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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kesselanlage sowie ein Verfahren zur Erwärmung eines Wärmeübertragungsfluides mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage.
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Kesselanlagen und insbesondere Brennkessel weisen an ihren Heizflächen oftmals eine relativ starke Verschmutzung auf. Diese tritt insbesondere bei der Umsetzung von stark aschehaltigen Brennstoffen, wie zum Beispiel Müll und Biomassen sowie bei Abhitzenutzungen, wie bei metallurgischen Prozessen, auf. Es handelt sich dabei in der Regel um Ablagerungen an den Heizflächen, wie zum Beispiel Aschesinterungen, Sulfatisierungen der Erdalkalien oder der Kondensation von flüchtigen Aschekomponenten.
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Neben den jeweiligen Brennstoffeigenschaften hat außerdem die Konstruktion der Feuerung, die Heizflächenanordnung sowie der Verbrennungsablauf einen direkten Einfluss auf die Art und Intensität der Verschmutzung.
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Mit zunehmender Verschmutzung ist ein Rückgang der Wärmeübertragungsrate durch die Heizfläche und damit eine Absenkung der Effizienz der Kesselanlage verbunden.
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Um die Verschmutzungen an den Heizflächen zu entfernen, werden vielfältige Reinigungsverfahren eingesetzt, die zum Teil während des Betriebes der Kesselanlage oder auch außerhalb der Betriebszeiten der Kesselanlage durchgeführt werden müssen.
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Während des Betriebes kann die Kesselanlage mittels des Blasreinigungsverfahrens, eines Rüttlers, des Schallverfahrens oder eines Volumenstroms an Kugeln gereinigt werden. Zeigt sich jedoch, dass die Verschmutzungen so voluminös und/oder so widerstandsfähig gegen die eingesetzten Reinigungsverfahren sind, dass die Verschmutzungen im Wesentlichen weiterhin an den Heizflächen verbleiben, muss die Kesselanlage außer Betrieb gesetzt werden und die Verschmutzungen müssen mittels mechanischer Verfahren im trockenen oder nassen Zustand oder auch mittels chemischer Verfahren entfernt werden. Die Reinigung der Kesselanlage während ihres Betriebes und erst recht das Herunterfahren der Kesselanlage zwecks Reinigung führen dazu, dass die Kesselanlage nicht im Volllastbetrieb genutzt werden kann, so dass dem Betreiber der Kesselanlage einerseits durch das jeweilige Reinigungsverfahren und andererseits durch eine geringere Leistung der Kesselanlage ein finanzieller Nachteil entsteht.
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Zur Erläuterung des Standes der Technik wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. In den 1 und 2 ist ein herkömmliches Glattrohr dargestellt, welches in Kesselanlagen, wie zum Beispiel Heizkesseln, einen Teil einer Heizfläche der Kesselanlage ausbildet. Es ist ersichtlich, dass das Glattrohr 1 im Wesentlichen eine glatte Außenseite 21 aufweist. Das Glattrohr 1 grenzt dabei den Abgas-Abzugsraum 10, oder auch stattdessen einen Brennraum, gegenüber einem Raum 50 im Inneren des Glattrohres 1 ab, in dem sich das Wärmeübertragungsfluid 60 befindet. Wie in 2 dargestellt, bildet sich bei in Pfeilrichtung anströmenden Abgas 2 bzw. Rauchgas an der Außenseite 21 des Glattrohres 1 eine turbulente Schicht 3 aus. Dies ist bedingt durch die kreisrunde Querschnittsform des Glattrohres 1. Trotzdem treffen hier die Partikel des Abgases 2 noch mit derart hoher kinetischer Energie auf die Außenseite 21 des Glattrohres 1, das sie dort anhaften. Dies führt zu relativ starker Verschmutzung bzw. hohen Aufwand, die Verschmutzungsablagerungen zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Kesselanlage sowie ein Verfahren zur Erwärmung eines Wärmeübertragungsfluides zur Verfügung zu stellen, welche in einfacher und kostengünstiger Weise die Nutzung der im Kessel bei der Verbrennung zur Verfügung gestellten Wärme zur Erwärmung eines Wärmeübertragungsfluides ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kesselanlage nach Anspruch 1 und durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung eines Wärmeübertragungsfluides nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kesselanlage sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erwärmung eines Wärmeübertragungsfluides ist im Unteranspruch 10 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Kesselanlage dient zur Verbrennung wenigstens eines Brennstoffes und zur zumindest anteiligen Übertragung