DE3006048A1 - Verfahren zum betrieb einer heizkesselanlage und dafuer geeignete vorrichtung - Google Patents
Verfahren zum betrieb einer heizkesselanlage und dafuer geeignete vorrichtungInfo
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Description
300604a
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 80 P 7 5 1 Q QE
Verfahren zum Betrieb einer Heizkesselanlage und dafür geeignete Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Heizkesselanlage mit eil am dem Feuerraum nachgeschalteten
Wärmeaustauscher sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
In herkömmlichen Heizkesselanlagen werden im großen Umfang Ölbrenner eingesetzt. Konventionelle Ölbrenner
mittlerer Leistung zerstäuben dabei das Heizöl mit Hilfe einer Düse und verbrennen es bei Luftüberschuß,
um die Rußbildung niedrig zu halten. Die Zerstäubungsbrennerleistung
kann aber nur sehr schwer und nur in engen Grenzen kontinuierlich gesteuert werden. Aus
diesem Grunde werden Zerstäubungsbrenner für Heizkesselanlagen intermittierend betrieben, so daß der Leistungsmittelwert dem Wärmeleistungsbedarf entspricht. Infolge
des Intervallbetriebes schwanken aber die Kesselwasser- und auch die Gastemperatur im Feuerraum, im Wärmeaustauscher,
in der Abgasleitung und/oder im Kamin, was sehr unerwünscht ist. Größere Schwankungen in der Abgastemperatur
sollen nämlich insbesondere deshalb vermieden werden, weil bei hohen Temperaturen nicht unbeträchtliche
Energieverluste auftreten und weil bei tiefen Temperaturen die Gefahr besteht, daß der Säuretaupunkt
unterschritten wird und es zu Korrosionserscheinungen kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heizkesselanlage der eingangs genannten Art in der Weise auszugestalten, daß
sie kontinuierlich betrieben werden kann, wobei die
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BAD ORIGINAL
--*— VPA 80 P 7 5 10 DE
Abgastemperatur des Heizkessels - auch bei veränderlichem
Wärmeleistungsbedarf und bedarfsproportionaler Brennerleistung - einen vorgegebenen Wert einhält.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein kontinuierlich regelbarer Brenner eingesetzt und die
effektive Wärmeaustauscherfläche der Brennerleistung angepaßt wird.
Der Heizleistungsbedarf, beispielsweise eines Wohngebäudes, hängt - ebenso wie die Heizungsvorlauftemperatur
- näherungsweise linear von der Außenlufttemperatur ab. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.
Aus Fig. 1 läßt sich entnehmen, daß der Leistungsbedarf etwa zwischen 15 und 100 % der Brennernennleistung
schwankt (Außenlufttemperatur: +15 bis -150C). Da bei einem Wärmeaustauscher die übertragene
Wärmeleistung eine Funktion der Temperaturdifferenz und der Wärmeaustauscherfläche ist, wird deshalb beim
erfindungsgemäßen Verfahren die effektive Wärmeaustauscherfläche nach einer von der Last abhängigen
Funktion geregelt. Auf diese Weise wird bei dem mit einem kontinuierlich regelbaren Brenner betriebenen Heizkessel
die Abgastemperatur - unabhängig von der lastproportionalen Brennerleistung - konstant gehalten, d.h.
die Abgastemperatur am Ausgang*der Heizkesselanlage hält - innerhalb bestimmter Grenzen - einen vorgegebenen
Wert ein.
unter der «effektiven Wärmeaustauscherfläche" wird im
Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung derjenige Teil
der wärmeaustauschenden Fläche verstanden, über den bei einem bestimmten Betriebszustand - der Wärmeübergang
im wesentlichen erfolgt. Da dies im allgemeinen Flächen sind, die mit strömendem Abgas in Berührung stehen, es
handelt sich also im wesentlichen um die sogenannten Nachschaltheizflachen, erfolgt erfindungsgemäß die
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-.5— VPA 80P75 10 DE
Anpassung der effektiven Wärmeaustauscherfläche an die Brennerleistung vorteilhaft in der Weise, daß die Anzahl
der vom Abgas durchströmten Einzelelemente des Wärmeaustauschers eine mit der Brennerleistung monoton
steigende Funktion ist.
