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Niedertemperatur-Heizkessel
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Die Erfindung betrifft einen Niedertemperatur-Heizkessel für Schwerkraftzirkulation
mit einer zylindrischen, vertikal angeordneten Brennkammer, die an ihrem unteren
Ende offen ist, und an deren oberen Ende ein Brenner so angeordnet ist, daß die
Brennerflamme senkrecht nach unten gerichtet ist, wobei die Brennkammer mit radialem
Abstand von einem doppelwandigen zylindrischen, das aufzuheizende Medium enthaltenden
Kessel umgeben ist, dessen unteres Ende zu einem topfförmigen Körper ergänzt ist,
auf dessen Boden die Brennerflamme auftrifft, von wo die Rauchgase durch den Zwischenraum
zwischen Brennkammer und Kessel nach oben in den Abzug strömen. Ein solcher Kessel
ist aus der eigenen DE-OS 31 40 821 bekannt.
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Bei der Verbrennung von Heizöl wird bekanntlich Wasser freigesetzt.
Ferner entsteht Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid.
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Bei Unterschreiten des Taupunktes bilden diese Schwefelverbindungen
mit dem kondensierten Wasserdampf schwefelige Säure und Schwefelsäure, die Korrosionen
am Kessel hervorrufen und den Kessel schließlich zerstören können.
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Es muß daher unter allen Umständen vermieden werden, daß die Temperatur
an dem das zu erwärmende Medium (in der Regel Wasser) beinhaltenden Kessel den Rauchgastaupunkt
unterschreitet.
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Während in der Brennkammer selbst sehr hohe Rauchgastemperaturen herrschen,
ist im Vergleich dazu die Wandtemperatur des Kessels relativ niedrig. Sie liegt
nur etwas oberhalb der Temperatur des erwärmten Wassers.
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Früher war es üblich, zur Vermeidung der schädlichen Kondensatbildung
die Wandtemperatur des Kessels immer oberhalb des Taupunktes zu halten, d. h. die
Kesselwasser-Temperatur auf etwa 700C zu begrenzen, obwohl eine normale Heizanlage
erst bei
Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes eine Vorlauftemperatur
von 700 benötigt. Ein solcher Betrieb bedeutet einen schlechten Wirkungsgrad, d.
h. Verschwendung der inzwischen teuer gewordenen Primärenergie.
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Die im Interesse einer Energie-Einsparung liegende Forderung geht
also dahin, das Wasser auf keine höhere Temperatur zu erwärmen als sie zur Befriedigung
des jeweiligen Wärmebedarfs gerade erforderlich ist, wobei noch hinzukommt, daß
moderne Heizsysteme mit vergrößerten Flächen der Heizkörper oder Fußbodenheizungen
ohnehin keine höhere Vorlauftemperatur als etwa lot00 erfordern.
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Aus diesem Grunde hat man Niedertemperatur-Heizsysteme entwickelt,
bei denen der Brenner bei. Erreichen der jeweils geforderten Wärmeleistung abschaltet,
wobei die Temperatur zwischen etwa 200 und 750C gleitet und damit die durch Unterschreiten
des Taupunktes erwähnten Korrosionsprobleme auftreten.
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Aus der eigenen DE-OS 29 27 193 (Fig. 3) ist ein Niedertemperatur-Heizkessel
bekannt, bei dem ein innerer ringförmiger, vertikal angeordneter Kessel und ein
äußerer, ebenfalls ringförmiger Kessel vorhanden ist und die Kessel zwischen sich
einen Zwischenraum bilden, wobei der innere Kessel die Brennkammer bildet, in die
ein Brenner eine vertikal nach unten gerichtete Flamme hineinleitet, so daß die
Rauchgase durch den Zwischenraum zwischen den beiden Kesseln nach oben zum Rauchgasabzug
strömen.
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Die Erwärmung des Wassers erfolgt also einerseits in der eigentlichen
Brennkammer, und andererseits wird das Wasser auch noch durch die in den Zwischenraum
strömenden warmen Rauchgase aufgeheizt. Um eine geordnete Zirkulation des Wassers
sowohl zwischen dem inneren, die Brennkammer bildenden Kessel und dem äußeren Kessel
(bei abgeschaltetem Vorlauf, d. h. bei nicht angeschalteter
Heizung)
als auch zwischen den Kesseln und der angeschlossenen Heizung (wenn diese in Betrieb
ist) zu erzielen, ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine übliche Kessel-Kreispumpe
vorgesehen, die eine Zwangsführung für die jeweiligen Wasser-Kreisläufe bildet.