der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme auf einen Wärmeübertragungsfluid, wobei die Kesselanlage wenigstens eine Heizfläche umfasst, die einen Raum, der vom Wärmeübertragungsfluid durchströmbar oder durchströmt ist, gegenüber einen Brennraum und/oder einen Abgas-Abzugsraum der Kesselanlage zumindest bereichsweise abgrenzt und zur Übertragung von bei der Verbrennung freigesetzter Wärme auf das Wärmeübertragungsfluid eingerichtet ist. Die Heizflächen weisen an ihrer dem Brennraum bzw. dem Abgas-Abzugsraum zugewandten Seite eine Mehrzahl von strukturiert angeordneten konkaven Formelementen auf. In einer solchen Strukturierung, die auch Makrostrukturierung genannt wird, weist das konkave Formelement mit in seiner senkrecht zur Ebene der Oberfläche und durch seinen tiefsten Punkt verlaufenden Schnittebene eine Querschnittsfläche auf, die im Wesentlichen eine Kreissegmentfläche oder eine Ellipsen-Segmentfläche ist. Alternativ kann diese Querschnittsfläche auch durch eine im Wesentlichen bogenförmige Kante sowie eine an die bogenförmige Kante angeschlossene gerade Kante begrenzt sein, wobei diese Kante in die Oberfläche übergeht. Das konvexe Formelement hat im Querschnitt somit die Form eines halben sogenannten NACA-Profils oder auch eines halben typischen Tropfenprofils. Somit handelt es sich bei dem konkaven Formelement um ein konkav gewölbtes Gebilde, bei dem die bogenförmige Kante durch eine weitere Kante zurück zur Oberfläche weitergeführt ist.
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Die Heizfläche ist dabei durch wenigstens ein Rohr, vorzugsweise durch mehrere Rohre ausgebildet, wobei das Rohr bzw. die Rohre vom Wärmeübertragungsfluid durchströmbar oder durchströmt sind. Das jeweilige Rohr weist an seiner Außenseite die Mehrzahl von strukturiert angeordneten konkaven Formelementen auf.
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Der Einsatz derartiger Strukturen in Heizflächen und insbesondere in Rohrheizflächen trägt dazu bei, dass sich weniger Verschmutzungspartikel an der Heizfläche anlagern.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Glattrohren, die ohne die konkaven Formelemente ausgeführt sind, erzeugen die erfindungsgemäß eingesetzten konvexen Formelemente in der Heizfläche, insbesondere wenn die Heizfläche durch ein oder mehrere Rohre ausgebildet ist, eine turbulente Schicht an der Heizfläche bzw. um das Rohr herum, so dass die Aufprallgeschwindigkeit der Verschmutzungspartikel, wie zum Beispiel Aschepartikel, auf die Heizfläche stark verlangsamt wird. Dadurch kommt es zu einer lockeren Staubkonsistenz an der Heizfläche, die mittels herkömmlicher Reinigungsverfahren, die beim Betrieb der Kesselanlage kostengünstig durchführbar sind, entfernt werden können. Somit lässt sich in einfacher und flexibler Weise die Verschmutzungsneigung der Heizfläche verringern bzw. eine Verschmutzung an der Heizfläche entfernen.
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Bei der erfindungsgemäßen Anwendung wenigstens eines Rohres als Heizfläche ist die Kesselanlage insbesondere dann vorteilhaft ausgestaltet, wenn das Rohr im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung eines an der Heizfläche abziehenden Abgases angeordnet ist. Bei einer Anordnung von mehreren Rohren sind diese dann im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung eines an der Heizfläche abziehenden Abgases angeordnet.
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Eine alternative Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Rohr bzw. die Rohre im Wesentlichen in einem Winkel von 10° bis 170° zur Strömungsrichtung eines an der Heizfläche abziehenden Abgases angeordnet sind. Vorzugsweise sollte dabei ein Winkel zwischen 80° und 100°, insbesondere 90° und demzufolge eine rechtwinklige Anordnung realisiert sein. Das heißt, dass die Kesselanlage auch derart ausgestaltet sein kann, dass das Rohr bzw. die Rohre im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung eines abziehenden Abgases angeordnet sind. Die Kesselanlage ist dabei derart eingerichtet, dass bei der Verbrennung entstehendes Abgas ihr abziehen kann. Parallel bzw. quer zu dieser Abzugsrichtung können die Rohre angeordnet sein.
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Ein jeweiliges Rohr sollte dabei einen Außendurchmesser von 12 mm bis 220 mm aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass Rohre mit Außendurchmesser von 70 mm bis 120 mm, insbesondere mit 80 mm, in einfacher und kostengünstiger Weise zu reinigen sind bzw. geringste Verschmutzungsneigung aufweisen.
