DE3727372C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen als Brennwertkessel ausgebildeten Heizkessel nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Heizkessels nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 5.

Bei den überwiegend im Einsatz befindlichen Heizkesseln wird zur Aufheizung des Heizungswassers lediglich die sensible Wärme des Rauchgases herangezogen. Solche Heizkessel sind beispielsweise aus der DE-OS 31 40 821 und der DE-OS 32 10 327 bekannt. Es sind auch bereits sogenannte Brennwertkessel bekannt geworden, bei welchen auch die latente Wärme, die in den dampfförmigen bzw. flüssigen Produkten im Rauchgas enthaltene Wärme, durch eine Abkühlung des Rauchgases unter die Kondensationstemperatur dieser Produkte nutzbar gemacht wird. Hierzu wird beispielsweise auf die DE-OS 30 44 691 und die DE-OS 35 03 535 verwiesen.

Bei einem weiteren bekannten Brennwertkessel, wie er aus der DE-OS 33 17 424 bekannt ist, ist in dem Heizkessel ein Wärmetauscher zur Aufheizung von Heizungswasser im Wärmetausch zu der Brennerflamme vorgesehen. Nach Durchströmen dieses Wärmetauschers wird das aus dem Heizkessel austretende Rauchgas unmittelbar in einen senkrecht angeordneten, der Höhe des Heizkessels entsprechenden Gegenstrom-Rauchgaswärmetauscher umgelenkt. Aufgrund des einzugigen Rauchgas/Heizwasser-Wärmetauschers muß der Rauchgas/Außenluft-Wärmetauscher relativ groß und aufwendig, mit einer großen Wärmetauscherfläche ausgelegt sein. Gleichwohl kann nicht immer sichergestellt werden, daß die erwünschten Kondensationstemperaturen des Rauchgases erreicht werden. Auch ist dieser bekannte Heizkessel hinsichtlich seiner Wärmekapazität und damit seiner Betriebszyklus-Eigenschaften noch nicht zufriedenstellend. Aufgrund der relativ geringen Wärmekapazität des einzugigen Rauchgas/Heizungswasser-Wärmetauschers ist insbesondere in Übergangszeiten ein häufiges Anspringen des Brenners erforderlich, wobei jedoch die Brenndauer relativ gering ist. Der Heizkessel kann nur kurzzeitig, wenn überhaupt, seine optimalen Betriebsbedingungen erreichen.

Verfahrensmäßig wird bei diesem bekannten Heizkessel die angesaugte Außenluft nach Durchsetzen des Rauchgas-/Außenluftwärmetauschers dem Brenner zugeleitet. Von dem Brenner nicht benötigte Außenluft kann mittels einer Drosselklappe derart gesteuert werden, daß sie nach außen abgegeben wird. Wenn bei dem bekannten Heizkessel nach einem Übergangszeitraum, wenn nach einem längeren Stillstand der Brenner wieder aktiviert wird, aufgrund von Wärmenachfrage im Heizungssystem, die Außenluft durch den Rauchgas-/Außenluftwärmetauscher geführt wird, tritt nicht notwendig bereits zu Beginn eine Abkühlung des Rauchgases unter die Kondensationstemperatur ein. Während des Stillstandes heizt sich der Abgaswärmetauscher durch die unmittelbare Nebeneinanderanordnung bei dem bekannten Heizkessel auf, etwa durch Abstrahlung. Die zunächst durchgesetzte Außenluft kann daher das Rauchgas nicht zuverlässig unter die Kondensationstemperatur abkühlen.

Der Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, einen als Brennwertkessel ausgebildeten Heizkessel anzugeben, der gebrauchsvorteilhafter ist und beim möglichst sicheren Erreichen der Kondensationstemperatur des Rauchgases wirtschaftlich günstig zu betreiben ist. Weiter stellt sich die Aufgabe, in verfahrensmäßiger Hinsicht, ein Verfahren zum Betreiben eines als Brennwertkessel ausgebildeten Heizkessels anzugeben, beim dem zuverlässig ein Abkühlen des Rauchgases unter die Kondensationstemperatur erreicht wird.

Diese Aufgaben werden bei einem Heizkessel der genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 5 gelöst.

