DE102006014110A1

DE102006014110A1 - Flammrohr-Konstruktion mit hoher Wärmeübertragung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102006014110A1
Application number: DE200610014110
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof. em Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Jeschar; Andrea Grajewski
Original assignee: ECO POWERSTAR GmbH
Current assignee: ECO POWERSTAR GmbH
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-04
Also published as: WO2007110212A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flammenrohr-Konstruktion für einen Heizkessel, wobei die Flammenrohr-Konstruktion aufweist: ein Flammenrohr (3) mit einem Flammenrohr-Gehäuse (3a), das sich in einer axialen Richtung (A) erstreckt, einem von dem Flammenrohr-Gehäuse (3a) umgebenen Flammenrohr-Innenraum (3d), einem Brenner-Anschluss (3b) zum Anschluss eines Brenners (2) für flüssige, gasförmige oder zerstäubte feste Brennstoffe (11a) und einem am entgegengesetzten Ende vorgesehenen Flammenrohr-Ausgang (3c). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Flammenrohr-Innenraum (3d) mindestens ein Körper (15; 150) aus einem hitzebeständigen Material angeordnet ist, der eine Sekundärstrahlungsfläche (15a, 150a) zur Ausstrahlung von Sekundärstrahlung (IR) an eine Innenfläche (3e) des Flammenrohr-Gehäuses (3a) aufweist. Erfindungsgemäß ist hierbei sowohl der Neubau einer derartigen Flammenrohr-Konstruktion als auch die nachträgliche Ausrüstung bestehender Flammenrohre vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flammenrohr-Konstruktion mit hoher Wärmeübertragung für einen Heizkessel und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Heizkessel dienen der Erhitzung eines Heizmediums, insbesondere von Wasser, zu Heißwasser oder Dampf. Sie weisen einen Verdampfer mit einem Brenner und einem an den Brenner angeschlossenen Flammenrohr, einen nachfolgenden Überhitzer und in der Regel einen Wasservorwärmer auf.
Hierbei werden in der Regel Brennräume mit kleiner bis mittelgroßer Leistung bis etwa 50 MW erreicht, wobei das Flammenrohr-Gehäuse in der Regel als glatter oder gewellt lang gestreckter Zylinder ausgebildet ist. Im Inneren des Flammenrohres findet die Verbrennung mit der Freisetzung der Verbrennungswärme statt; auf der Außenseite des Flammenrohr-Gehäuses wird Wasser erhitzt und ggf. verdampft.
Diese Anordnung bildet somit in der Regel den Verdampfer bzw. Erwärmer eines Kessels, dem sich der Überhitzer anschließt und dem ein Vorwärmer für das Frischwasser vorgeschaltet ist.
Als Brennstoff können dem Brenner flüssige oder gasförmige Brennstoffe oder auch zerstäubte feste Brennstoffe zugeführt werden. Weiterhin kann dem Flammenrohr eine Schwelgasfeuerung für feste Brennstoffe vorgeschaltet werden.
Die erreichbaren Leistungen und Wirkungsgrade hängen wesentlich davon ab, welcher Anteil der für die Dampferzeugung benötigen Wärme bereits im Flammenrohr selbst übertragen werden kann. Diese Wärmeübertragung ist relativ gering, weil sie im wesentlichen nur durch Gasstrahlung sowie durch die so genannte Flammenstrahlung erfolgt. Eine Wärmeübertragung durch Konvektion ist hingegen vernachlässigbar.
Die hier wirkenden Mechanismen sind insbesondere deshalb relativ gering, weil sowohl die Gasstrahlung als auch die Flammenstrahlung von der Schichtdicke des Flammenrohres abhängen, die durch den Durchmesser des Flammenrohres gegeben ist und selten wesentlich größer als 1 m ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Flammenrohr-Konstruktion zu schaffen, die eine hohe Energieeffizienz bzw. Wärmeausnutzung erreicht. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung der Flammenrohr-Konstruktion geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 21 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
Erfindungsgemäß ist somit in dem Flammenrohr-Innenraum mindestens ein Körper aus einem hitzebeständigen Material angeordnet, der eine zur Abstrahlung von Sekundärstrahlung bzw. Sekundär-Wärmestrahlung dienende Oberfläche aufweist. Die von dem Körper ausgesandte Sekundärstrahlung durchquert den Flammenrohr-Innenraum und wird an der Gehäuse-Innenfläche absorbiert.
