DE4428942C1 - Gasheizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasheizkessel, bestehend aus einem mit Vor- und Rücklaufanschlüssen versehenem wasser­ führenden Gehäuse, in dem eine Brennkammer mit Brenner und mit einem spaltartigen, zum Gasabzug führenden Heiz­ gaszug angeordnet ist.

Ein derartiger Heizkessel ist bspw. nach der DE 29 43 590 C2 bekannt, der nur insofern von der üblichen Kesselbau­ weise - relativ großvolumiges Gehäuse mit entsprechend großer Brennkammer - abweicht, als hierbei der Konvekti­ onsbereich, d. h., als Heizgaszugbereich spaltartig ausge­ bildet ist, und zwar in der Weise, daß entsprechend durchmesserkleine Rohre zur Verwendung kommen, die radial oder axial die Verbindung zwischen Brennkammer und Gasab­ zug herstellen, oder daß der Konvektionsbereich aus zwei im wesentlichen planparallelen oder konischen, drehsymme­ trischen Wänden besteht, die zwischen sich einen spalt­ förmigen Zwischenraum einschließen, der von den Verbren­ nungsabgasen auswärts gerichtet durchströmt wird. Zweck einer derartigen Ausbildung ist, den Konvektionsbereich von den Heizgasen laminar durchströmen zu lassen, um un­ abhängig von der Kesseltemperatur eine Kondensation der Verbrennungsgase an den betroffenen Kesselwänden zu ver­ hindern. Dies verlangt eine entsprechend hohe Pressung durch das Gebläse des Brenners.

Um genügend Wärmeübergangsfläche unterbringen zu können, verlangt dies ferner entsprechend relativ große radiale oder axiale Abmessungen des Heizkessels und, sofern der Heizgasabzug rohrförmig ausgebildet ist, eine Vielzahl von durchmesserkleinen Rohren. Außerdem verlangt das da­ für erforderliche Brennergebläse eine entsprechend hohe und permanente Stromaufnahme während des Kesselbetriebes.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, un­ ter Ausnutzung der vorteilhaften Betriebsweise eines sol­ chen Heizkessels, diesen dahingehend zu verbessern, daß dieser bei kompakter Bauweise zumindest im Dauerbetrieb ohne Stromaufnahme für die Gaszuförderung und Verbren­ nungsgasabförderung betrieben werden kann.

Diese Aufgabe ist mit einem Gasheizkessel der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß über dem als Gasflächenbrenner ausgebildeten Brenner und vor dem Zugang zum spaltartig ausgebildeten Heizgaszug eine Abgasturbine angeordnet ist, die als Antrieb mit einem gaszuströmseitig vor der Brennerfläche angeordneten Gas­ verdichter mittels einer Verbindungswelle gekoppelt ist.

Bevorzugt wird dafür eine Ausführungsform, bei der das Gehäuse aus zwei der Form des als Gasflächenbrenners aus­ gebildeten Brenners angepaßten, zueinander im wesentli­ chen formidentischen Kammern gebildet ist, die den zum Gasabzug führenden Gasabzugsspalt begrenzen, dessen Zu­ gang durch eine Öffnung in der brennerseitigen Kammer ge­ bildet ist. Der Gasflächenbrenner ist dabei gewölbt, vor­ zugsweise halbkugelförmig ausgebildet und die beiden ebenfalls im wesentlichen halbkugelförmigen Kammern sind diesen Brenner in Distanz glockenförmig übergreifend an­ geordnet.

Selbst wenn der Gasflächenbrenner ebenflächig oder an­ genähert ebenflächig ausgebildet sein sollte, so ergibt dies, in bezug auf die Brennerachse und in Draufsicht ge­ sehen, zwar einerseits einen radial großflächigen Heiz­ kessel, der aber andererseits extrem flach baut. Auf Ko­ sten dieser extremen Flachbauweise, aber immer noch räum­ lich sehr kompakt bleibend, wird jedoch die Ausführungs­ form bevorzugt, bei der ein halbkugelförmiger bzw. an­ genähert halbkugelförmiger Gasflächenbrenner zur Verwen­ dung kommt, was mit einer Reduzierung der radialen Abmes­ sungen verbunden ist, ohne daß dabei die wirksame Fläche des Gasflächenbrenners reduziert werden muß, d. h., bei bspw. Beibehaltung des Durchmessers eines ebenflächigen Gasbrenners läßt sich bei Halbkugelform ein Mehr an wirk­ samer Brenner- und Übertragungsfläche unterbringen. Trotz kompakter Bauweise und erforderlicher Pressung ist wäh­ rend des Betriebes keine Stromaufnahme für die Gasförde­ rung erforderlich, da dafür die abströmenden Verbren­ nungsgase selbst genutzt werden, die die Abgasturbine und damit den Gasverdichter antreiben, der das sonst erfor­ derliche und immer Strom aufnehmende Gebläse ersetzt.

