<Desc/Clms Page number 1>
"VEKHARHINGSKETEL"
EMI1.1
De uitvinding heeft op een verwarmingsketel met warmte overdracht door convectie tussen een warmtebron en een geprofileerde warmtewisselaar.
Dergelijke verwarmingsketels zijn algemeen gebruikt bij centrale verwarmingsinstallaties. De warmtebron, meestal een gas of oliebrander, ontwikkelt warmte waarmede een overdrachtsmedium, meestal de rookgassen van het verbrande gas of de olie, wordt opgewarmd. Dat overdrachtsmedium draagt zijn opgenomen warmte dan weer af aan een vloeistof, meestal water, door middel van een warmtewisselaar. De rookgassen stromen langs het buitenoppervlak van de warmtewisselaar en geven door convectie hun warmte af aan het metaal, meestal gietijzer, van de warmtewisselaar die op zijn beurt dan weer convectie, de opgenomen warmte aan het water afgeeft.
Meestal is de oppervlakte van de warmetewisselaar geprofileerd, bijvoorbeeld voorzien van vinnen indien de ketel uit gietijzer vervaardigd is, ten einde de effektieve oppervlakte van de warmtewisselaar te vergroten.
Een nadeel van de bekende verwarmingsketels is dat de profilering van de warmtewisselaar over zijn gehele oppervlakte nagenoeg dezelfde is. Het temperatuursverloop van het overdrachtsmedium verloopt de warmtewisselaar volgens een exponentieel dalende funktie en daardoor zal het gedeelte van de warmtewisselaar dat het eerst in aanraking komt met het overdrachtsmedium de meeste warmte opnemen, terwijl het gedeelte dat het meest verwijderd is van de warmtebron de minste warmte zal opnemen. Hierdoor ontstaat er een ongelijkmatige
<Desc/Clms Page number 2>
warmteoverdracht over het gehele oppervlak van de warmtewisselaar. Deze ongelijkmatige warmteoverdracht heeft dan op zijn beurt tot gevolg dat er spanningen ontstaan in het materiaal waaruit de warmtewisselaar vervaardigd is.
Verder treden er ook grotere verliezen op in de warmteruitwisseling ten gevolge van deze ongelijkmatige warmte overdracht.
De uitvinding heeft tot doel een verwarmingsketel te realizeren waarbij over het oppervlak van de warmtewisselaar een nagenoeg gelijkmatige warmteoverdracht plaats vindt.
Een verwarmingsketel volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat met toenemende afstand vanaf de warmtebron de oppervlakte van het op de warmtewisselaar aangebrachte profiel waarover de warmte overdracht plaats vindt toeneemt. Aangezien nu de temperatuur van het overdrachtsmedium nabij de warmtebron hoger is dan verderaf van de warmtebron zal het geringere oppervlak nabij de warmtebron minder warmte bij een hogere temperatuur opnemen en het grotere overdrachtsoppervlak verderweg van de warmtebron meer warmte bij een lagere temperatuur opnemen. Hierdoor is de warmte overdracht per oppervlakteeenheid nagenoeg constant wanneer verdere parameters zoals bijvoorbeeld de snelheid van het overdrachtsmedium constant blijven, en ontstaan er geen spanningen in het materiaal van de warmtewisselaar.
Door de gelijkmatige warmteoverdracht wordt de maximale thermische belasting van de warmtewisselaar verminderd en kan men voor een overdracht van gelijk vermogen een kleinere warmtewisselaar gebruiken wat een ekonomische waarde vertegenwoordigt.
Een eerste voorkeursuitvoeringsvorm van een verwarmingsketel volgens de uitvinding waarbij het oppervlak van de warmtewisselaar van vinnen is voorzien, heeft het kenmerk dat de oppervlakte van de vinnen toeneemt naarmate de vinnen verder verwijderd zijn van de warmtebron.