Dadurch, daß der erste und der zweite Wärmetauscher konzentrisch zueinander angeordnet sind, ist eine hinsichtlich Abstrahlungsverlusten etc. sehr günstige Lösung gefunden, die eine sehr weitgehende Abkühlung des Rauchgases im Wärmetausch zu dem Heizungswasser ermöglicht, was sodann in dem dritten, nachgeschalteten Rauchgas/Außenluft-Wärmetauscher eine sehr sichere Abkühlung des Rauchgases unter die Kondensationstemperatur ermöglicht. Die Mündung des Außenluftweges des dritten Wärmetauschers in den Umgebungsbereich des Heizkessels kann bei dem Betreiben des Heizkessels vorteilhaft ausgenutzt werden, wie dies weiter unten noch im einzelnen erläutert ist. Die energetisch günstige Ausgestaltung des Heizkessels wird auch dadurch erreicht, daß die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlungs- bzw. Konvektionswärmetauscher durch ein von oben in den ersten Wärmetauscher hineinragendes und im Bodenbereich des ersten Wärmetauschers mündendes Verbindungsrohr, welches den Zulauf von dem ersten Wärmetauscher darstellt, gegeben ist.

Verfahrensmäßig stellt das zuverlässige Erreichen der Kondensationstemperatur sicher, daß mit der Auskondensation die entsprechenden Schadstoffe aus dem Rauchgas entfernt werden. Desweiteren werden die niedrigen Rauchgastemperaturen mit höchster Zuverlässigkeit erreicht, was von Bedeutung ist für die Werkstoffwahl und beispielsweise die Ausführung des angeschlossenen Kamins. Das Erreichen der erforderlichen Temperatur in dem Rauchgas-/Außenluftwärmetauscher ist auch durch eine einfache Temperaturregelschaltung zuverlässig erreichbar bei unterschiedlichen Außenlufttemperaturen.

Im einzelnen ist vorgesehen, daß der Anschluß für den Heizungsvorlauf in einem oberen Bereich des ersten Wärmetauschers angeordnet ist und daß der Brennraum von unten nach oben durchströmt wird. Damit befindet sich der Anschluß für den Heizungsvorlauf auch zugeordnet zu dem Umlenkbereich für die Rauchgase, wenn auch im einzelnen die Rauchgasführung den ersten Wärmetauscher noch um einiges überragen kann. Bezüglich des ersten Wärmetauschers ergibt sich damit praktisch eine Gleichstromführung des Rauchgases und der Wasserströmung in dem ersten Wärmetauscher. Da aber die Temperaturen in dem Brennraum, dessen innere Wandung der erste Wärmetauscher bildet, sehr hoch sind und der Wärmetausch hier zu einem sehr hohen Anteil auf Strahlung beruht, ist dies wärmetechnisch fast ohne Bedeutung.

Die Rauchgase werden sodann durch den zweiten, äußeren Rauchgas-/Wasserwärmetauscher geleitet, welcher in Form eines Röhrenwärmetauschers ausgebildet ist, wobei die Rauchgase durch den zweiten Wärmetauscher durchsetzende Rohre strömen. Hierbei ist die Strömung des Rauchgases der Wasserströmung in dem zweiten Wärmetauscher entgegengesetzt.

Die Verbindung des ersten und zweiten Wärmetauschers ist vorteilhaft dadurch realisiert, daß der Zulauf des ersten Wärmetauschers durch ein von einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers ausgehendes, von oben in den ersten Wärmetauscher hineinragendes und im Bodenbereich des ersten Wärmetauschers mündendes Verbindungsrohr gegeben ist. Bei raumsparender Anordnung ist zugleich eine wärmetechnisch vorteilhafte Lösung dadurch gefunden. Darüber hinaus ist der Anschluß für den Rücklauf des Heizsystems durch ein in einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers eintretendes und im unteren Bereich des zweiten Wärmetauschers mündendes Zulaufrohr gegeben.

Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, daß unterhalb des zweiten Wärmetauschers, der konzentrisch zu dem zylinderartigen ersten Wärmetauscher angeordnet ist, der dritte Wärmetauscher angeordnet ist, und daß ein gemeinsamer Kondensatablauf für den zweiten und dritten Wärmetauscher vorgesehen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel ist es nicht ausgeschlossen bzw. sogar erwünscht, daß, je nach den Randbedingungen, bereits in dem zweiten Wärmetauscher eine Kondensation eintritt. In jedem Fall wird in dem dritten Wärmetauscher die vollständige Kondensation erreicht. Die Untereinanderanordnung dieser Wärmetauscher läßt vorteilhaft eine gemeinsame Abführung des anfallenden Kondensates zu. Darüber hinaus ergibt sich auch ein insgesamt kompakter Aufbau des Heizkessels, sowie, insbesondere bei stationärem Brennerbetrieb, eine wärmetechnisch vorteilhafte Abschirmung auch im unteren Bereich des Heizkessels. Der dritte Wärmetauscher umgibt den Brennraum bevorzugt im Bereich des Brenners.

Die verfahrensmäßige Ausgestaltung, daß dem Rauchgas-/Luftwärmetauscher Außenluft zugeführt wird und daß die Außenluft nach Durchsetzen des Wärmetauschers der Umgebung des Heizkessels zugeleitet wird, erbringt die erwünschte zuverlässige Absenkung der Rauchgastemperatur unter die Kondensationstemperatur der im Rauchgas enthaltenen flüssigen Produkte, insbesondere des dampfförmigen Wassers.

Um auch in einem Übergangszeitraum, wenn nach einem Stillstand der Brenner wieder aktiviert werden soll, auf Grund von Wärmenachfrage im Heizungssystem, die Abkühlung unter die Kondensationstemperatur in dem dritten Wärmetauscher sicherzustellen, schlägt die Erfindung vor, daß zunächst bei inaktivem Brenner für eine gewisse Abkühlungszeit, vorzugsweise einige Minuten, beispielsweise 3-6 Minuten, der Rauchgas-/ Luftwärmetauscher mit Außenluft durchströmt wird. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Betrieb eines Heizkessels, bei welchem der Brenner bei Wärmenachfrage im Heizungssystem aktiviert wird, wird erfindungsgemäß diese Aktivierung des Brenners für einen gewissen Zeitraum unterdrückt, während aber, beispielsweise durch eine Aktivierung eines Gebläses, die Durchströmung des dritten Wärmetauschers mit Außenluft ausgelöst wird. Dieser Maßnahme kommt in dem erfinderischen Konzept erhebliche Bedeutung zu.

Darüber hinaus ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß ein in der Abgasleitung gewöhnlich angeordnetes Gebläse in der zuvor definierten Abkühlzeit inaktiv ist. Damit ist weiter sichergestellt, wie an sich schon auf Grund des sich durch die Konstruktion des Brennwertkessels ergebenden "Thermosiphon-Effekt", daß während der Abkühlzeit eine Abkühlung im Brennraum und den nachgeschalteten Rauchgaswegen bis zum dritten Wärmetauscher, etwa auf Grund von den Brennraum und die genannten Rauchgaswege durchströmender (kalter) Umgebungsluft bei nicht aktiviertem Brenner, vermieden wird.

Während der vorgeschalteten Abkühlzeit, bevor eine Aktivierung des Brenners bei gleichwohl gegebener Wärmenachfrage in dem Heizungssystem schaltungstechnisch möglich ist, könnte sich eine Komforteinbuße ergeben. Erfindungsgemäß ist daher weiterhin vorgesehen, daß während der Abkühlzeit zur Vermeidung von Komforteinbußen Warmwasser aus den Rauchgas-/Warmwasserwärmetauschern in das Heizungssystem bevorzugt aus dem ersten bzw. inneren Rauchgas-/Warmwasserwärmetauscher eingespeist wird, da das in diesem befindliche Wasser regelmäßig die höchsten Temperaturen aufweisen wird. Es versteht sich, daß sich je nach Größe des Heizungssystems eine entsprechende Größe dieses ersten Wärmetauschers hinsichtlich des Wasservolumens empfiehlt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine - schematische - Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Heizkessels; und

Fig. 2 ein Blockschaltdiagramm des Heizkessels.

Dargestellt und beschrieben ist ein Heizkessel 1, der als sogenannter Brennwertkessel arbeitet, mit einem ersten Wärmetauscher 2 und einem zweiten Wärmetauscher 3, welche als Rauchgas-/Wasserwärmetauscher ausgelegt sind, zur Aufheizung von Warmwasser für ein Heizungssystem.

