DE20109115U1

DE20109115U1 - Condensing boiler

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Publication number: DE20109115U1
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Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2011-06-01

Description

BrennwertkesselCondensing boiler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennwertkessel fur Gebäudeheizung und Warmwasseraufbereitung, der Modular als Kesselbehälter und Kondensations-kesseleinsatz aufgebaut ist und in einem Boiler oder Pufferspeicher eingebaut werden kann. Es können darin flüssige, gasförmige oder feste Brennstoffe verfeuert werden.The invention relates to a condensing boiler for building heating and hot water preparation, which is constructed modularly as a boiler vessel and condensing boiler insert and can be installed in a boiler or buffer tank. Liquid, gaseous or solid fuels can be burned in it.

Kondensationskessel sind meist auf der Basis eines traditionellen Gliederheiz-kessels aufgebaut. Sie bestehen z.B. aus einem atmosphärischen Gasbrenner mit einem im Aufstrom der Abgase angeordneten Wärmetauscherblock. An diesen konvententionellen Kesselteil schließt sich ein Sekundärwärmetauscher als eigentlicher Kondensationsteil an, dem auch das im Heizsystem abgekühlte Rücklaufwasser (RL) zugeführt wird. Der Kondensationswärmetauscher wird so vom Heizwasser durchflossen, dass dieses die Abgaswärme aufnehmen kann. Das Kondensat kann ungehindert nach unten abfließen.Condensation boilers are usually based on a traditional sectional heating boiler. They consist, for example, of an atmospheric gas burner with a heat exchanger block arranged in the upstream flow of the exhaust gases. This conventional boiler section is followed by a secondary heat exchanger as the actual condensation section, to which the return water (RL) cooled in the heating system is also fed. The heating water flows through the condensation heat exchanger in such a way that it can absorb the exhaust heat. The condensate can flow down unhindered.

Wegen des geringen Auftriebs der stark abgekühlten Abgase und des gegenüber einem konventionellen Kessel erhöhten Strömungswiderstandes wird zur sicheren Abführung der Abgase meistens ein Ventilator benötigt.Due to the low buoyancy of the strongly cooled exhaust gases and the increased flow resistance compared to a conventional boiler, a fan is usually required to safely remove the exhaust gases.

Bei Kesselkonstruktionen mit Gebläsebrenner oder mit einem atmosphärischen Vormischbrenner mit Verbrennungsluftgebläse entfällt der Ventilator, weil der dem Brenner zugeordnete Ventilator den Abgasen genügend Schub für den Abtransport durch den Kamin gibt. Dies ist auch z.B. bei Pulsbrennern der Fall. Bei den Kesseln der letztgenannten Brennertype ist der Brenner häufig oben im Kessel als Sturzbrenner angeordnet. Primär- und Sekundärwärmetauscher sind dann untereinander angeordnet oder sogar hydraulisch integriert.In boiler designs with a forced draught burner or with an atmospheric premix burner with combustion air fan, the fan is not required because the fan assigned to the burner gives the exhaust gases enough thrust to be transported away through the chimney. This is also the case with pulse burners, for example. In boilers of the latter type, the burner is often arranged at the top of the boiler as a downturn burner. The primary and secondary heat exchangers are then arranged one below the other or even hydraulically integrated.

Die Abführung des Kondensats in die Kanalisation erfolgt über einen Syphon, damit keine Nebenluft vom Ventilator angesaugt werden kann und keine Geruchsbelästigung auftritt.The condensate is drained into the sewer system via a siphon so that no additional air can be sucked in by the fan and no unpleasant smells occur.

Neben der Raumheizung ist in den meisten Haushalten auch eine Warmwasser-aufbereitung nötig. Wegen der schnellen Verfügbarkeit auch einer größeren Wassermenge, z.B. zum Füllen einer Badewanne ist der Kessel meist mit einem Warmwasserboiler verbunden. Dabei hat der Boiler die wesentlich größeren Abmessungen.In addition to room heating, most households also need hot water preparation. Because of the quick availability of large amounts of water, e.g. to fill a bathtub, the boiler is usually connected to a hot water heater. The boiler has much larger dimensions.

