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Verfahren und Einrichtung zur Wiedergewinnung von Wärme aus Abgasen
Ist das zur Dampferzeugung verwendete Speisewasser so. schlecht, daß es nicht durch
einen Ekonomiser hindurchgeführt werden kann, bevor es in die Dampftrommel des Kessels
gelangt, so ist es schwierig, einen günstigen Dampfkesselwirkungsgrad zu erzielen.
Wenn außerdem der Brennstoff beispielsweise Schwefel enthält und Rauchgase mit hohem
Taupunkt erzeugt, so entstehen weitere Schwierigkeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel und Schwierigkeiten
zu beheben. Erfindungsgemäß wird die Wärme der Abgase einer Dampfkesselfeuerung
oder einer anderen Feuerung unter Verwendung von Wärmetauschern mittels einer Umlaufflüssigkeit,
welche Wärme über wärmeleitende Flächen absorbiert und abgibt, sowohl auf ein gasförmiges
Mittel, beispielsweise Verbrennungsluft, als auch Verbrauchsflüssigkeit, beispielsweise
Speisewasser für die Dampferzeugung, übertragen.. Dabei wird so, verfahren, daß
die Abgase Rohrwindungen eines primären Wärmetauschers bestreichen und diese einerseits
an einen Wärmetauscher (ersten Sekundärwärmetauscher) für die Erwärmung des gasförmigen
Mittels, z. B. der Verbrennungsluft für die Feuerung, andererseits an einen Wärmetauscher
(zweiten Sekundärwärmetauscher) für die Erwärmung der Verbrauchsflüssigkeit, z.
B. Kesselspeisewasser, an.-gesch.lo.ssenen Rohrwindungen im Kreislauf von der Umlaufflüssigkeit
durchströmt werden.
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Die, Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen
darin, daß die Rohrwindungen eines von. den Rauchgasen, durchzogenen Wärmetauschers
(primären Wärmetauschers) mit den Rohrwindungen zweier weiterer @@Tärmetauscher
(sekundärerWärmetauscher), deren einer von dem zu erwärmenden gasförmigen Mittel,
deren anderer von der zu erwärmenden Verbrauchsflüssigkeit durchströmt wird, einen
Kreislauf für die in dem primären Wärmetauscher erwärmte Umlaufflüssigkeit bilden.
Die: Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele des Gegen-Standes der Erfindung. Es
stellen dar Fig. 1 bis 6 Beispiele der Anordnung des Umlaufsystems, Fig. 7 eine
Dampfkesselan.lage mit dem Umlaufsystem, Fig. 8 und 9 weitere Ausführungsbeispiele.
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Der linke Teil der Fig. 1 zeigt ein Umlaufsystem für mittelbare Speisewasservorwärmung
eines Kessels. Vom Kessel ist lediglich die Dampftrommel 28 gezeigt. Die Vorwärmung
des Speisewassers wird durch Umlaufflüssigkeit bewirkt. Diese Umlaufflüssigkeit,
in der Regel Wasser und daher nachstehend mit Umlaufwasser bezeichnet, kommt von
einem Ausdehnungsgefäß 2, das an die Dampftrommel durch eine Leitung 29 angeschlossen
ist. Das Umlaufwasser, welches durch die Rohrwindungen .des primären, im Rauchgaszug
1 angeordneten Wärmetauschers 1 a geht und erwärmt wird, strömt durch eine Leitung
30, das Ausdehnungsgefäß 2, eine Leitung 31, eine Umlaufpumpe 32 zu einem außerhalb
des Rauchgaszuges angeordneten zweiten Wärmetauscher 33. In letzterem wird das Speisewasser
durch das Umlaufwasser erwärmt und zu dem Kessel durch eine Leitung 34 geführt.
