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Schnelldampferzeuger mit von einer schraubenförmig gewickelten Rohrwendel
begrenzter Brennkammer Die Erfindung betrifft einen Schnelldampferzeuger mit einem
zylindrischen Gehäuse und zentrisch darin angeordneter, von einer schraubenförmig
axial aneinanderliegend gewickelten Rohrwendel begrenzter Brennkammer, in die von
einem Ende des Gehäuses her eine konzentrische Feuerbuchse ragt und die über Durchtrittsstellen
in dem im wesentlichen die Feuerbuchse umgebenden Abschnitt der Rohrwendel mit einem
die Brennkammer konzentrisch umgebenden, ringförmigen Zug in Verbindung steht, der
in einen Abzug im Bereich des der Feuerbuchse gegenüberliegenden Endes des Gehäuses
mündet, wobei dieser Abschnitt unterteilt ist in einen ersten Unterabschnitt mit
im wesentlichen axial durchströmbaren Durchtrittsstellen und in einen zweiten, im
Heizgasströmungssinn folgenden Unterabschnitt mit im wesentlichen radial durchströmbaren
Durchtrittsstellen.
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Es sind bereits Dampferzeuger bekannt, bei denen zentrisch in einem
zylindrischen Gehäuse eine aus schraubenförmig dichtgewickelten Rohrschlangen gebildete
Brennkammer angeordnet ist, die mit einem die Brennkammer umgebenden, ringförmigen
Zug über Durchtrittsstellen zwischen einem Teil der Rohrschlangen in Verbindung
steht. Die Zwischenräume sind dabei durch Rohraufbiegungen der Rohrschlangen gebildet.
Dies hat den Nachteil, daß die Feuergase beim Durchtritt durch die öffnungen nur
verhältnismäßig kurze Zeit mit den Windungen in Berührung stehen, so daß die Wärmeausnutzung
bei dieser Bauart nur gering ist. Dazu kommt, daß die Rohrschlange in dem Teil,
in dem die Windungen mit Abstand voneinander angeordnet sind, verhältnismäßig unstabil
ist, so daß sie leicht die richtige Form verlieren kann und Schwierigkeiten beim
Transport und bei der Montage entstehen können.
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Es ist weiterhin bekannt, in einem zylindrischen Gehäuse eine zentrische
Brennkammer von einer axial dicht aneinanderliegend gewickelten Rohrwendel zu begrenzen.
In diese Brennkammer ragt von der einen Stirnwand des Gehäuses aus eine Feuerbuchse,
die von der Rohrwendel mit radialem Abstand umgeben ist. Dabei ist die Rohrwendel
auf dem ersten Teil des die Buchse umgebenden Abschnitts noch axial dicht gewickelt,
so daß dieser Teil im wesentlichen axial durchströmt ist. Auf dem letzten Teil dieses
Abschnitts ist die Wendel dagegen axial auseinandergezogen, so daß die Gase radial
in den die Rohrwendel umgebenden ringförmigen Zug eintreten können, der auf dem
der Buchse abgewandten Ende des Gehäuses in einen Abzug übergeht. Um die Rohrschlange
in den axial dicht gewickelten Bereichen zu unterstützen, sind schraubenfederartig
gewickelte Stützdrähte und die Wendel im Bereich des ringförmigen Zuges gewickelt,
die sich außen an einem zylindrischen Zwischenmantel abstützen, der außen wiederum
von einer zum Vorwärmen dienenden Rohrschlange umgeben ist, die sich an dem Gehäusemantel
abstützt und von den Abgasen nicht umspült ist.
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Bei einem anderen bekannten Schnelldampferzeuger mit zylindrischem
Gehäuse, zentrischer, durch axial eng aneinanderliegend gewickelte Rohrwendel begrenzter
Brennkammer, zentrisch in die Brennkammer ragender Feuerbuchse und die Wendel umgebendem,
ringförmigem Zug ist die Wendel im Bereich der Brennkammer schraubenförmig vieleckig
und in dem die Buchse umgebenden, axial auseinandergezogenen Bereich zylindrisch
in drei konzentrischen Lagen gewickelt. Der Zug wird durch einen zylindrischen Blechmantel
gegenüber der Rohrwendel abgegrenzt und weist in seinem Ende am Eintritt der Feuerbuchse
radiale Durchtrittsöffnungen auf. Die Ecken des vieleckig gewickelten Wendelabschnitts
reichen bis an den Blechmantel.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schnelldampferzeuger
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem in dem die Feuerbuchse umgebenden
Abschnitt der Rohrwendel ein sehr intensiver
Wärmetausch zwischen
den Rauchgasen und der Rohrwendel stattfindet und die Wendel in diesem Bereich zuverlässig
abgestützt ist.
