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Die
Erfindung betrifft einen Hochleistungsenergiewandler mit einer zylindrischen
Brennkammer sowie einem mit Öl
oder Erdgas betriebenen Zentralbrenner.
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Es
ist bekannt, Energiewandler zum Umwandeln niederkalorischer Energien
in eine höherwertige Form
einzusetzen bzw. Energieformen mit möglichst hohem Effekt umzuwandeln.
Dazu sind Energiewandler bekannt, deren Effektivität jedoch
bedingt durch ihre einfache Bauart sehr unzureichend ist. Die konstruktive
Ausbildung bekannter Energiewandler ist unzureichend um Energieformen
wie z. B. von einer Brennerflamme erzeugter Wärme, die im Rauchgas angereichert
ist, mit hoher Ausbeute auf Umgebungsluft oder Wasser zu übertragen
und so auszubilden, dass nachgeschaltete Aggregate mit hohem Nutzeffekt
betrieben werden können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsenergiewandler
mit einer zylindrischen Brennnkammer sowie einen mit Öl oder Erdgas
betriebenen Zentralbrenner zu schaffen, der durch seine konstruktive
Ausbildung eine vollkommene Ausnutzung der durch den Brenner zugeführten Wärmeenergie
gestattet und einen hohen Grad an nutzfähiger Restenergie an nachfolgende
Aggregate bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Hochleistungsenergiewandler zur direkten Erwärmung von
Raumluft aus einer Brennkammer besteht, die mit einer abständebildenden Aussenwand
umschlossen ist, in deren Stirnwand ein Brenner durch die Brennkammer
zentral verlaufend auf die Frontwand gerichtet ist und der Rauchgasstrom
auf der Frontwand radial umgelenkt an die inneren Flächen der
Wand der Brennkammer axial zur Stirnwand zurückgelenkt in den Bereich von Öffnungen
gelangt, die von Rauchgasrohren gebildet sind, welche in den durch
die Abstände
zwischen der Aussen- und Innenwand gebildeten Hohlräume ringförmig angeordnet
und axial gerichtet in einem Rohrverbinder gehalten sind, den sie
in Richtung der Frontwand durchragen und die Hohlräume zwischen
der Aussen- und
Innenwand des Wandlers durchlaufen und ein ungehindertes axiales
und radiales Zirkulieren der Raumluft zur Aufnahme von Wärme von
den mehrfach in der Brennkammer sowie in den konzentrisch angeordneten
Rauchgasrohren bewegten Rauchgasen gesichert ist. Die Erfindung
ist vorteilhaft ausgebildet, wenn die Rauchgasrohre mit sinoidalen
Nebenformen auf Ihrer Mantelfläche
strukturiert ausgestattet sind. Eine weitere Form der Erfindung
ist darin zu sehen, dass die Wände
der Brennkammer mit sinoidalen Nebenformen strukturiert sind. Es
ist eine sinnvolle Form der erfindungsgemäßen Lösung, dass in den Hohlräumen zwischen
der Brennkammer und der Aussenwand mindestes eine konzentrisch angeordnete
Reihe von Rauchgasrohren eingefügt
ist. Die Erfindung ist weiterhin dargestellt, wenn bei der Anordnung
von mindestens zwei konzentrischen Reihen von Rauchgasrohren in
den Hohlräumen
eine Reihe durch Glattmantelrohre ausgeformt ist. Vorteilhaft ausgebildet
ist die Erfindung zu betrachten, wenn die Rauchgasrohre durch Überbrückungsstäbe verbunden
sind und einen geschlossenen Ring von Rauchgasrohren in den Hohlräumen ausbilden.
