleitung verbunden. Im Kunststoffbehälter 1 sind an geeigneten Stellen gas- und flüssigkeitsdicht verschließbare (nicht gezeigte) Öffnungen vorgesehen, über die der Heizkessel gewartet und entsorgt werden kann. Zum gas- und flüssigkeitsdichten Verschließen des Behälters können an sich bekannte Schraubverbindungen verwendet werden.
  • Abschließend sollen noch einige Fertigungsverfahren zur Herstellung der Kunststoffteile des Heizkessels, insbesondere des Behälters und der Wärmetauscher erläutert werden:
    • 1. Rotationssintern:
  • Ein Kunststoffpulver wird in eine dem Behälter 1 entsprechende Hohlform eingegeben, die sich in einer Taumelbewegung um zwei Achsen dreht. Die Form wird in einem Ofen auf etwa 250°C aufgeheizt, wobei das Kunststoffpulver schmilzt. Die Wandstärke der auf diese Weise ausgebildeten Außenwand 2 des Behälters 1 wird dabei durch die Menge des Pulvers bestimmt. In einem zweiten Aufheizvorgang unter Zugabe von weiterem Kunststoffpulver und Treibmittel wird die innenliegende Isolierung 3 aufgeschäumt. Die Isolierstoffstärke der Isolierung 3 wird durch die Menge des Kunststoffpulvers und des Treibmittels bestimmt.
  • In einem zweiten Arbeitsschritt wird ein zweiter kleinerer Behälter (Wärmetauscherwand des Doppelmantelwärmetauschers 6) angefertigt, der dann in den ersten Behälter 1 eingebracht wird. Eine Abdichtung zwischen Innen- und Außenbehälter kann durch Verschmelzen oder Verkleben erfolgen. Sollte für den Behälter 1 ein abnehmbarer Deckel erforderlich sein, kann er in einem dieser Arbeitsschritte mit angefertigt werden.
    • 2. Spritzgießverfahren 3. Blasverfahren 4. Tiefziehen 5. PU-Integralschaum-Verfahren 6. Faserkunststofflaminate
  • Die in 2. bis 6. genannten Verfahren bilden weitere Möglichkeiten Behälter, Isolierung, Doppelmantel und sonstige Wärmetauscher herzustellen. Diese Verfahren sind an sich bekannt.
  • Als Werkstoffe können handelsübliche PE (Polyethylen) wie es z.B. die Firmen Neste, General Electric Plastic, Hoechst und viele andere liefern oder faserverstärkte Kunststoffe wie z.B. GFK, das von vielen Herstellern angeboten und geliefert wird, verwendet werden.
  • Im Tiefziehverfahren kann z.B. aufgeschäumte Plattenware wie z.B. FOREX oder KÖMACEC (Fa. Kömmerling) verwendet werden, um Außenmantel und Isolierung in einem Arbeitsgang zu fertigen. PU (Polyurethane) liefern beispielsweise die Firmen Bayer und BASF. Hieraus können ebenfalls Außenmantel und Isolierung gefertigt werden.
  • Auch andere Kunststoffe, die thermisch und chemisch genügend stabil sind, können in den angegebenen Verfahren verarbeitet werden.

Claims (10)

  1. Heizkessel für flüssige, gasförmige und/oder staubförmige Brennstoffe, bei dem die Erwärmung über einen oder mehrere eingebeute Brenner durch direkten Kontakt der Verbrennungsabgase mit der Wärmeträgerflüsigkeit erfolgt und die Kondensationswärme der Brennstoffes ausgenutzt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Behälter (1) für die Wärmeträgerflüssigkeit (22) aus Kunststoff und die Wandung (24) der Brennraumes (4) aus einem gegen die auftretenden Temperaturen und die Säurebildung in der Wärmeträgerflüssigkeit (22) resistenten Material bestehen, daß in der Wärmeträgerflüssigkeit (22) zur Verteilung der unterhalb des Brennraumes (4) austretenden Verbrennungsabgase (20) eine Vorrichtung (21) vorgesehen ist und daß der Wärmeträgerflüssigkeit (22) ein Mittel zur Neutralisation der den Verbrennungsabgasen entzogenen Schadstoffe beigegeben wird.
  2. Heizkessel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich im Behälter (1) wenigstens ein aus Kunststoff bestehender Wärmetauscher (6, 7) befindet.
  3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Wärmetauscher (6) als Doppelmantel des Behälters (1) ausgeführt ist.
  4. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Abgasrohr (12) aus Kunststoff ist.
  5. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verteilung der Abgasbläschen (20) in der Wärmeträgerflüssigkeit (22) durch ein feinmaschiges Sieb (21) bewirkt wird, das fest angebracht oder mechanisch bewegbar ist.
  6. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Füllkörper (26) im Behälter (1) vorgesehen sind.
  7. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Absorptions- und Neutralisationschemikalie in Form einer Patrone (16) in die Wärmeträgerflüssigkeit (22) eingebracht wird.
  8. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Filterpatrone (17) feste Schad- oder Schmutzstoffe aus der Wärmeträgerflüssigkeit (22) aussondert.
  9. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich eine thermische Isolierung (3) auf der Innenseite der Außenwand (2) des Behälters (1) befindet.
  10. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Wärmetauscher (11) im Abgasstrom die Restwärme nutzbar macht.
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