<Desc/Clms Page number 1>
Beschrijving ingediend tot het bekomen van een UITVINDINGSOCTROOI op naam van
Econosto N. V. te Rotterdam, Nederland voor :
Verwarmingsinrichting Gebaseerd op een recht van voorrang dat berust op de overeenkomstige aanvrage om octrooi, ingediend op 29 augustus 1985, in Nederland, onder nummer 85.02377
<Desc/Clms Page number 2>
Verwarmingsinrichting
De uitvinding betreft een verwarmingsinrichting, voorzien van een verwarmingsketel, omvattende een invoerkamer met luchtinlaatmiddelen en gasinlaatmiddelen, tenminste één daaronder aangebrachte brander, tenminste één weer daaronder aangebrachte verbrandingsruimte, tenminste één weer daaronder aangebrachte warmtewisselaar en tenminste één weer daaronder aangebrachte uitlaat voor verbrandingsgassen, welke verwarmingsinrichting van tenminste één ventilator is voorzien.
Een dergelijke verwarmingsinrichting is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 80.00460. Bij een dergelijke verwarmingsinrichting, die economisch in gebruik is, zijn de verbrandingsgassen niet erg warm, zodat de schoorsteentrek in diverse omstandigheden onvoldoende is om een trekonderbreker te kunnen toepassen. De verbrandingsgassen met betrekkelijk lage temperatuur bevatten zoveel vocht, dat het vocht zelfs condenseert. Hierdoor wordt de wand van de schoorsteen vochtig en kan zij worden aangetast, zodat voor de schoorsteen speciaal materiaal zoals roetvaststaal moet worden gekozen, dat niet door het agressieve vocht van de verbrandingsgassen wordt aangetast.
De uitvinding heeft ten doel de afvoer van verbrandingsgassen te verbeteren.
Volgens de uitvinding is daartoe bij de verbrandingsgasuitlaat een trekonderbreker aanwezig is, die voorzien is van een ejecteur. Hierdoor wordt de kinetische energie van de verbrandingsgassen gebruikt om deze door de schoorsteen te transporteren. Daarbij wordt zoveel, de trekonderbreker instromende lucht de schoorsteen mee ingestuwd, dat het mengsel van verbrandingsgassen en lucht een dauwpunt heeft, dat beneden de optredende temperatuur van het mengsel ligt. Verder wordt de temperatuur van het mengsel zo laag, dat zelfs kunststof als schoorsteenmateriaal kan worden gebezigd. Ook aluminiumbuizen komen in aanmerking als schoorsteenbuis.
<Desc/Clms Page number 3>
Bij een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding is de verwarmingsinrichting voorzien van een warmtepomp, waarmee de verbrandingsgassen tot elke gewenste temperatuur kunnen worden gekoeld. De afvoer van de verbrandingsgassen blijft hierbij via de trekonderbreker mogelijk.
Bij voorkeur wordt een absorptie-warmtepomp gebezigd, waarbij geen afzonderlijk aan te drijven compressor noodzakelijk is.
De uitvinding zal in de hierna volgende beschrijving aan de hand van een tekening worden verduidelijkt.
In de tekening tonen :
Figuur 1 een zijaanzicht, gedeeltelijk in doorsnede, van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding, figuur 2 een variant van detail II van figuur 1, en figuur 3 op grote schaal detail III van figuur 1. figuur 4 een voorkeursuitvoeringsvorm van de verwarmingsinrichting volgens figuur 1, en figuur 5 een schema van de werking van de verwarmingsinrichting uit figuur 4.
De verwarmingsinrichting 1 omvat een isolatiekast 2, waarin een verwarmingsketel 3 en een ventilator 4 zijn opgenomen. De verwarmingsketel 3 omvat een invoerkamer 5 met een pijpvormige luchtinlaat 6 en met een gasinlaat 7. Daaronder is een brander 8 van het vlakbrandertype opgesteld en weer daaronder bevindt zich een verbrandingsruimte 40. Weer daaronder bevindt zich een warmtewisselaar 9, en weer daaronder een uitlaatkamer 10 met een uitlaat 11 die uitmondt in een trekonderbreker 12, waarop een verbrandingsgasafvoerleiding 13 is aan te sluiten. De trekonderbreker 12 heeft ingangen 14 voor valse lucht en een als sifon uitgevoerde condensafvoer 15.
De verbrandingsgasuitlaat 11 mondt uit in een zich in stromingsrichting opwaarts vernauwend mondstuk 44, dat als ejecteur werkt en de verbrandingsgassen met flink wat kinetische energie tot in de schoorsteenafvoer 46 van de trekonderbreker 12 doet stromen volgens pijlen 45. Daarbij wordt omgevingslucht volgens pijlen 43 aangezogen en mee de schoorsteenafvoer 46 ingezogen. Voor een goede werking van de
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
ejecteur moet deze zich relatief sterk vernauwen, bijvoorbeeld een vermindering (dl van de doortocht daarvan ten bedrage van 60%, genomen over een lengte 1, die bij benadering gelijk is aan de doortocht dl of d2.
