WO1990012259A1 - Heizkessel aus kunststoff mit integrierter abgasreinigung - Google Patents

Heizkessel aus kunststoff mit integrierter abgasreinigung Download PDF

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WO1990012259A1
WO1990012259A1 PCT/EP1990/000533 EP9000533W WO9012259A1 WO 1990012259 A1 WO1990012259 A1 WO 1990012259A1 EP 9000533 W EP9000533 W EP 9000533W WO 9012259 A1 WO9012259 A1 WO 9012259A1
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heat
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heat transfer
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PCT/EP1990/000533
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Lothar Herold
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Herwi-Solar-Gmbh Forschung Und Entwicklung
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    • 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

  • Boiler made of plastic with integrated exhaust gas cleaning
  • 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 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, optionally with domestic water heating.
  • an application also makes sense in industrial areas.
  • Characteristics of the known prior art 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 comprise the withstand high combustion temperatures.
  • the heat is transferred by contact of the heat carrier with the walls of the combustion chamber, which are flushed 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.
  • Heating devices are known in which the flue gases are passed through a heat transfer fluid and thus the heat of condensation is used.
  • solutions are known which are made of pollutants Neutralize condensation products, as is known for example from DE-OS 06 028, or reduce the pollutant content of the combustion exhaust gases.
  • the result of the poor heat transfer is a high exhaust gas temperature and thus a poor efficiency.
  • the high flue gas temperature has so far been deliberately maintained in order to avoid falling below the dew point of the flue gases and thus destroying the boiler and sooting the conventional flue pipes, or expensive materials that were insensitive to the condensation products were used.
  • the combustion fumes came into the atmosphere without purification and distributed mainly sulfur oxide, carbon onoxide, 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 being in direct contact with the heat transfer fluid. be brought.
  • the neutralization of the resulting condensation products is carried out in a very complex manner and thus leads to high production costs or is not provided at all.
  • the condensation of the combustion exhaust gases results in large amounts of harmful, acidic condensate, operation of such a boiler without neutralization or disposal of the condensate is not possible for reasons of environmental protection.
  • 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 invention is based on the object of realizing a boiler which largely reduces, neutralizes and absorbs the pollutant content of the combustion exhaust gases by utilizing the heat of condensation and which moreover permits cost-effective production, 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 thermal shielding of the combustion chamber by means of a heat carrier fluid permits the use of plastic as material for the container of the boiler and that the heat transfer fluid at the same time has an absorption capacity. and neutralizing liquid for the pollutants extracted from the combustion exhaust gases by exhaust gas scrubbing.
  • the combustion chamber which is open at the bottom, is built into the plastic container for the absorption and heat transfer liquid so that it is completely surrounded by this liquid during operation, while it is flooded with the heat transfer liquid when the boiler is idle. It was recognized that the above measures allow an inexpensive and easily processable material, ie plastic, for almost all parts of the boiler, including the container. This use of
  • Plastic is associated with considerable technical progress, especially since there is no risk of corrosion with plastic parts.
  • the combustion exhaust gases passed through the heat transfer fluid during operation of the boiler are distributed into small bubbles and give off almost all of their heat and the pollutants when they rise. 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 affecting the environment.
  • Plastic-made boilers enables a smooth operation.
  • 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.
  • F I G. 1 shows a partially sectioned schematic representation of the exemplary embodiment according to the invention during heating operation
  • F I G. 2 shows a representation similar to FIG. 1, but during the break and with alternative and / or additional measures.
  • a heat transfer fluid 22 which is preferably water
  • the combustion chamber 4 which is surrounded by the liquid 22, can be installed in the center of the upper part of the container 1.
  • the container 1 in connection with the heat transfer fluid 22 can be made of plastic, which can hold up to 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 pose any difficulties using conventional manufacturing techniques.
  • the heat insulation 3 of the container 1 can be formed on the inside of the outer casing 2 using modern, known manufacturing processes. This is preferably done in such a way that the thermal insulation 3 is foamed on the inside 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 high resistance to chemically aggressive liquids which arise when the temperature drops 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 without the burner 14 and its ignition device being wetted.