Die Erfindung offenbart sich auch weiterhin darin, dass die zylindrische
Innenwand der Brennkammer durch einen geschlossenen Ring mit Überbrückungsstäben zusammengefügter Rauchgasrohre
ausgebildet ist. Ausgeformt ist die Erfindung auch damit, dass an
der hinteren Stirnseite der Aussenwand eine Austrittsöffnung für die Rauchgase zum Übergang
in weitere Verbraucherstufen vorgesehen ist. Die Konfiguration des
erfindungsgemäßen Hochleistungsenergiewandlers
lässt durch
eine freie und Zwangsführung
der Rauchgase im Wandler sowie durch die Verwendung von strukturierten
Rohren im Zwischenraum der Aussen- und Innenwand des Wandlers, in
denen die Rauchgase mindestes einmal axial geführt strömend eine hohe und effektive
Ausnutzung der Wärmeenergie,
die letztendlich durch die erzeugte sehr große Oberfläche für den Wärmeübergang in einem relativ kleinen
Aggregat erreicht wird.
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Vorteilhafter
Weise sieht die Ausbildung des Energieumwandlers eine axialsymmetrische
Flamm- und Rauchgasführung
bei einer Strömungsumlenkung
von 180° am
Brennkammerboden mit erzwungener wandnaher Strömung vor. Im Bereich des Brennerkopfes
erfolgt dann eine weitere Strömungsumlenkung
um 180° um
ein axialsymmetrisch um die Brennkammer angeordnetes Rohrsystem,
durch das die Rauchgase zur Anwendung außerhalb des Wandlers geleitet
werden. Der Wandler ist funktional durch einen axialsymmetrischen
Wärmeübertrager gebildet,
der mit beulstrukturierten Rohren als Rohrbündelwärmeübertrager und/oder zur Verbrennungsluftvorwärmung als
Röhren-Economizer
vorgesehen werden kann. Die Auslegung der Brennkammer ist so gestaltet,
dass die Verbrennungsluft im Gegenstrom zum Rauchgas gleichermaßen in einer
Strömungsumlenkung
geführt
wird. Durch die Verwendung von beulstrukturierten Rauchgasrohren
kann dabei eine erheblich größere Wärmeübertragungsleistung
auf die Verbrennungsluft realisiert werden als mit Glattmantelrohren.
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Es
ist vorteilhaft, dass die thermische Leistung dann brennkammerseitig
für den
Verbrennungsprozess zusätzlich
zur Verfügung
steht und nicht erst im Oxidationsprozess bzw. mit Brennstoffen
aufgebracht werden muss. Durch die erfindungsgemäße Anordnung nimmt der Quotient
von thermischer Nutzleistung und Brennstoffbedarf, d.h. der Wirkungsgrad,
erheblich zu. Dies ermöglicht
eine maßgeblich
vorteilhafte Brennstoffausnutzung bei deutlich geringeren Rauchgasemissionen.
Durch den Hochleistungsenergieumwandler können höhere thermische Nutzleistungen
erzielt und für
energie- und verfahrenstechnische Anwendungen bereitgestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung gestattet
vorteilhaft bei direkter Lufterhitzung in Verbrennungsprozessen
- – eine
Verwendung neuer, hochwertiger korrosionsbeständiger Werkstoffe,
- – eine
Brenner- und Brennverfahrensoptimierung,
- – eine
Neugestaltung von Brennkammern,
- – eine
gezielte Verbesserung des Wärmeüberganges
beim Anströmen
planvoll gestalteter Oberflächenstrukturierungen
des Wärmeübertragers,
insbesondere der Rauchgasrohre durch eine Einarbeitung von Beulstruktwierung,
- – eine
sehr große
Verringerung der Heizflächengröße,
- – eine
deutliche Minimierung des Bauvolumens des Wandlers.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
In der zugehörigen
Zeichnung zeigen
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1:
den erfindungsgemäßen Hochleistungsenergiewandler
in einer Vorderansicht im Schnitt in einer schematischen Darstellung,
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2:
den Schnitt I-I in 1 mit einem Rauchgasrohrring,
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3:
den Schnitt nach 1 in einer Darstellung mit zwei
Rauchgasrohrringen,
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4:
den Schnitt nach 1 in einer Darstellung mit weggelassener
Brennraumwand,
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5:
einen Halbschnitt durch die 2 mit weggelassener
Brennraumwand mit zwei Rauchgasrohhringen,
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6:
eine Darstellung wie in 5, wobei der innere Rauchgasrohrring
nicht mit Stegen verbunden ist,
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7:
einen Halbschnitt durch die 2, ähnlich we 5,
in dem der geschlossenen Brennerwand Rauchrohre konzentrisch dicht
an dicht stehend im Brennerraum vorgeordnet sind,
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8:
die Schnittdarstellung ähnlich
wie 7, bei der die Brennerrohre im Luftraum mit Stegen
verbunden sind,
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9:
die Einzelheit bei x in 8, mit einer vergrößerten Darstellung
der Rauchrohranordnung vor und hinter der Brennkammerwand,
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10:
eine schematische Darstellung ähnlich
wie in 1 in einer Vorderansicht,
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11:
die Darstellung nach 10 in einer Seitenansicht, teilweise
im Schnitt
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Hochleistungsenergiewandlers 1,
nachfolgend Wandler 1 genannt, an dessen Kopfwand ein Brenner 2 eingeordnet
ist, dessen Flamme in die Brennkammer 3 des Wandlers 1 ragt.
