Brennöl-Vorwärmer Die einwandfreieZeistäubung von Brennölen in- einem
Oelbrenner setzt voraus, dase das Brennöl eine Viskosität vo-n etwa 2 bis
295 OE aufweist. Brennöle, die eine höhere Viskcsität aufweiseng müssen deshalb,
bevor sie dem Oelbrenner zugeführt werden, entsprechend vorgewärmt werden. Beispielsweise
müssen mittelschwere Brennble auf 800C und schwere Brennöle auf 1200C vorgewärmt
werdent damit sie den geforderten Viskositätsgrad annehmen. I' Die Viskositätsspanne
von 2 bis 2,5 0 E entspricht praktisch einer Temperaturdifferenz von ca.
50C. Ein störungsfreier Betrieb eines Oelbrenners kann somit nur dann gewährleistet
werden, wenn die
Temperatur des dem Oelbrenner zugeführten vorgewärmten
Brennöles verhältnismässig gut eingehalten wird. Zur Vorwärmung des Brennöles dienen
oegenannte Brennöl-Vorwärmer. Bekannt ist ein Brennöl-Vorwärmer, der aus einem Gefäss
besteht, in welchem sich ein Heizkörper und der Fühler eines Regulierthermostaten
befinden und durch welches das Brennöl hindurchströmt und dabei erwärmt wird. Mit
einer solchen Einrichtung lässt sich die geforderte Temperaturgenauigkeit von
5 OC nur schwer erzielen. Ausserdem weist die Oberfläche des Heizkörpers
notwendigerweise eine verhältnismässig hohe Temperatur auf, was zur Folge hat, dass
mit der Zeit eine Verkokung des Brennöles an der Heizkörperoberfläche stattfindet.
Dies führt zu einer ungenaueren Regelung der Temperatur und nach einiger Zeit zur
Zerstörung des Heizkörpers infolge Ueberhitzung. Die Ueberhitzungsgefahr wird bei
einem weiteren bekannten Brennöl-Vorwärmer vermieden, welcher aus einem wassergefüllten
Gefäss besteht, durch welches das Brennöl in einem Rohr hindurchgeführt wird und
in welchem ein Heizkörper und der Fühler eines Regulierthermostaten untergebracht
sind. Bei diesem Brennöl-Vorwärmer wird das Brennöl nicht mehr direkt erwärmt, sondern
es wird das Wasser im Brennöl-Vorwärmer auf einer konstanten Temperatur gehalten
und das erwärmte Wasser erwärmt dann das im Rohr durchfliessende Brennöl. Diese
bekannte Einribhtung vermeidet zwar die Verkokung des Brennöles an der Heizkörperoberfläche,
hat aber den Nachteil, dass der Wärmeübergang auf das Brennöl schlecht ist. Da nur
die Wassertemperatur und nicht die Brennöltemperatur überwacht wird, handelt es
sich bei dieser bekannten Einrichtung
nicht um eine Temperaturregelung,
sondern nur um eine Steuerung. Dies hat zur Folge, dass die geforderte Brennöltemperatur
nicht genügend genau eingehalten werden kann. Die Brennöltemperatur ist vielmehr
abhängig vom Brennöldurchsatz durch das Rohr im Vorwärmer und von der Eintrittstemperatur
des Brennöles in das Rohr. Ausserdem muss unter Druck gearbeil-Oet werden, d.h.
der Brennöl-Vorwärmer muss bei dieser bekannten Ausführung druckfest ausgeführt
sein, was Dichtungsprobleme mit sich bringt. Die vorliegende Erfindung betrifft
ebenfalls einen Brennöl-rVorwärmer mit einem Brennölrohr, einem Heizkörper und einem
Temperaturfühler eines Regulierthermostaten, bei dem die oben angeführten Nachteile
jedoch vermieden sind. Dieser Brennöl-Vorwärmer ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennölrohr, der Heizkörper und der Temperaturfühler in ein wärmeleitendes Metall
eingegossen sind, welches einen Giesskörper bildet. In der Zeichnung ist eine beispielsweise
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes schematisch im Längsschnitt dargestellt.