  • the construction shown ensures that the combustion air supplied by the fan of the burner 14 can only escape downward 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 more powerful fan. A person skilled in the art can easily carry out this modification.
  • the combustion chamber 4 is emptied. 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 is formed 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 downward through the open part of the combustion chamber
  • the combustion chamber wall 24 is made of a material which 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 causes the entire combustion chamber 4 to be continuously cooled, a material which can only tolerate low temperatures can also be used with a larger cross-section of the combustion chamber without direct contact with the flame.
  • the construction of the combustion chamber 4 is designed by suitable constructional 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. no high costs arise even when stainless steel is used.
  • the combustion exhaust gases 20 exiting below the combustion chamber 4 during burner operation are exhausted 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 process 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 liquid 22, the heat transfer is significantly better than in standing or only moderately agitated liquids. Plastic offers the advantage of being free of corrosion, free design of the shape and inexpensive to manufacture.
  • the heat exchanger 7 can be designed such that the exhaust gas bubbles 20 come into intimate contact with the exchanger walls and a high exchanger performance is thus achieved.
  • a preferred possibility is the design as a double-jacket heat exchanger 6 in the container 1. This preferably heats domestic water.
  • fillers 26 can additionally 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 increase the reaction surface area.
  • 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.
  • it makes sense to pass the neutralization chemicals used for example as a pressed or sintered cartridge 16, through an opening 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 carried out by a control in the control and display panel 15.
  • Such a monitoring can easily be carried out by a specialist on the basis of his specialist knowledge.
  • Residue products also include soot, dust and other particles as well as unburned oil components (for 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 out 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 materials 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 2.
  • 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 a plastic pipe for the exhaust pipe 12, for example.
  • the heat exchanger 11 in the exhaust gas stream can be designed as an air-water heat exchanger that heats water for use or swimming pool.
  • 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, into which the control and display panel 15 is integrated, can also be made of plastic.
  • the burner 14 is of course connected to a fuel supply line (not shown).
  • gas-tight and liquid-tight closable openings are provided at suitable points, through which the boiler can be serviced and disposed of.
  • Known screw connections which are known per se can be used for the gas-tight and liquid-tight sealing of the container.
  • a plastic powder is fed into a container 1 entspre ⁇ sponding Hohlf ⁇ rm, the supply in a Taumelbewe ⁇ rotates about two axes.
  • 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 insulating material thickness of the insulation 3 is determined by the amount of the plastic powder and the blowing agent.
  • a second smaller container heat exchanger wall of the double jacket heat exchanger 6
  • the inner and outer containers 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. 2. Injection molding process
  • 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 produced from this.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel, bei dem durch direkten Kontakt der Verbrennungsabgase (20) eines Brennstoffes eine kombinierte Absorptions- und Wärmeträgerflüssigkeit (22) erhitzt wird. Diese Flüssigkeit (22) bewirkt gleichzeitig eine Abgasreinigung, thermische Abschirmung des Brennraumes (4) vom Behälter (1) des Heizkessels und Gewinnung der Kondensationswärme des Brennstoffes. Bei einer solchen Ausbildung des Heizkessels ist es möglich, bei hohem Wirkungsgrad und hoher Umweltfreundlichkeit den Behälter (1) der Wärmeträgerflüssigkeit (22) preisgünstig aus Kunststoff herzustellen.

Description

Heizkessel aus Kunststoff mit integrierter Abgasreinigung
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel für flüssige, gasförmige und/oder staubfδrmige 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, gegebe¬ nenfalls mit Brauchwassererwärmung. Aber auch in industriel len Bereichen ist eine Anwendung sinnvoll.