Insoweit ist auch die bevorzugte Ausführungsform des Gas­ flächenbrenners als Halbkugel von besonderer Bedeutung, da in dieser Halbkugel der Verdichter ebenfalls raumspa­ rend unterbringbar ist, was noch näher erläutert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen in folgen­ dem:
In Anpassung an die Geometrie von Brenner und Brennkammer in gewölbter Form und an das sich reduzierende Verbren­ nungsgasvolumen ist einerseits der Brennkammerraum zwi­ schen der Brennerfläche und der brennerseitigen Kammer des Gehäuses sich zur den Zugang zum Heizgaszug bildenden Öffnung hin erweiternd ausgebildet und andererseits ist der von beiden Kammern des Gehäuses begrenzte, spaltar­ tige Heizgaszug sich zum Gasabzug hin verengend ausgebil­ det.

Insbesondere bei vertikaler Orientierung der Brennkammer­ achse, bei der die aus dem Spalt abströmenden Verbren­ nungsgase ringsum in Form eines Schlauches austreten, ist vorteilhaft der Gasabzug in Form eines ringförmigen, das Gehäuse umfassenden Abgassammelkanales ausgebildet.

Bei horizontaler Orientierung der Brennkammerachse (Wandmontage des Heizkessels) kann dies zwar auch vorge­ sehen werden, da aber hierbei die abströmenden Verbren­ nungsgase eine nach oben gerichtete Tendenz haben, kann hierbei ein oben angeordneter Abzug vorgesehen werden oder der ringförmige Abgassammelkanal wird etwas nach oben exzentrisch versetzt angeordnet. Insbesondere bei gewölbter Ausbildung, d. h., bspw. Halbkugelform des Gas­ flächenbrenners wird das aus beiden Kammern gebildete Ge­ häuse und der Gasflächenbrenner miteinander aufschwenkbar verbunden, um leicht und ohne den Brenner direkt abmontieren zu müssen, an die Brennkammer und den Brenner im Bedarfsfall herankommen zu können.

Ferner sind bei vertikaler Anordnung der Brennkammerachse und bei im wesentlichen halbkugelförmiger Ausbildung der beiden Kammern der Vorlaufanschluß der äußeren Kammer und der mindestens eine Vorlaufanschluß der brennkammerseiti­ gen Kammer des Gehäuses jeweils an der höchsten Stelle dieser Kammern angeordnet, und der Vorlaufanschluß der brennkammerseitigen Kammer durchgreift die äußere Kammer.

Bei für eine Wandmontage vorgesehenen Gasheizkessel sind diese Vorlaufanschlüsse zweckmäßig nach oben und die Rücklaufanschlüsse nach unten zu verlegen, was noch näher erläutert wird.

Im übrigen kann der erfindungsgemäße Gasheizkessel sowohl als Tief- und Niedertemperaturkessel als auch als Brenn­ wertkessel betrieben werden, wofür man lediglich den Vor­ lauf mit dem Rücklauf vertauschen müßte. Für den Fall ei­ ner Gegenstromführung wäre dieser Kessel ein Brennwert­ kessel, für den Fall einer Gleichstromführung, nach Ver­ tauschung von Vorlauf und Rücklauf, wäre es ein Nieder­ temperaturkessel.

Der erfindungsgemäße Gasheizkessel und weitere vorteil­ hafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen nä­ her erläutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 einen Schnitt durch den Gasheizkessel bei ver­ tikaler Anordnung der Brennkammerachse;

Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt bei horizontaler Anordnung der Brennkammerachse (Wandmontage) und

Fig. 3 im Schnitt den Gasheizkessel im aufgeklappten Zustand.

Der Heizkessel besteht in bekannter Weise aus einem mit Vor- und Rücklaufanschlüssen 2, 3 versehenem wasserfüh­ renden Gehäuse 1, in dem eine Brennkammer 4 mit Brenner 5 und mit einem spaltartigen, zum Gasabzug 6 führenden Heizgaszug 7 angeordnet ist.

