Guss und Stahl

Kesselwerkstoffe im Blickpunkt

Dipl.-Ing. Frank Sprenger*

Bei der Auswahl eines geeigneten Wärmeerzeugers zeigt sich ein vielfältiges Angebot: Neben dem zum Einsatz kommenden Brennstoff, der Technik sowie anderen Merkmalen unterscheiden sich Heizkessel durch den verwendeten Werkstoff. Im Bereich bodenstehender Wärmeerzeuger sind das üblicherweise Grauguss und Stahl.

Einleitung

Die oft vorherrschende Meinung, Stahlheizkessel würden gegenüber Gussheizkesseln eine geringere Haltbarkeit aufweisen, trifft jedoch nicht zu. Durch den Einsatz hochwertiger Materialien und hoher Verarbeitungsqualität sind hier keine Unterschiede festzustellen.

Auch das Anwendungsgebiet der Kesseltypen ist nicht mehr so klar abgegrenzt wie früher. Während Gussheizkessel vornehmlich in kleinen und mittleren Heizungsanlagen Verwendung fanden, wurden Stahlheizkessel meist bei größeren Leistungen eingesetzt. Heute sind beide Kesseltypen im fast gesamten Leistungsspektrum vertreten.

Gussheizkessel

Der Werkstoff Grauguss bietet bei der Herstellung des Kessels praktisch unbegrenzte Gestaltungsmöglichkeiten. Durch das Vergießen der Guss-Schmelze sind selbst schwierigste Formen realisierbar. Auf diese Weise können Gusskonstruktionen optimal an die Strömungen von Heizgasen und Heizwasser angepasst werden. Querschnitte mit möglichst großer Oberfläche für die Wärmeübertragung und gleichzeitig geringen Strömungswiderständen spielen besonders für atmosphärische Heizkessel, die ohne Gebläse arbeiten, eine Rolle. Deshalb werden diese fast ausschließlich als Gusskessel ausgeführt.

Aber auch in Kesseln mit Gebläsebrennern wirken sich diese Eigenschaften günstig aus. Die Gestaltung hat zudem noch einen positiven Einfluss auf die beim Betrieb entstehenden Geräusche: Röhren-, Wellen- oder Wabenformen wirken geräuschdämpfend. Beim Gießen bildet sich außerdem auf der Gussoberfläche eine siliziumhaltige Schicht. Diese sogenannte Gusshaut ist besonders korrosionsbeständig. Damit sie erhalten bleibt, lässt man die Gussoberfläche bei der weiteren Fertigung weitgehend unbearbeitet (Bild 1).

Gusskessel bestehen herstellungsbedingt nicht aus einer Einheit, sondern sind aus verschiedenen Kesselgliedern aufgebaut. Sie besitzen Hohlräume zur Aufnahme des Heizungswassers und Öffnungen, die im zusammengesetzten Zustand den Feuerraum und die Heizgaszüge darstellen. Vorder- und Hinterglied unterscheiden sich dabei von den anderen Kesselgliedern. Denn dort liegen Abgas- und Heizwasseranschlüsse und befindet sich die Brennertür und Reinigungsöffnung.

Die Verbindung der einzelnen Kesselglieder wird wasserseitig über konische Kesselnippel geschaffen; gasseitig werden sie mit Dichtschnüren sowie wärme- und alterungsbeständiger Dichtmasse abgedichtet. Der Zusammenhalt wird über Zuganker sichergestellt. Die Bauweise gestattet durch die Anzahl der Glieder eine gute Leistungsanpassung und lässt auch nachträglich Erweiterungen oder Verkleinerungen zu (Bild 2).

Die Kessel können je nach Bedarf in zusammengebautem Zustand, in Teilblöcken oder in Einzelgliedern angeliefert werden. Die Montage des Kessels erst am Standort erleichtert den Transport und die Einbringung in schwer zugängliche Heizungsräume. Gussheizkessel gibt es mit Leistungen bis in den MW-Bereich hinein.

Stahlheizkessel

Für die Herstellung von Stahlheizkesseln wird hochwertiger Baustahl verwendet, der sich schneiden, biegen, ziehen und schweißen lässt. Die Verarbeitungsgüte hat einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Heizkessels; dies gilt insbesondere für Schweißverbindungen. Deshalb legen die Kesselhersteller besonderen Wert auf sorgfältige Verarbeitung. Die Schweißbarkeit des Stahls bietet die Möglichkeit, später eventuelle Reparaturen durchzuführen.

Für eine gute Wärmeübertragung kommen zur Oberflächenvergrößerung im Brennraum und den Heizgaszügen von Stahlheizkesseln Profile, Wellrohre, Rippen und Stege zum Einsatz. Spezielle Techniken erlauben es, die Wärmeübertragung auf die unterschiedlichen Betriebsverhältnisse im Kessel abzustimmen, um Kondenswasserbildung zu vermeiden (Korrosion). Hierzu werden u.a. Composit-Rohre verwendet (Buderus). Diese bestehen aus einem Außenrohr, in dem ein mit Metallband umwickeltes Innenrohr liegt. Durch unterschiedliche Windungssteigungen des Metallbandes wird der Wärmedurchgang vom Heizgas zum Kesselwasser entsprechend angepasst (Bild 3).

Charakteristisch für Stahlkesselkonstruktionen ist die Komplettbauweise in einem Block (Bild 4). Die einzelnen Kessel sind dadurch auf eine bestimmte Leistungsgröße beschränkt. Es werden aber verschiedene Kesselgrößen bis zu mehreren MW Leistung angeboten. Das Gewicht der Stahlheizkessel ist dabei relativ gering. Bei Transport und Einbringung muss die Blockbauweise berücksichtigt werden. Auf den Montageaufwand wirkt sich die vormontierte Konstruktion jedoch günstig aus.

Sonstige Kesselwerkstoffe

Für bestimmte Anwendungen lassen sich in Heizkesseln noch andere Werkstoffe finden. So kommen für Wandheizkessel meist spezielle Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Für wandhängende Brennwertkessel werden ebenfalls Aluminiumlegierungen, bei bodenstehenden Brennwertkesseln üblicherweise Edelstahl verwendet (Bild 5).

In Brennwertkesseln werden die Heizgase so weit abgekühlt, dass Wasserdampf kondensiert. Mit der Technik wird zusätzliche Kondensationswärme nutzbar gemacht, allerdings fällt dabei korrosionsförderndes Kondenswasser an. Deshalb wird dieser Vorgang in Wärmetauschern durchgeführt, die aus entsprechend beständigen Werkstoffen hergestellt sind (Edelstahl, Keramik, Aluminiumlegierung).

Diese Brennwert-Wärmetauscher können bei bodenstehenden Kesseln innerhalb oder außerhalb des Kessels angeordnet sein. Die externe Anordnung ist bei Guss- und Stahlkesseln möglich und vereint die Brennwertnutzung mit den Vorteilen des jeweiligen Kesseltyps. Auch eine Nachrüstung ist möglich. Die kesselinterne Anordnung des Brennwert-Wärmetauschers beschränkt sich z.Zt. ausschließlich auf Stahlheizkessel. Solche kompakten Konstruktionen zeichnen sich vor allem durch geringe Abmessungen aus.

* Dipl.-Ing. Frank Sprenger, Technische Public Relations bei Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar

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