Charakteristik des bekannten Stand der Technik Heizkessel für Heizzwecke erwärmen üblicherweise einen gasförmigen oder flüssigen Wärmeträger durch Verbren¬ nung von flüssigen, festen oder gasförmigen Brennstoffen in einem Brennraum, der aus hochwärmebeständigen Materia¬ lien, wie Stahl-, Guß- oder Steinwänden besteht, die die hohen Verbrennungstemperaturen aushalten. Die Wärme wird durch Kontakt des Wärmeträgers mit den Wänden des Brenn¬ raums 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 abwei¬ chenden Lösungen. So sind HeizVorrichtungen bekannt, bei denen die Rauchgase durch eine Wärmeträgerflüssigkeit ge¬ leitet werden und somit die Kondensationswärme genutzt wird. Weiterhin sind Lösungen bekannt, die Schadstoffe aus Kondensationsprodukten neutralisieren, wie es beispiels¬ weise aus der DE-OS 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 gewährlei¬ sten. Stahl- und Gußeisenwerkstoffe, die üblicherweise angewandt werden, müssen in energie- und zeitaufwendigen Arbeitsschritten zu Brennkammern und Kesselgehäusen zu- sammengebaut werden, wodurch hohe Gestehungskosten ver¬ ursacht*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 be¬ wußt 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, Kohlen onoxid, Kohlendioxid, Stickoxid und Ruß.
Neuere Heizkessel nutzen nun auch die Kondensations¬ wärme, um den Wirkungsgrad zu steigern, indem zusätzliche Wärmetauscher die Abgase unter den Taupunkt abkühlen oder indem die Abgase in direkten Kontakt zur Wärmeträgerflüs- sigkeit gebracht werden. Die Neutralisierung der dabei entstehenden Kondensationsprodukte wird, wie es z.B. in der DE-OS 3 06 028 ausgeführt ist, sehr aufwendig be¬ trieben und führt dadurch zu hohen Herstellungskosten oder ist überhaupt nicht vorgesehen. Da jedoch durch die Kondensation der Verbrennungsabgase hohe Mengen an schäd¬ lichem, säurehaltigem Kondensat anfallen, ist ein Betrieb eines solchen Heizkessels ohne Neutralisation oder Ent¬ sorgung des Kondensats aus Gründen des Umweltschutzes nicht möglich.
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 preisgün¬ stig herzustellen ist.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Ausgehend von den oben dargelegten Mängeln der be- kannten technischen Lösungen liegt der Erfindung die Auf¬ gabe 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 Herstellimg erlaubt, montagefreundlich ist, ein niedriges Gewicht hat und durch Beseitigung der Korrosionsgefahr langlebig ist.
Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Heizkessel der ein- gangs beschriebenen Art dadurch aus, daß die thermische Ab¬ schirmung des Brennraumes durch eine Wärme rägerflüssig¬ keit die Verwendung von Kunststoff als Material für den Behälter des Heizkessels gestattet und daß die Wärmeträ¬ gerflüssigkeit gleichzeitig eine Absorptions- und Neutra- lisierungsflüssigkeit für die den Verbrennungsabgasen durch Abgaswäsche entzogenen Schadstoffen darstellt. Bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel ist der nach unten offene Brennraum so in den aus Kunststoff bestehen¬ den Behälter der Absorptions- und ärmeträgerflüssigkeit 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 preisgün¬ stiges und leicht verarbeitbares Material, also Kunst¬ stoff, für fast alle Teile des Heizkessels gestatten, einschließlich des Behälters. Diese Verwendung von
Kunststoff ist mit einem beachtlichen technischen Fort¬ schritt verbunden, zumal bei Kunststoffteilen keine Kor¬ rosionsgefahr besteht.
Die beim Betrieb des Heizkessels durch die Wärmeträ¬ gerflüssigkeit 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 Kunst- stoffbehälter der Wärmeträgerflüssigkeit gesammelt und chemisch neutralisiert, wonach sie kontrolliert ohne Be¬ einträchtigung der Umwelt entsorgt werden können.