<Desc/Clms Page number 3>
Hierdoor hebben de vinnen die dicht bij de warmtebron gelegen zijn een kleinere oppervlakte en dus een geringere warmte opslag capaciteit dan diegene die verderaf van de warmtebron gelegen zijn en is de warmte overdracht per vin nagenoeg constant indien natuurlijk andere parameters constant blijven.
Een tweede voorkeursuitvoeringsvorm van een verwarmingsketel volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de opervlakte toename van de vinnen in hoofdzaak gevormd is door een lengte toename van de vinnen.
Hierdoor is de oppervlaktetoename op eenvoudige wijze te realizeren.
Een derde voorkeursuitvoeringsvorm van een verwarmingsketel volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de vinnen reeksgewijs in reeksen van telkens nagenoeg parallele vinnen zijn opgesteld en waarbij elk der vinnen van eenzelfde reeks een nagenoeg zelfde vinoppervlak bevat, en dat de oppervlakte van de vinnen van de opeenvolgende reeksen toeneemt met toenemende afstand vanaf de warmtebron. Hierdoor wordt de warmteoverdracht geoptimaliseerd.
Het is gunstig dat de lengte toename tussen twee opeenvolgende vinnen in de richting van de warmtebron af, in hoofdzaak bepaald is door het totaal aantal vinnen van verschillende lengte op eenzelfde warmtewisselaar. Hierdoor worden konstruktieve begrenzingen verdisconteerd en vervaardigingskosten gereduceerd.
Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van een verwarmingsketel volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het profiel van de vin in hoofdzaak bepaald is door de lengte van de vin. Dit geeft een eenvoudige bepaling van het profiel rekening houdend met de lengte van de vin.
De uitvinding zal nu nader worden beschreven aan de hand van de tekening. De uitvinding is echter niet beperkt tot de in de tekening gegeven voorbeelden. Het zal duidelijk zijn dat meerdere varianten
<Desc/Clms Page number 4>
binnen het kader van de uitvinding mogelijk zijn. In de tekening laat :
Figuur 1 een doorsnede zien van een verwarmingsketel volgens de uitvinding.
Figuur 2 een grafische voorstelling van het temperatuursverloop van de het overdrachtsmedium over de oppervlakte van de warmtewisselaar.
Figuur 3 een, voorbeeld zien van een profiel van een vin.
Figuur 4 een doorsnede zien in langsrichting genomen van een verder type warmtewisselaar volgens de uitvinding.
De in figuur 1 weergegeven verwarmingsketel bevat een aansluiting 1 voor het toevoeren van een brandstof, in het gekozen voorbeeld aardgas, welke met een als warmtebron fungerende atmosferische brander 2 verbonden is.
Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding ook van toepassing is op verwarmingsketel voorzien van niet atmosferische branders, zoals overdrukketels. Verder is als brandstof stookolie eveneens geschikt.
De verwarmingsketel is verder voorzien van een warmtewisselaar 3 wiens buitenoppervlak voorzien is van reeksen vinnen (4 tim 10). Langs het binnenoppervlak van de warmtewisselaar stroomt er een vloeistof, bijvoorbeeld water, waarbij het koude water via een nippel 11 wordt aangevoerd en het verwarmde water via een nippel 12 weer wordt afgevoerd.
Voor het verbranden van de brandstof wordt er behalve de primaire lucht, die met de brandstof wordt aangevoerd, ook nog secondaire lucht 13 langs onderen aangevoerd. Door het verbranden van de brandstof wordt een overdrachtsmedium gevormd, bijvoorbeeld rookgassen, welke langs de vinnen naar de schouw stromen. De in de rookgassen opgeslagen warmte wordt middels convectie aan de vinnen
<Desc/Clms Page number 5>
afgegeven, welke de aldus opgenomen warmte opnieuw middels convectie afgeven aan het water.