Innerhalb der von einem Brennölrohr 1 gebildeten Viendel befindet sich ein
Heizkörper 2, vorzugsv;eise ein elektrischer Heizkörper, und ein in einem Schutzrohr
3 untergebrachter wärmeempfindlicher Fühler 4 eines nicht dargestellten Regulierthermostaten.
Der Heizkörper 2 kann mehrereViindungen aufweisen und das Schutzrohr3 bzw. der wärmeempfindliche
Fühler 4 ist in der Nähe des Heizkörpers 2 angeordnet. Das gewendelte Brennölrohr
1, der Heizkörper 2 und das Schutzrohr 3 sind nun c-rfindungsgei-,läss
in einem Giesskörper 5 aus
einem geeigneten, gut wärmeleitexiden
Metall vergossen. Das linke Ende des vom Brennöl durchströmten Brennölrohres
1
mündet ferner erfindungsgemäss an der Stelle 6 in ein Speichergefäss
7, in welchem zweckmässig gestaltete Umlenkmittel 8, z.B. ein spiralförmig
aufgewickeltes Blech aus gut wärmeleitendem Werkstoff, angeordnet sind. Nachdem
das Brennöl die Umlenkmittel 8 im Speichergefäss 7 durchströmt hat,
fliesst es über dem Ablaufstutzen 9 ab und wird dem nicht dargestellten Oelbrenner
zugeführt, wo eszerstäubt und verbrannt wird. Zwischen dem Speichergefäse
7 und dem Giesskörper 5 ist ein Luftspalt 10 vorgesehen. Um
eine bestimmte thermische Kopplung zwischen dem Giesekörper 5 und dem Speichergefäss
7 zu erhalten, sind an der linken Wand 11 des Speichergefässes
7 mehrere Metallstifte 12 aus gut wärmeleitendem Werkstoff angesöhweisst,
die unter Wahrung eines Luftspaltes im Giesakörper 5 eingegossen sind. Der
Giesskörper 5 und das Speichergefäss 7 sind mit einer Isolation
13 versehen. Durch den beschriebenen Brennöl-Vorwärmer wird ein ausgezeichneter
Wärmeübergang auf das Brennöl im Brennölrohr 1 erzielt. Dazu trägt die auf
etwa 1/4 des ursprünglich kreisrunden Querschnittes flachgedrückte Querschnittsform
des Brennölrohres 1
erheblich bei. Für laminare Strömung, die bei der Zähigkeit
des Brennöles und dem kleinen Querschnitt des Brennölrohres als gegeben vorausgesetzt
werden
kann, gilt für die Wärmeübergangszahl a folgende Beziehung
wo Nu die Nusseltzahl, 1 die Wärmeleitzahl des Oels und d der Durchmesser
des Brennölrohres bzw. die Spalthöhe des flachgedrückten BrennÖlrohres bedeuten.
Die Nusseltzahl weist für parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil und kreisrunden
Querschnitt einen Wert von 3,65 und bei der gleichen Strömungsart und flachgedrücktem
Querschnitt einen solchen von 3,75 auf. Bei rechteckförmigem Geschwindigkeitsprofil
betragen die entsprechenden Werte 5,75 und 4,94. Da man es praktisch stets
mit nicht päeabelförmiger Strömung zu tun hat, gelten für die Nusseltzahl eher die
Werte 5,75 bzw. 4,94. Der Wert für die Nusseltzahl ist somit das flachgedrückte
Erennölrohr etwas kleiner als für das kreisrunde Brennölrohr, dafür erhöht sich
aber der Wärmeübergang im Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Rohrspalthöhe. Bei einem
auf 1/4 des ursprünglich kreisrunden Rohrdurchmessers flachgedrückten Brennölrohr
ergibt sich z.B., bei gleicher Heizfläche und gleichen technischen Daten, eine Erhöhung
des Wärmeüberganges um einen Faktor
Durch die Verbesserung des Wärmeüberganges auf das Brennöl mittels flachgedrücktem
Brennölrohr wird ausserdemg bei gleicher Heizfläche, eine starke Verkleinerung der
Lastabhängigkeit der Brennöltemperatur zwischen Brennöldurchsatz Null und Voll erzielt,
wie aus folgendem hervorgeht.