Immer mehr Haushalte wollen auch die Wärme eines Kachelofens, einer Biomassefeuerung
oder die Sonnenenergie im Zentralheizungssystem nutzen. Dies ist nur über einen
großvolumigen Pufferspeicher möglich.More and more households also want the warmth of a tiled stove, a biomass furnace
or use solar energy in the central heating system. This is only possible via a
large-volume buffer storage is possible.

Eine herkömmliche Anlage besteht dann aus Kessel, Warmwasserboiler und Pufferspeicher, drei großen, getrennten Geräten. Große Kosten, großer Platzbedarf und große Oberfläche über die Wärme verloren geht sind die Nachteile dieser herkömmlichen Anlage. Wegen der großen Oberflächen und der damit verbundenen Wärmeverluste sinkt auch der Wirkungsgrad der Gesamtanlage.A conventional system consists of a boiler, hot water heater and buffer tank, three large, separate devices. The disadvantages of this conventional system are high costs, large space requirements and a large surface area through which heat is lost. Due to the large surface areas and the associated heat losses, the efficiency of the entire system also decreases.

Es gibt auch kompakte Kessel mit Warmwassererzeugung über Wärmetauscher, die nur geringe Brauchwasserleistung haben. Wegen des geringen Wasserinhalts der Gliederkessel ergeben sich hier kurze Brennerlaufzeiten, die große Spülverluste verursachen oder hohen Steuerungsaufwand für modulierten Brennerbetrieb.There are also compact boilers with hot water generation via heat exchangers that have only a low domestic water output. Due to the low water content of the sectional boilers, this results in short burner running times, which cause large flushing losses or high control costs for modulated burner operation.

Die Brennwertkesselkonstruktionen für Öl-, Gas- und Festbrennstoff unterscheiden sich grundsätzlich voneinander und erfordern unterschiedliche Bauarten.The condensing boiler designs for oil, gas and solid fuel differ fundamentally from one another and require different designs.

Aufgabe der Erfindung ist, einen einheitlichen Kesselbehälter mit großem wasserinhalt für Öl-, Gas- und Festbrennstoff mit einem an die Brennstoffart angepassten Kondensationskesseleinsatz zu entwickeln. Bei einer zusätlzlichen Warmwasseraufbereitung soll der Kesselbehälter im Warmwasserboiler integriert sein. Bei zusätzlicher Nutzung von Kachelofenwärme und Sonnenenergie kann der Kesselbehälter oder der Warmwasserboiler in den Pufferspeicher eingebaut werden. Durch die Ineinanderschachtelung der einzelnen Geräte wird die wärmeabstrahlende Oberfläche des Gesamtsystems minimiert. Alle Geräte sind zu einer Baueinheit verbunden.The aim of the invention is to develop a uniform boiler tank with a large water content for oil, gas and solid fuels with a condensing boiler insert adapted to the type of fuel. If additional hot water preparation is required, the boiler tank should be integrated into the hot water boiler. If tiled stove heat and solar energy are also used, the boiler tank or the hot water boiler can be installed in the buffer tank. By nesting the individual devices, the heat-radiating surface of the entire system is minimized. All devices are connected to form a single structural unit.

Für geringere Warmwasserleistungen kann der Kondensationskesseleinsatz in einen Kesselbehälter mit integriertem Wärmetauscher zur Warmwasser-aufbereitung eingesetzt werden.
5 For lower hot water outputs, the condensing boiler insert can be installed in a boiler tank with an integrated heat exchanger for hot water preparation.
5

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch - wie aus den Fig. 1 bis 6 hervorgeht - dass:The invention solves the problem - as can be seen from Figs. 1 to 6 - in that:

• der Brennwertkessel zweiteilig ausgeführt ist, als Kondensationskesseleinsatz (1) bestehend aus einer Brennkammer (3) und Rauchgaskanälen (5), die auf der einen Seite mit dem Verbrennungsgas und auf der anderen Seite mit dem Kesselwasser in Kontakt sind und als Kesselmantel (2), in den der Konden-sationskesseleinsatz durch die Öffnung im Flansch (12) hineinragt. Der Kondensationskesseleinsatz ist dabei mit der Trägerplatte (11) auf dem Flansch (12) des Kesselmantels (2) befestigt.• the condensing boiler is designed in two parts, as a condensation boiler insert (1) consisting of a combustion chamber (3) and flue gas ducts (5) which are in contact with the combustion gas on one side and the boiler water on the other side, and as a boiler shell (2) into which the condensation boiler insert protrudes through the opening in the flange (12). The condensation boiler insert is attached to the flange (12) of the boiler shell (2) with the support plate (11).

· die Rauchgaskanäle (5) an der Rauchgasaustrittseite mit der Trägerplatte (11) verbunden sind. Die Trägerplatte dient zur Verbindung und Befestigung des Kondenstaionskesseleinsatzes mit dem Wasserbehälter. Die Brennkammer (3) mit der Innenwand (23) ist eintrittseitig mit der Trägerplatte (11 (siehe Fig.3) oder sie ist über die hydraulischen Verbindungskanäle (22) (siehe Fig.2) mit der Trägerplatte (11)) verbunden. Durch die einseitige Befestigung des Kondensationskesseleinsatzes ist die Wärmedehnung des Einsatzes frei möglich. Der Kondensationskesseleinsatz muß aus rost- und säurebeständigen Material gefertigt sein. Der Kesselmantel muß nicht rostbeständig sein. Es kann im selben Kesselmantel (2) wahlweise ein Einsatz mit einer optimalen Brennkammer für Gas, Öl oder eine Nachbrennkammer für in einer externen Vorbrennkammer vergaste Festbrennstoffe eingebaut werden.· the flue gas ducts (5) are connected to the carrier plate (11) on the flue gas outlet side. The carrier plate is used to connect and fasten the condensation boiler insert to the water tank. The combustion chamber (3) with the inner wall (23) is connected to the carrier plate (11) on the inlet side (see Fig.3) or it is connected to the carrier plate (11) via the hydraulic connecting ducts (22) (see Fig.2). The one-sided fastening of the condensation boiler insert allows the insert to expand freely due to thermal expansion. The condensation boiler insert must be made of rust and acid-resistant material. The boiler shell does not have to be rust-resistant. An insert with an optimal combustion chamber for gas, oil or an afterburning chamber for solid fuels gasified in an external pre-combustion chamber can be installed in the same boiler shell (2).

die Brennkammer (3) und die Rauchgaszüge (5) koaxial zueinander angeordnet sind, um die Wärmespannungen zu minimieren. Die druckbeanspruchten Wärmetauscherrohre (30) können sich dabei über Noppen oder Rippen (24) auf den zugbeanspruchten Wärmetauscherrohren (31) abstützen. Damit wird eine Ausbeulung der druckbeanspruchten Wärmetauscherrohre verhindert und die mechanische Belastung beider Rohre reduziert.the combustion chamber (3) and the flue gas ducts (5) are arranged coaxially to one another in order to minimize thermal stresses. The pressure-stressed heat exchanger tubes (30) can be supported on the tension-stressed heat exchanger tubes (31) via knobs or ribs (24). This prevents the pressure-stressed heat exchanger tubes from bulging and reduces the mechanical stress on both tubes.

• der Kesselbehälter (2) in einen Boiler (17) eingesetzt wird, um die kleinste wärmeabstrahlende Oberfläche des Systems nach außen zu erhalten. Es kann damit statt einer Elektroheizpatrone ein gasbeheizter Einsatz verwendet werden.• the boiler container (2) is inserted into a boiler (17) in order to obtain the smallest heat-radiating surface of the system to the outside. This means that a gas-heated insert can be used instead of an electric heating cartridge.

