DE9105410U1

DE9105410U1 - Central heating boiler

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Publication number: DE9105410U1
Application number: DE9105410U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-02
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1992-02-27
Anticipated expiration: 2001-05-03
Also published as: EP0512220A1

Description

Manfred Mayr, 8851 TagmershaimManfred Mayr, 8851 Tagmershaim

ZENTRALHEIZUNGSKESSEL BLATT 5CENTRAL HEATING BOILER SHEET 5

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Die Erfindung betrifft das Bauprinzip eines öl-/Gaskessels gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ohne Einschränkung des Leistungsbereichs. Um eine Unterschreitung des Taupunkts der Verbrennungsgase und damit einen schädlichen Kondensatanfall bei Niedertemperaturbetrieb und beim Anfahren aus kaltem Zustand zu vermeiden, gibt es zahlreiche Lösungsansätze, die auch in entsprechenden Gebrauchsmusteranmeldungen ihren Niederschlag gefunden haben.The invention relates to the construction principle of an oil/gas boiler according to the generic term of the main claim without limiting the performance range. In order to avoid the dew point of the combustion gases falling below and thus damaging condensate formation during low-temperature operation and when starting from a cold state, there are numerous solutions that have also been reflected in corresponding utility model applications.

Die am häufigsten anzutreffende Maßnahme besteht in einer Berippung der Heizflächen, wodurch die Oberflächentemperatur auf der Heizgasseite gegenüber der Wasserseite merklich erhöht wird. Die Nachteile derartiger "Rippenrohrkessel" liegen in der Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung und in der schlechten Reinigungsmöglichkeit, was in der Beschreibung zu DE GM 88.02 262.5 bereits ausführlich dargelegt ist.The most common measure is to add fins to the heating surfaces, which noticeably increases the surface temperature on the heating gas side compared to the water side. The disadvantages of such "finned tube boilers" are their sensitivity to dirt and their poor cleaning capabilities, which is already explained in detail in the description of DE GM 88.02 262.5.

Eine weitere kondensatverhindernde Maßnahme, die alternativ oder ergänzend zur Berippung angewandt wird, ist die absichtliche Behinderung des Wärmeübergangs an das Kesselwasser. Hierzu gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten, die im folgenden stichpunktartig aufgeführt sind:Another measure to prevent condensation, which is used as an alternative or in addition to finning, is the deliberate obstruction of heat transfer to the boiler water. There are various options for this, which are listed below:

- Doppelwandige Heizflächen, wobei die innere und äußere Wandung nur stellenweise in wärmeleitendem Kontakt stehen und im übrigen durch einen Luftspalt getrennt sind ( sog. "HYBRID"- Heizflächen).- Double-walled heating surfaces, whereby the inner and outer walls are only in heat-conducting contact in places and are otherwise separated by an air gap (so-called "HYBRID" heating surfaces).

- Aufbringen einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung, z.B. Emaillierung auf der Wasserseite ("künstlicher Kesselstein").- Applying a coating with poor heat conductivity, e.g. enamel on the water side ("artificial scale").

- Zweischal ige Heizflächen, wobei der Zwischenraum mit einem Stoff gefüllt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit entweder einen festgelegten Wert besitzt oder sogar von außen in gewissen Grenzen verändert werden kann ( vgl. DE 3908950 Al )- Double-walled heating surfaces, where the space between them is filled with a material whose thermal conductivity either has a fixed value or can even be changed from the outside within certain limits (cf. DE 3908950 Al)

All diese Maßnahmen bewirken zwar einerseits aufgrund der Verringerung der Wärmedurchgangszahl eine Erhöhung der Oberflächentemperatur auf der Heizgasseite, bedingen aber andererseits eine merkliche Vergrößerung der Heizflächen, da die Feuerungswärme im Interesse eines hohen Wirkungsgrades schließlich irgendwie an das Wasser übertragen werden muß.All these measures lead to an increase in the surface temperature on the heating gas side due to the reduction in the heat transfer coefficient, but on the other hand they require a noticeable increase in the heating surfaces, since the combustion heat must ultimately be transferred to the water somehow in the interest of high efficiency.