Die Auslauftemperatur des Brennöles
untersteht der Beziehung:
wo e gleich der Abweichung der Temperatur von derjenigen für eine unendlich grosse
Heizfläche, 1 die effektive Rohrlängeg L die charakteristische Rohrlänge,
Q der Brennöldurcheatz, y das spezifische Gewicht, c die spezifische
Wärme, n. die Wärmeübergangszahl und U der innere Rohrumfang bedeuten.Fuel oil preheater The perfect spraying of fuel oils in an oil burner requires that the fuel oil has a viscosity of about 2 to 295 OE. Fuel oils that have a higher viscosity must therefore be preheated accordingly before they are fed to the oil burner. For example, medium-weight fuel oils must be preheated to 800C and heavy fuel oils to 1200C so that they have the required viscosity level. The viscosity range from 2 to 2.5 ° E corresponds practically to a temperature difference of approx. 50 ° C. Trouble-free operation of an oil burner can therefore only be guaranteed if the temperature of the preheated fuel oil fed to the oil burner is maintained relatively well. The aforementioned fuel oil preheaters are used to preheat the fuel oil. A fuel oil preheater is known, which consists of a vessel in which a heating element and the sensor of a regulating thermostat are located and through which the fuel oil flows and is heated in the process. With such a device, the required temperature accuracy of 5 OC can only be achieved with difficulty. In addition, the surface of the radiator necessarily has a relatively high temperature, which means that over time, coking of the fuel oil takes place on the radiator surface. This leads to an inexact regulation of the temperature and, after a while, to the destruction of the radiator due to overheating. The risk of overheating is avoided in another known fuel oil preheater, which consists of a water-filled vessel through which the fuel oil is passed in a pipe and in which a heating element and the sensor of a regulating thermostat are housed. With this fuel oil preheater, the fuel oil is no longer heated directly, but the water in the fuel oil preheater is kept at a constant temperature and the heated water then heats the fuel oil flowing through the pipe. Although this known device avoids coking of the fuel oil on the radiator surface, it has the disadvantage that the heat transfer to the fuel oil is poor. Since only the water temperature and not the fuel oil temperature is monitored, this known device is not a temperature control, but only a control. As a result, the required fuel oil temperature cannot be maintained with sufficient accuracy. Rather, the fuel oil temperature is dependent on the fuel oil throughput through the pipe in the preheater and on the temperature at which the fuel oil enters the pipe. In addition, gearbeil-Oet has to be operated under pressure, ie the fuel oil preheater has to be made pressure-resistant in this known embodiment, which causes sealing problems. The present invention also relates to a fuel oil preheater with a fuel oil pipe, a heating element and a temperature sensor of a regulating thermostat, in which the above-mentioned disadvantages are, however, avoided. This fuel oil preheater is characterized in that the fuel oil pipe, the heating element and the temperature sensor are cast in a thermally conductive metal, which forms a cast body. In the drawing, an example embodiment of the subject matter of the invention is shown schematically in longitudinal section. Inside the Viendel formed by a fuel oil pipe 1 there is a heating element 2, preferably an electric heating element, and a heat-sensitive sensor 4 of a regulating thermostat (not shown) accommodated in a protective tube 3. The heating element 2 can have several connections and the protective tube 3 or the heat-sensitive sensor 4 is arranged in the vicinity of the heating element 2. The coiled fuel oil pipe 1, the heating element 2 and the protective tube 3 are now cast in a casting body 5 made of a suitable, highly thermally conductive metal. The left end of the fuel oil pipe 1 through which the fuel oil flows also opens, according to the invention, at point 6 into a storage vessel 7 in which appropriately designed deflecting means 8, for example a spirally wound sheet of material with good thermal conductivity, are arranged. After the fuel oil has flowed through the deflecting means 8 in the storage vessel 7 , it flows off via the outlet connection 9 and is fed to the oil burner, not shown, where it is atomized and burned. An air gap 10 is provided between the storage vessel 7 and the casting body 5. In order to obtain a particular thermal coupling between the Giese body 5 and the storage vessel 7, the storage vessel are angesöhweisst 7 plurality of metal pins 12 made of good heat-conducting material on the left wall 11, which are molded while maintaining an air gap in Giesakörper. 