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Die Tiefe eines jeweiligen konkaven Formelementes sollte bis zu 1/6 des Außendurchmessers des Rohres und die Breite eines jeweiligen konkaven Formelementes bis zu 1/3 des Außendurchmessers des Rohres betragen. Die Tiefe ist dabei der maximale Abstand der äußeren Oberfläche des konkaven Formelementes in Bezug zur Ebene der Oberfläche des Rohres, von der sich das konkave Formelement erstreckt. Die Breite ist dabei der maximale Abstand der Begrenzungskanten des konkaven Formelementes in der Ebene der Rohroberfläche, von der aus sich das konkave Formelement erstreckt. Die Länge des jeweiligen konkaven Formelements ist dabei senkrecht zu ihrer Breite zu messen und ist vorzugsweise 1,2 bis 1,8 mal so groß wie die Breite.
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In besonderer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zusätzlich zu der Struktur aus konvexen Formelementen die Heizfläche an ihrer dem Brennrohr bzw. dem Abgas-Abzugsraum zugewandten Seite eine Mehrzahl von strukturiert angeordneten konvexen Formelementen aufweist. Die Form und die Maße dieser konvexen Formelemente sind in Querschnitt im Wesentlichen genauso auszuführen wie die der konkaven Formelemente.
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In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kesselanlage ist vorgesehen, dass die Heizfläche wenigstens ein Paneel umfasst bzw. ein solches ausbildet, welches an seiner dem Brennraum bzw. dem Abgas-Abzugsraum zugewandten Seite die Mehrzahl von strukturiert angeordneten konkaven Formelementen aufweist. Dabei bildet das Paneel eine im Wesentlichen gerade Ebene aus, in der die konkaven Formelemente ausgeprägt sind. Das Paneel bzw. die Heizfläche ist 6 dabei aus einem üblichen metallischen Werkstoff hergestellt. Auch in dieser Ausführungsform bedingen die konkaven Formelemente turbulente Strömungen an der Oberfläche der Heizfläche, so dass die Verschmutzungsneigung verringert wird bzw. anhaftende Verschmutzungen leichter gelöst werden können.
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In den genannten Ausführungsformen können die konkaven Formelemente in Reihe angeordnet sein, wobei die konkaven Formelemente benachbarter paralleler Reihen in Richtung der Längserstreckung der Reihen entweder gleiche oder unterschiedliche Entfernungsmaße aufweisen. Mit den Entfernungsmaßen sind hier die Koordinatenwerte der jeweiligen konkaven Formelemente in Laufrichtung der Längserstreckung der jeweiligen Reihe gemeint. Das heißt, dass zwei konkave Formelemente von zwei benachbarten Reihen bei deren senkrechter Ausrichtung dieselbe Höhe haben oder in ihrer Höhe versetzt zueinander angeordnet sind. Bei versetzter Anordnung kann jedoch die Höhe von konkaven Formelementen jeder zweiten Reihe gleich sein.
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Bei Ausführung der Heizfläche durch ein oder mehrere Rohre kann das jeweilige Rohr an seiner Außenseite bevorzugt an dem dem Brennraum bzw. dem Abgas-Abzugsraum zugewandten Bereich, eine oder auch mehrere Reihen von konkaven Formelementen aufweisen, wobei eine jeweilige Reihe im Wesentlichen parallel zur Längserstreckungsrichtung des Rohres verläuft.
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Es wird weiterhin erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erwärmung eines Wärmeübertragungsfluides zur Verfügung gestellt, bei dem mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage wenigstens ein Brennstoff verbrannt wird und die bei der Verbrennung frei gesetzte Wärme zumindest anteilig über die Heizfläche der Kesselanlage auf das Wärmeübertragungsfluid übertragen wird. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Kesselanlage derart ausgeführt ist, dass sie zu geringer Verschmutzung neigt bzw. in einfacher und kostengünstiger Weise gesäubert werden kann, lässt sich ein Wärmeübertragungsfluid mittels der erfindungsgemäßen Kesselanlage effizient erwärmen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Heizfläche der Kesselanlage mit Klopfen oder Schallverfahren gereinigt wird. Der Reinigung mittels Klopfen oder Schallverfahren wird vorzugsweise beim Betrieb der Kesselanlage, also bei Verbrennung eines Brennstoffes und Erwärmung eines Wärmeübertragungsfluides realisiert.
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Die Erfindung wird an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Auf die 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik Bezug genommen.