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Zu diesem Zweck soll der Schnelldampferzeuger nach der Erfindung so
ausgebildet sein, daß a) der in dem ganzen, im wesentlichen die Feuerbuchse umgebenden
Abschnitt gelegene Rohrwendelteil in an sich bekannter Weise schraubenförmig vieleckig
mit versetzt zueinander angeordneten geraden Rohrstrecken gewickelt ist, b) im ersten
Unterabschnitt die Rohrwendel in an sich bekannter Weise von einem an der Außenseite
der Windungsecken fest anliegenden zylindrischen Blechmantel umgeben ist und c)
im zweiten Unterabschnitt die Rohrwendel auf der Innenseite der zwischen den Ecken
liegenden geraden Rohrstrecken an der Umfangsfläche der Feuerbuchse stellenweise
fest anliegt.
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Durch die vieleckige Wicklung der Wendel in dem die Feuerbuchse umgebenden
Abschnitt wird eine allseitige intensive Umspülung der Rohre durch die Rauchgase
erzielt. Diese intensive Umspülung wird noch dadurch in ihrer Wirkung erhöht, daß
die Wendel zwischen der Umfangsfläche der Feuerbuchse und dem zylindrischen. Blechmantel
in einem engen ringförmigen Kanal eingebettet ist, den die Rauchgase in axialer
Richtung nur nach zahlreichen Umlenkungen in radialer und in Umfangsrichtung durchströmen
können. Da der äußere Blechmantel die Rohre nur an den Windungsecken und die Feuerbuchse
tangential an den geraden Abschnitten der Wendel berührt, sind die Berührungsstellen
annähernd nur punktförmig, so daß die Wendel nahezu über ihre ganze Länge auf diesem
Abschnitt allseitig umspült wird.
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Durch die Einbettung des die Feuerbuchse umgebenden Wendelabschnitts
zwischen dem Blechmantel und der Feuerbuchse ergibt sich trotz der nur etwa punktförmigen
Beriiln-Unng auch eine außerordentlich gute mechanische Abstützung dieses Abschnitts
der Wendel.
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Vorteilhafterweise kann in dem Raum zwischen der Rohrwendel und der
Gehäusewand und im Abstand von diesen in an sich bekannter Weise eine äußere Rohrwendel
mit gleicher Ausbildung angeordnet sein, deren aus kreisförmigen Windungen bestehender
Teil den aus vielckeigen Windungen bestehenden Teil der inneren Rohrwendel umgibt
und deren aus vieleckigen Windungen bestehender Teil den die geschlossene Brennkammerwand
bildenden Teil der inneren Rohrwendel umgibt.
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Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend an Hand schematischer Figuren
an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert.
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F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Schnelldampfeszeuger nach
der Erfindung; F i g. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1; F i
g. 3 ist ein Querschnitt nach der Linie 3-3 in Fig.l; F i g. 4 ist ein nach der
Linie 4-4 in F i g. 3 verlaufender Schnitt; F i g. 5 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
eines Schnelldampferzeugers gemäß der Erfindung; F i g. 6 ist ein Querschnitt nach
der Linie 6-6 in Fig.5; F i g. 7 ist ein Querschnitt nach der Linie 7-7 in Fig.5;
F i g. 8 ist ein in größerem Maßstab gezeichneter Schnitt längs der Linie 8-8 in
F i g. 6.
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F i g. 1 bis 4 zeigen einen horizontalen Schnelldampferzeuger
10 mit einem äußeren Gehäuse 11 von zylindrischer Form, das an seinen
Enden durch Böden 12 bzw. 13 abgeschlossen ist. Der vordere Boden
12 ist mit Hilfe von Klemmstücken 15 am Gehäuse 11 abnehmbar befestigt
und bildet eine Unterstützung für die Feuerbuchse 14 und ein hier nicht dargestelltes
Brenneraggregat. Die in bekannter Weise ausgeführte Feuerbuchse 14 besteht aus einem
zylindrischen Körper 16 aus feuerfestem Material, z. B. aus feuerfestem Ton,
und dieser Körper ist in ein ringförmiges Gehäuse 17, 18 eingeschlossen.