· ein eigener Boiler verwendet wird, dessen Innenmantel gleichzeitig der Kesselmantel (2) ist und der auf der Unterseite einen Flansch (13) zur Befestigung des Kondensationskesseleinsatezs (1) aufweist.· a separate boiler is used, the inner shell of which is also the boiler shell (2) and which has a flange (13) on the underside for fastening the condensation boiler insert (1).

der Boiler (17) in einen Pufferspeicher (18) eingesetzt wird.the boiler (17) is inserted into a buffer tank (18).

für geringere Warmwasserleistungen ein Wärmetauscher (25) für die Warmwassererzeugung gegenüber dem Brenner in der heißesten Zone der Verbrennungsgase und/oder im oberen Bereich des Kessels, in der heißesten Zone des Kesselwassers eingebaut wird.For lower hot water outputs, a heat exchanger (25) for hot water production is installed opposite the burner in the hottest zone of the combustion gases and/or in the upper part of the boiler, in the hottest zone of the boiler water.

bei Öl- oder Gasbrennern der Brennstoff (26) und die Verbrennungsluft (27) im Gegenstrom und Querstrom unmittelbar durch die Abgashaube (9) geführt wird und durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft eine zusätzliche Energieausbeute erzielt wird.In the case of oil or gas burners, the fuel (26) and the combustion air (27) are passed in countercurrent and crosscurrent directly through the exhaust hood (9) and an additional energy yield is achieved by preheating the combustion air.

· bei Öl- oder Gasbrennern Rippen der Wärmetauschfläche in der Abgashaube (9), die gleichzeitig Leitschaufeln (28) sind eine tangentiale Strömungskomponente in der Verbrennungsluft erzeugen und somit auch eine bessere Durchmischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft erreicht wird und annähernd stöchiometrische Verbrennung erzielt wird. Eine Siebfläche (29) ergänzt noch die Durchmischung des Brennstoffs mit der Luft.· In oil or gas burners, ribs of the heat exchange surface in the exhaust hood (9), which are also guide vanes (28), generate a tangential flow component in the combustion air and thus achieve better mixing of the fuel with the combustion air and almost stoichiometric combustion. A sieve surface (29) supplements the mixing of the fuel with the air.

Der Erfindungsgegenstand ist in den Zeichnungen Fig. 1 bis 6 dargestellt.The subject matter of the invention is shown in the drawings Fig. 1 to 6.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Kondensationskessel bestehend aus demFig. 1 shows the condensation boiler according to the invention consisting of the

Kondensationskesseleinsatz (1) der aus einem hitze- und säurebeständigen Material besteht
und bei Russanfall eine glatte Oberfläche hat, sonst zur Vergrößerung der Oberfläche gerippt
oder genoppt sein kann und den Kesselbehälter (2).Condensation boiler insert (1) made of a heat and acid resistant material
and has a smooth surface in case of soot attack, otherwise ribbed to increase the surface
or dimpled and the boiler container (2).

Der Kondensationskesseleinsatz (1) beinhaltet die Brennkammer (3) deren Form dem verwendeten Brennstoff angepasst ist, eine Umlenkhaube (4) und den Rauchgaskanal (5), der als Wärmetauscherfläche dient. Durch die Umlenkung des Abgases vom Aufstrom in den Abstrom ist bei Kesselstillstand die natürliche Zirkulation und die damit verbundene Auskühlung des Kessels unterbunden.Die Brennkammer ist vom Wassermantel vollkommen umgeben, durch diese gute akustische Dämmung sind nur kleine Brenner- und Zündgeräusche hörbar.The condensing boiler insert (1) contains the combustion chamber (3), the shape of which is adapted to the fuel used, a deflection hood (4) and the flue gas duct (5), which serves as a heat exchanger surface. By deflecting the exhaust gas from the upstream to the downstream, the natural circulation and the associated cooling of the boiler are prevented when the boiler is not in use. The combustion chamber is completely surrounded by the water jacket, and this good acoustic insulation means that only small burner and ignition noises are audible.

