DE3700444A1 - Heizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Heizkessel dieser Art mit Öl- oder Gasbrenner werden im Leistungsbereich von 10 bis 100 kW eingesetzt. Die Kessel werden mit heißer Brennkammer mit sogenannter Umkehrflamme betrieben. Der Brenner feuert in die zylindrische, topfför­ mige Brennkammer, die vorzugsweise aus Edelstahl besteht. Die Brennkammer umschließt die Flamme und nimmt, da sie nicht gekühlt ist, eine hohe Temperatur zwischen etwa 800 und 1100°C an. Dadurch ergibt sich eine rückstandslose Verbrennung des Brennstoffes. Die heißen Rauchgase strömen in der Brennkammer entgegengesetzt zur Flamme zurück. Nach einer nochmaligen Richtungsumkehr werden die Abgase in dem Ringspalt zwischen der Brennkammer und der Feuerraumwand zu dem Abgasrohr geführt. Die Wärmeübertragung erfolgt einer­ seits durch Strahlung von der Brennkammer auf die Feuer­ raumwand und andererseits insb. durch Wärmeaustausch zwi­ schen den Abgasen und der vorzugsweise gerippten Feuerraum­ wand.

Bei der Verbrennung, insb. bei der Verbrennung von Öl in den thermisch hochbelasteten Brennkammern, entstehen durch die verstärkte Verbrennungsreaktion impulsartige Schallwel­ len, die insb. auch durch den Kamin austreten und zu einer Lärmbelästigung in der Umgebung führen.

Diese Schalldruckwellen werden teilweise von den gerippten Heizflächen der Feuerraumwand absorbiert. Zur weiteren Ver­ ringerung der Lärmbelästigung ist es bekannt, in dem Abgas­ rohr des Kessels einen Absorptionsschalldämpfer in Form ei­ ner porösen Auskleidung des Abgasrohres und/oder einen Re­ laxationsschalldämpfer in Form von Querrippen vorzusehen. Diese Schalldämpferausführungen sind im wesentlichen nur bei Schallwellen im kHz-Frequenzbereich wirksam. Um Schall­ wellen geringerer Frequenz merklich zu dämpfen, müßten die­ se Schalldämpfer und damit das Abgasrohr eine große Länge aufweisen, die in der praktischen Anwendung nicht möglich ist. Besonders hohe Schalldrücke treten jedoch im Frequenz­ bereich von etwa 60 bis 500 Hz auf, in welchem diese be­ kannten Schalldämpfereinrichtungen wenig wirksam sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Heiz­ kessel der eingangs genannten Art eine Schalldämpfung auch im Frequenzbereich unter 500 Hz durch Maßnahmen zu bewir­ ken, die in den Heizkessel integrierbar sind und dessen Bauabmessungen nicht vergrößern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkma­ le des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Schalldämpfer in dem Raum zwischen dem Brennkammerboden und der Stirnwand des Feuerraumes an­ geordnet, in welche das Abgasrohr mündet. Der Schalldämpfer ist somit vollständig in den Heizkessel integriert und ver­ größert die Abmessungen des Heizkessels nicht. Insb. ist es auch möglich, bei einem bestehenden Heizkessel die vorhan­ dene Brennkammer gegen eine erfindungsgemäße Brennkammer mit Schalldämpfer auszutauschen, ohne den Heizkessel und die Heizungsanlage im übrigen umbauen zu müssen.

Vorzugsweise ist der Schalldämpfer an der Brennkammer befe­ festigt, so daß er zusammen mit der Brennkammer z.B. zur Reinigung aus dem Heizkessel herausgenommen werden kann. Ist der Schalldämpfer außerdem noch lösbar an der Brennkam­ mer befestigt, so wird dadurch die Reinigung des Schall­ dämpfers weiter erleichtert.