Analysen haben in den letzten Jahren gezeigt, daß gerade im häuslichen Anwendungsbereich eingesetzte her¬ kömmliche Heizkessel eine starke globale Umweltschädigung verursachen. Diese Schäden können durch einen energiespa¬ renden und schadstofffreien Heizkessel erheblich redu- ziwert werden. Das Hauptanwendungsgebiet liegt daher im Bereich häuslicher Heizungen, zumal der weitgehend aus
Kunststoff hergestellte Heizkessel eine gleitende Betriebs¬ weise ermöglicht.
Die Verwendung von Kunststoffbehältern im Heizkessel- bau wurde bisher ausgeschlossen, da die hohe Flammtempera¬ tur und der niedrige Schmelzpunkt der Kunststoffe als un- vereinbar galten. Durch die thermische Abschirmung über die Wärmeträgerflüssigkeit und die Korrosionsbe¬ ständigkeit des Kunststoffes lassen sich erstmals auf¬ grund der Erfindung die aufgeführten Vorteile preisgün- stig realisieren.
Eine Verbreitung des umweltfreundlichen Heizkessels nach der Erfindung wird durch die geringen Herstellungs¬ kosten und die hohe Wertbeständigkeit aufgrund der Verwen- düng von Kunststoffmaterialien sowie durch einfache In¬ stallation und Wartung erleichtert.
Ausführungsbeispiel
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen im einzelnen be¬ schrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Aus¬ führungsbeispiel beschränkt. Es zeigt:
F I G . 1 eine teilweise geschnittene Prinzipdar- Stellung des erfindungs emäßen Ausführungsbeispiels wäh¬ rend des Heizbetriebs,
F I G . 2 eine ähnliche Darstellung wie FIG. 1, je¬ doch 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 Doppelmantelwärme¬ tauscher, 7 Heizkreiswärmetauscher, 8 Heizkreisumwälz¬ pumpe, 9 Heizkreisvorlauf, 10 Heizkreisrücklauf, 11 Kreuz¬ stromwärmetauscher, 12 Abgasrohr, 13 Brennerverkleidung, 13 Brenner (vorzugsweise Gas oder öl), 15 Bedien- und Anzeigepult, 16 Absorptions- und Neutralisationsmittel¬ patrone, 17 Filterpatrone, 18 Kondensatablauf, 19 Ober¬ fläche einer Absorptions- und Wärmeträgerflüssigkeit im Betriebsfall, 20 Verbrennungsabgasbläschen, 21 Abgas¬ verteilersieb, 22 Absorptions- und Wärmeträgerflüssig¬ keit, 23 granulatförmiges Absorptions- und Neutralisa¬ tionsmittel, 24 Brennraumwandung, 25 Oberfläche der Ab- sorptions- und Wärmeträgerflüssigkeit während der Be¬ triebspause, 26 Füllkörper und 27 Steigrohr.
Im betriebsfertigen Zustand des dargestellten Heiz¬ kessels befindet sich im Inneren des drucklosen Behäl- ters 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 stattfinden¬ de Verbrennung heizt, wie später beschrieben, die Wärme- trägerflüssigkeit 22 auf. Da Wasser bei Normaldruck nicht mehr als 100°C erreichen kann und in Heizungsanlagen üb¬ licherweise keine höheren Temperaturen als etwa 90°c benötigt werden, läßt sich der in Verbindung mit der Wärmeträgerflüssigkeit 22 stehende Behälter 1 aus Kunst- stoff fertigen, der bis zu Temperaturen von 90 bis 100°C form- und wärmebeständig sein muß. Kunststoff läßt sich leicht verarbeiten, ist billiger als herkömmliche Heiz¬ kesselbaumaterialien und weist zahlreiche weitere vorteil¬ hafte Eigenschaften auf. Vorzugsweise wird vernetztes Polyethylen verwendet. Die Herstellung von Kunststoffbau¬ teilen mit beliebiger Formgestaltung ist dem Fachmann be¬ kannt und bietet unter Anwendung herkömmlicher Fertigungs¬ techniken keinerlei Schwierigkeiten.