Das rückwärtige Ende des von dem Gehäusemantel 11
umschlossenen Raums steht
mit einem Abzug 19 in Verbindung.
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Die Brennkammer 20 wird ausschließlich durch eine zentrisch
angeordnete Wasserrohrwendel 21 begrenzt, die aus axial eng aneinanderliegend,
schraubenförmig gewickelten Windungen besteht. Gemäß F i g. 1 steht die erste Windung
der Wendel 21 mit einem Wassereinlaßkanal22 in Verbindung, der in der Nähe
des Bodens durch den Boden 13 hindurch in den Schnelldampferzeuger eintritt und
sich über die ganze Länge des Gehäuses 11 nach vorn erstreckt. Der sich an
diese Wasserzuleitung anschließende Abschnitt 23 der Rohrwendel, der gemäß
F i g. 1 mit etwa vierzehn Windungen die Feuerbuchse umgibt, ist schraubenförmig
vieleckig gewickelt. Dieser Wendelabschnitt geht in einem zylindrischen, die Brennkammer
begrenzenden Abschnitt 26 der Wendel über und umfaßt im dargestellten Beispiel achtzehn
Windungen.
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Die restlichen Rohrschlangenwindungen 28 der ganzen Gruppe
21 sind in radialer Fluchtung spiralförmig gewickelt, und die innerste dieser
Windungen steht mit einem Auslaßkanal 30 in Verbindung, der sich durch den
Boden 13 hindurch waagerecht längs der Gehäuseachse erstreckt. Die Gruppe
28 der Rohrschlangenwindungen ist teilweise in das feuerfeste Material 31
eines inneren Bodens 29 eingebettet, der einen becherförmigen Mantel 32 umfaßt,
der die Gruppe der Windungen 28 sowie die letzte Windung 27 der Gruppe 26 umschließt.
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Die Gruppe 26 der einander eng benachbarten schraubenlinienförmigen
Windungen und die Gruppe 26 der spiralförmigen Windungen bilden zusammen
mit dem inneren Boden die zylindrische Brennkammer 20, denn auf Grund ihrer
engen Wicklung können die Verbrennungsgase zwischen den Windungen nicht austreten.
Da diese Wände aus den freiliegenden inneren gekrümmten Flächen der verschiedenen
Rohrwindungen der Gruppe 26 und 28 bestehen, bieten sie eine allgemein gewellte
Wärmeübertragungsfläche dar, die gegenüber glatten zylindrischen Flächen einen größeren
Flächeninhalt besitzt und dazu führt, daß diese Flächen von den am Ende der Brennkammer
20
stark verwirbelten Gasen kräftig bestrichen werden, wie dies in F i g.
1 durch Pfeile angedeutet ist.
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Gemäß F i g. 3 umfaßt jede vieleckig gewickelte Windung der Gruppe
23 im wesentlichen geradlinige Abschnitte 35, die tangential an dem Mantel 17 der
Feuerbuchse anliegen und durch stumpfwinklige Abschnitte 36 miteinander verbunden
sind; es ist eine gerade Zahl von solchen stumpfwinkligen Abschnitten
36 vorhanden, z. B. vier, sowie eine ungerade Zahl von geradlinigen Rohrabschnitten,
z.