Der Schalldämpfer wird von den Abgasen durchströmt und lenkt diese dabei um. Dadurch ergibt sich eine Dämpfung insb. im niedrigen Frequenzbereich unter 500 Hz. Vorzugs­ weise weist der Schalldämpfer einen zur Brennkammer koaxia­ len zylindrischen Außenmantel auf, der im wesentlichen den Mantel der Brennkammer verlängert, die Abgase treten durch Eintrittsöffnungen in diesen Außenmantel ein, strömen durch kreisscheibenförmige Schikanen und gelangen in einen kon­ zentrischen Stutzen, der in das Abgasrohr führt. Vorzugs­ weise ragt der Stutzen koaxial in den Außenmantel hinein, so daß zwischen dem Außenmantel und dem Stutzen ein Zylin­ derringraum gebildet wird, der durch die kreisringförmigen Schikanen in wenigstens eine Ringkammer unterteilt ist. Diese Ringkammern bilden Resonanzräume für die Druckwellen der durchströmenden Abgase, die zu einer starken Dämpfung im niedrigen Frequenzbereich führen.

Durch die Anzahl und den gegenseitigen axialen Abstand der Schikanen kann das Volumen der einzelnen Resonanzkammern individuell dem Frequenzgang des Schalls angepaßt werden, um eine anlageorientierte optimale Dämpfung zu erhalten.

Die Modul-Bauweise von Brennkammer und Schalldämpfer ermög­ licht eine kostengünstige Fertigung des vielseitig modifi­ zierbaren Schalldämpfers.

Eine weitere Verbesserung der Schalldämpfung ist möglich durch eine Schalldämmschicht, die auf der Außenseite des Brennkammerbodens aufgebracht ist. Diese Schalldämmschicht begrenzt somit teilweise den Strömungsweg der Abgase im Schalldämpfer und führt dadurch zu einer zusätzlichen Schallabsorption. Im Abstand vor dieser Schalldämmschicht kann weiter ein Lochblech angeordnet sein, so daß außerdem auch noch ein den Strömungsweg der Abgase begrenzender Re­ sonanzhohlraum gebildet wird, der insb. in einem mittleren Frequenzbereich von etwa 250 bis 1000 Hz wirksam ist.

Eine weitere Verbesserung und Frequenzbeeinflussung der Dämpfung ist dadurch möglich, daß die zwischen den Schika­ nen gebildeten Resonanzhohlräume durch in Strömungsrichtung der Abgase, d.h. in Axialrichtung, verlaufende Trennwände kassettenförmig unterteilt sind.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die brennerseitige Öffnung der Brennkammer außerdem durch eine kreisringförmige Blende teilweise verschlossen. Diese Blen­ de kann bis auf den Flammendurchmesser des Brenners verengt sein. Die heißen Verbrennungsgase treten durch Löcher die­ ser Blende aus der Brennkammer aus. Die Blende verstärkt die Rezirkulation der heißen Verbrennungsgase, was für eine vollständige, rückstandslose Verbrennung förderlich ist. Weiter unterbricht die Blende zumindest teilweise die Aus­ breitung der Schallwellen aus der Brennkammer in den Ring­ spalt zwischen Brennkammer und Feuerraumwand und begünstigt dadurch die Schalldämpfung.

Eine weitere Verbesserung der Schalldämpfung ist durch eine Strahlungsplatte möglich, die brennerseitig an der Brenn­ kammer mit axialem Abstand angebracht ist und den Feuerraum verschließt. Die Strahlungsplatte kann dabei gleichzeitig zur Zentrierung des Brenners dienen. Die Strahlungsplatte reflektiert die aus der Brennkammer austretenden Schallwel­ len teilweise in die Brennkammer zurück, so daß die Dämp­ fungswirkung der Brennkammern gefördert wird. Die die Brennkammer teilweise abschließende Blende und die Strah­ lungsplatte, die die aus der mittigen Öffnung der Blende austretenden Schallwellen teilweise reflektiert, bewirken aufgrund des großen Volumens der Brennkammer eine Dämpfung insb. im sehr niedrigen Frequenzbereich von etwa 30 bis 60 Hz.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Heizkessels und

Fig. 2 einen Querschnitt des Heizkessels gemäß der Li­ nie I-I in Fig. 1.

Der im Ausführungsbeispiel dargestellte Heizkessel weist ei­ nen kreiszylindrischen Feuerraum auf, dessen Feuerraumwand 17 aus einem Gußrohr mit nach innen gerichteten axial ver­ laufenden Rippen 14 besteht. Die Feuerraumwand 17 ist von dem Wasserraum 15 des Heizkessels umschlossen. An der einen Stirnwand des Feuerraumes ist konzentrisch ein Brenner 12 angeordnet, der ein Öl- oder Gasbrenner sein kann. An der entgegengesetzten Stirnwand des Feuerraumes mündet ein Ab­ gasrohr 16, das an einen Kamin angeschlossen wird. Insofern ist der Heizkessel in herkömmlicher Weise aufgebaut.