5 The casting body 5 and the storage vessel 7 are provided with an insulation 13 . The described fuel oil preheater achieves excellent heat transfer to the fuel oil in the fuel oil pipe 1. The cross-sectional shape of the fuel oil pipe 1, which is flattened to approximately 1/4 of the originally circular cross-section, contributes considerably to this. For laminar flow, which can be assumed given the viscosity of the fuel oil and the small cross-section of the fuel oil pipe, the following relationship applies to the heat transfer coefficient a where Nu is the Nusselt number, 1 is the thermal conductivity of the oil and d is the diameter of the fuel oil pipe or the gap height of the flattened fuel oil pipe. The Nusselt number has a value of 3.65 for a parabolic velocity profile and circular cross-section and a value of 3.75 for the same type of flow and flattened cross-section. In the case of a rectangular speed profile, the corresponding values are 5.75 and 4.94. Since one is practically always dealing with a non-peable-shaped flow, the values 5.75 and 4.94 respectively apply for the Nusselt number. The value for the Nusselt number is thus slightly smaller for the flattened Erenn oil pipe than for the circular fuel oil pipe, but the heat transfer increases in the ratio of pipe diameter to pipe gap height. With a fuel oil pipe flattened to 1/4 of the originally circular pipe diameter, for example, with the same heating surface and the same technical data, there is an increase in the heat transfer by a factor By improving the heat transfer to the fuel oil by means of a fuel oil pipe that is pressed flat, a significant reduction in the load dependency of the fuel oil temperature between fuel oil throughput zero and full is achieved with the same heating surface, as can be seen from the following. The outlet temperature of the fuel oil is subject to the relationship: where e is the deviation of the temperature from that for an infinitely large heating surface, 1 is the effective pipe length, L is the characteristic pipe length, Q is the fuel oil flow rate, y is the specific weight, c is the specific heat, n is the heat transfer coefficient and U is the inner pipe circumference.
Wird
beispielsweise gleich 2 angenommen, so ergibt sich eine Brennöltemperatur
*, die um
tiefer als diejenige für eine unendlich grosse Heizfläche ist. Durch die oben erwähnte
Verbesserung des Wärmeüberganges um den Faktor 3,34 erzielt man hingegen eine Brennöltemperatur
e, die nur um
tiefer als diejenige für eine unendlich grosse Heizfläche ist. Daraus ergibt sich,
dass, während die Lastabhängigkeit der Brennöltemperatur bei einem kreisrunden Brennölrohr
zwischen Brennöldurchsatz Null und Voll 13,5% für den angenommenen Wert von
beträgt, sie beim flachgedrückten Brennölrohr mit gleicher Heizfläche nur noch 0.47%
beträgt.Will Assuming, for example, equal to 2, the result is a fuel oil temperature * which is around is deeper than that for an infinitely large heating surface. By the above-mentioned improvement of the heat transfer by a factor of 3.34, on the other hand, a fuel oil temperature e is achieved that is only around is deeper than that for an infinitely large heating surface. It follows that, while the load dependency of the fuel oil temperature in a circular fuel oil pipe between fuel oil throughput zero and full is 13.5% for the assumed value of is, it is only 0.47% with the flattened fuel oil pipe with the same heating surface.
Das flachgedrückte Brennölrohr hat ausserdem noch den Vorteil, dass
es gegenüber einem kreisrunden Brennölrohr in der in der Zeichnung gezeigten Wendelform
weniger Platz benötigt, so dass die Länge des beschriebenen Brennöl-Vorwärmers entsprechend
kürzer ausfällt.The flattened fuel oil pipe also has the advantage that
compared to a circular fuel oil pipe in the helical shape shown in the drawing
less space is required, so that the length of the fuel oil preheater described accordingly
is shorter.
Die durch die thermostatische Regelung der Temperatur des Brennöles
bedingten Temperaturschwankungen werden durch das Speicher-' gefäss 7 weitgehend
ausgeglichen.
