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Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, mit einem an der einen Stirnseite
einer Brennkammer befindlichen Brenner und einem etwa in gleicher Höhe wie der Brenner
benachbart dazu angeordneten Abzug für die Rauchgase, wobei im radialen Abstand
zur Brennkammerwand ein äußerer Kesselmantel angeordnet ist, der mit der Brennkammerwand
einen ringförmigen Zwischenraum bildet, welcher einerseits in den Abzug und andererseits
in die dem Brenner gegenüberliegende, offene Stirnseite der Brennkammer einmündet.
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Solche Vorrichtungen, die durch die DE-OS 27 44 450 bekannt geworden
sind, können z.B. als Durchlauferhitzer verwendet werden, um mittels einer von einem
Brenner innerhalb der Brennkammer erzeugten Flamme heißes Wasser zu gewinnen.
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Bei den bekannten Vorrichtungen ist im radialen Abstand zur Brennkammerwand
der Kesselmantel angeordnet, durch dessen oberen Deckel der Brenner geführt ist.
Zusammen mit der Brennkammerwand bildet die Kesseiwand einen ringförmigen Zwischenraum,
der an seinem oberen Ende etwa in Höhe des Brenners in einen Abzug für die Verbrennungs--bzw.
Rauchgase einmündet. An seinem unteren Ende steht der Zwischenraum mit der Brennkammer
in Verbindung, so daß die unten aus der Brennkammer austretenden Rauchgase um etwa
180°
umgelenkt und durch den Zwischenraum zu einem Rauchgasabzugsroh: geleitet werden.
Die Rauchgase legen also einen relativ langen Weg zurück, bis sie zum Rauchgasabzugsrohr
gelangen. Dies wirkt sich günstig auf die Wärmeübertragung auf das zu erhitzende
Wasser aus, weil dann der konvektive Wärmeübergang längs einer langen Strecke erfolgen
kann.
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Den soweit bekannten Vorrichtungen zum Erwärmen von Flüssigkeiten
haften allerdings gravierende Nachteile an. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der
infolge des an sich erwünschten Zwischenraumes bedingte lange Weg, den die Rauchgase
zurücklegen, sich bei der schwierigsten Phase - dem Brennerstart - nachteilig auswirkt.
Bekanntlich erfolgt beim Brennerstart eine eplosiosartge Ausdehnung der Luft. Die
entstehende Druckwelle muß nun den erwähnten langen Weg zurücklegen, der aber eben
wegen seiner Länge einen hohen Widerstand aufweist, welcher den Druckanstieg erhöht.
Dabei kann die Druckwelle den statischen Druck des >rhandenen Brennergebläses
für die Luftzufuhr zum Brenner sogar kurzzeitig übersteigen, so daß eine Rückströmung
entsteht, durch die die Brennstoffe zur Mischeinrichtung des Brenners zurückgeführt
werden. Als Folge davon wird die Mischeinrichtung, in der Luft und Brennstoff miteinander
vermischt werden, verschmutzt, was wiederum zu häufigen Betriebsstörungen führt.
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Aufgrund der verschmutzten Mischeinrichtung können außerdem unverbrannte
Brennstoffteile entweichen, weil die für die'Verbrennung erforderliche optimale
Mischung des Brennstoffes mit Luft nicht mehr gewährleistet ist. Als Folge davon
tritt eine nachteilige Umweltbelastung auf. die sich vor allem in einer Geruchsbelästigung
äußert, da man in der näheren Umgebung den Brennstoff, z.B. das Ö1 riechen kann.
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Außerdem führt die erhöhte Druckwelle beim Brennerstart auch zu einem
"harten" Anfahrstoß, der akustisch wahrnehmbar ist.
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Ein wichtiges Qualitätsmerkmal einer Vorrichtung zum Erwärmen von
Flüssigkeiten mit einer in einem Kesselraum angeordneten Brennkammer ist aber ein
weicher Anfahrstoß, der keine lauten Geräusche verursacht, nur eine geringe Schadstoffemission
aufweist und nur wenige Wartungsarbeiten erfordert.
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Die bisher bekanntgewordenen Vorrichtungen zum Erwärmen von Flüssigkeiten
weisen noch einen weiteren Nachteil auf, der in der Brennertechnik bislang unberücksichLigt
geblieben ist. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß der Strahlimpuls der Brepnerflamme
einen Unterdruck in der nahen UmgeSiiiny?er Brennermiiniuncg hervc rruft, weil das
Luft-Brennstoffgemis.h den Brennermund mit über druck verläßt und in die Brennkammer
strömt. Dieser Unterdruck, der zwangsläufig auftritt, hat mehrere unerwünschte Effekte
ur Folge. Wenn nämlich eine Zone mit Unterdruck vorhanden ist, so versucht sich
dieser bekanntlich auszugleichen, und ein solcher Ausgleich erfolgt im vorliegenden
Fall durch eine Rückströmung aus dem mittleren Bereich oder der dem Brenner gegenüberliegenden
Seite der Brennkammer.