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Bei dieser Vorrichtung ist jedoch das Problem der Bildung und Beseitigung
der Kondensatprodukte der Rauchgase nicht befriedigend gelöst. Als Folge der erwähnten
Zwangsführung mit hoher Wassergeschwindigkeit in den Kesseln unterscheidet sich
nämlich die Temperatur der Kesselwände nur wenig von der Wassertemperatur, d. h.
wegen des geringen wasserseitigen Temperaturgradienten der Kesselwand liegt deren
Temperatur nur wenig über der Wassertemperatur. Im Niedertemperatur-Betrieb fallen
daher die schädlichen Rauchgaskondensate in großer Menge an, die an den Kesselwänden
herunterlaufen und sich unten auf dem Boden der Brennkammer sammeln.
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Bei der bekannten Vorrichtung werden die schädlichen Kondensatprodukte
allerdings dadurch beseitigt, daß die vertikal nach unten gerichtete Brennerflamme
direkt auf den heißen ungekühlten Boden der Brennkammer trifft, so daß die sich
dort ansammelnde Flüssigkeit wieder verdampft. Diese Art der Beseitigung der Kondensationsprodukte
ist jedoch aus Energie-Überlegungen unrentabel. Die Aufheizung des Bodens sorgt
zwar fur eine Verdampfung der Kondensationsprodukte, jedoch geht diese Energie für
die vorrangig gewünschte Erwärmung des Wassers verloren.
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Aus diesem Grunde wurde gemäß der eingangs genannten eigenen DE-OS
31 40 821, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, das untere Ende des äußeren
Kessels zu einem topfförmigen Körper ergänzt. Es ist also hier ein mit der Flüssigkeit
gefüllter Bodenraum vorgesehen, und dies bedeutet, daß auch an dieser Stelle eine
Erwärmung der Flüssigkeit stattfindet. Da hier aber aufgrund des wassergekühlten
Bodens das dort anfallende Kondensat bei Niedertemperatur-Betrieb wegen der relativ
geringen Temperatur
des Bodens nicht mehr in größeren Mengen verdampfen
kann, wird ein reiner Schwerkraftbetrieb vorgesehen. In diesem Falle strömt das
Wasser erheblich langsamer an den Kesselwänden, und es hat sich auch gezeigt, daß
sich dann ein größerer wasserseitiger Temperaturgradient der Kesselwand ergibt.
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In der Praxis hat sich jedoch diese Kesselanordnung als nicht ausreichend
sicher gegen Korrosionsschäden im Niedertemperatur-Betrieb erwiesen, so daß die
gefährdeten Kesselflächen mit einer Schutzschicht versehen werden mußten.
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Solche Schutzschichten in Form einer emailleartigen Glasur sind auch
bei anderen, für Niedertemperatur-Betrieb ausgelegten Kesseln schon angewendet worden,
jedoch hat auch hier die Praxis gezeigt, daß selbst bei größter Sorgfalt eine absolut
porenfreie Beschichtung mit keramischem Material nicht möglich ist, sondern daß
kleinste Fehlstellen unvermeidbar auftreten, in die das säurehaltige Kondensat -
unterstützt durch Kapillarwirkung -eindringt und dann permanenter als ein auf einer
unbeschichteten Wand ablaufender Tropfen die Korrosion bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kessel der eingangs
genannten Art zu schaffen, der einen Tieftemperatur-Betrieb mit trockenen Heizflächen
ermöglicht, so daß die Notwendigkeit einer Beschichtung zum Schutz der Kesselwände
entbehrlich wird.
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Ausgehend von dem eingangs genannten Kessel wird die gestellte Aufgabe
der Erfindung dadurch gelöst, daß die zylindrische Wand der Brennkammer so ausgebildet
ist, daß sie Strahlungswärme unverzögert durchläßt, und daß der Rücklauf am oberen
Ende des Kessels in eine ringförmige Düse mündet, die auf ihrem Umfang verteilt
nach unten gerichtete Düsenöffnungen aufweist.
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Während bei dem bekannten Kessel die Brennkammer durch einen doppelwandigen
zylindrischen Kessel gebildet wird, der das
zu erwärmende Wasser
enthält, so daß ein Übergang von Strahlungswärme auf die Nachschaltheizfläche des
äußeren Kessels verhindert wird, sieht die Erfindung eine strahlungsdurchlässige
Brennkammerwand vor, die theoretisch aus Glas bestehen könnte, die aber vorzugsweise
wegen der Verschmutzungsgefahr und damit der Beeinträchtigung der Strahlungsdurchlässigkeit
vorzugsweise aus einer Stahlfolie mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm besteht.