In dem Feuerraum ist eine kreiszylindrische Brennkammer 8 aus Edelstahl mit topfförmig geschlossenem Boden 6 einge­ setzt. An dem Boden 6 ist im Inneren der Brennkammer 8 ein scheibenförmiges feuerfestes Formteil 7 z.B. aus Keramikfa­ ser eingesetzt, um den Boden 6 vor dem unmittelbaren Auf­ treffen der Brennerflamme 13 zu schützen. Die heißen Ver­ brennungsgase strömen in Umkehrrichtung entgegengesetzt zur Flamme 13 an der Wand der Brennkammer 8 zurück, treten brennerseitig aus der Brennkammer 8 aus und strömen durch den zwischen der Brennkammer 8 und der Feuerraumwand 17 ge­ bildeten Ringspalt zu dem Abgasrohr 16. Dabei geben die Ab­ gase über die Wärmetauscherflächen der Rippen 14 und der Feuerraumwand 17 ihre Wärme an das Wasser in dem Wasserraum 15 ab.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Heizkesseln erstreckt sich die Brennkammer 8 jedoch nicht über die gesamte axiale Länge des Feuerraumes, sondern nimmt nur einen Teil der axialen Länge ein, der je nach Kesseltyp etwa 1/2 bis 3/4 der Länge des Feuerrraumes beträgt. In dem zwischen dem Bo­ den 6 der Brennkammer 8 und der das Abgasrohr 16 aufnehmen­ den Stirnwand verbleibenden Teil des Feuerraumes ist der nachfolgend beschriebene Schalldämpfer angeordnet.

Dieser Schalldämpfer weist einen Außenmantel 1 auf, der sich kreiszylindrisch koaxial mit gleichem Durchmesser an die Brennkammer 8 anschließt. Koaxial in dem Außenmantel 1 ist ein rohrförmiger Stutzen 3 angeordnet, der in das Ab­ gasrohr 16 einführbar ist und brennkammerseitig in einem axialen Abstand von dem Boden 6 endet. An die Stirnwand des Feuerraums angrenzend ist der Außenmantel 1 mit dem Stutzen 3 über eine geschlossene Kreisringscheibe dicht verbunden, wobei eine zwischen diese Kreisringscheibe und die Stirn­ wand des Feuerraumes eingesetzte Isolierschicht 5 dazu dient, einerseits den Ringspalt zwischen Feuerraumwand 17 und Außenmantel 1 gegen das Abgasrohr 16 abzudichten und andererseits eine Wärmeübertragung von dem Außenmantel 1 auf die Stirnwand des Feuerraumes zu verhindern.

In den von dem Außenmantel 1 und dem Stutzen 3 gebildeten Zylinderringraum sind zwei kreisringförmige Schikanen 2 eingesetzt, die auf einem Kreisring angeordnete Löcher 18 aufweisen. Die Schikanen 2 unterteilen den zwischen Außen­ mantel 1 und Stutzen 3 gebildeten Zylinderringraum in zwei ringförmige Resonanzkammern. Zwischen der der Brennkammer 8 zugewandten Schikane 2 und dem Boden 6 der Brennkammer wird eine dritte Kammer gebildet, die über den Stutzen 3 mit dem Abgasrohr 16 in Verbindung steht.

Die von der Brennkammer 8 kommenden heißen Abgase strömen von dem Ringspalt zwischen der Brennkammer 8 und der Feuer­ raumwand 17 über radiale Eintrittsöffnungen im Außenmantel 1 in die abgasrohrseitige erste ringförmige Resonanzkammer, durch die Löcher 18 der ersten Schikane in die zweite ring­ förmige Resonanzkammer und durch die Löcher 18 der zweiten Schikane in die dritte Kammer und von der dritten Kammer durch den Stutzen 3 in das Abgasrohr 16. Das Durchströmen der ringförmigen Resonanzkammern unter Umlenkung der Strö­ mungsrichtung bewirkt eine starke Dämpfung der durch die Abgase übertragenen Schalldruckwellen.