Für einen solchen Heizkessel ist nun, und zwar unabhängig davon, ob die Brennkammerachse 4 horizontal oder verti­ kal angeordnet wird, wesentlich, daß über dem als Gasflä­ chenbrenner 5′ ausgebildeten Brenner 5 und vor dem Zugang 10 zum spaltartig ausgebildeten Heizgaszug 7 eine Ab­ gasturbine 12 angeordnet ist, die als Antrieb mit einem gaszuströmseitig vor der Brennerfläche F angeordneten Gasverdichter 13 mittels einer Verbindungswelle 16 gekop­ pelt ist.

Dargestellt ist ein solcher Gasheizkessel in beiden Fig. 1, 2 in der bevorzugten Ausführungsform, d. h., halbkugel­ förmig in Anpassung an den ebenfalls halbkugelförmig aus­ gebildeten Gasflächenbrenner 5′, der im Inneren und in bekannter Weise mit zwei ebenfalls halbkugelförmigen Gas­ verteilern 17 (bspw. gelochte Bleche) ausgestattet ist, die wie die Brennerfläche F (bspw. engmaschiges Metallge­ webe) vom Brennerträger 19 getragen werden, durch den auch die hier nicht dargestellte Gaszufuhr erfolgt.

Das Gehäuse 1 besteht dabei aus zwei der Form des als Gasflächenbrenners 5′ ausgebildeten Brenners 5 angepaß­ ten, zueinander im wesentlichen formidentischen Kammern 8, 9, die den zum Gasabzug 6 führenden Gasabzugsspalt 7′ begrenzen, dessen Zugang 10 durch eine Öffnung 11 in der brennerseitigen Kammer 8 gebildet ist, in welcher Öffnung 11 die Abgasturbine 12, wie dargestellt, angeordnet ist, die als Antrieb mit dem Gasgemisch zuströmseitig vor der Brennerfläche F angeordneten Gasverdichter 13 verbunden ist.

Als Brenngas kommt insbesondere Erdgas in Frage, da damit eine weitgehend schadstoff- und insbesondere rückstands­ freie Verbrennung erreichbar ist. Die mögliche Ausfüh­ rungsform mit einem ebenflächigen Gasflächenbrenner und entsprechend angepaßtem Gehäuse ist nicht dargestellt, da ohne weiteres vorstellbar. Im Vergleich zum dargestellten Heizkessel und bei gleich großen Brenner- und Wärmeüber­ tragungsflächen würde ein solcher Gasheizkessel zwar fla­ cher bauen, aber einen wesentlich größeren Durchmesser haben. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Ausführungs­ form, bei der der Gasflächenbrenner ein Halbzylinder wäre oder angenähert halbzylindrische Form hätte. Bei größerer Länge eines solchen Halbzylinders könnten ggfls. auch zwei Abgasturbinen mit Verdichtern vorgesehen werden. Im Querschnitt würde sich ein solcher Gasheizkessel in glei­ cher Weise, wie in Fig. 1, 2 dargestellt, darstellen.

Nachfolgend wird jedoch auf die bevorzugte und darge­ stellte rotationssymmetrische Halbkugelform Bezug genom­ men, in der im übrigen auch alle vorteilhaften Ausgestal­ tungen mit dargestellt sind.

Um von der Brennerfläche F aus zur zentrischen Öffnung 11 eine möglichst gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase zu erreichen, ist der Brennkammerraum 4 zwischen der Brennerfläche F und der brennerseitigen Kammer 8 des Gehäuses 1 sich zur den Zugang 10 zum Heizgas­ zug 7 bildenden Öffnung 11 hin erweiterend ausgebildet, während sich umgekehrt, aber auch dem gleichen Grund, der von beiden Kammern 8, 9 des Gehäuses 1 begrenzte Heizgas­ zug 7 bzw. der Gasabzugsspalt 7′ zum Gasabzug 6 hin ver­ engt, um dem sich durch Abkühlung reduzierenden Gasvolu­ men zu entsprechen.

Wie ersichtlich, ist auch wasserseitig durch eine ent­ sprechende Gestaltung der beiden Kammern 8, 9 für eine weitgehende Minimierung des Widerstandes für das Kessel­ wasser gesorgt, ohne dabei das durchströmbare Volumen ex­ trem zu vergrößern, was einer kompakten Bauweise entge­ genstünde.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, bei dem der Gasabzug 6 oben gegenüber einem Kondensatablauf 6′′ unten angeordnet ist, ist beim Gasheizkessel nach Fig. 1 der Abzug 6 als ringförmig das Gehäuse 1 umgebender Gas­ abzugskanal 6 ausgebildet. Der Gasheizkessel nach Fig. 2 ar­ beitet in diesem Falle als Brennwertkessel, wobei in der unteren Hälfte die Verbrennungsgase dem rückgeführten Kesselwasser entgegenströmen.