Diese Temperaturschwankungen ergeben sich einerseits
durch die weiter nicht beeinflussbare Schaltdifferenz des benutzten Reglers, andererseits
durch den Standort des Temperaturfühlers 4 und ferner durch die Grösse des Wärmeüberganges
auf das Brennöl. Je näher der Temperaturfühler 4 beim Heizkörper 2 angeordnet wird,
desto kürzere Schaltperioden und uLlso kleinere Regel- bzw. Temperaturschwankungen
ergeben sich. Es resultiert somit eine Art von Proportionaleffekt, der als eine
durch den Temperaturregler verursachte Lastabhängigkeit in Erscheinung tritt. Der
Verkleinerung der Regelschwankung durch bessere Arilcopplung des Fühlers sind somit
Grenzen gesetzt. Die vergrös-serte Schwankung der Brennöltemperatur, die sich wegen
des verbesserten Wärmeüberganges auf das Brennöl einstellt, wird im Speichergefäss
7 einerseits durch das Wärmespeichervermögen desselben und andererseits durch
die temperaturausgleichende Wirkung der Umlenkmittel 8 herabgesetzt bzw.
ausgeglichen. Um den gewünschten Ausgleich zu erzielen, ist für das Speichergefäss
7 ein bestimmtes Speichervolumen vorzusehen und das Speichergefäss
7 ist mit dem Giesdcörper 5 in bestimmter Weise thermisch zu koppeln.
Soll z.B. die Temperaturschwankung des Brennöles um einen Faktor 4 gedämpft werden,
so kann für bestimmte Verhältnisse das benötigte Speichervolumen nach folgenden
Ueberlegungen bestimmt werden.
Bei einer Eingangsamplitude
1 und einer Dämpfung bzw. Ausgangsamplitude A = cosT ergibt die Betrachtung
des Prequenzganges folgende Beziehung:
Wird beispielsweise eine um den Faktor 4 wirksame Dämpfung, d.h.
angenommen, so ergibt sich bei einem Brennöldurchsatz von z.B. 0,5 l/Min
und einer Schaltperiode des Temperaturreglers von P = 2 Min aus
ein Speichervolumen von 1,24 - OP5 = 0,62 Liter.The temperature fluctuations caused by the thermostatic regulation of the temperature of the fuel oil are largely compensated for by the storage vessel 7. These temperature fluctuations result on the one hand from the switching differential of the controller used, which cannot be influenced, on the other hand from the location of the temperature sensor 4 and also from the size of the heat transfer to the fuel oil. The closer the temperature sensor 4 is arranged to the radiator 2, the shorter the switching periods and the smaller the control or temperature fluctuations result. This results in a kind of proportional effect that appears as a load dependency caused by the temperature controller. There are therefore limits to reducing the control fluctuation through better coupling of the sensor. The increased fluctuation in the fuel oil temperature, which occurs due to the improved heat transfer to the fuel oil, is reduced or compensated for in the storage vessel 7 on the one hand by its heat storage capacity and on the other hand by the temperature-compensating effect of the deflecting means 8. In order to achieve the desired balance is for the storage vessel 7 a particular storage volume and provide the storage vessel 7 to be coupled with the Giesdcörper 5 in a certain way thermally. If, for example, the temperature fluctuation of the fuel oil is to be dampened by a factor of 4, the required storage volume can be determined for certain conditions according to the following considerations. With an input amplitude of 1 and a damping or output amplitude A = cosT, the consideration of the frequency response results in the following relationship: For example, if damping is effective by a factor of 4, ie assumed, this results in a fuel oil throughput of, for example, 0.5 l / min and a switching period of the temperature controller of P = 2 min a storage volume of 1.24 - OP5 = 0.62 liters.