Das in diesem Wärmetauscher herabgekühlte Umlaufwasser strömt durch, Leitung 36
zu dem Wärmetauscher l a,
wo es neuerlich erwärmt wird. Das Umlaufwasser
kreist somit ununterbrochen in dem Umlaufsystem. Vorzugsweise wird destilliertes
Wasser verwendet, so daß keine Ablagerungen in den Rohren stattfinden. Das Speisewasser
strömt durch den Wärmetauscher 33, wobei es mechanisch rein gehalten wird. (Unreinheiten
werden kaum auftreten, da der Temperaturunterschied zwischen Speisewasser und Umlaufwasser
klein ist.) Der rechte Teil der Fig. 1 zeigt ein Umlaufsystem für die Erhitzung
des gasförmigen Mittels (Luft). Dieses System besteht aus den Heizrohren des Wärmetauschers
1 a, dem Ausdehnungsgefäß 2, der Umlaufpumpe 3, dem Luftvorwärmer 4, dem
Verteiler 6, dem Sammler 7 des Wärmetauschers l a, der Leitung 12 vom Ausdehnungsgefäß
2 zum Wärmetauscher
1 a über die Umlaufpumpe 3 und der Leitung
10 vom Wärmetauscher 1 a zum Luftvorwärmer 4 und von diesem zum Ausdehnungsgefäß
2. Eine regelbare Umleitung ist mit 5 bezeichnet. Durch sie soll verhindert werden,
daß im Wärmetauscher 1 a die Rauchgase auf eine Temperatur herabgekühlt werden,
die niedriger ist als der Taupunkt der Rauchgase. Zu diesem Zweck ist eine. Steuerleitung
5a vorgesehen, die von einem Regelorgan (Thermostat) zum in der Umleitung eingeschalteten
Ventil 8 führt.
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Die zwei Umlaufsysteme, welche Fig. 1 zeigt, können in einer einzigen
Anlage zugleich Verwendung finden. Fig.2 zeigt eine solche Anordnung, nämlich ein
Umlaufsystem für die mittelbare Verbrennungsluftvorwärmung und für die mittelbare
Speisewasservorw ärmung.
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Das Umlaufwässer wird dem Ausdehnungsgefäß 2 entnommen, welches mit
der Dampftrommel des Kessels durch. Wasser- und Dampfleitungen 38 und 39 in Verbindung
steht. Eine Pumpe 32 verteilt das Umlaufwasser von dem primären. Wärmetauscher 1
a (d. h. dem Wärmetauscher, in welchem die Umlaufflüssigkeit Wärme aufnimmt) durch
Leitungen 30, 31 und 40 auf den sekundären Wärmetauscher 4 für die Luftvorwärmung
und, durch eine Leitung 41, auf den sekundären Wärmetauscher 33, in welchem die
Umlaufflüssigkeit Wärme für die Speisewasservorwärmung abgibt. Die Speisewasserleitung
ist mit 34 bezeichnet. Die Rückführleitung 43 verbindet den sekundären Wärmetauscher
4 mit dem Wärmetauscher l a;
diese Leitung ist an einen Verteiler 45
angeschlossen, der so angeordnet ist, daß das vom Luftvorwärmer kommende Umlaufwasser
an der Stelle in denWärmetauscher 1 a eingeführt wird, wo. das bereits am Verteiler6
eingeführte, vom Speisewasservorwärmer kommende Umlaufwasser ungefähr auf die gleiche
Temperatur erwärmt worden ist. Die Heizrohre des Wärmetauschers 1 a sind in Gruppen
so aufgeteilt, daß einer Gruppe der Verteiler 6 und ein Sammler 45 a zugeordnet
sind, während die übrigen Heizrohre des Tauschers 1 a in zwei parallele Gruppen
aufgeteilt sind; eine dieser Gruppen ist an den Verteiler 45 angeschlossen, während
die zweite Gruppe mit dem Sammler 45c, verbunden ist, der somit sowohl als Sammler
als auch als Verteiler wirkt. Die Windungen. der zwei letzteren Gruppen endigen
in dem Sammler7.
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Das Speisewasser strömt durch eine Zone des Wärmetauschers 4, d. h.
durch die Rohrwindungen 46, um einen Teil seiner Wärme an die Luft abzugeben, bevor
es durch den Wärmetauscher 33 strömt. Durch die regelbare Nebenleitung 5 mit der
Steuerleitung 5 a vom Überwachungsgerät (Thermostat) wird. die Temperatur des Umlaufwassers
im Wärmetauscher 1 a geregelt.
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Die Anordnung gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen jener der Fig.
2, jedoch mit dem Unterschied, daß das Umlaufwasser anstatt des Speisewassers durch
eine Zone des Wärmetauschers 4 für die Luftvorwärmung strömt, d. h. durch die Rohrwindungen
47, wo es weitere Wärme an die Verbrennungsluft abgibt, bevor es zu dem Wärmetauscher
1 cc zurückkehrt.