Manfred Mayr , 8851 Tagmershei-nManfred Mayr , 8851 Tagmershei-n

ZENTRALHEIZUNGSKESSEL BLATT 6CENTRAL HEATING BOILER SHEET 6

Abgesehen davon, daß eine solche Technologie aufwendig und teuer ist, ersieht man aus dem vorbeschriebenen Sachverhalt, daß sie außerdem einen Widerspruch in sich birgt:Apart from the fact that such a technology is complex and expensive, it can be seen from the above-described facts that it also contains a contradiction:

Will man einen NT - Heizkessel bauen, der bis zu sehr tiefen Vorlauftemperaturen herab unempfindlich gegen einen Korrosionsangriff ist und der gleichzeitig niedrige Abgastemperaturen, also einen hohen Wirkungsgrad aufweist, so brauchte dieser Kessel im Grenzfall eine unendlich große Heizfläche: Das Prinzip des behinderten Wärmeübergangs erweist sich anhand dieser Grenzbetrachtung als nicht ziel führend.If you want to build a low-temperature boiler that is resistant to corrosion down to very low flow temperatures and that at the same time has low exhaust gas temperatures, i.e. a high level of efficiency, then this boiler would need an infinitely large heating surface in the limiting case: the principle of obstructed heat transfer proves to be ineffective based on this limiting consideration.

Ein anderer Weg wird in dem DE GM 82 34 242 beschritten: Dort sind die kondensatgefährdeten Zonen des Brennraumes mit wassergefüllten Ringen umgeben, in denen sich Wasser aufhalten soll, dessen Temperatur gegenüber dem restlichen Kesselwasser merklich erhöht ist. Die dort vorgeschlagenen Anordnungen werfen aber in der Praxis Probleme auf, was in dem DE GM 84 10 240.3 auch begründet wird und was das letztgenannte Gebrauchsmuster zu verbessern sucht. Bei dieser Erfindung ist das die Heizfläche bildende Rippenrohr ebenfalls von einem Wasserringraum umschlossen, der mit dem übrigen Kesselwasservolumen über 2 öffnungen in Verbindung steht, von denen die eine stets offen, die andere aber durch ein Thermostatventil verschlossen bzw. nur dann geöffnet wird, wenn die Temperatur im Ringraum so hoch ist, daß eine Kondensatbildung an der Rippenheizfläche mit Sicherheit auszuschließen ist. Diese Konstruktion hat sich zwar in der Praxis bewährt, beinhaltet jedoch vergleichsweise komplizierte Einbauten, insbesondere das die bestimmungsgemäße Funktion sicherstellende Thermostatventil, das als mechanisch bewegtes Teil eine gewisse Störanfälligkeit erwarten läßt. Im Hinblick auf neuere Anforderungen an die Schadstoffarmut der Abgase, insbesondere den Stickoxid - Auswurf, befriedigt die vorgenannte Konstuktion nicht, da sie noch mit einer Umkehrflamme in einer heißen Brennkammer arbeitet.A different approach is taken in DE GM 82 34 242: There, the zones of the combustion chamber at risk of condensation are surrounded by water-filled rings in which water is supposed to be kept, the temperature of which is noticeably higher than the rest of the boiler water. However, the arrangements proposed there cause problems in practice, which are also explained in DE GM 84 10 240.3 and which the latter utility model seeks to improve. In this invention, the finned tube forming the heating surface is also surrounded by a water ring space, which is connected to the rest of the boiler water volume via 2 openings, one of which is always open, but the other is closed by a thermostat valve or only opened when the temperature in the ring space is so high that condensation on the finned heating surface can be safely ruled out. Although this design has proven itself in practice, it contains relatively complicated components, in particular the thermostat valve which ensures that it functions as intended and which, as a mechanically moving part, can be expected to be somewhat susceptible to failure. With regard to newer requirements for low levels of pollutants in exhaust gases, in particular nitrogen oxide emissions, the above-mentioned design is not satisfactory, as it still works with a reverse flame in a hot combustion chamber.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Heizkessel zu entwerfen, der bei geringstmöglichem konstruktiven Aufwand, insbesondere ohne mechanisch bewegte Teile und ohne die als abwegig erkannten Elemente zur Behinderung des Wärmeübergangs, gute Niedertemperatureigenschaften, einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Schadstoffemissionen aufweist und der leicht zu reinigen ist.The object of the invention was therefore to design a boiler that has good low-temperature properties, high efficiency and low pollutant emissions with the least possible construction effort, in particular without mechanically moving parts and without the elements recognized as absurd for hindering heat transfer, and that is easy to clean.

