DE4111456A1 - Heizkessel mit abgaszuegen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen öl- und/oder gasbefeuerten Heizkessel, bei dem in einer Brennkammer entstehende Wärme unter anderem über einen oder mehrere Abgaszüge an ein Trä­ germedium, beispielsweise Wasser oder Wasserdampf abgegeben wird.

Bei einem vergleichbaren bekannten Heizkessel (vgl. Pro­ spekt "Niedertemperaturkessel mit uniferraler Verbundheiz­ fläche Stahl/Stahl" der Viessmann-Werke, Prospekt-Nummer 9444 133-5) besteht die uniferrale Verbundheizfläche aus zwei ineinandergeschrumpften Stahlzylindern. Der innere Stahlzylinder besitzt nach außen radial abstehende Längs­ rippen, von denen jeweils zwei benachbarte gemeinsam einen in axialer Richtung verlaufenden Heizgaszug begrenzen. Die Heizgaszüge werden mit Verbrennungsgas aus der Brennkammer gespeist und führen zu einem Rauchgas-Sammelkasten. Aller­ dings sind diese Heizgaszüge noch von einem äußeren Stahlzylinder umschlossen; dabei besitzt die davon umgebene Innenschale der Verbundheizfläche zu den Heizgasen hin eine zunehmend höhere Temperatur als der äußere Stahlzylinder. Dadurch soll der Kondensation der Verbrennungsgase in der Brennkammer entgegengewirkt werden. Damit wird jedoch der Nachteil von immer noch hohen Temperaturen der Flamme in der Brennkammer und vor allem in deren peripheren Bereichen und der Verbrennungs- bzw. Abgase erkauft, so daß die an sich unerwünschte Stickoxidemission hoch ist.

Hieraus ergibt sich das der Erfindung zugrundeliegende Pro­ blem der Schaffung eines Heizkessels, dessen Stickoxid-Ge­ halt im Abgas unter gleichzeitiger Erhöhung des feuerungs­ technischen Wirkungsgrades reduziert ist; ferner soll eine Konstruktion mit geringen Abmessungen zur Verminderung der Abstrahlungsverluste und leichtem Material ermöglicht wer­ den. Zur Lösung dieses Problemkreises wird bei einem Heiz­ kessel mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der oder gegebenenfalls jeder Abgaszug das Wärme- Trägermedium durchsetzt und/oder von dem Wärme- Trägermedium - vorzugsweise in sich geschlossen - ummantelt ist. Mit anderen Worten, jeder Abgaszug ist von Trägerme­ dium ringartig umspült, so daß große Wärmetauscherflächen für eine Wärmeübertragung vom Abgas zum Wärme- Trägermedium zur Verfügung stehen. Hierdurch wird die Effektivität, der Wirkungsgrad und mithin die Effizienz des Heizkessels we­ sentlich erhöht.

In konstruktiver Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens ist das Trägermedium in einem in sich geschlossenen Ring­ raum untergebracht, wobei es die gegebenenfalls äußere Wan­ dung der Brennkammer direkt umgibt bzw. umspült; diesen Ringraum durchsetzen die einzelnen, separaten Abgaszüge - jeweils im Abstand voneinander angeordnet. Indem durch die­ sen unmittelbar angrenzenden Mantel von Wärme-Trägermedium der Wandung der Brennkammer Wärme entzogen wird, wird das Innere der Brennkammer einschließlich der Flammen und der Verbrennungsgase gekühlt mit der Folge einer Verminderung des Stickoxid-Gehalts im Verbrennungs- bzw. Abgas.

Zu einer gleichmäßigen Wärmeübertragung auf das Kessel- /Wärme- Trägermedium besteht eine konstruktiv vorteilhafte Ausbildung darin, daß die Abgaszüge zumindest teilweise und vorzugsweise symmetrisch über den Umfang der Brennkammer gegebenenfalls innerhalb des Ringraums für das Trägermedium angeordnet sind.

Um einen Abzug der Verbrennungs- bzw. Abgase aus dem Heiz­ kessel zu gewährleisten, ist nach einer weiteren konstruk­ tiven Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß der oder die Abgaszüge aus einem oder mehreren Abführungskanälen gebil­ det sind, deren Eingänge mit der Brennkammer im Bereich des Flammenfußes und/oder Mundes eines (Gebläse-) Brenners ver­ bunden sind, während sie ausgangsseitig außerhalb der Brennkammer und/oder des Heizkessels beispielsweise in ei­ nem Rauchgas-Sammelkasten oder Kamin enden.

