DE19607658A1 - Heizung für Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, insbesondere einen Kleindampferzeuger und im einzelnen das Heizungssystem für denselben.

Das Heizungssystem dient zur Erhitzen des im Dampferzeuger gespeicherten Wassers. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, das Heizungssystem aus stab- bzw. wendelförmigen Heizelementen aufzubauen. Die Heizelemente werden von dem im Dampferzeuger gespeicherten Wasser überdeckt. Zur Er­ zielung eines hohen Wirkungsgrades ist ein guter Wärmeübergang vom Heiz­ element zum Wasser erforderlich.

Es ist bekannt, daß beim sogenannten Blasensieden der beste Wärmeüber­ gang auftritt und somit der höchste Wirkungsgrad erreicht wird. Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, wie unter Berücksichtigung der Heizleistung der Heizelemente sowie der Material- bzw. Konstruktionsparame­ ter des Dampferzeugers dieses Blasensieden eingestellt werden kann.

Wenn durch einen Fehler in der Regelung des Wasserstandes die Heizelemen­ te nicht mehr mit Wasser bedeckt sind, kommt es zu einer sehr schnellen Überhitzung derselben, die letztlich zur Zerstörung der Heizelemente führt. Auch durch eine sofortige Wasserzufuhr ist diese Überhitzung nicht mehr auf­ zuhalten, da bei erhöhter Temperatur das vorteilhafte Blasensieden in soge­ nanntes Filmsieden übergeht, wobei das Heizelement mit einem dünnen Dampffilm bedeckt ist. Das Filmsieden führt zu einer wesentlichen Ver­ schlechterung des Wärmeübergangs, so daß weniger Wärme als beim Bla­ sensieden an das Wasser abgeführt werden kann. Daher steigt die Tempera­ tur der Heizelemente bis zu deren Zerstörung weiterhin an, obwohl die Heiz­ elemente vollständig mit Wasser bedeckt sein können. Um diesen kritischen Zustand zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine Not­ abschaltung vorzunehmen.

Die Regelung für die Notabschaltung muß sehr schnell und zuverlässig reagie­ ren. Daher sind Regelungsvorrichtungen für die Notabschaltung technisch aufwendig und kostenintensiv.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Dampfqualität. Der Dampf muß über seine Sättigungstemperatur hinaus erhitzt werden und in diesem Zustand vom Dampferzeuger abgegeben werden können. Dazu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Dampf über weitere Heizelemente zu leiten. Die Heizleistung dieser Heizelemente wird in Abhängigkeit von der geforderten Dampftemperatur gesteuert. Die Einhaltung einer vorgegebenen Dampftemperatur wird als Dampfqualität bezeichnet.

Je nach Bedarf werden dem Dampferzeuger unterschiedliche Dampfmengen entnommen. Dadurch kommt es auch zu Schwankungen in der Dampfqualität. Es ist schwierig, diese Schwankungen der Dampfqualität auszuregeln. Daher sind Regelungsvorrichtungen für die Dampfqualität ebenfalls aufwendig und kostenintensiv. Besonders kostenintensiv ist die Regelung der Dampfqualität bei Kleindampferzeugern. Im Gegensatz zu Großdampferzeugern, die auf Grund ihrer größeren Wärmekapazität und ihres größeren Dampfspeichervo­ lumens leichter regelbar sind, weist ein Kleindampferzeuger eine kleine Wär­ mekapazität und ein kleines Dampfspeichervolumen auf. Die Entnahme von größeren Dampfmengen führt daher schnell zu einer unerwünschten Ände­ rungen in der Dampfqualität.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine solche Heizeinrichtung für einen Dampferzeuger zu schaffen, mit der bei geringem regelungstechnischen Auf­ wand Dampf in einer hohen und gleichbleibenden Qualität bereitgestellt wer­ den kann. Weiterhin soll die Heizeinrichtung unempfindlich gegenüber kurz­ zeitigem Unterschreiten des vorgesehenen Pegelstandes des Wassers reagie­ ren, wobei insbesondere die Wiederbenetzbarkeit ohne Notabschaltung gesi­ chert sein soll.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Kombination der Merkmale nach Patentan­ spruch 1.

Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus und ist daher besonders für Kleindampferzeuger geeignet. Auf Grund der kompakten Bauweise besitzt die Heizeinrichtung eine große thermi­ sche Trägheit und somit ein gutes dynamisches Verhalten bei schwankender Dampfentnahme. Da die Dampfüberhitzungsvorrichtung in der Nähe der Heiz­ elemente angeordnet ist, erfolgt eine sichere Überhitzung, die eine gute Dampfqualität bewirkt. Falls der Wasserspiegel kurzzeitig unter den Mindest­ pegel abfällt, verhindert die große thermische Masse der Wärmeverteilungs­ vorrichtung, daß die Heizeinrichtung durch Überhitzung sofort zerstört wird. Auf Grund der definierten Wärmeleitung im Fußpunktbereich der Verdamp­ fungsrippen ist es möglich, die Heizeinrichtung auch nach dem Trockenfallen, d. h. bei Überhitzung ohne Wasser über die Verdampfungsrippen erneut zu benetzen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 oder 4 ist die Wärme­ verteilungsvorrichtung als zylinderförmiger Block ausgebildet, an dessen Man­ telfläche die Verdampfungsrippen radial (strahlenförmig) angeordnet sind. Die zylindrische Ausführung hat den Vorteil, daß auf Grund der symmetrischen Wärmeleitverhältnisse eine gute Optimierung erfolgen kann und somit der Wirkungsgrad erhöht wird und die Konstruktionskosten gesenkt werden kön­ nen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 8 sind zwischen den Fußpunkten der Verdampfungsrippen an der Oberfläche der Wärmevertei­ lungsvorrichtung solche Wärmeleitverhältnisse vorgesehen, daß Filmsieden eintritt. Da der Siedefilm die Wärmeabgabe an das Wasser in diesem Bereich weitgehend verhindert, wird die Wärme definiert über den Fußpunkt der Ver­ dampfungsrippen in diese eingeleitet, so daß es an den Rippenflanken zu ei­ ner optimalen Blasenverdampfung mit gutem Wärmeübergang kommen kann.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der ver­ bleibenden Unteransprüche.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbin­ dung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Kleindampferzeuger mit einer erfindungsgemäßen Heizein­ richtung.