So kann z.B mit modernen, an sich bekannten Ferti¬ gungsverfahren die Wärmeisolierung 3 des Behälters 1 auf der Innenseite des Außenmantels 2 ausgebildet werden. Vorzugsweise geschieht dies derart, daß die Wärmeisolie¬ rung 3 innen in beliebiger Stärke aufgeschäumt wird, so daß der fertig eingefärbte und strukturierte Außenman¬ tel 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 sepa¬ rat an der Außenseite eines Stahl- oder Gußeisenbehälters angebracht.
Weiterhin bieten Kunststoffe eine hohe Beständigkeit gegen chemisch aggressive Flüssigkeiten, die beim Unter¬ schreiten 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 Behäl¬ ters 1 so angebracht, daß der Brenner 14 von außen zugäng¬ lich ist. Nach unten ist der Brennraum 4 offen, so daß er im Ruhe- oder Bereitschaftszustand von der Wärmeträger¬ flüssigkeit 22 größtenteils ausgefüllt wird, ohne daß je¬ doch der Brenner 14 und seine Zündvorrichtung benetzt werden. Die aufgezeigte Konstruktion stell sicher, daß die vom Gebläse des Brenners 14 gelieferte Verbrennungsluf nur nach unten aus dem Brennraum 4, also durch die Wärme¬ trägerflüssigkeit 22, entweichen kann.
Bei dem Brenner 14 kann es sich um eine herkömmliche, an sich bekannte Brennerbauart handeln, jedoch vorzugsweis mit einem stärkeren Gebläse. Ein Fachmann kann diese Modi¬ fikation ohne weiteres durchführen.
Vor der Inbetriebnahme des Brenners 14 wird der Brenn raum 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 bil¬ det sich eine Druckdifferenz aus, die die Wärmeträgerflüs¬ sigkeit 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 vergleichen¬ den Darstellung zwischen FIG. 1 und 2 hervorgeht. Die Flamme 5 brennt unter Zufuhr von Brennstoff und der gelie¬ ferten 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 Wärmeträger¬ flüssigkeit 22.
Die Brennraumwandung 24 ist aus einem Material gefer- tigt, das gegen die im Inneren auftretenden Temperaturen und die Säurebildung in der Wärmeträgerflüssigkeit 22 re- sistent ist, wie z.B. Metall, Keramik, Glas oder auch Kunststoffe. Da die an der Wandung 24 hochgestiegene Flüssigkeit 22 eine ständige Kühlung des gesamten Brennrau- mes 4 bewirkt, kann bei größerem Brennraumquerschnitt ohne direkte Flammberührung auch ein Material verwendet werden, das nur geringe Temperaturen verträgt. Durch ge¬ eignete konstruktive Maßnahmen ist die Befestigung des Brennraumes 4 so ausgelegt, daß das Kunststoffmaterial des Behälters 1 nicht über seine maximale Temperaturbeständig¬ keit hinaus belastet wird. Auf jeden Fall kann der Brenn¬ raum 4 kleingehalten werden, so daß z.B. auch bei Verwen¬ dung von Edelstahl keine hohen Kosten entstehen.
Die während des Brennerbetriebs unterhalb des Brenn¬ raumes 4 austretenden Verbrennungsabgase 20 werden durch eine Vorrichtung verteilt, die zu möglichst kleinen Gas¬ blasen 20 führt. Im einfachsten Fall ist dies ein fein¬ maschiges Gitter oder Sieb 21, durch das die Abgase ge¬ drückt werden. Zur Verbesserung des Effekts kann dieses Gitter oder Sieb 21 zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, wodurch eine starke Verwirbelung der feinen Gas¬ bläschen 20 erreicht wird.