Bei konstanter Differenz zwischen Abgas- und Kesselwassertemperatur
ergibt sich, daß die Anzahl der vom Abgas durchströmten Einzelelemente des Wärmeaustauschers
linear mit der Brennerleistung ansteigt, es liegt also eine Proportionalität vor. Wird der Heizkessel aber mit
gleitender Kesselwassertemperatur derart betrieben, daß bei niedriger Brennerleistung die Kesselwassertemperatur
niedrig und somit die Differenz zwischen Abgas- und Kesselwassertemperatur hoch ist, so steigt die erforderliche
Anzahl an vom Abgas durchströmten Einzelelementen des Wärmeaustauschers stärker als linear mit der
Brennerleistung an: es liegt eine monoton steigende Funktion vor; eine Abschätzung ergibt: η » Q/1-Q, wobei
η die Anzahl der vom Abgas durchströmten Einzelelemente des Wärmeaustauschers und Q die Brennerleistung ist.
Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Patentanmeldung können beispielsweise Verdampfungsbrenner, wie Schalenbrenner,
verwendet werden. Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zum. Betrieb der Heizkesselanlage
jedoch ein Vergasungsbrenner eingesetzt. Ein derartiger kontinuierlich regelbarer Brenner ist beispielsweise
aus der DE-AS 28 11 273 bekannt.
Der bekannte Brenner weist folgende wesentliche Strukturmerkmale auf:
- einen Vorraum zum Mischen eines mindestens teilweise verdampften flüssigen Brennstoffes mit Primärluft
- eine sich an den Vorraum anschließende Katalysatoreinrichtung zum Umwandeln des Dampf-Luft-Gemisches in
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ein Brenngas
- einen an die Katalysatoreinrichtung angrenzenden Mischraum zum Mischen des Brenngases mit Sekundärluft
- einen den Vorraum, die Katalysatoreinrichtung und den Mischraum konzentrisch umgebenden und vom Vorraum
durch eine Wand getrennten Ringraum
- einen sich konisch erweiternden Brennraum und eine den Brennraum abschließende gelochte Brennerplatte aus
porösem Material, welcher aus dem Mischraum das Brenngas-Luft-Gemisch zuführbar ist, und
- eine zwischen dem Brennraum und dem Mischraum angeordnete Zündkammer, die vom Mischraum rückschlagfrei
getrennt ist.
Zusätzlich dazu kann der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Vergasungsbrenner vorteilhaft noch in
der Weise weiter ausgestaltet sein, daß der Ringraum auch die Zündkammer und den sich konisch erweiternden
Brennraum ringförmig umschließt und sich bis in die Nähe der Brennerplatte erstreckt, und daß dort ein
Primärluft-Zuführungsstutzen in den Ringraum einmündet (vgl. dazu; deutsche Patentanmeldung Akt.Z.
P 28 41 105.4, «Vergasungsbrenner« - VPA 78 P 7542 BRD)'. Darüber hinaus können die Seitenwände der Zündkammer
und des Brennraumes aus Metall bestehen und eine Keramikauskleidung tragen. Ferner kann die Zündkammer
vom Brennraum durch eine Lochwand in der Weise getrennt sein, daß die gelochte Fläche der Brennerplatte größer
ist als die gelochte Fläche der Lochwand. Hierbei kann ferner am Gehäuse eine auf die Lochwand gerichtete
Flammüberwachungseinrichtung vorgesehen sein.