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In Fig. 4 ist das Umlaufsystem über zwei Wärmetauscher 1 a, 1 b im
Rauchgaszug 1 verteilt. Der Speisewasservorwärmer 33 und der Verbrennungsluftvorwärmer
4 sind so mit den anderen Wärmetauschern und mit dem Ausdehnungsgefäß 2 in Reihe
geschaltet, daß der Umlauf in der Reihenfolge 1 a-2-33-1 b-4 und zurück zu 1 a durch
die Rückleitung 48 stattfindet. Hierbei wird das Umlaufwasser auf seinem Weg von
dem Speisewasservorwärmer 33 zu dem Verbrennungsluftvorwärmer4 erneut erhitzt. Die
Nebenleitung 5 für die Überwachung der Temperatur im primären Wärmetauscher 1 a
ist auch bei dieser Anlage- vorgesehen. Unter der Voraussetzung, daß die Temperatur
der Rauchgase hinter der letzten. wärmeaufnehmenden Windung verhältnismäßig hoch
ist, eignet sich die in Fig.4 gezeigte Ausführungsform besonders für eine Sodahausanlage,
bei welcher ein Verdampfer 50 für die Verdampfung von Lauge in hezug auf die Rauchgasrichtung
hinter dem Wärnetauscher 1 a vorgesehen ist.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 5 ist kein besonderes Ausdehnungsgefäß
vorgesehen; das Umlaufwasser wird von dem primären Wärmetauscher 1 a unmittelbar
zu der Dampftrommel 28 des Kessels geleitet und fließt dann parallel durch den.
sekundären. Wärmetauscher 33 für die Speisewasservorwärmung und durch zwei sekundäre
Wärmetauscher 4 und 4', von denen der erstere beispielsweise Erstluft, der letztere
Zweitluft erhitzt. Die Strömungsrichtungen der Mittel sind durch Pfeile angedeutet.
Das Umlaufwasser aller drei Wärmetauscher 33, 4' und 4 wird durch die gleiche Leitung
36 bis 48 zurückgeführt.
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Bei einer solchen Anordnung kann die Umlaufpumpe 32 sowohl für die
Wärmetauscher als auch für das Umlaufsystem des Kessels benutzt werden, wenn letzterer
ein sogenannter Zwangsumlaufkessel ist. Ein Teil des vom Kessel zurücklaufenden
Umlaufwassers, «-elches die Konsistenz eines Dampf-Wasser-Gemisches hat, kann irgendeinen
oder einige der vorgesehenen Wärmetauscher durchströmen, bevor das Umlaufwasser
vom Dampfdom zurückkehrt.
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Die Ausführungsform nach Fig.6 unterscheidet sich von derjenigen der
Fig. 5 dadurch, daß sie ein Ausdehnungsgefäß und keinen, Verdampfer besitzt, aus
welchem Grunde den Rauchgasen in. dem Wärmetauscher 1 a so viel Wärme als möglich
entzogen werden soll. Das Umlaufwasser kehrt hier von den Ltiftvorwärmern 4 und
4' zu dem Verteiler 6 am Einlaßende des Wärmetauschers 1 a zurück und tritt an dem
entgegengesetzten Ende in den. Sammler 7 ein, während das Umlaufwasser von dem Speisewasservorwärmer
33 zu einem Verteiler 51 an einen zwischen dem Verteiler 6 und dem Sammler 7 liegenden
Punkt zurückkehrt, wobei das von dem Luftvorwärmer kammende Umlaufwasser in den
ersten Windungen des Wärmetauschers 1 a Zeit erhält, erhitzt zu werden, so daß es
ungefähr die gleiche Temperatur besitzt wie das durch den Verteiler 51 hereinkommende
und von dem Speisewasservorwärmer stammende Umlaufwasser.
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Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform nach Fig. 6, welche in eine bekannte
Dampfkesselanlage eingebaut ist. Die Feuerung ist mit 53 bezeichnet, der Rauchgaszug
mit 54. In diesem ist der primäre Wärmetauscher 1 a angeordnet. Hinter dem Wärmetauschen
a (in der Rauchgasrichtung gesehen) befindet sich ein Verdampfer 50. Ein Ausdehnungsgefäß
2 ist in unmittelbarer Nähe der Dampftrommel 28 angerdnet.
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Der Gegenstand der Erfindung kann auch in anderer als der bisher beschriebenen
Weise ausgeführt werden. Statt Wasser kann 01 oder irgendeine andere Flüssigkeit
mit hohem Siedepunkt als Umlaufflüssigkeit verwendet werden. Statt der Wärmetauscher
mit Rohrwindungen, die vorzuziehen sind, können auch andersartige verwendet werden.