Die Anzahl der Schikanen und ihrer gegenseitigen axialen Abstände können gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel geändert werden, um insb. das Volumen der ringförmigen Resonanzkammern für eine optimale Dämp­ fung dem Frequenzverlauf der Schallwellen optimal anzupas­ sen. Die ringförmigen Resonanzkammern bewirken insb. eine starke Dämpfung im Frequenzbereich zwischen 60 und 500 Hz.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden der Außen­ mantel 1, die Schikanen 2 und der Stutzen 3 eine komplette Baueinheit, die lösbar am Boden 6 der Brennkammer 8 befe­ stigt ist. Hierzu ist am Boden 6 der Brennkammer 8 koaxial eine Profilstange 4 mit kreuzförmigem Profil angebracht, z.B. angeschweißt, auf welche der Stutzen 3 aufgeschoben wird. Der gesamte Schalldämpfer kann zusammen mit der Brennkammer 8 aus dem Feuerraum zur Reinigung entnommen werden. Dabei kann auch der Schalldämpfer von der Brenn­ kammer entfernt werden, was dessen Reinigung erleichtert. Ebenso kann der Schalldämpfer zur Anpassung an den spe­ ziellen Frequenzverlauf der Schallwellen der Feuerung aus­ getauscht werden.

Es ist selbstverständlich auch möglich, den Schalldämpfer in anderer Weise an der Brennkammer zu befestigen, z.B. indem der Außenmantel 1 an der Brennkammer 8 angeschweißt oder mit dieser einstückig ausgebildet ist.

Eine weitere Verbesserung der Schalldämpfung ergibt sich, wenn in den ringförmigen Resonanzkammern kassettenförmige Trennwände angeordnet sind, die in der Strömungsrichtung der Abgase, d.h. achsparallel, verlaufen.

Eine weitere Verbesserung der Dämpfung ist möglich, wenn schalldämpferseitig auf dem Boden 6 der Brennkammer 8 zu­ sätzlich eine Dämmschicht aus einem porösen, wärmefesten Material, z.B. aus Keramikfaser oder Kunststoff, vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Absorptionsdämp­ fung bei der Umlenkung der Abgase in der dritten Kammer in den Stutzen 3.

Wird weiter vor dieser Dämmschicht in einem axialen Abstand noch ein zusätzliches Lochblech angeordnet, so bildet sich zwischen diesem Lochblech und der Dämmschicht ein zusätzli­ cher Resonanzraum. Dieser Resonanzraum kann außerdem auch durch kassettenförmig angeordnete Trennwände unterteilt sein. Ein solcher Resonanzraum ist insb. im mittleren Fre­ quenzbereich zwischen etwa 250 und 1000 Hz wirksam.

Eine Schalldämpfung im sehr niedrigen Frequenzbereich von etwa 30 bis 60 Hz findet bereits in der Brennkammer 8 statt. Diese Schalldämpfung wird dadurch verstärkt, daß die brennerseitige Öffnung der Brennkammer 8 durch eine kreis­ ringförmige Blende 9 verengt ist. Die Blende 9 kann soweit verengt sein, daß ihre zentrische Öffnung im wesentlichen dem Durchmesser der Flamme 13 des Brenners 12 entspricht. In der Blende 9 sind Durchtrittsöffnungen für die heißen Verbrennungsgase vorgesehen. Die Blende 9 verhindert den Austritt der heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer 8 und begünstigt damit die Rezirkulation der Verbrennungsgase in der Brennkammer 8. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Verbrennung aus und erhöht die Dämpfungswirkung der Brenn­ kammer 8 im niedrigen Frequenzbereich.

Am brennerseitigen Ende der Brennkammer 8 ist weiter über axiale Distanzstücke 11 eine Strahlungsplatte 10 ange­ bracht. Die Strahlungsplatte 10 verschließt den Feuerraum brennerseitig, wenn die Brennkammer 8 in den Feuerraum ein­ geschoben ist. Die Strahlungsplatte 10 weist eine zentri­ sche Öffnung für den Brenner 12 auf und dient somit gleich­ zeitig zur Zentrierung des Brenners 12. Die Strahlungsplat­ te 10 reflektiert die durch die mittige Öffnung der Blende 9 aus der Brennkammer 8 austretenden Schallwellen zumindest teilweise in die Brennkammer 8 zurück und verbessert somit die Dämpfungswirkung im niedrigen Frequenzbereich zusätz­ lich.