Der erste Wärmetauscher 2 und der zweite Wärmetauscher 3 sind zylinderartig ausgebildet, wobei der erste Wärmetauscher 2 unmittelbar den Brennraum umgibt und der zweite Wärmetauscher 3 konzentrisch zu dem ersten Wärmetauscher 2 angeordnet ist.

Der Brenner 4 ist im unteren Bereich des Heizkessels 1 angeordnet, so daß die Rauchgase nach oben strömen, wo sie in einem Umlenkbereich 5 umgelenkt werden und durch Rohre 6, die den zweiten Wärmetauscher 3 durchsetzen, wieder nach unten strömen.

Bei dem Brenner 4 handelt es sich um einen atmosphärischen Brenner.

Der Vorlauf 7 des Heizungssystems ist an den ersten Wärmetauscher 2, in dessen oberen Bereich, angeschlossen. Der Rücklauf 8 des Heizungssystems ist an den zweiten Wärmetauscher 3 angeschlossen. Im einzelnen ist der Rücklauf 8 durch ein im oberen Bereich in den zweiten Wärmetauscher 3 eintretendes Rücklaufrohr realisiert, welches im unteren Bereich 9 des zweiten Wärmetauschers 3 mündet.

Der Heizkessel 1 weist darüber hinaus einen dritten Wärmetauscher 10 auf, in welchem das Rauchgas im Wärmetausch zu angesaugter Außenluft geführt ist. Die Außenluft wird über eine Zuleitung 11 mittels eines in der Zuleitung 11 befindlichen Gebläses 12 angesaugt. Beispielsweise kann die Zuleitung 11 in einem Fensterbereich 13 eines Raumes, in welchem sich der Heizkessel 1 befindet, nach außen münden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Außenluft durch eine ringförmig den Heizkessel 1 im Bereich des Brenners 4 umgebende Leitung 14 geleitet. Die Leitung 14 mündet, was im einzelnen nicht dargestellt ist, unmittelbar in die Umgebung des Heizkessels 1.

Der erste Wärmetauscher 2 und der zweite Wärmetauscher 3 sind durch ein von einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers 3 ausgehendes, von oben in den ersten Wärmetauscher 2 hineinragendes und im Bodenbereich 15 des ersten Wärmetauschers 2 mündendes Verbindungsrohr 16 strömungsmäßig miteinander verbunden.

Wie ersichtlich, ist der dritte Wärmetauscher 10 unterhalb des ersten Wärmetauschers 3 angeordnet und es ist ein gemeinsamer Kondensatablauf 17 für den zweiten Wärmetauscher 3 und den dritten Wärmetauscher 10 vorgesehen. Der dritte Wärmetauscher 10 umgibt den Brennraum des Kessels 1 also etwa im Bereich des Brenners 4.

In der Blockschaltbilddarstellung gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, daß dem Brenner 4 aus der Umgebung des Heizkessels 1 vorgewärmte Frischluft zugeführt wird. Nach Durchsetzen des Brenners weisen die Rauchgase bei 19 etwa eine Temperatur von 450 Grad Celsius auf. Bei dieser Temperatur heizen sie das Warmwasser in dem ersten Wärmetauscher 2 auf, vorwiegend durch Strahlung. Nach dem ersten Wärmetauscher 2 besitzen die Rauchgase bei 20 etwa eine Temperatur von 140 Grad Celsius, mit welcher sie in den zweiten Wärmetauscher 3 eintreten. Dort wird, vorwiegend durch konvektiven Wärmeübergang, dem Rauchgas weiter Wärme entzogen, so daß es bei 21 etwa eine Temperatur von 70 Grad Celsius aufweist. In dem dritten Wärmetauscher 10 wird das Rauchgas weiter abgekühlt, soweit, daß es zuverlässig immer eine Temperatur von weniger als etwa 37 Grad Celsius bis 40 Grad Celsius bei 22 aufweist, oftmals auch noch darunter. Dem dritten Wärmetauscher 10 wird Frischluft durch die Zuleitung 11 zugeführt, während bei dem dritten Wärmetauscher 10 und dem zweiten Wärmetauscher 3 gleichzeitig Kondensat anfällt, welches in den Kondensatablauf 17 strömt.