Der bekannte Vergasungsbrenner beruht auf dem Prinzip der zweistufigen Verbrennung. Hierbei wird in der ersten
Stufe Heizöl in einem katalytischen Reaktor durch partielle Oxidation mit Luft bei Luftzahlen zwischen
0,05 und 0,2, vorzugsweise bei etwa 0,1, vergast. Das
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dabei erhaltene Produktgas, das sogenannte Brenngas, wird dann in der zweiten Stufe mit der restlichen Luft
stöchiometrisch verbrannt, wobei hohe Brenntemperaturen erreicht werden.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß dem Feuerraum des Heizkessels ein Rohrbündelwärmeaustauscher nachgeschaltet ist. Dadurch wird eine
Heizkesselanlage mit einem regelbaren Wärmeaustauscher geschaffen, dessen effektive Wärmeaustauscherflache in
einfacher Weise durch geeignete Veränderung der - etwa zwischen 10 und 100 % des maximalen Heizleistungsbedarfes
veränderlichen - Heizleistung eines kontinuierlieh betriebenen Brenners derart angepaßt werden kann,
daß die Abgastemperatur einen vorgegebenen Wert einhält. Die notwendige Anpassung der effektiven Wärmeaustauscherfläche
an die variable Brennerleistung erfolgt dabei durch eine stufenweise Einschaltung des dem Feuerraum
nachgeschalteten Rohrbündelwärmeaustauschers, und zwar in der Art, daß die Anzahl der offenen Rohre des Wärmeaustauschers
eine mit der Brennerleistung monoton steigende Funktion ist.
Beim Einsatz eines Vergasungsbrenners' der vorstehend genannten Art, der stöchiometrisch, d.h. ohne wesentlichen
Luftüberschuß, betrieben wird, ist - beispielsweise
bei konstanter Kesselwassertemperatur - die Anzahl der offenen Wärmeaustauscherrohre gleichzeitig proportional
der Abgasmenge, da diese direkt proportional zur Brennerleistung ist. Andererseits bedeutet dies aber
auch, daß beim erfindungsgemäßen Betrieb einer Heizkesselanlage mit konstanter Kesselwassertemperatur das
Abgas am Kesselausgang - unter sämtlichen Betriebsbedingungen - nicht nur eine konstante Temperatur, sondern
auch eine konstante Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
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Die Veränderung der Wärmeaustauscherfläche durch Zu- und
Abschalten von Rohrbündelelementen kann bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage in der Weise erfolgen,
daß innerhalb der einzelnen Elemente, d.h. in den Rohren, oder am Ausgang des Rohrbündels (in den Einzelelementen)
Drosselklappen angebracht sind. Vorteilhaft kann auch am Rohrbündeleingang, d.h. in der Nähe des
Feuerraumes,.eine Stufenblende angeordnet sein.
Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Wärmeaustauscherfläche des Rohrbündelwärmeaustauschers an die Brennerleistung
mittels eines am Rohrbündelausgang angeordneten Drehschiebers. Zur Betätigung des Drehschiebers kann
beispielsweise ein Stellmotor vorgesehen sein, in Frage kommt jedoch auch ein Ausdehnungsthermostat am Ausgang
des Wärmeaustauschers. Die Regelung am Ausgang des Wärmeaustauschers hat den Vorxeil, daß ein relativ
kaltes Abgas zu regulieren ist; dies ist mechanisch einfacher zu bewerkstelligen. Darüber hinaus ist der Rohrbündelausgang
auch leichter zugänglich.
Die Steuerung des Drehschiebers bzw. der Stufenblende oder der Drosselklappen erfolgt in Abhängigkeit von der
Last, d.h. der Brennerleistung. Dazu kann beispielsweise der dem Brenner zugeführte Heizölvolumenstrom dienen.
Bei einem stöchiometrisch betriebenen Vergasungsbrenner (Luftzahl \ » 1,0) kann aber auch der dem Brenner zugeführte
Luftmassenstrom herangezogen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage kann ferner in der Abgasleitung ein Thermofühler angebracht sein.