Die Anzahl und der Querschnitt der Durchtrittslöcher in der Blende 9 der radialen Eintrittsöffnungen im Außenmantel 1 des Schalldämpfers und der Löcher 18 in den Schikanen 2 be­ stimmt sich im wesentlichen aus den Erfordernissen des Strömungswiderstandes und der Schalldämpfung.

Am Innenumfang der Blende 9 können Strömungsleitkörper aus keramischem Material angeordnet sein, die in die Brennkam­ mer 8 hineinragen. Die Strömungsleitkörper bewirken eine gleichmäßige Verteilung der Verbrennungsgase bei der Re­ zirkulation und verbessern dadurch zusätzlich die Verbren­ nung.

Claims (17)

1. Heizkessel mit einem Feuerraum, in dessen einer Stirn­ wand ein Brenner und dessen entgegengesetzter Stirnwand ein Abgasrohr angeordnet sind, mit einer im wesentli­ chen zylindrischen, einseitig geschlossenen Brennkam­ mer, die mit radialem Abstand koaxial in den Feuerraum einsetzbar ist, und mit einer Schalldämpfungseinrich­ tung, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalldämpfungseinrichtung zwischen den Boden (6) der Brennkammer (8) und der abgasrohrseitigen Stirnwand des Feuerraumes ein von den Abgasen durch­ strömter, diese umlenkender Schalldämpfer vorgesehen ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldämpfer an der Brennkammer (8) befestigt und zusammen mit der Brennkammer (8) aus dem Feuerraum (17) herausnehmbar ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldämpfer lösbar an der Brennkammer (8) befe­ stigt ist.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldämpfer von den Abgasen durchströmte Kammern aufweist, die durch Schikanen (2) voneinander getrennt sind.

5. Heizkessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldämpfer einen zu der Brennkammer (8) koaxia­ len zylindrischen Außenmantel (1) mit radialen Ein­ trittsöffnungen, einen sich an das Abgasrohr (16) an­ schließenden Stutzen (3) und kreisscheibenförmige Schi­ kanen (2) aufweist.

6. Heizkessel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (1) und der Stutzen (3) einen Zylinder­ ringraum bilden, der von wenigstens einer kreisringför­ migen Schikane (2) axial unterteilt ist, wobei die Ein­ trittsöffnungen des Außenmantels (1) abgasrohrseitig von der Schikane (2) und das Eintrittsende des Stutzens (3) brennkammerseitig von der Schikane (2) angeordnet sind.

7. Heizkessel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schikanen (2) in wählbarem gegenseitigem Ab­ stand vorgesehen sind.

8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen (2) mit Löchern (18) versehene Kreisringscheiben sind.

9. Heizkessel nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Boden (6) der Brennkammer (8) koaxial eine Profilstange (4) vorgesehen ist, auf welcher der Stutzen (3) zur Befestigung des Schalldämpfers auf­ steckbar ist.

10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den von den Abgasen durchström­ ten Räumen zwischen den Schikanen (2) in Strömungs­ richtung verlaufende, kassettenförmig angeordnete Trennwände vorgesehen sind.

11. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Schalldämpfer zugekehrten Seite des Bodens (6) der Brennkammer (8) eine wärmebeständige poröse Schalldämmschicht angeord­ net ist.

12. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß schalldämpferseitig im Ab­ stand von dem Boden (6) der Brennkammer (8) bzw. gege­ benenfalls vor der an diesem Boden angeordneten Schalldämmschicht ein Lochblech angeordnet ist.

13. Heizkessel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Lochblech und dem Boden (6) der Brennkammer (8) bzw. der Schalldämmschicht kasset­ tenförmig angeordnete Trennwände aufweist.

14. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) bren­ nerseitig durch eine kreisringförmige Blende (9) teil­ weise geschlossen ist.

15. Heizkessel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (9) bis maximal auf den Durchmesser der Flamme (13) des Brenners (12) geschlossen ist und Durchtrittslöcher aufweist.

16. Heizkessel nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende an ihrem Innenumfang in die Brennkammer (8) hineinragende Strömungsleitkörper aus keramischem Material trägt.

17. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Brennkammer (8) mit axialem Abstand von deren brennerseitigem Ende eine Strahlungsplatte (10) befestigt ist, die den Feuerraum brennerseitig abschließt und gegebenenfalls den Bren­ ner (12) zentriert.