Het ontstane mengsel heeft een lage temperatuur van 60 à 70 , zodat de schoorsteen van kunststofpijp, bijvoor- beeld van PVC kan worden vervaardigd. Elk materiaal dat bij 60 à 700 nog genoeg zijn oorspronkelijke sterkte-eigenschappen behoudt en bovendien resistent is tegen corrosie, bijvoorbeeld aluminium, is bruikbaar. Verder is het voordeel bereikt, dat het dauwpunt van het mengsel van aangezogen lucht en verbrandingsgassen onder de temperatuur van dit mengsel ligt, zodat er geen hinderlijke condensaatproblemen optreden. Dientengevolge is het aansluiten van de verwar- mingsinr1chting 1 op bestaande, niet voor hoge rendementsketels bestemde, gasafvoerkanalen toch mogelijk. De kinetische energie van het mengsel wordt gebruikt om het mengsel zonodig over flinke hoogte door de schoorsteen buitenwaarts te transporteren.
Bij zeer lange schoorstenen kan het nodig of nuttig zijn een extra ventilator of een extra sterke ventilator 4 te bezigen.
De luchtweerstand in de verwarmingsketel 3 is tijdens bedrijf van de brander 8 vele malen groter dan de natuurlijke trek in de verbrandingsgasafvoerleiding 13, zodat de hoeveelheid de verwarmingsketel 3 instromende lucht onafhankelijk is van de verbrandingsgasafvoerleiding 13, doch uitsluitend wordt bepaald door de ventilator 4, dus vanwege een bepaalde Q-h kromme steeds een bepaald luchtdebiet levert, wanneer deze werkzaam is. De aan de ventilator 4 aangelegde elektrische spanning van bijvoorbeeld 220 volt leidt tot een bepaald toerental van een elektromotor 16 die de ventilator 4 aandrijft en de schoepenvorm van de ventilatorschoepen 17 verplaatst een daardoor bepaald luchtdebiet. De opstelling van de ventilatorrotor 18 ten opzichte van de luchtinlaat 6 is daarbij van belang. Men kiest bij voorkeur een fabrieksmatig vooraf bepaalde opstelling.
De verbrandingsgasafvoerleiding 13 kan een eerste conisch vernauwend stuk schoorsteenpijp 50 hebben. Dankzij de
<Desc/Clms Page number 5>
toepassing van de uitvinding kan een vrij nauwe schoorsteenpijp worden gebezigd.
De luchtinvoeropeningen 14 zijn op hetzelfde niveau als of lager dan de verbrandingsgasafvoer 46 aangebracht. De vormgeving van de trekonderbreker 12 en de relatieve niveauopstelling van de verbrandingsgasuitlaat 29 van de ketel 3 en de luchtinvoeropeningen 14 en de bovenzijde van mondstuk 44 van de trekonderbreker 12 zijn zodanig gekozen, dat in de bedrijfstoestand van een warme ketel, doch niet brandende brander geen koude lucht door de ketel 3 heen wordt gezogen.
Op deze wijze wordt afkoeling van de ketel 3 vermeden, hetgeen het ketelrendement sterk gunstig beïnvloedt.
Volgens figuur 2 is de afstand van de rotor 18 ten opzichte van de luchtinlaat 6 instelbaar door een inlaatmond 19 met schroefmiddelen 20 ten opzichte van de luchtinlaat 6 verstelbaar te maken, waarbij tussen de inlaatmond 19 en de luchtinlaat 6 een afdichtring 21 aanwezig is.
Op de luchtinlaat 6 is een drukverschilschakelaar 23 aanwezig, die is aangesloten op een besturingsorgaan 22, dat de gasklep 24 opent, wanneer de opgenomen druk in de invoerkamer 5 voldoende is en aan andere vereiste voorwaarden is voldaan. Deze klep 24 is op de gasinlaat 7 aangebracht achter een reduceerventiel 42, dat de druk van het gasnet bij geopende hoofdafsluiter 25 reduceert van 22 à 28 millibar tot een bepaalde constante druk van bijvoorbeeld 15 millibar.
Zo wordt steeds een bepaald luchtdebiet vermengd met een bepaald gasdebiet, teneinde de voor de brander 8 ideale stochiometrische verhouding bij de optimale mengselhoeveelheid te bewerkstelligen.