Dieser Thermofühler kann - zusätzlich - zur Steuerung von Drehschieber usw. vorgesehen werden. Mit Hilfe des
in der Abgasleitung angeordneten Thermofühlers können
nämlich Temperaturabweichungen im Abgas berücksichtigt werden, die sich beispielsweise durch Änderung des Heizwertes
des eingesetzten Primärbrennstoffes ergeben.
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—3— VPA 80 P 7 5 1 O
Bei einer Heizkesselanlage liegt, wie bereits erwähnt, die minimale Brennerleistung (während der Übergangsperiode)
bei etwa 10 bis 15 % der .Maximalleistung. Ein 15 kW-Brenner beispielsweise muß demnach bis auf ca.
2 kW heruntergeregelt werden können. Unter Berücksichtigung des Brennerregelbereiches und der zulässigen
Abgastemperatur würde sich - ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen - deshalb folgendes ergeben: Bei einer Auslegung
des Heizkessels auf die unteren Grenzen der Abgastemperatur und der Brennerleistung würde die Abgastemperatur
bei maximaler Brennerleistung stark ansteigen und der Systemwirkungsgrad dadurch absinken. Würde der
Kessel dagegen - unter Beachtung der maximal zulässigen Abgastemperatur - auf die obere Grenze der Brennerleistung
ausgelegt werden, so würde sich bei Teillast zwar kein Wirkungsgradverlust, wohl aber ein starker
Abfall der Abgastemperatur mit den damit verbundenen nachteiligen Folgen ergeben.
Die genannten Nachteile sind bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage nicht gegeben, weil hier - durch die
vorstehend erläuterten Maßnahmen - eine konstante Abgastemperatur gewährleistet ist. Bei dieser Heizkesselanlage
wird darüber hinaus angestrebt, daß der variable Teil des Wärmeaustauschers dem Regelbereich
und der unveränderliche Teil der unteren Leistungsgrenze des Brenners entspricht. Aufgrund der vorstehend genannten
Daten entspricht deshalb bei der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage die - unveränderliche - Wärmeaustauscherfläche
des Feuerraumes, einschließlich der Wärmeaustauscherfläche eines immer offenen Rohres des Rohrbündelwärmeaustauschers,
vorteilhaft etwa 10 % der maximalen Brennerleistung, während die Fläche des dem
Feuerraum nachgeschalteten Wärmeaustauschers derart geregelt wird, daß die Abgastemperatur bei einer Steigerung
der Brennerleistung von 10 auf 100 % konstant bleibt.
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Anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
In Fig. 1 sind, wie bereits erwähnt, Kesselwassertemperatur und Heizleistung einer Heizkesselanlage als
Funktion der Außenlufttemperatur dargestellt.
In Fig. 2 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizkesselanlage
dargestellt und in Fig. 3 der Schnitt III-III durch die Ausführungsform nach Fig. 2. Die Heizkesselanlage IjO
ist mit einem Vorlaufrohr 11 und einem Rücklaufrohr 12
für das Warmwasser versehen. In den Feuerraum 13, der von einem Rohrbündelwärmeaustauscher 14 umgeben ist,
ragt ein regelbarer Brenner 15. Der Feuerraum 13 der Heizkesselanlage I-O ist zylindrisch ausgebildet und der
Rohrbündelwärmeaustauscher 14 ist dazu koaxial angeordnet. Bei einer Heizkesselanlage mit einer maximalen
Wärmeleistung von 15 kW weist der Feuerraum beispielsweise einen Innendurchmesser von 195 mm und eine Länge
von 350 mm auf.
Am Ausgang des Rohrbündelwärmeaustauschers 14 ist eine feste Abgassperre 16 und ein Drehschieber 17 angeordnet.
Der Drehschieber 17 wird - in Abhängigkeit von der Brennerleistung - durch einen Stellmotor 18 betätigt
und gibt dabei sukzessiv die Öffnungen der Rohre 19 des Rohrbündelwärmeaustauschers 14 frei. Durch die offenen
Rohre 19, die gleichmäßig um den Feuerraum 13 angeordnet sind, strömt das Abgas in die Abgasleitung 20 und
gelangt von dort in den Kamin. Der Drehbereich des Drehschiebers 17 ist dabei so eingestellt, daß der
Feuerraum 13 s'tets über wenigstens ein Rohr 19 des Rohrbündelwärmeaustauschers
14 mit der Abgasleitung 20 in Verbindung steht, d.h. eines der Rohre 19 ist immer
offen.