Die Brennkammer 3 ist zylinderförmig ausgebildet und so dimensioniert, dass
zwischen der Brennkammerwand 11 und der Außenwand 10 jeweils
ein ringförmiger,
sich zylindrisch erstreckender Hohlraum 9 ausgebildet ist.
In dem hohlzylindrischen Hohlraum 9 sind mit sinoidalen
Nebenformen beulstrukturierte Rauchgasrohre 6 in gleichen
Abständen,
sich parallel mit der Brennkammerwand 11 erstreckend, angeordnet.
Die Rauchgasrohre 6 öffnen
sich in die Brennkammer hinein und bilden einen Kranz von Rauchgasrohröffnungen 7.
Die Hohlräume 9 werden
durch eine Kaltluftzuführung 8 mit
einer Raumluftzuführung
versorgt, welche die Rauchgasrohre 6 umströmt, die
in einen Rohrverbinder 13 münden, in den die Rauchgase
strömen
und den Wandler 1 an seiner Unterseite verlassen, wobei
sie einen Rauchgasaustritt 4 durchströmen. Das Rauchgas wird mit
dem Brenner 2 in die Brennkammer 3 durch die Brennerflamme zentrisch
eingeführt,
an der Frontfläche 19 der Brennkammer 3 umgelenkt
und strömt
dicht an den Brennkammerwänden 11 de
Brennkammer 3 in entgegengesetzte Richtung, bis es an die
Rauchgasrohröffnung 7 gelangt,
in diese eintritt und die Rauchgasrohre 6 durchströmt, wobei
das Rauchgas am Ende des Rauchgasrohres 6 in den Kanal 12 gelangt und
abgekühlt
den Wandler 1 durch den Rauchgasaustritt 4 verlässt. Das
Strömungsbild,
erkennbar an den Verlaufslinien mit Pfeilköpfen des Rauchgasstromes 5,
zeigt dass die heißen
Rauchgase des Brenners 2 dicht an der Brennkammerwand 11,
gegenüber
der dem Brennereintritt gelegenen Wand der Brennkammer 3 umgelenkt,
die zylindrische Brennkammerwand 11 direkt berührend, zu
den Rauchgasrohröffnungen 7,
in diese einströmend
gelangen, die Rauchgasrohre durchströmen und darin nochmals ihre
Wärme abgeben.
Sie gelangen dann, wie bereits dargestellt, in den Rauchgasaustritt 4 und
können hier
einer weiteren Verwendung zugeführt
werden. Durch das Entlangströmen
der heißen
Rauchgase an der Brennkammerwand 11 und dem Durchströmen der
beulstrukturierten Rauchgasrohre 6, in entgegengesetzter
Richtung, geben sie ihre Wärmeenergie
an das Medium in den Hohläumen 9 ab,
die dann aufgeheizt dem jeweils bestimmten Zweck zugeführt wird. Das
kann sein:
- 1. eine Zuführung der aufgeheizten Luft
an den Brenner 2,
- 2. eine Verwendung separat aufgeheizter Luft in anderen Aggregaten
oder
- 3. eine Kombination beider Zwecke.