Die nun langsam hochwirbelnden Bläschen 20 bilden ein turbulent schäumendes Bad, in dem sich die Wärme¬ tauscher 6, 7 für Heiz- und Brauchwasserkreisläufe be¬ finden. Diese Wärmetauscher 6, 7 sind als Rohr-, Rippen¬ rohr-, Platten- oder sonstige Wärmetauscher ausgelegt. Solche Konstruktionen sind dem Fachmann bekannt. Als Materialien werden Edelstahl, Kupfer oder sonstige korro¬ sionsbeständige Stoffe verwendet. Vorzugsweise sind je¬ doch nach der Erfindung die Wärmetauscher 6, 7 aus Kunst¬ stoff gefertigt. Durch die turbulente Bewegung in der Wärmeträgerflüssigkeit 22 ist der Wärmeübergang bedeutend besser als in stehenden oder nur mäßig bewegten Flüssig¬ keiten. Kunststoff bietet den Vorteil der Korrosionsfrei¬ heit, der freien Gestaltung der Form und der kostengünsti¬ gen Herstellung. Der Wärmetauscher 7 kann so ausgelegt sein, daß die Abgasbläschen 20 einen innigen Kontakt zu den Tauscherwandungen bekommen und damit eine hohe Tau¬ scherleistung erreicht wird. Eine bevorzugte Möglichkeit ist die Ausbildung als Doppelmantelwärmetauscher 6 im Behälter 1. Hiermit wird vorzugsweise Brauchwasser er¬ wärmt.
Wie in FIG. 2 dargestellt, können in den Behälter 1 zusätzlich Füllkörper 26 eingebracht werden, die die Bewe¬ gung der Gasbläschen 20 behindern und somit eine länge¬ re Verweilzeit in der Flüssigkeit 22 bewirken und gleich- zeitig 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 Wärmeträgerflüssigkeit 22 ab. Dies geschieht über chemische Reaktionen. Zu diesem Zweck werden der Wärme- trägerflüssigkeit 22 Chemikalien beigemischt, beispiels¬ weise 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 Neutra- lisationsprodukt, 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 Neutralisations¬ produkte einiger Chemikalien können sogar mit der über¬ schüssigen Kondensationsflüssigkeit, die sich im Wärme- träger 22 bildet, über den Kondensatablauf 18 in die Kanalisation abgeleitet werden, da sie umweltverträglich sind. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist der Kondensat¬ ablauf 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 brin¬ gen. 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 der¬ artigen Überwachung kann von einem Fachmann aufgrund sei¬ ner 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 kontrol¬ lierte Entsorgung der Rückstandsprodukte erfolgen kann.
Zu den Rückstandsprodukten zählen unter anderem auch Ruß-, Staub- und sonstige Partikel sowie unverbrannte Öl- bestandteile (bei Ölfeuerung). Auch diese werden in der Wärmeträgerflüssigkeit 22 zurückgehalten. Ihre Beseitigung kann ebenfalls in größeren Wartungsintervallen, z.B. jähr¬ lich, 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 kön¬ nen. Durch Einleiten des überschüssigen Kondensats durch die Filterpatrone 17 können somit keine festen Abfall¬ stoffe in die Kanalisation gelangen.
Die Verbrennungsabgase, die sich im Behälter 1 ober¬ halb der Wärmeträgerflüssigkeit 22 sammeln, sind weitge¬ hend gereinigt und werden nun entweder direkt oder über einen Wärmetauscher 11 durch das Abgasrohr 12 in die Atmo¬ sphäre geleitet. Selbstverständlich ist der Behälter 1 allseitig dicht abgeschlossen, so daß das gesamte Abgas in das Abgasrohr 2 gezwungen wird. Der Abgaswärmetau¬ scher 11 ist vorzugsweise als ein an sich bekannter Luft-Luft-Kreuzstromwärmetauscher ausgelegt und gibt die Restwärme der Abgase 20 an die angesaugte Verbrennungs- zuluft ab. Die Temperatur der Abgase im Abgasrohr 12 liegt somit nur wenig höher als die der Umgebung. Hier¬ durch 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 enthal- tenen Schadstoffen eine Versottung üblicher Kaminanlagen bewirken. Bei dem hier beschriebenen Heizkessel fallen jedoch durch die geringe Temperaturdifferenz kaum Kon¬ densate an, und wegen des gegen Null gehenden Schadstoff¬ gehalts 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 Heizungskreis- laufes eingesetzt werden.