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Es hat sich nun gezeigt, daß der Ausgleich des Unterdrucks im Bereich
des Brenners nicht etwa kontinuierlich erfolgt, sondern daß ein sogenanntes "Pumpen''
auftritt, und daß sich dadurch geräuschvolle Rauchgasschwingungen einstellen. Da
die Rückströmung entgegen der Flammenrichtung und entgegen dem Strahlimpuls erfolgen
muß, bedarf es eines Unterdrucks bestimmter Größe, bevor die Rückströmung, und damit
der Ausgleich des Unterdrucks, einsetzen kann. Nach dem stoßweise erfolgten Ausgleich
kann eine neuerliche Rückströmung erst wieder stattfinden, nachdem der Unterdruck
groß genug geworden ist. Auf diese Weise stellt sich das
erwähnte
Pumpen ein, das zu den störenden, geräuschvollen Rauchgas schwingungen führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile
zu vermeiden und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten zu schaffen, die
umweltfreundlich eingesetzt werden kann, möglichst geräuscharm und wartungsfrei
ist, und die sich durch einen weichen Anfahrstoß beim Brennerstart auszeichnet.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolge bei der eingangs vorausgesetzten
Vorrichtung dadurch, daß die eine Stirnseite der Brennkammer im Bereich des Brenners
zumindest teilweise offen ausgebildet ist, so daß ein Teil der in dem Zwischenraum
zum Abzug strömenden Rauchgase an der offenen Stirnseite angesaugt und crneut durch
die Brennkammer geführt vird.
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Während die bisher bekannten Brennkammern jeweils nur an einer Stirnscite
offen ausgebildet waren, ist bei der Erfindung also eine an beiden Stirnseiten offene
Brennkammer vorgesehen. Die Öffnung an der brennerseitigen Stirnseite ermöglicht
nun in vorteilhafter Weise einen solchen Ausgleich des auftretenden Unterdrucks,
daß die voranstehend erwähnten geräuschvollen Rauchgasschwingungen nicht mehr austreten.
Der Druckausgleich erfolgt nämlich nicht mehr durch die störenden Rückströmungen,
die innerhalb der Brennkammer auftreten, sondern durch die Strömung, die durch den
Zwischenraum zwischen der Brennkammerwand und dem Kesselmantel zum Abzug führt,
indem ein Teil der Rauchgase aus dem Zwischenraum in das obere Ende der Brennkammer,
wo also der Unterdruck entsteht, zurückströmt. Somit kann sich der Druckausgleich
also einstellen, ohne daß die dazu erforderliche Rückstriimung wie bei den bekannten
Vorrichtungen entgegen dem Strahlimpuls
der Brennerflamme erfolgt.
Die neue Vorrichtung ist daher sehr geräuscharm.
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Da bei der -Erfindung die Brennkammer selbst nur in Flammenrichtung
durchströmt wird, ergeben sich auch für den konvektiven Wärmeübergang besonders
günstige Verhältnisse. Daneben besitzt die Erfindung aber auch noch hinsichtlich
des Brennerstarts einen entscheidenden Vorteil. Wegen der brennerseitig mit einer
Öffnung für den Druckausgleich versehenen Brennkammer kann die beim Brennerstart
zwangsläufig entstehende Druckwelle auf kürzestem Weg zum Rauchgasabzug entweichen.
Der bei den bekannten Vorrichtungen nachteilige Druckanstieg wird also weitestgehend
vermieden, weshalb die erfindungsgemäße Vorrichtung sich durch einen Anfahrstoß
ohne starke Geräusche auszeichnet. Als Folge davon verringert sich die Wartungshäufigkeit,
weil wegen des kaum vorhandenen Druckanstiegs keine Brennstoffe beim Starten in
die Mischeinrichtung gelangen, welche daher auch kaum verschmutzt wird.
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Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch besonders umweltfreundlich
und praktisch geruchsfrei, da wegen des weichen Anfahrstoßes die Schadstoffemission
nur noch gering ist.
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Zu erwähnen ist auch noch die Tatsache, daß infolge der erfindungsgemäßbn
Öffnung zum Druckausgleich die spezifische Brennkammerbelastung erhöht werden kann.
Die gesamte Vorrichtung läßt sich damit in kleineren-,preisgünstigen Abmessungen
herstellen, etwa in solchen Abmessungen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch
in Küchen eingebaut werden kann.