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Eine so dünne Ausbildung der Wandung der Brennkammer ist bei der vertikalen
Anordnung möglich. Auf diese Weise wird bei Einschalten des Brenners sofort ein
hoher Anteil von Strahlungswärme auf die Kesselwand geleitet, so daß bei Unterschreiten
des Taupunktes bei abgeschaltetem Brenner sich gebildetes Kondensat rasch verdampft
wird und bei eingeschaltetem Brenner auch im NiedertemperaturBetrieb sich erst gar
kein Kondensat ausbilden kann.
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Die Anordnung der Rücklaufringdüse im oberen Wasserraum bewirkt ferner
eine gleichmäßige, intensive Rücklaufmischung und Anhebung der Rücklauftemperatur,
weil die Rücklaufringdüse die natürliche, rotationssymmetrische Schwerkraft-Zirkulation
des stehenden, zylindrischen Kessels verstärkt.
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Eine optimale Wärmeübertragung ergibt sich, wenn in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung das obere Ende des Kessels etwa in gleicher Höhe wie das obere Ende
der zylindrischen Wand der Brennkammer und der Mündung des Brenner-Rohres liegt.
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Vorzugsweise sind an der inneren Kesselwand radial nach innen in
Richtung auf die Brennkammer weisende Rippen vorgesehen.
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Derartige Rippen sind an sich bei sogenannten Rippenrohrkesseln bekannt,
bei denen die abgasseitigen Flächen gegenüber der Fläche vergrößert werden, die
Wärme an das Wasser des Heizkreislaufs abgibt. Ein wesentlicher Vorteil solcher
Rippen besteht darin, daß zusätzlich Strahlungswärme auf die Heizfläche übertragen
wird.
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Allerdings erweist sich gerade beim Niedertemperatur-Betrieb, d.
h. bei Schwachlast mit kurzen Brennerlaufzeiten und langen Stillstandszeiten die
bekannte Bauart des Rippenrohrkessels als nachteilig. Die erhebliche Wärmeträgheit
der dickwandigen, großvolumigen liegenden Brennkammer reduziert im Niedertemperatur-Betrieb
mit kurzen Brennerlaufzeiten die Wärmestrahlung in die Rippenrohr-Heizfläche, so
daß ein trockener Betrieb bei Schwachlast und niedrigen Kesseltemperaturen nicht
möglich ist.
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Außerdem erfordert das große Wärmespeichervermögen der Brennkammer
zur Begrenzung des Temperatur-Überlaufs durch Nachheizung einen großen Kesselwasserinhalt,
welcher die Wirtschaftlichkeit des unterbrochenen Heizbetriebs hindert.
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Nachteilig ist auch der heiße Brennkammerboden und die lange Verweildauer
der Rauchgase, welche eine erhöhte Stickoxidbildung der Flamme bedingen.
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Die rauchgasseitig und wasserseitig gleiche Temperaturverteilung
im liegenden Kessel, d. h. oben und vorn hohe Kesselwasser- und Rauchgastemperaturen
und unten sowie hinten niedrige Kesselwasser- und Rauchgastemperaturen bedingen
eine zusätzliche Korrosionsempfindlichkeit der unteren, hinten gelegenen Heizfläche.
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Das mit abnehmendem Wärmebedarf immer ungünstigere Verhältnis von
Brennkammer-Oberfläche, d. h. Wärmeträgheit zur Brennerleistung macht die bekannten
Rippenrohr-Kessel ungeeignet für kleine Leistungen von etwa 10 kW, wie sie heute
für die Mehrzahl gut isolierter Wohneinheiten gefordert werden.
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Demgegenüber wird durch die Erfindung erreicht, daß die Flamme und
die Rauchgas-Wärmestrahlung unmittelbar auf die Heizfläche des Kessels wirkt, wobei
die Rippen den Strahlungseffekt verstärken, so daß nach Einschaltung des Brenners
wegen der unverzögerten übertragung der Wärmestrahlung eine mögliche Korrosion vermieden
und infolge des geringen Nachheiz-Effektes auch
nur ein kleiner
Kesselwasser-Inhalt erforderlich ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 einen Kessel
im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig.
3 eine der zwischen den Rippen des Kessels angeordneten Nebenheizplatten in Vorderansicht
und Fig. Lt die Nebenheizplatte in Seitenansicht.