Nach einer besonders vorteilhaften konstruktiven Ausbildung sind beim erfindungsgemäßen Heizkessel ein oder mehrere Ab­ gaszüge aus einem oder mehreren Rückführungskanälen mit folgender Maßgabe gebildet: die Rückführungskanäle münden über ihre strömungstechnischen Eingänge in den Bereich der Brennkammer, wo sich auch die Flammenspitzen befinden, wäh­ rend ihre strömungstechnischen Ausgänge mit dem Brennkam­ mer-Bereich kommunizieren, in dem sich auch der (Ausgangs-) Mund eines in die Brennkammer einwirkenden Brenners oder der Fuß der von diesem Hund ausgehenden Flammen befinden. Der erzielte Vorteil besteht darin, daß aufgrund eines vor­ handenen Druckgefälles von der Flammenspitze zum Bereich des Brenner-Mundes, das heißt Unterdruck im Bereich des Brenner-Mundes, Verbrennungsgase aus dem Flammenspitzen- und/oder Endbereich der Brennkammer durch die Rückfüh­ rungskanäle zum Bereich des Brenner-Mundes/Flammenfußes ge­ saugt, und mithin dieses Abgas rückgeführt und einer erneu­ ten Verbrennung unterworfen werden. Diese erneute Verbren­ nung bewirkt eine weitere wesentliche Verminderung des Stickoxid-Gehaltes im Abgas, das dann durch einen Abgaszug nach außen emittiert wird. Mit anderen Worten, für einen erheblichen Teil des Verbrennungs- bzw. Abgases in der Brennkammer wird eine in sich geschlossene Zirkulation vom oberen Bereich der Brennkammer-Flamme über den Rückfüh­ rungskanal zu deren unterem Bereich herbeigeführt, wobei dieses zirkulierende Abgas sich im ständigen Wärmeaustausch mit dem die Brennkammer umgebenden Trägermedium befindet.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, den das Wärme-Trägerme­ dium beinhaltenden Ringraum sowohl mit Rückführungskanälen als auch Abführungskanälen der jeweils genannten Art zu durchsetzen. Dabei liegen die Eingänge der Abführungskanäle und Ausgänge der Rückführungskanäle gleichzeitig bzw. par­ allel am Bereich des Brenner-Mundes bzw. Flammenfußes. Da­ bei kann es zweckmäßig sein, die Rückführungskanäle in größerer Anzahl und kleinerem Durchmesser als die Abfüh­ rungskanäle vorzusehen, wobei insbesondere die (größeren und wenigeren) Abführungskanäle den oberen Umfangsabschnitt des Mantels mit Trägermedium durchsetzen.

In andere Ausbildung der Erfindung sind der oder die Abfüh­ rungskanäle mit gegebenenfalls größerem Durchmesser im un­ tersten Umfangsabschnitt des die Brennkammer umgebenden Wärmeträger-Mantels angeordnet. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, daß gerade in diesem unteren Abschnitt das Trägermedium, beispielsweise Heizwasser, im Vergleich zu den übrigen Bereichen aus physikalischen Gründen an sich die geringste Temperatur aufweisen würde; dem wird durch die genannte Anordnung der Abführungskanäle und gegebenen­ falls durch deren größeren Durchmesser entgegengewirkt.

Die Wartbarkeit des Heizkessels fördert es, wenn in Wei­ terentwicklung der Erfindung der untere Bereich der Brenn­ kammer bzw. von deren Wandung in Bodenrichtung derart aus­ gebaucht ist, daß eine nach oben offene Rinne zum Sammeln von Schmutz, Ruß, Kondens-Flüssigkeit usw. gebildet wird. In diesen Sammeltrog, der sich vorzugsweise über die ge­ samte axiale Länge der Brennkammer erstreckt, läßt sich Reinigungsgerät (Bürste) oder Spülmittel leicht einführen. In konstruktiver Hinsicht ist diese Ausführung hinsichtlich des Vorsehens von Rückführungskanälen deshalb besonders zweckmäßig, weil Rückführungskanäle (unterhalb der Brenn­ kammer) am Ende der Brennkammer ohnehin Abstufungen ergeben würden, die an sich schlecht von Ruß zu reinigen wären; mit der genannten Ausbildung werden der oder die Rückfüh­ rungskanäle gleichsam zu einer breiten und sich über die gesamte Axiallänge der Brennkammer erstreckenden Mulde (Sammeltrog) erweitert.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1 im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Heizkessel mit etwa zylindrischer Brennkammer,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Heizkessels gemäß der Li­ nie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Heizkessels gemäß der Li­ nie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine etwa Fig. 1 entsprechende Querschnittsdar­ stellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Heizkessels nach der Erfindung, und