Bei vertikaler Anordnung der Brennkammerachse 14 und bei halbkugelförmiger Ausbildung der beiden Kammern 8, 9 sind der Vorlaufanschluß 2 der äußeren Kammer 9 und die beiden Vorlaufanschlüsse 2 der brennkammerseitigen Kammer 8 des Gehäuses 1 jeweils an der höchsten Stelle dieser Kammern 8, 9 angeordnet, wobei, wie dargestellt, die Vorlaufan­ schlüsse 2 der brennkammerseitigen Kammer 8 die äußere Kammer dicht durchgreifen (siehe Fig. 1).

Um in beiden Fällen die Brennkammer 4 und den Brenner 5 im Bedarfsfall leicht zugänglich zu machen, sind, wie schematisch in Fig. 3 verdeutlich, das Gehäuse 1 und der Gasflächenbrenner 5′ aufschwenkbar miteinander verbunden, wobei mit Rücksicht auf die Vor- und Rücklaufanschlüsse 2, 3 und den Gasabzug 6 das Gehäuse 1 fest vor Ort in­ stalliert wird und der Brenner mit seinem Brennerträger 19 ab- bzw. aufschwenkbar zugeordnet ist. Um dabei die nicht dargestellte Gaszufuhrleitung nicht abkoppeln zu müssen, ist diese elastisch ausgebildet.

Die Zündung des zündfähigen Gemisches erfolgt bei den Ausführungsbeispielen mit einer Zündeinrichtung 26 hinter der Abgasturbine, da nur beim Start der Gasverdichter 13 für das Gasgemisch elektrisch angetrieben wird und die Drehzahl der Turbine noch nicht sehr hoch ist. Das gezün­ dete Gemisch zündet dann durch die Turbine hindurch den Brenner. Dabei wird das brennende Gemisch gleichmäßig in dem engen Raum über der Turbine verteilt, und es wird verhindert, daß unverbranntes Gas in den Abgasspalt 7′ beim Anfahren des Heizkessels eindringt.

Für diesen Anfahrvorgang ist der Gasverdichter 13 mit ei­ nem Startantrieb 15 versehen, der also nur während der Anfahrphase des Heizkessels Strom aufnimmt. Diesbezüglich ist die Verbindungswelle 16 der Abgasturbine 12 und des Gasverdichters 13 einerseits an der Wand 9′ der äußeren Kammer 9 des Gehäuses 1 und an mindestens einem zuström­ seitig vor der Brennerfläche F angeordneten Gasverteiler 17 gelagert. In der Nabe 18 des Gasverdichters 13 ist ein stationär am Brennerträger 19 sitzender, mit Stroman­ schlüssen 20 versehener Anker 21 angeordnet, der den Startantrieb 15 bildet, d. h., die Nabe 18 des Gasverdich­ ters 13 bildet den Läufer.

Um eine möglichst gleichmäßige Gasverteilung zur Brennerfläche F zu erreichen, ist über dem Gasverdichter 13 eine an die Wölbungsform der Brennerfläche F angepaßte Gasführungshaube 22 angeordnet, die stationär, wie bspw. dargestellt, mit dem inneren Gasverteiler 17 verbunden ist. Da das zu fördernde Gas gegen einen nicht unbeacht­ lichen Staudruck zu fördern ist und um eine Rückströmung des aus dem Gasverdichter 13 austretenden Brenngases zu unterbinden, ist der Gasverdichter 13 mit rotationssymme­ trischen Labyrinthen 23 sowohl gegen die Gasführungshaube 22 als auch den Brennerträger 19 abgedichtet.

Um ferner für eine strömungsgünstige Zu- und Ausströmung der Verbrennungsgase zur und aus der Abgasturbine 12 zu sorgen, ist die Nabe 24 der Abgasturbine 12 in bezug auf die Verbindungswelle 16 mit einer im Querschnitt konkaven Unfangsfläche 25 versehen.

Da sich die drei Ausführungsbeispiele im wesentlichen gleichen, sind in den Fig. 2, 3 nur die wichtigsten Be­ zugszeichen angegeben.