Manfred Mayr, 8851 Tagme^sheimManfred Mayr, 8851 Tagme^sheim

ZENTRALHEIZUNGSKESSEL BLATT 7CENTRAL HEATING BOILER SHEET 7

Diese Aufgabe findet ihre Lösung in den vorangestellten Schutzansprüchen. Im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs kommt das Grundprinzip der Erfindung zum Ausdruck, im Verbund mit einer auf Herabsetzung der Stickoxid- Bildung ausgerichteten Flammen- und Heizgasführung ( Dreizug- Bauweise mit innerer Abgasrückführung ) die Wasserströmung und damit auch die Temperaturverteilung im Kessel durch zweckmäßige Einbauten so zu steuern, daß ein schädigender Kondensatangriff an den Heizflächen unterbleibt.This problem is solved in the preceding claims. The characterizing part of the main claim expresses the basic principle of the invention, in conjunction with a flame and heating gas guide designed to reduce the formation of nitrogen oxide (three-pass design with internal exhaust gas recirculation), to control the water flow and thus also the temperature distribution in the boiler by means of appropriate fittings in such a way that damaging condensate attack on the heating surfaces is avoided.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben und werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert:Advantageous embodiments are described in the subclaims and are explained in more detail below with reference to the drawings:

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt, aus dem insbesondere die Flammen- und Heizgasführung sowie die Zone III ersichtlich sind, während die Figur 2 einen Querschnitt an der Stelle A-A darstellt, der vorallem die Ausbildung der Zonen I, II und IV verdeutlicht.Figure 1 shows a longitudinal section, from which the flame and heating gas routing as well as zone III can be seen, while figure 2 shows a cross section at point A-A, which primarily illustrates the formation of zones I, II and IV.

Die Konstruktionsdetails des Anspruchs 2 sind insofern von Vorteil, als das am hinteren Kesselende über den Stutzen (15) eintretende Rücklaufwasser zunächst an dem bogenförmigen Trennblech (6), das auf der anderen Seite die wärmste Zone IV begrenzt, vorgewärmt wird, bevor es im vorderen Teil durch einen Durchbruch im linken Flacheisen (8) in die Zone II einströmt und dort erstmalig mit einer heizgasberührten Fläche in Form, der unteren Brennkammerhälfte (3) in Kontakt kommt. Etwaige Gefahren, wonach an dieser Stelle Kondensat anfallen könnte, bestehen aufgrund folgender Erfahrungstatsache nicht: Glatte Heizflächen, die einer starken Wärmestrahlung ausgesetzt sind oder von einer turbulenten Gasströmung hoher Temperatur bestrichen werden, sind kaum gefährdet, auch wenn die theoretische Oberflächentemperatur der wassergekühlten Wandung unter dem Taupunkt liegt. Die vorgenannten Verhältnisse sind im vorliegenden Fall gegeben, da das Flammenrohr (5) im seinem vorderen Teil aufgrund der unmittelbaren Flammenbeaufschlagung selbst stark strahlt und im hinteren Teil zwischen ihm und der Brennkammerinnenseite eine turbulente Gasströmung hoher Temperatur herrscht.The design details of claim 2 are advantageous in that the return water entering the rear end of the boiler via the nozzle (15) is first preheated on the curved separating plate (6), which on the other side delimits the warmest zone IV, before it flows into zone II in the front part through a breakthrough in the left flat iron (8) and there comes into contact for the first time with a surface in contact with the heating gas in the form of the lower half of the combustion chamber (3). Any dangers that condensate could form at this point do not exist due to the following empirical fact: Smooth heating surfaces that are exposed to strong heat radiation or are covered by a turbulent gas flow at high temperatures are hardly at risk, even if the theoretical surface temperature of the water-cooled wall is below the dew point. The above-mentioned conditions are present in the present case because the flame tube (5) itself radiates strongly in its front part due to the direct exposure to flames and in the rear part between it and the inside of the combustion chamber there is a turbulent gas flow of high temperature.