Die Körper sind hinreichend hitzebeständig, vorteilhafterweise aus einer feuerfesten Keramik oder einem hitzebeständigen Metall, hergestellt, und so angebracht, dass sie von den heißen Verbrennungsgasen bis etwa auf die Gastemperatur erwärmt werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei bestehenden Flammenrohren ein Großteil der Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen auf das Flammenrohr-Gehäuse durch Wärmestrahlung erfolgt, jedoch die Verbrennungsgase auf die Aussendung von Wärmestrahlung in ihren Emissionsspektren bzw. Emissionsbanden begrenzt sind. Lediglich die in der Flamme vorhandenen Rußteilchen ermöglichen bisher eine breitbandigere Emission.
Eine derartige Sekundärstrahlung wird von der Gehäuse-Innenfläche nicht abgegeben, da diese über den gesamten Umfang weitgehend gleich niedrige Temperaturen aufweist.
Die Körper können z. B. ringförmig, als Gitter oder in Form gelochter Scheiben ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sind mehrere derartige Körper axial beanstandet hintereinander angeordnet, wodurch zum einen die Sekundärstrahlungsfläche als Summe der einzelnen Flächen erhöht ist und zum anderen zwischen den Körpern Freiräume gebildet werden, in denen das Gas weiterhin in seinen Emissionsbanden Strahlung abgeben kann.
Die erfindungsgemäßen Körper zeigen hierbei eine deutliche Abstrahlung von Sekundärstrahlung und unterscheiden sich daher von ggf. im Flammenrohr angeordneten Temperatur-Messfühlern, Sonden, Proberohren usw.
Bei Untersuchung zeigten sich Energieeinsparungen durch derartige Einbauten je nach Art und Größe der Kessel im Bereich von 5 bis über 20 Prozent. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ergibt sich daraus, dass durch den mindestens einen Körper eine bessere Durchmischung der Verbrennungsgase und hierdurch eine bessere und vollständigere Oxidation stattfindet. Hierdurch wird der Lambda-Wert verbessert.
Der mindestens eine Körper bzw. der Einsatz aus mehreren Körpern ist vorteilhafterweise derartig gestaltet, dass sich eine über den Querschnitt des Flammenrohr-Gehäuses eine gleichmäßige Durchströmung ergibt.
Bei Verwendung mehrerer, d. h. von mindestens zwei Körpern können diese vorteilhafterweise durch Verbindungsmittel, z. B. in axialer Richtung verlaufende Stangen, verbunden sein, so dass ein einteiliger Einsatz gebildet wird.
Erfindungsgemäß können zum einen vorhandene Anlagen durch Einbringung des mindestens einen Körpers, vorteilhafterweise des Einsatzes aus mehreren Körpern, nachgerüstet werden. Weiterhin ist jedoch auch der Einsatz bzw. der Einbau in Neuanlagen möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau eines Warmwasseraufbereiters;
2 eine Draufsicht bzw. Horizontalschnitt durch das Flammenrohr aus 1;
3 den Axialschnitt III.-III. aus 2;
4 eine der 2 entsprechende Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5 den Schnitt V.-V. aus 4.
Ein Heizkessel 1 dient der Erhitzung von Wasser, zum Beispiel zur Warmwasseraufbereitung oder auch als Heizeinrichtung, z. B. als Therme in einem Heizkreislauf. In 1 ist der grundsätzliche Aufbau gezeigt mit einem Brenner 2, einem Verdampfer 5, in dem ein Flammenrohr 3 angeordnet ist, einem sich an diesen anschließenden Überhitzer 6 und einem Wasservorwärmer 8.