Nach Durchsetzen des dritten Wärmetauschers 10 wird das Rauchgas der Abgasleitung 23 zugeführt, durch welche es, auf Grund des Gebläses 24, nach außen abgegeben wird.

Der zweite Wärmetauscher 3 ist mit dem ersten Wärmetauscher 2 über das Verbindungsrohr 16 verbunden.

Zwischen dem Vorlauf 7 und dem Rücklauf 8 des Heizungssystems 25 bzw. des Kessels 1 ist ein üblicher, bekannter Vier-Wege-Mischer 26 eingebaut.

Bei einer Wärmenachfrage in dem Heizungssystem 25 wird zunächst - lediglich - das Gebläse 12 in der Zuleitung 11 aktiviert, welches (kalte) Außenluft dem dritten Wärmetauscher 10 durchführt. Hierdurch wird der dritte Wärmetauscher 10 zuverlässig soweit abgekühlt, daß bei nachfolgendem Anspringen des Brenners 4 jeweils die erforderliche, den Kondensationspunkt der flüssigen Produkte in dem Rauchgas unterschreitende, Temperatur aufweist, bzw. diese Temperatur sich dort einstellt. Gewöhnlich beträgt die erforderliche Abkühlzeit etwa 3-6 Minuten.

Zur Vermeidung von Komforteinbußen wird während dieser Abkühlzeit aus dem ersten Wärmetauscher 2 über den Vorlauf 7 Warmwasser in das Heizungssystem 25 eingespeist.

Claims (7)

1. Als Brennwertkessel ausgebildeter Heizkessel, mit einem Wärmetauscher zur Aufheizung von Heizungswasser im Wärmetausch zu der Brennerflamme bzw. dem Rauchgas, mit einem Anschluß für den Vor- bzw. Rücklauf eines Heizungssystems, und mit einem Wärmetauscher für einen Wärmetausch des Rauchgases mit eingesaugter Außenluft, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Wärmetauscher (2, 3) zur Aufheizung des Heizwassers konzentrisch zueinander angeordnet sind, daß der Außenluftweg des dritten, nachgeschalteten Wärmetauschers (10) in den Umgebungsbereich des Heizkessels mündet und daß der Zulauf des ersten Wärmetauschers (2) durch ein von einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers (3) ausgehendes, von oben in den ersten Wärmetauscher (2) hineinragendes und im Bodenbereich (15) des ersten Wärmetauschers (2) mündendes Verbindungsrohr (16) gegeben ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß für den Rücklauf (8) des Heizsystems (25) durch ein in einem oberen Bereich des zweiten Wärmetauschers (3) eintretendes und im unteren Bereich (9) des zweiten Wärmetauschers (3) mündendes Zulaufrohr gegeben ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wärmetauscher (10) unterhalb des zweiten Wärmetauschers (3) angeordnet ist und daß ein gemeinsamer Kondensatablauf (17) für den zweiten Wärmetauscher (3) und den dritten Wärmetauscher (10) vorgesehen ist.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wärmetauscher (10) den Brennraum im Bereich des Brenners (4) umgibt.

5. Verfahren zum Betreiben eines als Brennwertkessel ausgebildeten Heizkessels, wobei ein Rauchgas-/Luftwärmetauscher vorgesehen ist, wobei weiter dem Rauchgas-/Luftwärmetauscher Außenluft zugeführt wird und die Außenluft nach Durchsetzen des Wärmetauschers dem Heizkessel zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wärmenachfrage in dem angeschlossenen Heizungssystem zunächst bei inaktivem Brenner für eine gewisse Abkühlzeit, vorzugsweise einige Minuten, beispielsweise 3-6 Minuten, der Rauchgas-/Luftwärmetauscher mit Außenluft durchströmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in der Abgasleitung ein Gebläse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gebläse in einer Kaminleitung während der Abkühlzeit inaktiv ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abkühlzeit zur Vermeidung von Komforteinbußen Warmwasser aus dem Rauchgas-Warmwasserwärmetauscher in das Heizungssystem eingespeist wird.