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Um eine Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Betriebsbedingungen
zu ermöglichen, ist gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
daß der Öffnungsquerschnitt der zumindest teilweise offenen Stirnseite der Brennkammer
im Bereich des Brenners einstellbar ist. Zur Einstellung kann in vorteilhafter Weise
eine Regulierplatte vorgesehen sein, deren Fläche größer als die Querschnittsfläche
der Brennkammer ist. Durch Verändern des Abstandes der Regulierplatte von der brennerseitigen
Stirnseite der Brennkammer läßt sich in einfacher Weise die Größe der Öffnung verändern.
Zu diesem Zweck kann die Regulierplatte mittels einer Schraube mit Mutter an dem
Deckel des Kessels befestigt sein, wobei durch Drehung der Mutter der erwähnte Abstand
verändert werden kann.
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Die Öffnung an der brennerseitigen Stirnseite der Brennkammer läßt
sich auch dadurch herstellen, daß diese Stirnseite durch eine Scheibe vollständig
dicht abgeschlossen ist, und daß in die Scheibe selbst mindestens eine Öffnung angebracht
wird, deren Querschnitt verderbar ausgestaltet ist.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß
der Deckel des Kessels ein Rauchgasrohr aufnimmt, wodurch der Abzug für die Rauchgase
gebildet wird. Der Deckel des Kessels ist um die Kessellängsachse drehbar, so daß
die relative Lage des in eine Öffnung des Deckels einmündenden Rauchabzugs verändert
werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Anordnung des Rauchgasrohres bzw.
die Anordnung der Vorrichtung selbst der örtlichen Gegebenheit leicht anzupassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 - 3 jeweils
eine Querschnittsansicht je eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die zeichnerisch- dargestellten Vorrichtungen sind zum Erhitzen von
Wasser 8 vorgesehen, obwohl auch andere Flüssigkeiten, z.B. Thermalöl, erhitzt werden
können. Zur Erzeugung einer Flamme innerhalb der Brennkammer 10 ist ein Brenner
1 =vorgesehen für den gasförmige oder flüssige Brennstoffe, z.B. Öl, verwendet werden
können. Der Brenner 1 weist einen Brennerflansch 2 auf, mit dem er auf einem Kesseldeckel
16 aufliegt, durch den der Brennermund des Brenners 1 hindurchgeführt ist und in
den oberen Teil der Brennkammer 10 hineinragt. Der Kesseldeckel 16 weist eine Bohrung
13 auf, an die ein Rauchgasrohr 14 als Abzug angeschlossen ist. Wie man erkennen
kann, befinden sich das Rauchgasrohr 14 und der Brenner 1 etwa auf gleicher Höhe
an der oberen Seite der Brennkammer 1 0.
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Die Brennkammer 10 ist von einer Brennkammerwand umgeben, die in
den Fig. 1 und 2 durch eine das Wasser 8 führende Rohrschraube 4 gebildet ist. Die
einzelnen Windungen der Rohrschraube sind dicht aneinander angeordnet, so daß die
Brennkammerwand insgesamt dicht ist. In Fig. 3 wird die Brennkammerwand durch einen
Hohlkörper 6 gebildet, in dem sich das zu erhitzende Wasser 8 befindet.
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Weiterhin ist eine Pumpe 32 vorgesehen, durch die das Wasser 8 über
einen Rücklaufeintritt 34 in die Rohrschraube 4 (bzw. in den- Hohlkörper 6) gepumpt
wird. Im radikalen Abstand -zur Brennkammerwand befindet sich ein als Hohlkörper
ausgebildeter Kesselmantel 12, der ebenfalls mit Wasser 8 gefüllt ist. Wie in -Fig.
1 zu erkennen ist, ist der Kesselmantel 12 mit dem -oberen
Rohr
der Rohrschraube 4 verbunden, so daß das Wasser zunächst die Rohrschraube 4, dann
den Kesselmantel 12 und danach in den Heizungsvorlauf 3-6 strömt.