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Erfindungsgemäß wird z.B. eine Heizfläche einer Kesselanlage zur Verfügung gestellt, die beispielhaft ein oder mehrere der in den 3 und 4 dargestellten Strukturrohre 20 umfasst. Insbesondere aus 4 ist ersichtlich, dass bei Anströmung des Abgases 2 bzw. Rauchgases sich eine turbulente Schicht 3 ausbildet, die einen weitaus größeres Volumen aufweist als die turbulente Schicht an einem Glattrohr wie in 2 dargestellt. Diese voluminöse turbulente Schicht 3 resultiert aus mehreren am Strukturrohr 20 angeordneten konkaven Formelementen 23, die in der Heizfläche 22, die durch das Strukturrohr 20 oder auch mehrere Strukturrohre 20 ausgebildet ist, angeordnet sind. Die konkaven Formelemente 23 bilden relativ starke Turbulenzen 4 aus, die verhindern, dass die Partikel des Abgases 2 mit hoher kinetischer Energie auf die Außenseite 21 des Strukturrohres 20 bzw. auf die Heizfläche 22 treffen. Dies führt dazu, dass das Strukturrohr 20 eine relativ geringe Verschmutzungsschicht aufweist bzw. mit geringen Kosten während des Betriebes der Kesselanlage gereinigt werden kann, so dass im Abgas 2 bzw. im Rauchgas enthaltene Wärme effizient auf das Wärmeübertragungsfluid 60 im vom Strukturrohr 20 gebildeten Raum 50 übertragbar ist.
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Dabei können die konkaven Formelemente am Strukturrohr 20 in mehreren Reihen angeordnet sein, wie zum Beispiel aus einer Zusammenschau der 3 und 4 ersichtlich ist, bei denen die einzelnen Reihen von konkaven Formelementen 23 im Wesentlichen um 90° versetzt am Umfang des Strukturrohres 20 angeordnet sind.
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Wie insbesondere in 3 deutlich erkennbar ist, kann dabei eine erste Reihenanordnung 30 an der in 3 dargestellten Oberseite realisiert sein und eine zweite Reihenanordnung 40 an der Seite des Strukturrohres 20 realisiert sein. Dabei sind die einzelnen konkaven Formelemente 23 der Reihenanordnungen 30, 40 derart positioniert, dass die konkaven Formelemente 23 ein jeweils unterschiedliches Entfernungsmaß in Richtung der Längserstreckung des Strukturrohres 20 haben. Ersichtlich ist auch, dass die konkaven Formelemente 23 von am Umfang des Strukturrohrs 20 einander gegenüberliegend angeordneten Reihenanordnungen im Wesentlichen dasselbe Erstreckungsmaß aufweisen können.
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Die konkaven Formelemente 23 können dabei derart ausgeführt sein, dass sie wie in 3 dargestellt in Draufsicht eine im Wesentlichen ellipsenförmige Projektionsfläche aufweisen. In dieser Ausgestaltung haben sie auch in einem Querschnitt quer zur Längserstreckungsrichtung des Strukturrohres 20 eine Projektionsfläche, die eine Kreissegmentfläche oder eine Ellipsen-Segmentfläche ist. Vorzugsweise ist dabei die Länge l eines konkaven Formelementes 23 größer als dessen Breite B. Die Tiefe t eines konkaven Formelementes ist dabei den Dimensionen seiner Breite t und Länge l angepasst.
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In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann das jeweilige konvexe Formelement 23 auch derart ausgeführt sein, dass es in seiner Draufsicht im Wesentlichen die Form eines Tropfens hat. Dabei ergibt sich die Form eines Tragflächenprofils bzw. eines halben Tropfens in der Projektionsfläche des konkaven Formelementes im Querschnitt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Strukturrohres 20. In einer solchen Ausführung hat das konvexe Formelement 23 somit keine symmetrische Form mehr, sondern wird im Querschnitt durch eine bogenförmige Kante sowie eine an die bogenförmige Kante im Wesentlichen linear anschließende Kante begrenzt. Insbesondere diese Form eines konkaven Formelementes 23 verhindert in Abhängigkeit von der Anströmungsrichtung des Abgases 2 effektiv die Ablagerung von Verschmutzungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Glattrohr
- 2
- Abgas
- 3
- turbulente Schicht
- 4
- Turbulenz
- 10
- Abgas-Abzugsraum
- 20
- Strukturrohr
- 21
- Außenseite
- 22
- Heizfläche
- 23
- konkaves Formelement
- 30
- erste Reihenanordnung
- 40
- zweite Reihenanordnung
- 50
- Raum
- 60
- Wärmeübertragungsfluid
- t
- Tiefe
- b
- Breite
- l
- Länge
- s
- Entfernungsmaß