Alle zum Herstellen des Heizkessels notwendigen Bau¬ teile 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 wer¬ den. Die Brennerverkleidung 13, in die das Bedien- und Anzeigepult 15 integriert ist, kann ebenfalls aus Kunst¬ stoff hergestellt sein. Selbstverständlich ist der Brenner 14 mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffzufuhrleitung ver¬ bunden. Im Kunststoffbehälter 1 sind an geeigneten Stel¬ len gas- und flüssigkeitsdicht verschließbare (nicht ge- zeigte) Öffnungen vorgesehen, über die der Heizkessel ge¬ wartet und entsorgt werden kann. Zum gas- und flüssig¬ keitsdichten Verschließen des Behälters können an sich bekannte SchraubVerbindungen verwendet werden.
Abschließend sollen noch einige Fertigungsverfahren zur Herstellung der Kunststoffteile des Heizkessels, ins¬ besondere des Behälters und der Wärmetauscher erläutert werden:
1. Rotationssintern:
Ein Kunststoffpulver wird in eine dem Behälter 1 entspre¬ chende Hohlfσrm eingegeben, die sich in einer Taumelbewe¬ gung 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 Isolier¬ stoffstärke 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 einge¬ bracht wird. Eine Abdichtung zwischen Innen- und Außenbe¬ hälter kann durch Verschmelzen oder Verkleben erfolgen. Sollte für den Behälter 1 ein abnehmbarer Deckel erforder- lieh 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 Mög¬ lichkeiten 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 ange¬ boten und geliefert wird, verwendet werden.
Im Tiefziehverfahren kann z.B. aufgeschäumte Plattenware wie z.B. FOREX oder KÖMACEC (Fa. Kömmerling) verwendet wer- den, um Außenmantel und Isolierung in einem Arbeitsgang zu fertigen. PU (Polyurethane) liefern beispielsweise die Firmen Bayer und BASF. Hieraus können ebenfalls Außenman¬ tel und Isolierung gefertigt werden.
Auch andere Kunststoffe, die thermisch und chemisch genü¬ gend stabil sind, können in den angegebenen Verfahren verarbeitet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Heizkessel für flüssige, gasförmige und/oder staub- förmige Brennstoffe, bei dem die Erwärmung über einen oder mehrere eingebaute Brenner durch direkten Kontakt der Verbrennungsabgase mit der Wärmeträgerflüssigkeit er- folgt und die Kondensationswärme des Brennstoffes ausge¬ nutzt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die thermische Abschirmung des Brennraumes (4) durch die Wärmeträgerflüssigkeit (2) die Verwendung von Kunst- Stoff als Material für den Behälter (1) des Heizkessels ermöglicht und daß die Wärmeträgerflüssigkeit (22) gleich¬ zeitig eine Absorptions- und Neutralisierungsflüssigkeit für die den Verbrennungsabgasen durch Abgaswäsche entzoge¬ nen Schadstoffe darstellt.
2. Heizkessel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich im Behälter ( ) wenigstens ein aus Kunststoff bestehender Wärmetauscher (6, 7) befindet.
3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Wärmetauscher (6) als Doppelmantel des Behälters (1) ausgeführt ist.
4. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Abgasrohr (12) aus Kunststoff ist.
5. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verteilung der Abgasbläschen (20) in der Wärme¬ trägerflüssigkeit (22) durch ein feinmaschiges Sieb (21) bewirkt wird, das fest angebracht oder mechanisch beweg- bar ist.
6. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Füllkörper (26) im Behälter (1) vorgesehen sind.
7. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Absorptions- und Neutralisationschemikalie in Form einer Patrone (16) in die Färmeträgerflüssigkeit (22) eingebracht wird.
8. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Filterpatrone (17) feste Schad- oder Schmutz¬ stoffe aus der Wärmeträgerflüssigkeit (22) aussondert.
9. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich eine thermische Isolierung (3) auf der Innenseite der Außenwand (2) des Behälters (1) befindet.
10. Heizkessel nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Färmetauscher (11) im Abgasstrom die Restwärme nutzbar macht.
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