De gasinlaatnozzle 28 van de gasinlaat 7 is in vorm nauwkeurig gefabriceerd voor het verkrijgen van een, bij een bepaalde, in de gasinlaat 7 heersende druk, bepaald gasdebiet.
De brander 8 bestaat bij voorkeur uit een keramische plaat 30 met vertikale kanalen 31 met een diameter van bijvoorbeeld 0,7 mm met bijvoorbeeld 100 gaatjes per cm2. Na ontsteking van het gas/lucht-mengsel vormt zich een zogenaamde vlamvoet in de vertikale kanalen 31 (fig. 3), waardoor de
<Desc/Clms Page number 6>
temperatuur zo hoog wordt, dat hierbij een sterk infraroodstralingseffect ontstaat. Hierdoor ontstaat een gecombineerde convectie-en stralingswarmte-overdracht naar de warmtewisselaar 9, hetgeen het rendement verhoogt. Afmetingen van de keramische plaat zijn bijvoorbeeld 300 x 400 mm. Er ontstaat zo een puur verbrandingsgas zonder of vrijwel zonder luchtovermaat. Eventueel kan een gaasrooster onder de plaat 30 zijn aangebracht onder andere ter opvoe-ring van de brandercapaciteit.
Behalve met bovengenoemde infraroodbrander is de verwarmingsinrichting volgens de uitvinding vanzelfsprekend ook met een zwartbrander te stoken, waarbij het vlamfront zich buiten de keramische plaat bevindt vanwege de ten opzichte van de stroomsnelheid lage verbrandingsnelheid en de verbrandingsgassen derhalve een hogere tempertauur bezitten en waarbij de warmtewisselaar 9 derhalve voldoende beschermd moet zijn tegen deze hoge temperaturen.
Vóór het aansteken van de brander 8 wordt eerst een circulatiepomp 35 gestart die water door de warmtewisselaar 9 pompt. De warmtewisselaar 9 bestaat uit een aantal pijpen 36 die van ribben 37 zijn voorzien. Een regelinrichting 38 start eerst de pomp 35 en met vertraging van enkele seconden de ventilator 4. Door middel van de drukschakelaar 23, die het drukverschil opneemt tussen de druk in de luchtinlaat 6 en de druk in de verbrandingskamer 40, wordt na het vaststellen van voldoende drukverschil enige seconden later een elektrische ontsteking 39 in werking gesteld. De wachttijd van enkele seconden is gekozen om er voor te zorgen, dat zich geen brandbaar gas-luchtmengsel in de invoerkamer 5 en verbrandingskamer 40 bevindt. Wederom enkele seconden later wordt de klep 24 geopend.
Na bijvoorbeeld vijf seconden moet er dan een vlam zijn, hetgeen met een vlamdetector 41 wordt vastgesteld. Is er dan geen vlam, dan wordt de klep 24 wederom gesloten. De dimensionering van de brander 8 ten opzichte van de warmtewisselaar 9 is zodanig, dat de verbrandingsgassen koelen tot beneden het condensatiepunt ter bereiking van een hoog rendement. Het condensaat valt bij de verwarmingsinrichting 1 volgens de uitvinding niet op de brander 8.
<Desc/Clms Page number 7>
Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de verwarmingsinrichting volgens de uitvinding (figuur 4,5) wordt met behulp van een warmtepomp 80 de warmte-inhoud uit de verbrandingsgassen tot elk gewenst niveau naar het water van de eerste warmtewisselaar 9 overgedragen.
Bij voorkeur wordt een absorptie-warmtepomp toegepast, daar hierbij geen afzonderlijke compressor benodigd is. Deze absorptiepomp wordt gevormd door een eerste, ten opzichte van de eerste warmtewisselaar 9 stroomopwaarts in de verbrandingsgasstroom (pijlen F, figuur 5) geplaatste tweede warmtewisselaar 51 en een ten opzichte van die verbrandingsstroom stroomafwaarts geplaatste derde warmtewisselaar 53.
Op zichzelf is een absorptie-warmtepomp van hieronder beschreven soort bekend, bijvoorbeeld uit de koeltechniek, en de beschrijving hieronder is derhalve kort gehouden.
In figuur 4,5 zijn de aan de onderdelen uit de figuren 1-3 gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingsnummers aangegeven en zijn deze verder niet besproken.
Via een ten opzichte van de leidingen naar de warmtewisselaar 9 dunne leiding 54 is de tweede warmtewisselaar 51 met de pomp 35 verbonden. Via een leiding 55, een beveiligingsklep 56 en een leiding 57 is de tweede warmtewisselaar 51 met een in twee delen 58 resp. 59 uitgevoerd kookvat 60 verbonden, waarvandaan via leidingen 61 en 62 het opgewarmde water of stoom uit warmtewisselaar 51 aan de andere zijde van de pomp 35 is aangesloten.