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-M-
—9— VPA 80 P 7 5 1 0 DE
Eine zwischen ca. 2 und 12 kW Heizleistung kontinuierlich regelbare Heizkesselanlage weist beispielsweise
29 - sukzessiv einschaltbare - Abgasrohre auf. Bei 4, 6, 8 und 10 kW Wärmeleistung ergibt sich folgende Abgas
zusammensetzung: Ruß2ahl 0, 13,5 % CO2, 0,5 % CO und
0,3 bis 0,7 % Op· Eine konstante Abgastemperatur von
ca. 1000C kann hierbei, wie Fig. 4 zu entnehmen ist, durch lastproportionales Zuschalten von Abgasrohren ab
5 kW erreicht werden. Die Abgastemperatur wird deshalb bei einem Wert von ca. 1000C gehalten, um einen ausreichenden
Abstand vom Säuretaupunkt einzuhalten, der bei ca. 850C liegt (Verwendung eines Heizöls mit einem
Gehalt von 0,3 bis 0,55 Gew.-% Schwefel). Entsprechendes
würde, wie Fig. 4 ebenfalls zeigt, für eine Abgastemperatur von 1200C gelten.
9 Patentansprüche
4 Figuren
4 Figuren
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- 12 - VPA 80 P 7 5 1 Q DE
Zusammenfassung
Verfahren zum Betrieb einer Heizkesselanlage und dafür geeignete Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Heizkesselanlage mit einem dem Feuerraum nachgeschalteten
Wärmeaustauscher und stellt sich die Aufgabe, eine derartige Heizkesselanlage in der Weise auszugestalten,
daß sie kontinuierlich betrieben werden kann, wobei die Abgastemperatur einen vorgegebenen Wert einhält. Erfindungsgemäß
wird dazu ein kontinuierlich regelbarer Brenner (15) eingesetzt und die effektive Wärmeaustauscherfläche
wird der Brennerleistung angepaßt. Bei einer entsprechenden Heizkesselanlage (10) ist dem
Feuerraum (13) des Heizkessels ein Rohrbündelwärmeaustauscher
(14) nachgeschaltet.
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Claims (9)
- 3006Q48 VPA 80 P 7 5 1 O DEPatentansprüche( 1.) Verfahren zum Betrieb einer Heizkesselanlage mit einem dem Feuerraum nachgeschalteten Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß ein kontinuierlich regelbarer Brenner eingesetzt wird und daß die effektive Wärmeaustauscherfläche der Brennerleistu.g angepaßt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anpassung der effektiven Wärmeaustauscherfläche an die Brennerleistung in der Weise erfolgt, daß die Anzahl der vom Abgas durchströmten Einzelelemente des Wärmeaustauschers eine mit der Brennerleistung monpton steigende Punktion ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Vergasungsbrenner verwendet wird.
- 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad.urch gekennzeichnet , daß dem Feuerraum (13) des Heizkessels ein Rohrbündelwärmeaustauscher ("1A-) nachgeschaltet ist.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß am Rohrbündelausgang ein Drehschieber (17) angeordnet ist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß am Rohrbündeleingang eine Stufenblende angeordnet ist.130034/0582■-"i^Oij-'lcJv.-i „,Αν.;VPA 80 P 7 5 1 0 DE
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß am Ausgang jedes Rohres (19) des Rohrbündelwäraieaustauschers (14) eine Drosselklappe angebracht ist.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (20) ein Thermofühler vorgesehen ist.
- 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherfläche des Feuerraumes (13) etwa 10 % der maximalen Brennerleistung entspricht.130034/05S2
Priority Applications (9)
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