Die Merkmale der Ansprüche 1 bis 3 haben ferner zur Folge, daß am Außenmantel (1) die niedrigsten Wassertemperaturen anstehen, insbesondere in der oberen Hälfte (Zone I), was sich auf den Abstrahlverlust sehr günstig auswirkt.The features of claims 1 to 3 also result in the lowest water temperatures being present at the outer casing (1), in particular in the upper half (zone I), which has a very favourable effect on the radiation loss.

Manfred Mayr, 8851 TagmersheimManfred Mayr, 8851 Tagmersheim

ZENTRALHEIZUNGSKESSEL BLATT 8CENTRAL HEATING BOILER SHEET 8

Die Zone III ergibt sich gemäß Anspruch 4 nahezu von selbst, indem in die Brennkammer (3) in einem gewissen Abstand von der Rückwand (2b) eine Bodenscheibe eingesetzt wird. Da vor diesem Boden die von der Brenneröffnung (24) in der Kesseltüre (25) kommenden und bis dahin praktisch ungekühlten Verbrennungsgase umkehren müssen, ist er stark beheizt und gibt seine Wärme an das in der Zone III von unten nach oben strömende Wasser ab. Zwischen den Zonen II und III besteht kein funktionaler Unterschied; sie entsprechen der im Anspruch 1 aufgeführten mittleren Wärmeübergangszone, in der die von herkömmlichen Kesselbauarten bekannten Gegebenheiten herrschen. Im weiteren Verlauf gelangt das Wasser durch die öffnungen (11) in die Zone IV gemäß Anspruch 5, wo die Heizgase in den Nachschaltheizflächen (13) ihre restliche Wärme abgeben, bevor sie über den Abgassammler (23) den Kessel verlassen. Da in der Zone IV heizgasseitig die niedrigsten Temperaturen auftreten und die Kondensationsgefahr am größten ist, werden auf der Wasserseite besondere Schutzmaßnahmen angewandt, um die Temperatur bei jedem Betriebszustand hochzuhalten.Zone III is created almost automatically according to claim 4 by inserting a base plate into the combustion chamber (3) at a certain distance from the rear wall (2b). Since the combustion gases coming from the burner opening (24) in the boiler door (25) and which have been practically uncooled up to that point have to turn around in front of this base, it is heated strongly and gives off its heat to the water flowing from bottom to top in zone III. There is no functional difference between zones II and III; they correspond to the middle heat transfer zone listed in claim 1, in which the conditions known from conventional boiler designs prevail. The water then passes through the openings (11) into zone IV according to claim 5, where the heating gases give off their remaining heat in the secondary heating surfaces (13) before leaving the boiler via the exhaust collector (23). Since the lowest temperatures occur on the hot gas side in Zone IV and the risk of condensation is greatest, special protective measures are applied on the water side to keep the temperature high in all operating conditions.