Das System kann mit Rauchgasen von Feuerungen der verschiedensten Gattungen arbeiten,
z. B. mit Rauchgasen von Gebläsefeuerungen.
In der vorstehenden
Beschreibung ist erläutert, wie durch Wärmeaustausch zwischen Gasen mit Hilfe von
Umlaufflüssigkeit, die zwischen primären und sekundären Wärmetauschern umläuft,
und durch Zufuhr von heißem Umlaufwasser an. den. primären. Wärmetauscher eine gewisse
Temperatur erreicht wird, die höher ist als der Taupunkt der Rauchgase am Eintritt
des Umlaufwassers in den primären Wärmetauscher. Dieses Verfahren ist angewendet
bei einem Umlaufsystem, bei dem der Kreislauf des Umlaufwassers von dem des Dampfkessels,
od.. dgl. getrennt ist. In der nachstehend beschriebenen. Ausführungsform ist der
Kreislauf des Umlaufwassers durch den primären und die sekundären Wärmetauscher
an das Umlaufsystem des Kessels angeschlossen, und die Temperatur des Umlaufwassers
am Eingang des primären Wärmetauschers wird durch. Drosselung vor dem Eintritt in,
den Luftvorwärmer oder durch Rückführung von. Umlaufwasser in den Kesselkreislauf
überwacht. Dar bei werden gewisse Vorteile erreicht. Der Kreislauf des Umlaufwassers
erfordert keine besondere Umlaufpumpe, sondern die des Kessels bedient beide Kreisläufe.
Das Ausdehnungsgefäß desselben ist ebenfalls überflüssig dadurch, daß die Dampftrommel
des Kessels dieses Gefäß ersetzt. Die Flüssigkeitstemperatur vor dem von dem Rauchgas
bestrichenen Teil des Luftvorwärm.ers kann dicht am Taupunkt der Rauchgase bei verschiedenen
Entnahmen vom Kessel gehalten werden, wobei der Wirkungsgrad des Kessels oder des
Kesselaggregates gesteigert wird.
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Fig.8 stellt einen Dampfkessel mit Zwangsumlauf dar. 124 ist der Speisewasserbehälter
des Kessels; 125 die Dampftrommel des Kessels, 126 eine Umlaufpumpe, 101a der von
dem Rauchgas bestrichene Teil des Kreislaufes des Umlaufwassers und 104 der von
der Verbrennungsluft bestrichene Teil des genannten Kreislaufes.
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Der Einlaß der Umlaufpumpe. ist mit der Dampftrommel 125 durch eine
Leitung 127 verbunden; der Auslaß ist an den Verteiler 128 und 129 der Dampf erzeugenden
Berührungsheizfläche des Kessels über eine Leitung 130 angeschlossen. Von. letzterer
zweigt eine Leitung 132 ab, die zu dem Luftvorwärmerteil 104 führt; die Rückleitung
133 von. diesem Teil ist an den Verteiler 135 am Eintritt des mit Rauchgasen beheizten
Teils des Umlaufwass.erkr'eislaufes angeordneten sekundären Wärmetauscher 101 a
angeschlossen. Der entsprechende Sammler 136 am Ende dieses Teils ist mit einer
Leitung 137 verbunden., die zur Dampftrommel 125 führt. 138 ist ein Ekonomiser,
der mit der Speisewasserpumpe 140 über eine Leitung 141 und mit der Dampftrommel
125 über eine Leitung 142 verbunden ist. 143 bezeichnet dampferzeugende Rohrwindungen,
welche über den Verteiler 129 mit der Leitung 130 und durch einen Sammler 145 und
eine Leitung 146 mit der Dampftrommel 125 in. Verbindung stehen. Die Rohrwindungen
101 a, 138, 143 sind in den Rauchgaszug 147 des Kessels eingebaut. Die* Umlaufrichtung
in den verschiedenen Leitungen und Windungen ist durch Pfeile angedeutet. Die am
Eintritt in den. Verteiler 135 gewünschte Temperatur des Umlaufwassers wird geregelt
durch Vermittlung eines Organs 148, welches die Menge des durch den Luftvorwärmer
104 strömenden Umlaufwassers in. Abhängigkeit von der Temperatur in. der Leitung
133 vor dem Verteiler 135 regelt. Durch das Überwachungsorgan 148 wird die durch
den von der Luft bestrichenen Teil des Luftvorwärmers strömende Menge des Umlaufwassers
in Abhängigkeit von der Temperatur des Umlaufwassers vor dem Verteiler 135 derart
geregelt, daß die Wassertemperatur in. den. Windungen 101 a immer höher, ist als
der Taupunkt des diese Windungen umströmenden Rauchgases. Bei kleineren Entnahmen
aus dem Kessel wird eine große Menge Luft durch den von der Luft bestrichenen Teil
des Luftvorwärrners gehen., und eine große Menge des Umlaufwassers ist gezwungen,
durch den Luftvorwärmer zu strömen. Bei größeren Entnahmen wird ihn eine kleine
Menge des Umlaufwassers durchlaufen. Eine Drosselscheibe 150 ist in die Leitung
vor dem Luftvorwärmer 104 eingeschaltet, um die: Menge; des Umlaufwassers auf einen.