Fig. 5 u. Fig. 6 in schematischer Querschnittsdarstellung Heizkes­ sel mit Abgaszügen unterschiedlicher geometrischer Formen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist innerhalb eines Außenge­ häuses 1 des Heizkessels eine Brennkammer 2 angeordnet, die von einer ringförmigen Hülse 3, beispielsweise aus Edel­ stahl umgrenzt ist. Um diese erste Hülse 3 ist eine zweite gleichartige Hülse 4 koaxial aufgeschrumpft, die mit dem größten Teil ihrer inneren Umfangsfläche auf der Außenflä­ che der ersten Hülse 3 wärmeübertragend aufliegt. Jedoch ist der unterste Umfangsabschnitt 5 der zweiten Hülse 4 nach unten vorspringend derart ausgebuchtet, daß ein nach oben offener Sammeltrog 6 gebildet wird. Der sich über diesen Sammeltrog 6 erstreckende Umfangsabschnitt der er­ sten Hülse 3 ist mit in Umfangsrichtung beabstandeten Durchlaßbohrungen 7 versehen, wodurch Rußpartikel, Kondens­ flüssigkeit usw. in den Sammeltrog 6 gelangen können.

Die zweite Hülse 4 ist von einem ringförmig geschlossenen Mantel aus Heizwasser 8 direkt umfaßt, so daß die Verbren­ nungswärme aus der Brennkammer 2 auf das Heizwasser 8 als Wärme- Trägermedium übertragen werden kann. Der geschlos­ sene Ringraum 9, in dem sich das Heizwasser 8 befindet und gegebenenfalls strömt, ist von einer dritten Hülse 10 von außen umgrenzt, die ihrerseits von einer Wärmedämmung 11 umgeben ist. Während die erste und zweite Hülse 3, 4 je­ weils kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen, ist die dritte Hülse 10 mit einem oval- oder ellipsenartig verzerr­ ten Querschnitt dergestalt versehen, daß der obere Teil des Ringraums 9 eine weitere Querschnittserstreckung als der untere besitzt. In seinem obersten Abschnitt ist der Ring­ raum 9 von drei Abgas-Abführungskanälen 12, und in seinen beiden mittleren, einander horizontal gegenüberliegenden Abschnitten von jeweils sechs Abgas-Rückführungskanälen 13 durchsetzt. Die äußeren Umfangswandungen dieser Abgaszüge 12, 13 sind jeweils von Heizwasser 8 vollständig umspült, so daß die maximale Fläche zum Wärmeaustausch zwischen Abgas und Heizwasser zur Verfügung steht.

Gemäß Fig. 2 ragt ein Gebläsebrenner 14 für Öl und/oder Gas mit seinem Öffnungsmund 15 in die Brennkammer 2. Bei be­ stimmungsgemäßem Betrieb des Brenners 14 entsteht eine Brennflamme 16, die vom Brennermund 15 aus entspringt und Verbrennungs- bzw. Abgas erzeugt. Zum Abzug dieses Abgases dienen die genannten Abführungskanäle 12, die an ihrer Ein­ gangsseite 17 mit der Brennkammer in der Nähe des Brenner­ mundes 15 kommunizieren, und an ihrer Ausgangsseite 18 zu einem (nicht gezeichneten) Kamin oder Rauchgas-Sammelkasten führen. Hierdurch kann Abgas 19 zur äußeren Umgebung des Heizkessels abgeführt werden.

Gemäß Fig. 3 sind die Rückführungskanäle 13 mit der Brenn­ kammer 2 an ihrer Eingangsseite 20 mit einem stirnseitigen Brennkammerende im Bereich der Flammenspitze 22 verbunden, während sie mit ihrer Ausgangsseite 21 - gemeinsam mit der Eingangsseite 17 der Abführungskanäle 12 - in den Bereich des Fußes der Flamme 16 bzw. des Brennermundes 15 münden. Da in diesem Bereich ein geringerer Druck als im Bereich des Flammenendes 22 bzw. des dortigen Brennkammerendes vor­ herrscht, entsteht ein entsprechendes Druckgefälle von der Eingangsseite 20 zur Ausgangsseite 21 der Rückfüh­ rungskanäle 13, wodurch das Rauchgas 19 wieder in den Be­ reich des Fußes der Flamme 16 bzw. des Brennermundes 15 zur erneuten Verbrennung zurückgeführt wird.