Wegen des Kondensatanfalls soll die Austrittsrichtung des Rauchgases aus dem Rauchgaskanal (5) nach unten sein. Als Brenner können übliche Ölbrenner (6) oder Gasbrenner (7) oder z.B. ein Holzvergaser (8) verwendet werden. Das Abgas wird über eine Abgashaube (9) ins Freie geleitet. Das Kondensat wird über den Syphon (10) entsorgt.Because of the condensate, the flue gas should exit downwards from the flue gas duct (5). Conventional oil burners (6) or gas burners (7) or, for example, a wood gasifier (8) can be used as burners. The flue gas is led outside via an exhaust hood (9). The condensate is disposed of via the siphon (10).

Der Wassermantel (14), der die Brennkammer umgibt ist hydraulisch mit dem Kessel wasserThe water jacket (14) surrounding the combustion chamber is hydraulically connected to the boiler water

(15) verbunden. Der Rauchgaskanal (5) hat eine mechanische Verbindung zur Trägerplatte (11) des Kondensationskesseleinsatzes. Die Trägerplatte (11) dient zur mechanischen Befestigung des Kondensationskesseleinsatzes (1) mit dem Flansch (12) des Kesselbehälters(15). The flue gas duct (5) has a mechanical connection to the carrier plate (11) of the condensation boiler insert. The carrier plate (11) serves to mechanically attach the condensation boiler insert (1) to the flange (12) of the boiler vessel

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Kondensationskessel mit Brennkammer (3) Rauchgaskanal (5) und Kesselwasser (15) in koaxialer Anordnung. Der große Wasserinhalt des Kessels bedingt lange Brennerlaufzeiten und große Schaltintervalle.Fig. 2 shows a section through the condensation boiler with combustion chamber (3), flue gas duct (5) and boiler water (15) in a coaxial arrangement. The large water content of the boiler requires long burner running times and long switching intervals.

Fig.3 zeigt eine Variante des Rauchgaskanals (16), der hier die Form von Registerrohren hat.Fig.3 shows a variant of the flue gas duct (16), which here has the form of register pipes.

Fig.4 zeigt die Ineinanderschachtelung von Kondensationskessel einsatz (1), Kesselbehälter (2), Warmwasserboiler (17) und Pufferspeicher (18), wobei im Pufferspeicher Solarenergie (19) und Wärmeenergie eines Kachelofens über den Wärmetauscher (20) eines eigenen Kreislaufes (21), der nur mit geringem Überdruck vorgespannt ist, gespeichert wird.Fig.4 shows the nesting of the condensation boiler insert (1), boiler tank (2), hot water boiler (17) and buffer storage (18), whereby solar energy (19) and thermal energy from a tiled stove are stored in the buffer storage via the heat exchanger (20) of a separate circuit (21), which is pre-stressed with only a slight overpressure.

In Fig.5 ist eine Variante für geringere Warmwasserleistung dargestellt. Der Wärmetauscher für die Warmwassererzeugung ist im Bereich der höchsten Brennkammer- und Kesseltemperatur gegenüber dem Brenner eingebaut. Die druckbeanspruchten Rohre (30) stützen sich über Noppen oder Rippen (24) auf den zugbeanspruchten Rohren (31)Fig.5 shows a variant for lower hot water output. The heat exchanger for hot water production is installed in the area of the highest combustion chamber and boiler temperature opposite the burner. The pressure-loaded pipes (30) are supported by knobs or ribs (24) on the tensile-loaded pipes (31).

ab.Dadurch wird die mechanische Beanspruchung in beiden Rohren vermindert und ein Ausbeulen der druckbeanspruchten Wärmetauscherflächen verhindert.This reduces the mechanical stress in both pipes and prevents bulging of the pressure-stressed heat exchanger surfaces.

Bei Gasbrennern kann wegen der runden Konstruktion durch Leitschaufeln (28) eine 5 tangentiale Strömungskomponente der Verbrennungsluft erreicht werden. Selbst bei Gleichdruckbrennern wird damit eine sehr gute Durchmischung von Brennstoff (26) und Verbrennungsluft (27) erreicht, die durch Siebflächen (29) noch gesteigert werden kann.In gas burners, a tangential flow component of the combustion air can be achieved by guide vanes (28) due to the round design. Even in constant pressure burners, this achieves very good mixing of fuel (26) and combustion air (27), which can be further increased by sieve surfaces (29).