De warmtecapaciteit van een vin, dat is de hoeveelheid warmte die een vin kan opnemen is in hoofdzaak bepaald door de dimensie van de vin en het temperatuursverschi1 tussen de temperatuur van het langs die vin stromende overdrachtsmedium en die van de vin zelf, tenminste wanneer andere parameters van het overdrachtsmedium constant blijven. Des te groter het oppervlak van de vin is, des te meer warmte, althans binnen bepaalde grenzen, kan de vin opnemen, respektievelijk afstaan. Bij de warmtewisselaar zoals weergegeven in figuur 1 hebben de vinnen 4 van de eerste reeks, welke het dichtst bij de warmtebron gelegen is, de kleinste oppervlakte. De oppervlakte van de verdere reeksen vinnen (5 t/m 10) neemt toe naarmate de vinnen verder van de warmtebron verwijderd zijn.
De vinnen die dus dichter bij de warmtebron gelegen zijn hebben dus een kleinere warmtecapaciteit dan diegene die verderaf gelegen zijn aangezien zij een kleinere oppervlakte bezitten.
Nu is echter de temperatuur van de rookgassen het hoogst nabij de warmtebron en neemt deze temperatuur door warmte overdracht aan de vinnen en door verdere verliezen af naarmate men verder van de warmtebron verwijderd is. De kromme 14 weergegeven in figuur 2 illustreert de afname van de temperatuur van de rookgassen in funktie van de afstand over de warmtewisselaar (Vertikale y-richting : temperatuur rookgas ; horizontale xrichting : afstand over de warmtewisselaar). Uit deze grafiek volgt er nu bijvoorbeeld dat ter hoogte van de eerste reeks vinnen 4, de temperatuur 14000 C en dat ter hoogte van de laatste reeks vinnen 10 de temperatuur bijvoorbeeld 2700 C bedraagt.
De geometrie van de warmtewisselaar is zodanig dat deze in doorsnede afneemt met toenemende afstand vanaf de warmtebron. Deze geometrie is zodanig gekozen omdat
<Desc/Clms Page number 6>
ten gevolge van de temperatuursdaling van het overdrachtsmedium er een volume verandering in het overdrachtsmedium optreedt. De dichtheid van het overdrachtsmedium neemt toe naarmate de temperatuur en het volume ervan afnemen. Maar doordat de geometrie van de warmtewisselaar in doorsnede afneemt met toenemende afstand vanaf de warmtebron, blijft de snelheid van het overdrachtsmedium nagenoeg dezelfde, zodanig dat hierdoor geen verstoring in de warmteoverdracht optreedt.
De combinatie van temperatuursverval van de rookgassen en warmtecapaciteit toename van de vinnen naarmate men verder van de warmtebron verwijderd is, heeft nu tot gevolg dat de warmteoverdracht tussen rookgassen en vinnen nagenoeg constant is over het gehele oppervlak van de warmtewisselaar. Immers de vinnen 4 met geringe warmtecapaciteit. nemen slechts gedurende een korte tijd warmte op aan een hoge temperatuur terwijl de vinnen 10 met een grotere warmtecapaciteit gedurende een langere tijd warmte aan een lagere temperatuur opnemen. Hierdoor is de totale hoeveelheid warmte afgestaan aan elk der vinnen nagenoeg constant (= constant) waardoor ook de warmte afgestaan aan het water nagenoeg constant is.
De warmtewisselaar ziet nu een temperatuursgradient die enerzijds in absolute waarde veel kleiner is dan de maximale temperatuursgradient bij een conventionele warmtewissselaar, en anderzijds nagenoeg constant blijft over de gehele lengte van de warmtewisselaar. Daardoor worden spanningen in het materiaal van de warmtewisselaar vermeden. Zelfs al is er enig verloop over de oppervlakte, dan blijven de schommelingen toch beperkt. Het feit dat spanningen in het materiaal nu worden vermeden, heeft tot gevolg dat met minder materiaal kan worden volstaan, aangezien het niet meer noodzakelijk is deze spanningen door extra materiaal te compenseren.
<Desc/Clms Page number 7>
De lengte van de vinnen, alsmede het totaal aantal verschillende vinlengten wordt in hoofdzaak bepaald door : - het temperatuursverschil tussen de rookgassen aan de warme en aan de koude kant van de warmtewisselaar.