Der Brenner 2 kann insbesondere ein Gebläsebrenner 2, grundsätzlich jedoch auch ein anderer Brennertyp sein und ist an dem Brenneranschluss 3b des Flammenrohrs 3 befestigt. Ihm werden flüssiger, gasförmiger oder pulverförmiger fester Brennstoff 11a und Luft 11b zugeführt. Seine Flamme 10 ragt in den Flammenrohr-Innenraum 3d hinein, wobei seine heißen Verbrennungsgase 12 nachfolgend durch den Flammenrohr-Innenraum 3d zu dem Flammenrohr-Ausgang 3c strömen. Die durch den Flammenrohr-Innenraum 3d strömenden Verbrennungsgase 12 strahlen hierbei Wärmestrahlung bzw. Primärstrahlung radial nach außen zu der Gehäuseinnenfläche 3e ab; weiterhin findet eine Wärmeübertragung von den heißen Verbrennungsgasen 12 zu dem Flammenrohr-Gehäuse 3a auch durch Konvektion statt.
Das Flammenrohr 3 ist z. B. zylindrisch oder mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet; das Flammenrohr-Gehäuse 3a ist vorzugsweise aus Stahl gefertigt. Erfindungsgemäß sind in dem Flammenrohr-Innenraum 3d ein oder mehrere Körper 15 eingesetzt. Sie können sowohl in der Flamme 10 als auch in einem mittleren oder hinteren Bereich des Flammenrohr-Innenraums 3d, d. h. im Bereich der heißen Verbrennungsgase 12 der Flamme 10 angeordnet sein. Die Körper 15 sind hierbei für die Verbrennungsgase 12 durchlässig, erhitzen sich durch die Flamme 10 bzw. die Verbrennungsgase 12 und weisen eine Sekundärstrahlungsfläche 15a auf, an der sie Strahlung IR entsprechend ihrer Temperatur im Infrarot-Bereich aussenden, die von der Gehäuseinnenfläche 3e absorbiert wird. Die Gehäuseinnenfläche 3e ist im Allgemeinen nicht beschichtet, um die Wärmeleitung nach außen nicht zu beeinträchtigen.
Der eine bzw. die mehreren Körper 15 können in dem Flammenrohr-Gehäuse 3a auf unterschiedliche Weise befestigt bzw. angebracht sein. Hierbei ist zum einen eine Aufhängung 16 möglich; weiterhin können die Körper 15 auch an anderen Befestigungsmitteln 17 angebracht, z. B. auf Auflagen 17 aufgesetzt sein.
Die 2, 3 zeigen eine Ausführungsform, bei der mehrere ringförmige Körper 15 in axialer Richtung A beabstandet in dem Flammenrohr 3 angeordnet sind. Hierbei sind die ringförmigen Körper 15 vorteilhafterweise durch z. B. in axialer Richtung verlaufende Stangen 18 zu einem Einsatz 20 verbunden. Somit kann der komplette Einsatz 20 von einer der Stirnseiten 3b, 3c her, z. B. nach Ausbau des Brenners 2 von dem vorderen Anschluss 3b her eingesetzt werden, ohne die Körper 15 nachträglich in dem Flammenraum 3 ausrichten zu müssen.
Bei dieser Ausführungsform der 2, 3 dienen insbesondere die zylindrischen Außenflächen der ringförmigen Körper 15 als Sekundärstrahlungsfläche 15a; ergänzend tragen grundsätzlich auch die zylindrischen Innenflächen der ringförmigen Körper 15 zur Abstrahlung bei. Die Sekundärstrahlung IR gelangt hierbei – soweit sie nicht an andere Körper 15 gelangt – an die zylindrische Gehäuse-Innenfläche 3e, wo sie absorbiert wird.
Zwischen den ringförmigen Körpern 15 sind Freiräume 22 ausgebildet, in denen die heißen Verbrennungsgase 12 entsprechend ihrer Temperatur IR-Strahlung radial nach außen zu der Gehäuseinnenfläche 3e abstrahlen. Somit wird durch die erfindungsgemäßen Körper 15 die Aussendung von direkter Wärmestrahlung durch die Verbrennungsgase bzw. die in ihnen enthaltenen Rußteilchen nicht verhindert.
Die Körper 15 blockieren den Strom der Verbrennungsgase 12 nicht, können jedoch eine Verwirbelung bewirken, die zur Besserung der Durchmischung und somit zur vollständigen Oxidation des Kohlestoffs bzw. der Kohlenwasserstoffe beiträgt. Hierdurch werden die Schadstoffe in den Verbrennungsgasen 12 verringert.