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der der obere Bereich des Mantels der 10 Brennwertkammer direkt in die Rauchgasumleitung 4 mündet.Fig. 6 shows a further embodiment in which the upper region of the casing of the condensing chamber 10 opens directly into the flue gas bypass 4.

Claims

1. Condensing boiler for oil, gas or solid fuel, which, depending on the type of fuel, has a burner or a furnace, a combustion chamber and, downstream, a flue gas duct which is washed by boiler water and which merges into a condensation area, characterized in that the condensation boiler insert ( 1 ) has, after the combustion chamber ( 3 ), an upper deflector for the flue gases ( 4 ) with flue gas ducts ( 5 , 16 ) leading downwards, projects into the outer casing ( 2 ) and is connected to the outer casing ( 2) via the flange (12 ) with a support plate (11 ) located opposite the deflector hood ( 4 ), wherein both the combustion chamber ( 3 ) and the upper deflector ( 4 ) and the flue gas ducts ( 5 , 16 ) are washed by boiler water on all sides on their outer surface.

2. Condensing boiler according to claim (1), characterized in that the combustion chamber ( 3 ) on the inlet side of the combustion gases is connected to the insert ( 1 ) via the support plate ( 11 )

3. Condensation boiler according to claim 1, characterized in that the combustion chamber ( 3 ) is connected to the insert ( 1 ) via the hydraulic connections ( 22 ).

4. Condensing boiler according to one of claims 1 to 3, characterized in that the combustion chamber ( 3 ) and the flue gas ducts ( 5 , 16 ) are arranged coaxially to one another.

5. Condensing boiler according to one of claims 1 to 4, characterized in that the combustion elements ( 26 , 27 ) flow through the support plate ( 11 ) into the insert ( 1 ) and the exhaust gases flow out again downwards or at a downward incline through the same support plate ( 11 ).

6. Condensing boiler according to one of claims 1 to 5, characterized in that pressure-stressed casing walls ( 30 ) arranged in the combustion chamber ( 3 ) and in the flue gas ducts ( 5 , 16 ) are supported by knobs or ribs ( 24 ) on the pipe casings ( 31 ) subjected to tensile stress in the circumferential direction.

7. Condensing boiler according to one of claims 1 to 6, characterized in that the boiler water-filled area between the combustion chamber ( 3 ) and the flue gas ducts ( 5 , 16 ) is inserted in the unfilled state as a prefabricated component 32 into the insert 1 and is connected via flanges ( 12 ) to the base plate ( 11 ) and the edge area of the outer casing ( 2 ) and the hydraulic connections 22 are established.

8. Condensing boiler according to one of claims 1 to 7, characterized in that the boiler container ( 2 ) is inserted into a boiler ( 17 ).

9. Condensing boiler according to one of claims 1 to 7, characterized in that a separate boiler ( 17 ) is provided, the inner casing of which is the outer casing ( 2 ) of the boiler and which is connected on the underside to the boiler insert ( 1 ) via a flange ( 13 ).

10. Condensing boiler according to one of claims 1 to 9, characterized in that the boiler ( 17 ) is inserted into a buffer storage tank ( 18 ).

11. Condensing boiler according to one of claims 1 to 9, characterized in that a heat exchanger ( 25 ) for hot water preparation, surrounded by the boiler water ( 14 , 15 ), is installed in the upper region of the outer casing ( 2 ).

12. Condensing boiler according to one of claims 1 to 11, characterized in that the burner ( 6 , 7 ) for preheating the combustion air projects via heat exchanger surfaces ( 28 ) through an exhaust hood ( 9 ) adjoining the condensation region.

13. Condensing boiler according to one of claims 1 to 12, characterized in that guide vanes ( 28 ) formed from ribs of the heat exchanger surfaces are provided in the exhaust hood ( 9 ) for mixing the fuel-air mixture ( 26 , 27 ).