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Innerhalb eines Gehäuses 1 ist in eine Isolierung 2 eingebettet ein
Kessel 3, der aus einem Außenzylinder Lt und einem Innenzylinder 5 besteht, wobei
Außen- und Innenzylinder vertikal angeordnet sind und jeweils an ihrem unteren Ende
miteinander verbunden sind, so daß der Kessel die Form eines Topfes aufweist.
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Der Innenzylinder 5 ist nach oben gegenüber dem Außenzylinder 4 verlängert
und bildet eine Rauchgaskammer 6 mit einem radialen Rauchgasabzug 7. Das obere Ende
des Innenzylinders 5 wird durch einen Rauchkammerdeckel 8 abgeschlossen, in dem
zentrisch ein Brenner 9 so angeordnet ist, daß die Öffnung seines Flammrohrs 10
nach unten weist und die Flamme gegen den Boden des Kessels 3 gerichtet wird. Unten
am Rauchkammerdeckel ist eine stumpfkegelige, isolierte Brennkammerhaube angeflanscht,
an die sich ein nach unten offener Zylinder 12 anschließt, der einen Abstand von
dem Innenzylinder 5 aufweist und die Brennkammer 13 bildet.
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Der Zylinder 12 ist gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß er Strahlungswärme
unverzögert durchläßt, was sich dadurch
erreichen läßt, daß er
als Folie mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm ausgebildet ist. Eine so dünne
Ausbildung ist möglich, da der Zylinder 12 hängend angeordnet ist und daher keine
statischen Belastungen aushalten muß.
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Die Verlängerung des Innenzylinders nach oben hat den Vorteil, daß
der Brenner mit seinem Flammrohr 10 so angeordnet werden kann, daß die Strahlungswärme
schon von der Mündung des Flammrohrs auf den Kessel 3 wirken kann.
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Im Betrieb trifft die Brenner flamme durch die offene Brennkammer
13 auf den Boden des Innenzylinders 5, von wo die Abgase durch den Zwischenraum
zwischen dem Zylinder 12 der Brennkammer 13 und dem Innenzylinder 5 nach oben in
die Rauchgaskammer 6 und den Abzug 7 strömen.
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An dem Innenzylinder 5 sind nach Art eines Rippenrohr-Heizkessels
radial verlaufende Rippen 1Lt angebracht, die die konvektive Heizfläche vergrößern
und den Wärmeübergang zum Kessel 3 verbessern. Eine weitere Verbesserung des konvektiven
Wärmeübergangs läßt sich dadurch erreichen, wenn zwischen den Rippen 14 die in Fig.
3 und Lt in Vorderansicht und Seitenansicht dargestellten Nebenheizplatten 15 angeordnet
werden. Diese Nebenheizplatten 15 bestehen aus dünnen Stahlblechen, die an ihrem
oberen Ende rechtwinklig abgebogen sind, so daß sie auf die oberen Kanten der Rippen
14 aufgelegt werden können, wobei Ausklinkungen 17 unter einem Winkel von lot50
das Einsetzen und Herausnehmen erleichtern. Zu beiden Seiten der Platten 15 sind
aus deren Ebene durch Einschnitte gebildete Nasen 16 herausgebogen, die die Nebenheizplatten
15 zwischen den Rippen 1Lt zentrieren.
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Der Vorlauf verläßt den Kessel 3 über einen Stutzen 21 am oberen
Ende des Kessels 3 durch ein Rohr 18 zu den schematisch angedeuteten Heizkörpern
22, und der Rücklauf wird über ein Rohr 19 ebenfalls in das obere Ende des Kessels
3 eingeleitet. Das
Rohr 19 mündet in eine Ringdüse 20, die an ihrer
Unterseite gleichmäßig auf dem Umfang verteilt Öffnungen aufweist, durch die das
kühle Rücklaufwasser am Rand des Außenzylinders allein unter Schwerkraftwirkung
nach unten strömt, bis es im Bereich des Bodens des Innenzylinders 5 durch die Hitze
der dort auftreffenden Flamme erwärmt wird und wieder an der Innenseite des Innenzylinders
5 aufwärtsströmt. Auf diese Weise ergibt sich eine hervorragende Durchmischung des
Wassers im Kessel 3 und eine Anhebung der Rücklauftemperatur, weil die Ringdüse
die Schwerkraftzirkulation im Kessel verstärkt. Somit wirkt die nach oben ansteigende
Kesselwasser-Temperatur am Innenzylinder der nach oben abfallenden Rauchgastemperatur
entgegen.