- de lengte van de warmtewisselaar in de stroomrichting van de rookgassen.
- de optimalisatiegraad die men wenst.
- de konstruktieve begrenzingen.
Om nu voor elke reeks vinnen telkens de lengte van de vinnen uit die reeks te bepalen wordt er eerst, in functie van de optimalisatiegraad die men wenst, voorafbepaald hoeveel reeksen vinnen er op de warmtewisselaar zullen worden aangebracht. Veronderstel nu, bij wijze van voorbeeld, dat men vier reeksen vinnen op het buitenoppervlak van de warmtewisselaar wil aanbrengen. Ten einde de lengte van de vinnen uit elke reeks te bepalen wordt er nu uitgegaan van de in figuur 2 weergegeven kromme 14. Op deze kromme worden er nu vier punten A, B, C en D bepaald aangezien vier reeksen vinnen gewenst zijn.
Deze worden bepaald door het oppervlak begrensd door de kromme 14 en het referentie stelsel in vier nagenoeg gelijke delen te verdelen. Het punt A wordt nu zodanig gekozen dat de oppervlakte van de rechhoek OVTR nagenoeg gelijk is aan de oppervlakte van het vlak OVSP. De temperatuur behorende bij dit punt A, in dit voorbeeld 12500 C komt dan nagenoeg overeen met de gemiddelde temperatuur van de rookgassen over het gedeelte OV van de warmtewisselaar. De lengte van de vin wordt nu gegeven door de afstand OV. Een analoge procedure wordt er nu gevolgd voor het bepalen van de punten B, C en D en zodoende voor het bepalen van de lengtes van de vinnen WL, MN en EF. De oppervlakten OVTR, WLZK, MNJI en EFHG zijn allen nagenoeg aan elkaar gelijk,
<Desc/Clms Page number 8>
EMI8.1
zodanig dat de warmteoverdracht voor elk der vinnen nagenoeg gelijk is.
Het zal duidelijk zijn dat wanneer men de optimalisatiegraad wil verfijnen het aantal reeksen vinnen toeneemt. Dit aantal kan echter niet onbegrenst toenemen en is aan konstruktie begrenzingen onderworpen.
Wanneer nu de vinlengte voor elke reeks bepaald is, wordt vervolgens het profiel van de vin bepaald.
Hierbij wordt er op toegezien dat de rookgassen een minimale weerstand ondervinden en dat zij dus een aerodynamisch profiel vertonen. Ten einde een aerodynamisch profiel voor de vinnen te ontwerpen wordt er bijvoorbeeld beroep gedaan op studies van de NACA (National Advisory Commitee for Aeronautics). Figuur 3 laat een voorbeeld van een profiel van een vin zien. In de x-richting is de lengte (c) weergegeven terwijl de y-richting de hoogte weergeeft. Uitgaande van de voorafbepaalde totale lengte van de vin wordt het profiel berekend door telkens voor een gegeven x waarde (= fractie van de totale lengte van de vin) een bijbehorende y waarde te bepalen.
Bij voorkeur staan de vinnen van de opeenvolgende reeksen geschrankt ten opzichte van elkaar hierdoor wordt er een optimale warmteoverdracht tussen rookgassen en vinnen gerealiseerd bij een minimale aerodynamische weerstand.
Naast het gebruik van vinnen om de warmte overdracht te optimaliseren is het ook mogelijk om alternatieve oplossingen te kiezen. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om het oppervlak van de warmtewisselaar te profileren zoals gelllustreerd in figuur 4, waar een doorsnede in langsrichting van een gedeelte van een verder type warmtewisselaar is weergegeven. Het oppervlak van de aldaar geillustreerde is zodanig geprofileerd dat de oppervlakte van de daarop aangebrachte kammen 15 tot en met 19 toeneemt met toenemende afstand vanaf de warmtebron. De effectieve oppervlakte waarvoor de
<Desc/Clms Page number 9>
EMI9.1
warmte overdracht plaats vindt neemt dus eveneens toe met toenemende afstand vanaf de warmtebron.