Claims (15)

1. Gasheizkessel, bestehend aus einem mit Vor- und Rücklaufanschlüssen (2, 3) versehenem wasserführen­ den Gehäuse (1), in dem eine Brennkammer (4) mit Brenner (5) und mit einem spaltartigen, zum Gasabzug (6) führenden Heizgaszug (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß über dem als Gasflächenbrenner (5′) ausgebilde­ ten, mit Zündeinrichtung (26) versehenem Brenner (5) und vor dem Zugang (10) zum spaltartig ausgebildeten Heizgaszug (7) in der Brennkammer (4) des Gehäuses (1) eine Abgasturbine (12) angeordnet ist, die als Antrieb mit einem gaszuströmseitig vor der Brenner­ fläche (F) angeordneten Gasverdichter (13) mittels einer Verbindungswelle (16) gekoppelt ist.

2. Gasheizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus zwei der Form des Gasflä­ chenbrenners (5′) angepaßten, zueinander im wesent­ lichen formidentischen Kammern (8, 9) gebildet ist, die den zum Gasabzug (6) führenden Gasabzugsspalt (7′) begrenzen, dessen Zugang (10) durch eine Öff­ nung (11) in der brennerseitigen Kammer (8) gebildet ist.

3. Gasheizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasflächenbrenner (5′) gewölbt ausgebildet ist und die beiden ebenfalls im wesentlichen entsprechend gewölbten Kammern (8, 9) diesen Brenner in Distanz glockenförmig übergreifend angeordnet sind.

4. Gasheizkessel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasflächenbrenner (5′) halbkugelförmig aus­ gebildet ist.

5. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammerraum (4′) zwischen der Brenner­ fläche (F) und der brennerseitigen Kammer (8) des Gehäuses (1) sich zur den Zugang (10) zum Heizgaszug (7) bildenden Öffnung (11) hin erweiternd ausgebil­ det ist.

6. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, daß der von beiden Kammern (8, 9) des Gehäuses (1) begrenzte Heizgaszug (7) sich zum Gasabzug (6) hin verengend ausgebildet ist.

7. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasabzug (6) in Form eines ringförmigen, das Gehäuse (1) umfassenden Abgassammelkanales (6′) aus­ gebildet ist.

8. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aus beiden Kammern (8, 9) gebildete Gehäuse (1) und der Gasflächenbrenner (5) miteinander auf­ schwenkbar verbunden sind.

9. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikaler Anordnung der Brennkammerachse (14) und bei im wesentlichen halbkugelförmiger Aus­ bildung der beiden Kammern (8, 9) der Vorlaufan­ schluß (2) der äußeren Kammer (9) und der mindestens eine Vorlaufanschluß (2) der brennkammerseitigen Kammer (8) des Gehäuses (1) jeweils an der höchsten Stelle dieser Kammern (8, 9) angeordnet sind und der Vorlaufanschluß (2) der brennkammerseitigen Kammer (8) die äußere Kammer (9) durchgreift.

10. Gasheizkessel nach der Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverdichter (13) mit einem elektrischen Startantrieb (15) versehen ist.

11. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungswelle (16) der Abgasturbine (12) und des Gasverdichters (13) einerseits an der Wand (9′) der äußeren Kammer (9) des Gehäuses (1) und an mindestens einem zuströmseitig vor der Brennerfläche (F) angeordneten Gasverteiler (17) gelagert und in der Nabe (18) des Gasverdichters (13) ein stationär am Brennerträger (19) sitzender, mit Stromanschlüs­ sen (20) versehener Anker (21) als Startantrieb (15) angeordnet ist.

12. Gasheizkessel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Gasverdichter (13) eine an die Wöl­ bungsform der Brennerfläche (F) angepaßte Gasfüh­ rungshaube (22) angeordnet und diese stationär mit dem Gasverteiler (17) verbunden ist.

13. Gasheizkessel nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverdichter (13) mit rotationssymmetri­ schen Labyrinthen (23) sowohl gegen die Gasführungs­ haube (22) als auch den Brennerträger (19) abgedich­ tet ist.

14. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (24) der Abgasturbine (12) in bezug auf die Verbindungswelle (16) mit einer im Querschnitt konkaven Umfangsfläche (25) versehen ist.

15. Gasheizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (26) für den Gasflächenbren­ ner (5′) zwischen der Abgasturbine (12) und dem Zu­ gang (10) zum Gasabzugsspalt (7′) angeordnet ist.