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Damit
kann der erfindungsgemäße Wandler 1 als
Verbrennungslufterhitzer, als reiner Heißlufterhitzer oder als eine
Kombination aus Verbrennungsluft- und Heißlufterhitzer Verwendung finden.
Die aufgeheizte Luft verlässt
den Wandler 1 bei 4, um den vorgenannten wahlweisen
Verwendungen zugeführt zu
werden. Die Hohlräume 9 sind
mit Stegen 15; 15' überbrückt, um
die Rauchgasrohre 6 in der Brennkammer 3 im Wandler 1 lagefixiert
und zentrisch zu haben.
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Im
Außenmantel 10 ist
eine Raumluftzuführung 8 mit
Zugang in die Lufträume 9 eingeordnet, gleichermaßen eine
Heißluftabführung 20.
Die Darstellung gemäß 1 lässt erkennen,
dass die heißen
Rauchgase in mehreren gegenläufigen
Wegen den Hochleistungsenergiewandler durchströmen und sowohl in der Brennkammer 3 als
auch in den Rauchgasrohren 6 ihre Wärme weitestgehend an die Luft
in den Räumen 9 übertragen
und damit deren intensive Erwärmung
ermöglichen.
Eine vollständige
oder weitestgehende Ausbeute der Wärmeenergie des Brenners 2 ist
damit gewährleistet. 2 zeigt
den Schnitt I–I
nach 1. Sie zeigt, dass die Rauchgasrohre 6 in
Form eines Rauchgasrohrringes 14 im Wandler 1 zwischen
der Außenwand 10 und
der Brennkammerwand 11 konzentrisch eingeordnet sind. Stege 15, 15' halten die
Abstände
zwischen der Wand 11, der Brennkammer 3 und dem
Außenmantel 10 des Wandlers 1.
Die Rauchgasrohre 6 sind nicht durch Stege verbunden, sondern
sind lückig
angeordnet, um einen vollständigen
Austausch der Wärmeenergie
an die aufzuheizende Luft abzugeben. Es ist erkennbar, dass der
Luftkanal der aufzuheizenden Luft ringförmig zwischen der Brennkammerwand 11 und der
Außenwand 10 ausgebildet
ist.
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3 zeigt
eine Ausführungsart
zur Intensivierung der Wärmeausnutzung
im Wandler 1. Dabei sind zwischen der Brennkammerwand 11 und
der Außenwand 10 konzentrisch
2 Ringe aus Rauchgasrohren 6 eingeordnet, die in doppelter,
sich überlappender,
gegenläufiger
Rauchgasführung
durchströmt werden.
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Der
mitlesende Fachmann erkennt, dass hier die Wärme des Rauchgases durch die
hin- und herlaufende
Bewegung des Rauchgasstromes 5, hier durch den inneren
Rauchgasrohrring 14 mit den Rauchgasrohren 6 in,
gesehen zur Tafelebene steigender Richtung und im Rauchgasrohning 14' in fallender
Richtung den Wandler 1 durchläuft.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
des Wandlers 1, in dem die Brennkammerwand 11 weggelassen
worden ist und der Rauchgasrohrring 14 als Rohrringbrennerwand 16 ausgebildet
ist. Dabei sind die Rauchgasrohre 6 mit Überbrückungen
s als gleichmäßig gekrümmte Rohrwände ausgebildet.
Es wird erwartet, dass der Wärmeübergang,
insbesondere in der Brennkammer 3, an die Lufträume 9 intensiviert
und in den Rauchgasrohren 6 weiterhin erhöht wird.
Dabei kann es vorgesehen werden, dass die Rauchgasrohre 6 durch
die Frischluft in den Hohlräumen 9 gekühlt werden
und damit weiterhin eine Intensivierung der Aufheizung der Luft
erreicht wird.