vorbestimmten Höchstbetrag zu beschränken.
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Es sei bemerkt, daß keine besondere Umlaufpumpe für den Luftvorwärmer
104 erforderlich ist; ebensowenig ein: Ausdehnungsgefäß; vielmehr übernimmt die
Dampftrommel 125 die; Funktion desselben..
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Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung, bei welcher der von den Rauchgasen.
bestrichene Teil des Kreislaufes des Umlaufwassers, d. h. der primäre Wärmetauscher,
und der Speisewasservorwärmer zusammengebaut sind und die Speisepumpe 156 der Anlage
auch das System des Umlaufwassers versorgt. Diese Vorrichtung wird vorzugsweise
verwendet, wenn das Speisewasser eine sehr niedrige Temperatur aufweist, besonders,
wenn die Temperatur des Speisewassers niedriger ist als der Taupunkt der Rauchgase
(Sodahaus Kessel). 125 ist die Dampftrommel des Kessels, 151 der mit dem Speisewasservorwärmer
vereinigte primäre Wärmetauscher, 152 und 153 sind die von der Luft bestrichenen
Teile des sekundären Wärmetauschers für die Erhitzung von Erst- und Zweitluft. Von
dem Speisewasserkessel 124 führt eine: Leitung 155 über die Pumpe 156 zu dem vereinigten
Wärmetauscher 151. Der Kessel 124 ist durch eine Leitung 157 mit der Dampftrommel
verbunden. Angeschlossen an die letzterwähnte Leitung ist eine Auslaßleitung 159
des primären. Wärmetauschers 151 zwischen zwei Überwachungsorganen 160 und 161.
Von der Auslaßleitung 159 zweigt die Leitung 162 ab, die sich in die Luftvorwärmer
152 und 153 verzweigt; in. jedem dieser Zweige liegt ein Überwachungsventil 163
bzw. 164. Von. den anderen Teilen bezeichnen 165 und 166 Drosselscheiben in den
Rohrleitungen zur Beschränkung der durchgehenden Wassermenge auf einen bestimmten
Höchstbetrag.
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Erfindungsgemäß ist das Überwachungsventil 161 dazu bestimmt, den
Rücklauf einer gewissen. Heißwassermenge durch die Leitung 157 zu dem Speise;-wasserkessel
für den Fall zu bewerkstelligen, daß die Temperatur des Wassers vor dem Verteiler
169 des Ekonomisers unter einen, gewünschten Betrag fällt. Zu diesem Zweck ist von
dem Ventil 161 aus eine Steuerleitung 168 vorgesehen, die! zu einem Regelorgan,
z. B. einem Thermostat, an eine Stelle vor dem Verteiler 169 führt. Das vorerwähnte
Organ 160 bildet den Speisewasserregler.
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Die Anordnung nach Fig. 2 hat ebenfalls den Vorteil, daß keine besondere
Umlaufpumpe oder irgendein anderes Ausgleicbgefäß für den Luftvorwärmer 152, 153
erforderlich .ist. Die Temperatur des Wassers vor der von: den, Rauchgasen bestrichenen
Heizfläche wird durch quantitativen. Rückumlauf von. heißem Wasser durch das Drosselventil
161 überwacht. Die Temperatur vor der von den Rauchgasen. bestrichenen Heizfläche
kann auch in diesem Fall konstant niedrig und unmittelbar über dem Taupunkt der
Rauchgase bei verschiedenen Entnahmen gehalten werden; das Aggregat arbeitet hierbei
mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad bei verschiedenen Entnahmen, vorausgesetzt,
daß
das in dem Speisewasserbehälter strömende Speisewasser nicht eine zu hohe Temperatur
hat.