Die 4, 5 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der als Körper Gitter 150 eingesetzt sind. Die Gitter 150 können z. B. aus einem keramischen Material oder auch – bei hinreichendem Abstand von der Flamme 10 – aus einem wärmebeständigen Metall gefertigt sein und sind wiederum Befestigungsmittel 160 in dem Flammenrohr-Gehäuse 3a befestigt. Hierbei können wiederum mehrere derartige Gitter 150 axial beanstandet vorgesehen sein und zum besseren Einsatz und definierten Position zueinander mittels Verbindungsmitteln 18, z. B. Stangen 18, verbunden sein. Hierbei dient die Außenfläche 150a der Gitter 150 als Sekundärstrahlungsfläche; eine direkte Festkörper-Wärmeleitung von den jeweiligen Körpern 15 bzw. 150 zu dem Flammenrohr-Gehäuse 3a ist unerheblich.
Bei Temperaturen der Verbrennungsgase 12 von z. B. 800 °C nehmen die Körper 15, 150 Temperaturen etwa 50 °C bis 100 °C unterhalb der Abgastemperatur, d. h. zum Beispiel etwa 700 °C an. Zwar bewirkt die niedrigere Temperatur zunächst eine geringere Abstrahlung an Sekundärstrahlung; das Material der Körper 15, 150 ist hierbei jedoch nicht auf die Absorptionsbande bzw. Emissionsspektren von H₂O, CO₂ sowie der Rußpartikel der Verbrennungsgase 12 beschränkt; erfindungsgemäß wird erkannt, dass trotz der etwas geringeren Temperatur durch die Körper 15, 150 eine höhere Wärmeabstrahlung erreicht wird. Während die Verbrennungsgase 12 einen Emissionsgrad von 0,4 aufweisen, so hat der in ihnen mitgenommene Ruß zunächst einen Emissionsgrad von etwa 0,8, tritt jedoch im Wesentlichen nur in der Flamme 10 auf. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Körper 15, 150 tragen mit ihrem entsprechend hohen Emissionsgrad von 0,8 wiederum deutlich zu einer Erhöhung der Strahlungsübertragung bei.
Hierbei liegt erfindungsgemäß die gesamte Sekundärstrahlungsfläche 15a, 150a aller Körper 15, 150 im Verhältnis zur die IR-Strahlung aufnehmenden Innenfläche 3e im Bereich von mindestens 10 Prozent. Sie kann vorzugsweise im Bereich von 10 bis 80, insbesondere von 20 bis 70 Prozent, z. B. auch bei 30 bis 50 Prozent liegen. Bei allen Ausführungsform kann die Sekundärstrahlungsfläche 15a, 150a strukturiert sein, z. B. durch eine Aufrauung und/oder Riffelung und/oder Wellung, so dass eine Erhöhung der gesamten Sekundärstrahlungsfläche erreicht wird
Weitere Ausführungsform von Körpern sind z. B. gelochte Scheiben, die z. B. wiederum entsprechend den gezeigten Ausführungsformen axial beanstandet hintereinander angeordnet werden. Die jeweiligen Körper bzw. hieraus gebildeten Einsätze 20 ermöglichen vorteilhafterweise über den Querschnitt des Flammenrohr-Innenraums 3d eine gleichmäßige Durchströmung.
Die Körper 15, 150 bzw. die Einsätze 20 können erfindungsgemäß sowohl in neu hergestellte Flammenrohre 3 als auch nachträglich in bereits bestehende Flammenrohre 3 von Heizkesseln 1 eingesetzt werden.

Claims

Flammenrohr-Konstruktion für einen Heizkessel, wobei die Flammenrohr-Konstruktion aufweist: ein Flammenrohr (3) mit einem Flammenrohr-Gehäuse (3a), das sich in einer axialen Richtung (A) erstreckt, einem von dem Flammenrohr-Gehäuse (3a) umgebenen Flammenrohr-Innenraum (3d), einem Brenneranschluss (3b) zum Anschluss eines Brenners (2) für flüssige, gasförmige oder zerstäubte feste Brennstoffe (11a) und einem am entgegengesetzten Ende vorgesehenen Flammenrohr-Ausgang (3c), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flammenrohr-Innenraum (3d) mindestens ein Körper (15; 150) aus einem hitzebeständigen Material angeordnet ist, der eine Sekundärstrahlungsfläche (15a, 150a) zur Ausstrahlung von Sekundärstrahlung (IR) an eine Innenfläche (3e) des Flammenrohr-Gehäuses (3a) aufweist.