In diesem Sinne wird auch gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen, dem Vorlauf mittels der Bohrung (22) ständig eine bestimmte Menge Rücklaufwasser beizumischen. In Verbindung mit dem Einbauort des Fühlers für die Regelung (16a), die so ausgelegt sein muß, daß sie eine Mindest-Vorlauftemperatur gewährleistet, ist leicht erkennbar, daß diese Maßnahme zwar zunächst eine Absenkung der Vorlauftemperatur zur Folge hat, in erster Linie aber eine indirekte Anhebung der Wassertemperatur in der Zone IV bezweckt. Dadurch wird bei entsprechender Einstellung der Regelung sichergestellt, daß an der Innenseite der am meisten korrosionsgefährdeten Heiztaschen die Oberflächentemperatur stets über dem Taupunkt liegt, während nach außen hin die merklich niedrigere, geregelte Vorlauftemperatur in Erscheinung tritt. Zur Absicherung der höchstzulässigen Kessel temperatur muß daher gemäß Anspruch 7 für den Fühler des Sicherheitstemperaturbegrenzers eine eigene Anschlußmöglichkeit (16b) vorgesehen werden.In this sense, it is also proposed according to claim 6 to constantly add a certain amount of return water to the flow through the hole (22). In connection with the installation location of the sensor for the control (16a), which must be designed in such a way that it guarantees a minimum flow temperature, it is easy to see that this measure initially results in a reduction in the flow temperature, but primarily aims to indirectly increase the water temperature in zone IV. This ensures, with the appropriate setting of the control, that the surface temperature on the inside of the heating pockets most at risk of corrosion is always above the dew point, while the noticeably lower, regulated flow temperature appears on the outside. To ensure the maximum permissible boiler temperature, a separate connection option (16b) must therefore be provided for the sensor of the safety temperature limiter according to claim 7.

Manfred Mayr, 8851 TagmersheimManfred Mayr, 8851 Tagmersheim

ZENTRALHEIZUNGSKESSEL BLATT 9CENTRAL HEATING BOILER SHEET 9

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 wird nicht nur die Abgasrückführung verwirklicht, sondern darüber hinaus erreicht, daß die aufgesetzte Haube (18) den Strömungswiderstand für die naturgemäß nach oben strebenden Heizgase im oberen Teil des Ringraumes (21) erhöht und damit eine gleichmäßige Beaufschlagung der Brennkammerheizfläche bewirkt.The features of claim 8 not only realize the exhaust gas recirculation, but also ensure that the attached hood (18) increases the flow resistance for the naturally upward-striving heating gases in the upper part of the annular space (21) and thus causes a uniform exposure to the combustion chamber heating surface.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Bei der Erfindung handelt es sich um einen Heizkessel für öl- oder Gasfeuerung, der vorzugsweise in geschweißter Ausführung einfach herzustellen und der leicht zu reinigen ist. Die Neuerung besteht in der zweckmäßigen Kombination und Anordnung an sich bekannter Konstruktionselemente mit dem Ziel, eine Unterschreitung des Wassertaupunkts der Heizgase bei allen Betriebszuständen weitestgehend zu vermeiden und trotzdem einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, indemThe invention is a heating boiler for oil or gas firing, which is preferably easy to manufacture in a welded design and is easy to clean. The innovation consists in the practical combination and arrangement of known construction elements with the aim of largely avoiding the water dew point of the heating gases falling below the limit in all operating conditions and still achieving a high level of efficiency by

- Wasser niederer Temperatur entweder überhaupt nicht mit heizgasberührten Wandungen oder nur mit hochbelasteten Heizflächen und- Low temperature water either not at all with walls in contact with heating gas or only with highly loaded heating surfaces and

- Heizgas mit niederer Temperatur nur mit Wasser von vergleichsweise hoher Temperatur- Heating gas with low temperature only with water of comparatively high temperature

in Wärmeaustausch tritt.enters into heat exchange.