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Die 5 stellt
in einem Viertelschnitt die Ausführung
gemäß 4 mit
Doppelringen einer Rohrringbrennerwand 16; 16' vor, bei der
eine Intensivierung des Wärmeüberganges
in Anlehnung an die 4 erreicht wird.
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Der
Viertelschnitt gemäß 6 in
Richtung des Pfeiles 17 zeigt eine Kombination der Rohrringbrennerwand 16 mit
einem Rauchgasrohrring 14 gemäß der Ausführung wie in den 1 bis 3 als Rauchgasrohrring 14 ohne Überbrückungsstege
s.
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Die
Rohrringbrennerwand 16 ist aus konzentrisch angeordneten
beulstrukturierten Rauchgasrohren 6 gebildet, die durch
Zwischenstege s miteinander verbunden sind und damit eine geschlossene Wand
bilden Der mitlesende Fachmann erkennt, dass es auch möglich ist,
bei dieser Gestaltung der Rohrringbrennerwand 16 Glattmantelrohre
zu verwenden, da die Einordnung von Stegen s bei beulstrukturierten
Rohren technologisch sehr aufwendig sein kann. Gedanklich ist es
nicht abwegig, die Beulstruktur der Rauchgasrohre 6 so
auszubilden, dass an den Nahtstellen zu den Stegen s die Rohre einen glatten
Verlauf haben Mit dieser Maßnahme
soll erreicht werden, dass die relative Gleichmäßigkeit des Wärmeüberganges
durch die Rauchgasrohrringe 14 ohne Überbrückungsstege s mit den konstruktiven Vorteilen
der Rohrringbrennerwand 16 vereinigt wird.
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7 stellt
einen Viertelschnitt durch den Wandler 1 vor, in dem zwischen
der Außenwand 10 und
der Brennkammerwand 11 Rauchgasrohre 6 konzentrisch
mit freien Abständen
angeordnet sind. In die Brennkammer 3 vor der Brennkammerwand 11 ist
eine weitere Anordnung von Rauchgasrohren 6 vorgesehen,
welche in wählbaren
Abständen,
dem Verlauf der Brennkammerwand 11 folgend, eingebaut sind.
Ausführungsgemäß sind die
Rauchgasrohre 6 in die Brennkammer 3 dicht an
der Brennkammerwand 11 anliegend vorgesehen.
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8 zeigt
eine äquivalente
Darstellung wie 7, bei der die Rauchgasrohre 6 auch
Glattmantelrohre sein können
und durch Stege s miteinander verbunden werden.
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9 zeigt
die Einzelheit bei x in einem vergrößerten Maßstab und stellt dar, dass
die in der Brennkammer 3 angeordneten Rauchgasrohre 6 dicht
an dicht, vor der Brennkammerwand 11, deren Verlauf folgend
eingefügt
sind. Der mitlesende Fachmann erkennt, dass diese Anordnung der
Rauchgasrohre 6 vor der Brennkammerwand 11 in
der Brennkammer 3 auch äquivalent
der 7 sein soll.
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Die 10 und 11 zeigen
die Vorstellungen einer konstruktiven Darstellung, angelehnt an die
Ausführungsarten
der 1 und 2 zur technischen Übersicht
für den
Fachmann.
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- 1
- Hochleistungsenergiewandler
- 2
- Brenner
- 3
- Brennkammer
- 4
- Rauchaustritt
- 5
- Rauchgasstrom
- 6
- Beulstrukturierte
Rauchgasrohre
- 7
- Rauchgasrohröffnung
- 8
- Raumluftzuführung
- 9
- Hohlraum
- 10
- Aussenwand
- 11
- Brennkammerwand
- 12
- Kanal
- 13
- Rohrverbinder
mit Isolierung
- 14,
14'
- Rauchgasrohning
- 15,
15'
- Steg
- 16
- Rohrringbrennerwand
- 17
- Pfeil
- 18
- Isolierung
- S
- Überbrückungssteg
- 19
- Frontfläche
- 20
- Raumluftabführung