Nach Fig. 4 besteht eine im Rahmen der Erfindung liegende Abwandlung des Heizkessels darin, daß die Abführungskanäle 12 mit größerem Querschnitt in dem Abschnitt des Ringraumes 9, der unterhalb der Brennkammer 2 liegt und die größte Breite besitzt, verlaufen, während die verbleibenden schmä­ leren Umfangsabschnitte des Ringraumes 9 gleichmäßig ver­ teilt von Rückführungskanälen 13 mit kleinerem Querschnitt durchsetzt sind. Hierdurch wird der Effekt erzielt, daß die Abführungskanäle 12, die aufgrund ihres größeren Durchmes­ sers als die Rückführungskanäle 13 eine entsprechend größere Umfangsfläche aufweisen, sich im untersten und mithin kältesten Teil des ringförmigen Mantels aus Heizwas­ ser 8 befinden. Dadurch werden die Abführungskanäle noch stärker gekühlt, das heißt es wird ihnen mehr Wärme in das Heizwasser entzogen, als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1-3. Dies hat eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Heizkessels zur Folge. Allerdings ist es dabei zweck­ mäßig, den im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1-3 vor­ handenen Sammeltrog wegzulassen. Statt dessen kann es vor­ teilhaft sein, einen (nicht gezeichneten) Kondensatablauf, wie an sich bekannt, anzubringen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs­ beispiele beschränkt. So können die Abgaszüge (Abführungs- oder Rückführungskanäle 12, 13) Querschnittsformen mit be­ liebiger Geometrie aufweisen, wie schematisch skizziert. Denkbar sind auch Heizkessel-Ausführungen, bei denen der Brenner 14 nicht, wie gezeichnet, axial, sondern radial in die zylindrische Brennkammer 2 einragt. Hierbei wäre es denkbar, daß eine winklige Führung der Abgaszüge, zum Bei­ spiel im Winkel horizontal nach außen, zweckmäßig wäre. Als Kesselmaterial kommt entweder Stahl oder Gußeisen in Frage. Fernen kann der Heizkessel mit oder ohne wasserführende Rückwand gebaut sein. Er ist nicht auf die Anwendung in Einfamilienhäusern beschränkt.

Claims (8)

1. Öl- und/oder gasbefeuerter Heizkessel, bei dem in einer Brennkammer (2) entstehende Wärme insbesondere über einen oder mehrere Abgaszüge (12, 13) an ein Trägermedium, beispielsweise Heizwasser (8) oder Wasserdampf, abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaszug (12, 13) das Trägermedium (8) durchsetzt und/oder von diesem, vorzugsweise in sich geschlossen, ummantelt ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium (8) die Wandung (3, 4) der Brennkammer (2) in einem in sich geschlossenen Ringraum (9) direkt umgibt, durch den die Abgaszüge (12, 13) im Abstand voneinander geführt sind.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaszüge (12, 13) zumindest teilweise über den Umfang (13) der Brennkammer (2) verteilt angeordnet sind.

4. Heizkessel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Abgaszüge aus einem oder mehreren Abführungskanälen (12) gebildet sind, die über ihre eingangsseitigen Öffnungen (17) mit der Brennkammer (2) im Bereich des Flammenfußes und/oder Mundes (15) eines Brenners (14) verbunden sind und ausgangsseitig (18) außerhalb der Brennkammer (2) und/oder des Heizkessels beispielsweise in einen Rauchgas-Sammelkasten oder Kamin münden.

5. Heizkessel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Abgaszüge aus einem oder mehreren Rückführungskanälen (13) gebildet sind, die über ihre eingangsseitigen Öffnungen (20) mit der Brennkammer (2) im Bereich der Flammenspitze (22) und/oder des Brennkammer-Endes und ausgangsseitig (21) mit der Brennkammer (2) im Bereich des Flammenfußes und/oder Mundes (15) eines Brenners (14) verbunden sind.

6. Heizkessel nach Anspruch 4 und 5, gekennzeichnet durch Rückführungskanäle (13) in größerer Anzahl und kleinerem Durchmesser als die Abführungskanäle (12).

7. Heizkessel nach einem der vorangehenden Ansprüche jeweils mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Abführungskanäle (12) unterhalb der Brennkammer (2) angeordnet sind.

8. Heizkessel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Umfangsabschnitt (5) der Brennkammer (2) einen zum Boden hin ausgebuchteten Sammeltrog (6) aufweist.