Hierzu wird neuerungsgemäß der Wasserraum in drei oder mehr Zonen eingeteilt, die das Heizwasser zwangsläufig durchströmen muß, so daß in Verbindung mit einer angepaßten Regelung die vorgenannten Austauschund Temperaturbedingungen selbsttätig eingehalten werden.For this purpose, the water space is divided into three or more zones through which the heating water must necessarily flow, so that in conjunction with an adapted control system, the aforementioned exchange and temperature conditions are automatically maintained.

Claims

G 91 05 410.9 Manfred Mayr, 8851 Tagmersheim CENTRAL HEATING BOILER for oil or gas burners and low temperature operation (hereinafter referred to as "NT boiler") PROTECTION CLAIMS

1. NT boiler in three-pass design with internal flue gas recirculation,

essentially consisting of a cylindrical outer casing (1), the ends of which each terminate in a flat plate (2a+b) and which encloses a likewise cylindrical combustion chamber (3), the longitudinal axis (4) of which is offset downwards from that of the outer casing, and of a flame tube (5) arranged concentrically within the combustion chamber, characterized in that the water space is divided into at least three interconnected zones through which the heating water must flow in such an order that in the first zone the return water is preheated by heat exchange with the warmest water in the last zone, then further heated in the middle zone or zones by flame radiation and high-temperature heating gases, and finally brought to flow temperature in the last zone by the already cooled heating gases.

2. NT heating boiler according to claim 1, characterized in that the preheating zone I, into which the return pipe (15) opens, is delimited by the upper half of the outer casing (1) and a half-cylinder (6) arranged concentrically thereto, which represents the extension of the upper arched boundary of the heating gas turning chamber (7) into the water space, as well as by two flat irons (8) running in the longitudinal direction of the boiler.

3. NT heating boiler according to claims 1 and 2, characterized in that the zone II is formed by the lower halves of the outer and inner cylinders and by the flat irons mentioned in claim 2 and is connected to the zone I via an opening in the front part of one of the flat irons (8).

Manfred Mayr, 8851 Tagmersheim

CENTRAL HEATING BOILER SHEET 2

4. NT heating boiler according to claims 1, 2 and 3, characterized in that zone III is formed by the extension of the combustion chamber (3), in that this is closed off towards the combustion chamber with an inserted floor (9) and on the other side with the boiler rear wall (2b), and that the connection to zones II and IV is made by corresponding openings in the base (10) or in the apex (11) of this chamber.

5. NT heating boiler according to claims 1 and 2, characterized in that the zone IV is delimited by the half cylinder (6), the transition plates (12) and the upper part of the combustion chamber (3) and that it accommodates the secondary heating surfaces (13) in the form of tubes or heating pockets.

6. NT heating boiler at least according to claim 5, characterized in that the flow connection (14) extends from the highest point of zone IV and from its front area and in the section where it crosses zone I has a bore (22) whose cross section is approximately 10% of the flow cross section.

7. NT heating boiler according to claims 5 and 6, characterized in that the flow connection is provided with a connecting sleeve (16a) for the temperature control sensor, while a separate connecting sleeve (16b) is attached for the safety temperature limiter sensor in such a way that the associated immersion sleeve projects through zone I into zone IV and thus detects the highest temperature.

8. NT heating boiler according to claim 1, characterized in that the flame tube (5) rests on three spacer plates (17) arranged lengthwise in the lower part of the combustion chamber and that its upper half is cut out in the area of the turning chamber (7) and replaced by a half cylinder with a slightly larger radius (18) and protruding ends (19), so that a gap (20) of adjustable width is created between the lower and upper half of the flame tube, through which a defined partial flow of the partially cooled heating gas flowing back in the annular space (21) formed by the flame tube and the combustion chamber wall is fed back to the flame.