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Die Brennkammer 10 ist an ihrer dem Brenner 1 gegenüberliegenden
Stirnseite offen ausgebildet. Dort befindet sich eine Wendezone 11, in welcher -
wie durch die Pfeile angedeutet ist -die Rauchgase um etwa 1800 umgelenkt werden
und dann in den Zwischenraum 30 gelangen, der durch die Rohrschraube 4 und den Kesselmantel
12 gebildet wird. Während die-brennerseitige, obere Stirnseite der Brennkammer 10
bei den bisher bekannten Vorrichtungen vollständig geschlossen war, so daß die Rauchgase
von dem Zwischenraum 30 her direkt zum Rauchgasrohr 14 geleitet wurden, zeigen die
Darstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die brennerseitige Stirnseite
der Brennkammer 10 zumindestens zum Teil offen ausgebildet ist, so daß ein Teil
der den Zwischenraum 30 durchströmenden Rauchgase wieder in die Brennkammer 10 zurückgeführt
wird. Im Bereich des Brennermundes des Brenners 1 entsteht nämlich ein Unterdruck,
der das Bestreben hat, sich auszugleichen. Infolge dieses Druckausgleichs wird ein
Teil der Rauchgase von dem Zwischenraum 30 wieder in die Brennkammer 10 zurückgeführt,
wie durch die Pfeile angedeutet ist. Die erheblichen Vorteile eines solchen Druckausgleichs
sind weiter oben bereits beschrieben worden, so daß darauf an dieser Stelle nicht
näher eingegangen wird In den Fig. 1 und 2 ist eine Regulierplatte 26 dargestellt,
die zur Einstellung der besagten Öffnung 24 an der oberen Stirnseite der Brennkammer
10 vorgesehen ist. Die Regulierplatte 26 ist mitt-els einer Schraube 20 und einer
Flügelmutter 22 in der Weise an dem Kesseldeckel befestigt, daß der Abstand zwischen
der Regulierplatte 26 und der oberen Stirnseite der Brennkammer 10 durch Drehen
an der Schraube 22 verändert werden kann, wodurch
der Öffnungsquerschnitt
verändert wird. Dadurch läßt sich die Vorrichtung in einfacher Weise auf unterschiedliche
Betriebsbedingungen einstellen, da in unterschiedlichen Positionen der Regulierplatte
26 auch der Teil der in die Brennkammer 10 zurückgeführtenRauchgase unterschiedlich
ist. Bezüglich der Regulierplatte 26 sowie der Schraube 20 und der Flügelmutter
22 ist noch darauf hinzuweisen, daß letztere aus Gründen der besseren übersichtlichkeit
in Fig. 2 nicht dargestellt sind,und daß in dieser Fig die Regulierplatte 26 nur
zum Teil gezeigt ist. Wie das Ausführungsbeispielgemäß Fig. 3 zeigt, ist es auch
möglich, auf eine Regulierplatte 26 zu verzichten und die obere Stirnseite der Brennkammer
10 völlig offenzulassen. In Jedem Fall ist gewährleistet, daß ein Teil der durch
den Zwischenraum 30 zurückströmenden Rauchgase in die Brennkammer 10 zurückgeführt
wird, so daß ein Druckausgleich des im Bereich des Brennermundes entstehenden Unterdruckes
stattfindet.
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Der die Brennkammer 10 aufnehmende Kessel ist an seiner unteren Seite
durch einen Kesselboden 28 abgeschlossen,- auf welchem noch ein Feuerraumboden 17
(z.B. aus Keramik) angebracht sein kann. An seinem oberen Ende ist der Kessel durch
den schon erwähnten Kesseldeckel 16 abgeschlossen, decan einer Dichtung 18 anliegt.
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Die erfindungsgemäß- vorgesehene Öffnung 24 bewirkt, daß die Brennkammer
10 nur in Flammenrichtung durchströmt wird. Die Rückführung der Rauchgase erfolgt
über den Zwischenraum 30, dessen wassergekühlte Oberfläche im Verhältnis zum Querschnitt
des Zwischenraums sehr groß ist. Dieses begünstigt den -konvektiven Wärmeübergang.
Hervorzuheben ist auch noch, daß alle Heizflächen senkrecht angeordnet sind, um
Ruß- und Staubablagerungen zu vermeiden, die den Widerstand und die Abgastemperatur
erhöhen würden. Bei Niedertemperaturbetrieb, bei dem die Temperatur der Heizflächen
- also die Oberflächen der Rohrschraube 4 bzw. des Hohlkörpers.-6
und
des Kesselmantels 12 - unter dem Rauchgastaupunkt liegt und das Rauchgas kondensiert,
kann dann das Kondensat ungehindert ablaufen. Es gelangt zum warmen Feuerraumboden
17, wo es dann wieder verdampft.
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Infolge der Öffnung 24, durch die ein Teil der Rauchgase zum Druckausgleich
in die Brennkammer 10 zurückströmt, kann die spezifische Brennkammerbelastung erhöht
werden. Die gesamte Vorrichtun läßt sich daher in relativ kleinen und preisgünstigen
Abmessungen herstellen. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 zeigt hierzu eine Vorrichtung,
die in einen Schrank 40 mit solchen Abmessungen eingebaut ist, die der Küchen-Norm
entsprechen. Der Einsatz in Küchen wird auch dadurch möglich, daß die neue Vorrichtung
sehr geräuscharm arbeitet. Dies gilt nicht nur für den stationären Betriebszustand,
sondern auch für den Brennerstart, da wegen des durch die Öffnung 24 hergestellten
"Kurzschlusses" zwischen dem Brenner 1 und dem Rauchgasabzug der Anfahrstoß sehr
weich ist und nur geringe Geräusche verursacht. Zum Zwecke der Isolierung ist in
Fig. 2 der Kesselmantel 12 noch von einem geschlossenen, anliegenden Isoliermantel
38 umgeben.
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L e e r s e i t e