Für die Bestimmung der thermischen Ankopplung des Speichergefässes
7 an den Giesekörper 5 ist davon auszugehezig dass beim Brennöldurcheatz
Null zwei unterschiedliche Ausgangszustände betriebemässig vorkommen können: Im
ersten Ausgangszustand befindet sich das Brennöl im Brennöl-" rohr 1 auf
Solltemperatur, dann muas das im Speichergefäas 7
sich befindliche Brennöl
eine annähernd gleiche Temperatur aufweisen und beibehalten. Um diese Bedingung
zu erfüllen, muse det über die thermische Ankopplung fliessende Wärmestrom, bei
einer zulässigen verhältnismässig geringen Temperaturdifferenz zwischen Giesakörper
5 und Speichergefäse 7, gleich grose sein wie der Wärmeverluststrom
des Speichergefässes 7. Eine stärkere thermische Ankopplung wäre deshalb
nachteilig, weil sie die Temperaturschwankungen des Giesakörpers 5 mit zu
starker Wir-
-kung auf das Speichergefäss 7 übertragen würde.For the determination of the thermal coupling of the storage vessel 7 to the casting body 5 , it is to be assumed that two different operational initial states can occur when the fuel oil flow rate is zero: In the first initial state, the fuel oil in the fuel oil "pipe 1 is at the target temperature, then it must be in the storage vessel 7 In order to meet this condition, the heat flow flowing through the thermal coupling must be the same size as the heat loss flow of the storage vessel 7, with a relatively small temperature difference between the cast body 5 and the storage vessel 7 thermal coupling would be disadvantageous because it would transfer the temperature fluctuations of the Giesa body 5 to the storage vessel 7 with too great an effect.
Im zweiten Ausgangszustand ist der ganze Brennöl-Vorwärmer vorerst
kalt und soll bei stillstehendem Oel auf die Solltemperatur aufgeheizt werden. In
diesem Fall ist dafür zu sorgen, dass auch das Brennöl im Speichergefäss
7 genügend rasch ebenfalls auf Solltemperatur kommt. Es ist in diesem Fall
dafür zu sorgen, dass mit der gemäss der ersten Bedingung ermittelten thermischen
Ankopplung das sich im Speichergefäss befindliche Brennöl innerhalb einer verhältnismässig
kurzen Zeitdauer die Solltemperatur annimmt.In the second initial state, the entire fuel oil preheater is initially cold and should be heated to the setpoint temperature when the oil is not running. In this case, it must be ensured that the fuel oil in the storage vessel 7 also reaches the target temperature sufficiently quickly. In this case, it must be ensured that, with the thermal coupling determined according to the first condition, the fuel oil in the storage vessel adopts the setpoint temperature within a relatively short period of time.
Wählt man beispielsweise als zulässige Temperaturdifferenz zwischen
Giesskörper 5 und Speichergefäss 7 eine solche von 50c , so
erhält man praktisch eine thermische Ankopplung, die z.B. einer Zeitkonstante von
3 bis 4 Minuten entspricht, d.h. das sich im Speichergefäss 7 befindliche
Brennöl wird nach etwa 10 Minuten die gewünschte Solltemperatur aufweisen.If we choose, for example, as the allowable temperature difference between casting body 5 and storage vessel 7 such 50c, one obtains practically a thermal coupling, for example, corresponds to a time constant of 3 to 4 minutes, that is, the fuel oil is present in the storage vessel 7, after about 10 minutes the have the desired setpoint temperature.
Setzt man die Zeitkonstante des Speichergefässes z.B. auf 4 Minuten
an, so ergibt sich
d.h. die Schwankungen der Temperatur des Giesskörpers 5 werden nur zu 7,94%
auf das Speichergefäss/Übertragen.If the time constant of the storage vessel is set, for example, to 4 minutes, the result is ie only 7.94% of the fluctuations in the temperature of the cast body 5 are transferred to the storage vessel.
Durch zweckmässige Dimensionierung des Speichergefässes
7 kann somit sowohl die Uebertragung der Temperaturschwankungen des Giesskörpers
5 auf das Speichergefäss als auch die Dämpfung dieser Schwankungen zweckmäseig
gewählt werden.
Gegenüber den bekannten Brennöl-Vorwärmerrl hat
die beschriebene Einrichtung den weiteren Vorteil, daso sie kleinere Abmessungen
aufweist und dass eine Ueberhitzung des Heizkörpers 2 völlig ausgeschlossen ist;By appropriate dimensioning of the storage vessel 7 , both the transfer of the temperature fluctuations of the cast body 5 to the storage vessel and the damping of these fluctuations can be selected appropriately. Compared to the known fuel oil preheater, the device described has the further advantage that it has smaller dimensions and that overheating of the heating element 2 is completely excluded;