B. viereinhalb gerade Rohrabschnitte 35, so daß die gebogenen Verbindungsabschnitte
36 ebenso wie die geraden Abschnitte 35 in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt
sind, um eine Gruppe von offenen Durchtrittsstellen 37 zu bilden, die zwischen benachbarten
Rohrwindungen liegen, so daß die aus der Brennkammer 20 austretenden heißen
Gase durch diese Durchtrittsstellen aus der Kammer austreten können Ein zylindrischer
Blechmantel 38 liegt fest an den Windungsecken eines das vordere Ende der Buchse
umgebenden Unterabschnitts der Gruppe 23 von Rohrwindungen an und verhindert die
Bildung von Kurzschlußwegen, durch die hindurch Gase auf dem Wege über die Kanäle
37 radial nach außen in einen die Brennkammer 20 konzentrisch umgebenden ringförmigen
Zug strömen könnten, und dieser Mantel zwingt die Gase, in axialer Richtung nach
vorn zum vordersten Ende des Gehäuses zu strömen. In diesem Bereich sind die Rohrwindungen
durch den Blechmantel nicht mehr abgedeckt, so daß die Gase durch radiale Durchtrittsstellen
in den ringförmigen Zug 39, der durch den zylindrischen Mantel
11 und den Blechmantel 38 begrenzt wird, einströmen können. Es ist
ersichtlich, daß die Rohrwindungen innerhalb der Gruppe 23 zwar einander eng benachbart
sind, daß jedoch ausreichende axiale und radiale Strömungsquerschnitte vorhanden
sind, so daß das Strömen der durch diese Gruppe von Windungen hindurch zwischen
dem Leitblech 38 und der Feuerbuchse 14 weiterströmenden Gase nicht übermäßig behindert
wird und daß im wesentlichen der gesamte Umfang jeder Windung von den Gasen bestrichen
wird, wodurch sich ein maximaler Wärmeübergang ergibt.
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Aus dem ringförmigen Zug 39 gelangen die Gase längs der Innenfläche
des zylindrischen Mantels 11 weiter nach hinten und kommen in Berührung mit den
Außenflächen der Windungen der Gruppe 26, die ebenfalls von dem Gas bestrichen werden.
Schließlich strömen die Gase in den Abzug 19.
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Zwar können die verschiedenen Windungen über die ganze Länge der Wasserrohrwendel
frei angeordnet sein, doch ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, benachbarte
Windungen auf geeignete Weise miteinander zu verbinden, vorzugsweise durch Verschweißen
der Rohrwindungen an einzelnen Stellen, so daß zwischen benachbarten Windungen des
Rohrmaterials eine innige wärmeübertragende Berührung vorhanden ist und daß die
Rohrwindungen gegenseitig fest verankert sind, um der ganzen Konstruktion die erforderliche
Starrheit zu geben. Bei den vieleckigen Windungen der Gruppe 23 können die Schweißstellen
an den verschiedenen geraden Abschnitten der vieleckigen Windungen vorgesehen sein.
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In F i g. 5 bis 8, die ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel zeigen,
sind diejenigen Teile, die ähnlichen Teilen des an Hand von F i g. 1 bis 4 beschriebenen
Schnelldampferzeugers entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, denen
jedoch jeweils der Buchstabe a beigefügt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt
der Schnelldampferzeuger zwei konzentrisch im Abstand angeordnete Rohrwendeln, zwischen
denen ein Zug gebildet wird, den die Gase auf ihrem Wege von der Brennkammer 20
a zu dem Abzug 19 a durchströmen können. Die beiden Rohrwendeln sind miteinander
verbunden. Die innere Rohrwendel bildet die Wandung der Brennkammer 20a und ist
im wesentlichen ebenso ausgebildet wie bei dem in F i g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel,
d. h., sie umfaßt eine Gruppe von schraubenlinienförmigen Windungen 40 von vieleckiger
Form. Auch ist ein zylindrischer Blechmantel 38a vorgesehen, der den ersten Unterabschnitt
der Gruppe 40
eng an den Windungsecken anliegend umgibt, so daß die die Brennkammer
20 a verlassenden heißen Gase gezwungen werden, sich längs des gewundenen Strömungsweges
axial zu bewegen, der durch die öfnungen 37a zwischen den Rohrwindungen gebildet
wird.
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Die äußere Rohrwendel des Ausführungsbeispiels nach F i g. 5 bis 8
umfaßt eine Gruppe 42 von vieleckigen Windungen, welche die Gruppe 41 umgeben, die
aus den inneren zylindrischen Windungen besteht und einen Teil der inneren Rohrwendel
des Schnelldampferzeugers bildet. Die Gruppe 42 aus vieleckigen Windungen ist an
eine Gruppe 43 aus runden Windungen angeschlossen, die ihrerseits die aus vieleckigen
Windungen gebildete Gruppe 40 umgibt, welche einen Teil der inneren Rohrwendel
bildet.