In het kookvat 60 bevindt zich een mengsel van ammoniak en water, waarbij na verwarming via de warmtewisselaar 51 NH3-damp via leiding 63 in een condensor 64 wordt geleid. In de condensor 64 wordt het naar de warmtewisselaar 9 stromende water door de NH3-damp opgewarmd. Het gecondenseerde NH3 geraakt via leiding 65 en een verdampingseenheid/ driewegaansluiting 66 in de derde warmtewisselaar 53. Via leiding 67 wordt bij de driewegaansluiting 66 uit een absorptievat 68 tredend H2-gas met het NH3-gas vermengd, welk H2- gas door het lichte gewicht daarvan gemakkelijk uit het absorptievat 68 treedt en als drijfgas voor het NH3-gas dienst doet.
In warmtewisselaar 53 neemt het NH3-gas warmte
<Desc/Clms Page number 8>
op uit de verbrandingsgassen, die hier bijvoorbeeld nog een temperatuur van 700C hebben, maar na passage van de warmtewisselaar 53, bijvoorbeeld nog slechts een temperatuur van 150C bezitten. Via leiding 69 geraakt het NH3-H2-mengsel in het absorptievat 68, welk absorptievat via leiding 70 gevoed wordt vanuit het kookvat 60 met water, dat van een relatief laag percentage NH3 is voorzien en van waaruit via een leiding 71 water met een relatief hoog percentage NH3 terugge- voerd wordt naar het kookvat 60.
In het absorptievat 68 komt warmte vrij, waardoor het H2-gas in de leiding 67 relatief warm is. Bij voorkeur is tussen leiding 67 en leiding 69 een niet-getoonde warmtewisselaar opgenomen. Bij voorkeur is eveneens tussen leiding 70 en leiding 71 een niet-getoonde warmtewisselaar opgenomen.
Ter voorkoming dat de temperatuur van de verbrandingsgassen na passage van de warmtewisselaar 53 bijvoorbeeld onder het vriespunt daalt, is achter de warmtewisselaar 53 een temperatuurvoeler 72 opgenomen, die zoals schematisch met 73 is aangegeven, met een stuurorgaan 74 voor de beveiligingsklep 56 verbonden is. Indien de temperatuur bij de temperatuurvoeler 62 onder een vooraf ingestelde waarde daalt, bijvoorbeeld 50C, stuurt het stuurorgaan 74 de beveiligingsklep 56 aan, die op zijn beurt leiding 55 met leiding 61 verbindt, waardoor de temperatuur bij de temperatuurvoeler zal stijgen, daar de verbrandingsgasstroom daarna niet meer gekoeld wordt. Het stuurorgaan 74 kan ter optimalisering van het koelproces vanzelfsprekend ook regelend zijn uitgevoerd.
Indien het uit een bij de warmtewisselaar 9 behorend verwarmingssysteem via leiding 75 naar de pomp 35 toestromend water een relatief lage temperatuur heeft, bijvoorbeeld 250C, dat wil zeggen dat het verwarmingssysteem veel warmte van de warmtewisselaar 9 afneemt, zal de brander 8 nagenoeg continu werken, zullen de verbrandingsgassen derhalve een gemiddeld hoge temperatuur hebben en zal ten gevolge daarvan de met behulp van de warmtewisselaar 51 werkende absorptie-warmtepomp in de condensor 64 relatief veel warmte aan de leiding 75 overdragen, waardoor een in het hier beschreven geval bij verwarmingsinrichtingen zonder warmtepomp
<Desc/Clms Page number 9>
voorkomend rendementsverlies wordt tegengegaan.
Bij de verwarmingsinrichting met warmtepomp volgens de uitvinding wordt optimaal gebruik gemaakt van de temperatuursverschillen in de verbrandingsgassen, hetgeen volgens de wetten van de thermodynamica een vrijwel maximaal rendement van 100% kan opleveren, inclusief de warmte-inhoud van de in de verbrandingsgassen aanwezige waterdamp. Door een juiste dimensionering van de warmtepomp is in ieder geval een rendementsverbetering van 5% ten opzichte van de reeds bestaande hoog-rendementsketels mogelijk, zodat een ketel met een rendement van 98 à 99% ontstaat.
Hierboven is een voorkeursuitvoeringsvorm van een verwarmingsinrichting aan de hand van een met NH3 werkende absorptie-warmtepomp beschreven, maar het zal duidelijk zijn, dat de onderhavige uitvinding niet beperkt is tot NH3, maar bovenbeschreven warmtepomp even zo goed met freon of zoutoplossingen kan werken ; zelfs een met een electrisch aangedreven compressor werkende warmtepomp is vanzelfsprekend denkbaar.