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Körper (15; 150) in axialer Richtung hintereinander in dem Flammenrohr-Innenraum (3d) angeordnet sind.
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Körper (15; 150) durch Verbindungsmittel (18), z. B. Stangen (18), miteinander verbunden sind.
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander durch die Verbindungsmittel (18) verbundenen Körper (15; 150) einen in dem Flammenrohr-Gehäuse (3a) angebrachten Einsatz (20) bilden.
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (20) reversibel oder lösbar in dem Flammenrohr-Gehäuse (3a) angebracht ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (20) von einer der Stirnseiten, insbesondere von dem Brenner-Anschluss (3b) her, in den Flammenrohr-Innenraum (3d) einsetzbar ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der gesamten Sekundärstrahlungsfläche (15a, 150a) des mindestens einen Körpers (15; 150) zu der Gehäuse-Innenfläche (3e) des Flammenrohrgehäuses (3a) größer als 0,1 ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der gesamten Sekundärstrahlungsfläche (15a, 150a) des mindestens einen Körpers (15; 150) zu der Gehäuse-Innenfläche (3e) des Flammenrohrgehäuses (3a) im Bereich von 0,1 bis 0,8 liegt
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Sekundärstrahlungsfläche (15a, 150a) des mindestens einen Körpers (15; 150) zu der Gehäuse-Innenfläche (3e) des Flammenrohrgehäuses (3a) im Bereich von 0,2 bis 0,7, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 liegt.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Körper (15; 150) eine strukturierte Sekundärstrahlungsfläche (15a, 150a) aufweist.
Flammenrohr-Konstruktion nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Sekundärstrahlungsfläche (15a) eine Aufrauung und/oder Riffelung und/oder Wellung aufweist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Körper (15; 150) um die Längsachse (A) des Flammenrohres (3a) zentriert, vorteilhafterweise symmetrisch zentriert angeordnet ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenrohr-Gehäuse (3a) zumindest weitgehend vollständig von dem aufzuwärmenden Heizmedium, z. B. Wasser, umgeben ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenrohr-Gehäuse (3a) zylindrisch ist oder einen rechteckigen, z. B. quadratischen Querschnitt aufweist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mehreren Körpern (15; 150) Freiräume (22) ausgebildet sind, in denen die Verbrennungsgase (12) Wärmestrahlung (IR) zu der Gehäuseinnenfläche (3e) abstrahlen.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungsmittel (16, 17) für den mindestens einen Körper (15, 150) eine Aufhängung und/oder eine Auflage vorgesehen ist, die an dem Flammenrohr-Gehäuse (3a) befestigt ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Körper (15) ringförmig ausgebildet ist, mit einem zentralen Durchgangsloch für die Verbrennungsgase (12).
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Körper (150) als Gitter mit mehreren Durchgangslöchern ausgebildet ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Körper (15; 150) aus einem Keramikmaterial oder wärmebeständigen Metall gefertigt ist.
Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenrohr-Gehäuse (3a) aus einem Metall, vorzugsweise ohne Innenbeschichtung, ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Flammenrohr-Konstruktion nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem: bei einem bestehenden Heizkessel (1) der Brenner (3b) ausgebaut oder der Flammenrohr-Ausgang (3c) freigelegt wird, mindestens ein Einsatz (20) aus mindestens einem Körper (15; 150) aus einem hitzebeständigen Material in den Flammenrohr-Innenraum (3d) gesetzt wird, wobei der Körper (15, 150) eine Sekundärstrahlungsfläche (15a, 150a) zur Ausstrahlung von Sekundärstrahlung (IR) an eine Innenfläche (3e) des Flammenrohr-Gehäuses (3a) aufweist, und das Flammenrohr (3) wieder geschlossen wird.