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Die Gruppe 40 aus vieleckigen Windungen besteht bei diesem
Ausführungsbeispiel nur aus dreieinhalb a
radlinigen Abschnitten (F i g. 7),
so daß sich eine geringere Zahl von Berührungspunkten zwischen benachbarten Windungen
ergibt, wobei gleichzeitig größere Kanäle 37a von dreieckiger Ouerschnittsform zwischen
den verschiedenen benachbarten Windungen entstehen. Die Gruppe 42 besteht aus einander
benachbarten Windungen, zwischen deren Wärmeübertragungsflächen insofern Abstände
vorgesehen sind, als die einzelnen Windungen vieleckig ausgebildet sind, wobei jede
Windung viereinhalb gerade Abschnitte 35a und vier stumpfwinklig gebogene Abschnitte
36 a umfaßt, wie es bei der weiter oben beschriebenen Gruppe 23 der Fall ist. Die
Gruppe 42 ist konzentrisch um die Gruppe 41 herum angeordnet, wobei zwischen
den beiden Rohrschlangen ein Abstand vorhanden ist und wobei die Innenflächen der
Windungen der Gruppe 42 den Außenflächen der Windungen der Gruppe 41 zugewandt
sind, denn zwischen diesen beiden Gruppen ist kein Leitblech vorgesehen. Der Einlaßkanal
22a steht mit den ersten Windungen der Gruppe 42 in Verbindung, und die letzte
Windung dieser Gruppe ist mit der ersten Windung der Gruppe 43 verbunden. Die letzte
Windung der Gruppe 43 ist an die erste Windung der Gruppe 40 angeschlossen,
und die letzte Windung dieser Gruppe 40 steht mit der ersten Windung der
Gruppe 41 in Verbindung. Die letzte Windung der Gruppe 41 ist mit der am
weitesten außen liegenden Windung der radialen Gruppe 28a verbunden, und die innerste
Windung dieser Gruppe 28 a ist an den Auslaß 30a angeschlossen.
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Wie bereits erwähnt, umschließt die Windungsgruppe 41 die Brennkammer
20a, und die in dieser Kammer enthaltenen verwirbelten Verbrennungsgase bestreichen
die nach innen weisende massive Wand, die durch die gewellte Innenfläche der Windungsgruppe
41 gebildet wird; die Gase strömen dann durch die Kanäle 37a zwischen den
benachbarten Windungen der Windungsgruppe 40, wie es in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 1 bereits beschrieben worden ist. Hierauf kehrt sich die Strömungsrichtung
dieser Gase um, und die Gase strömen innerhalb des Gehäuses an den Innenflächen
der Rohrwindungen der Gruppe 43 entlang nach hinten, um in den ringförmigen Raum
44 zwischen dem
mantelförmigen Leitblech 38 a und der Rohrwindungsgruppe
43 zu gelangen, wobei sie weitere Wärme an die Rohrwindungen dieser Gruppe abgeben.
Nunmehr treten die Verbrennungsgase in die Räume 37 a zwischen den Windungen der
Gruppe 42 ein und strömen außerdem durch die zusätzlichen Zwischenräume
45 der Windungen der beiden Gruppen 41 und 42, von wo aus die
Gase schließlich zu dem Abgasekanal 19 a gelangen.
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Es ist ersichtlich, daß bei dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Wärmeübergang nicht nur in der bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 vorgesehenen
Weise erfolgt, daß viehhehr zusätzliche Wärmeübertragungsvorgänge zwischen den Verbrennungsprodukten
und den ihnen ausgesetzten Flächen der Rohrwindungsgruppen 42 und 43 vorgesehen
sind. Da die Richtung, in der das zu erhitzende Strömungsmittel durch das Wasserrohrsystem
strömt, der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase durch die verschiedenen Kanäle
entgegengesetzt ist, ergibt sich ein guter Wärmeübergang zwischen den Gasen und
dem zu erhitzenden Strömungsmittel an jeder Rohrwindung und über die ganze Länge
des Systems, so daB man ohne Rücksicht darauf, ob der Schnelldampferzeuger mit großer
oder kleiner Flamme betrieben wird, einen günstigen Wirkungsgrad erzielt.