Fig. 2 zeigt die Heizeinrichtung aus Fig. 1 im Querschnitt.

Fig. 3 zeigt eine zylindrische Ausführungsform des Grundkörpers der Heizein­ richtung mit verschiedenen Dampfrippen.

Fig. 4 zeigt eine rechteckige Ausführungsform des Grundkörpers der Heizein­ richtung.

Die Fig. 1 zeigt einen Kleindampferzeuger mit einem mit Wasser 2 gefüllten Dampfkessel 1, in dem die Heizeinrichtung 3 angeordnet ist. Die Heizeinrich­ tung 3 besteht aus einer Mehrzahl Heizpatronen 4, die in einem als Wärme­ verteilungselement 5 ausgebildeten Aluminiumblock eingegossen sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Grundkörper des Aluminiumblocks zylinderförmig und weist an seinem Außenumfang sich radial nach außen erstreckende Verdamp­ fungsrippen 6 auf. Der Fußpunkt 7 der Verdampfungsrippen 6 weist einen reduzierten Materialquerschnitt auf. Innerhalb der kreisförmig angeordneten Heizpatronen 4 ist die Dampfüberhitzungsvorrichtung 8 vorgesehen, die aus einer sacklochförmigen Ausnehmung 9 und einem zentrisch darin angeordne­ ten Rohr 10 für den Dampfauslaß besteht. Zur Verbesserung des Wirkungs­ grades der Dampfüberhitzungsvorrichtung 8 kann der Dampf auch durch Mehrfachschikanen oder/und über zusätzliche Rippen geleitet werden.

Nachfolgend wird die Funktion der Heizeinrichtung beschrieben:

Die von den Heizpatronen 4 erzeugte Wärme wird über Wärmeleitung an das Wärmeverteilungselement 5 abgegeben, wobei in der Nähe der Heizpatronen, in den Bereichen 11 und 12, höhere Temperaturen vorliegen als an den Flan­ ken 13 der Verdampfungsrippen. Der Dampf wird durch den entstehenden Druck in die sacklochförmige Ausnehmung 9 und durch das zentrisch darin angeordneten Rohr 10 nach außen geleitet. Da der Bereich 12 die höchste Temperatur aufweist, wird der Dampf stark überhitzt und kann in guter Quali­ tät entnommen werden. Im Bereich 11 ist die Temperatur so hoch eingestellt, daß stabiles Filmsieden eintritt. Der dabei entstehende Siedefilm verhindert die Wärmeabgabe und erhält dadurch den Zentralbereich mit der Dampfüber­ hitzungsvorrichtung 8 auf hoher Temperatur. Die Wärme kann lediglich über den speziell ausgebildeten Fußpunkt 7 der Verdampfungsrippen 6 in diese abfließen. Der Wärmefluß durch den Fußpunkt 7 ist so eingestellt, daß an den Flanken 13 der Verdampfungsrippen 6 stabiles Blasensieden eintritt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen zylinderförmigen bzw. einen quaderförmigen Grundkörper des Wärmeverteilungselements. In dem quaderförmigen Grund­ körper können jeweils Heizpatronen 4 oder alternativ dazu eine Heizplatte 14 in unmittelbarer Nähe der Dampfüberhitzungsvorrichtung 8 vorgesehen werden. Die Funktion der zweiten Ausführungsform nach Fig. 4 ist analog der der ersten Ausführungsform.

Die Fig. 3 und 4 zeigen weiterhin eine Vielzahl von Rippenformen. Die Formen 15 bis 18 weisen je einen Rippenfuß auf, während bei den Rippenformen 19 bis 21 der Rippenfuß durch eine Ausnehmung 22 geteilt ist. Wahlweise kann die Ausnehmung 22 auch noch mit einem Material ausgefüllt sein, das eine andere Wärmeleitfähigkeit als das Grundmaterial aufweist. Die wärmestrom­ begrenzende Wirkung ist bei allen Rippenfußformen 15 bis 21 prinzipiell iden­ tisch.

Es ist zu betonen, daß die in Patentanspruch 1 beanspruchte technische Leh­ re der Erfindung nicht an bestimmte geometrische Formen des Wärmevertei­ lungselements, speziell des Grundkörpers (zylinderförmig, quaderförmig oder andere) und der Rippenformen gebunden ist. Entscheidend ist vielmehr, daß die Merkmale des Patentanspruchs 1 so angeordnet bzw. kombiniert werden, daß die in der Erfindungsbeschreibung dargelegte technische Lehre realisiert wird. Daher ergeben sich für den Fachmann neben den in den Unteransprü­ chen nur beispielhaft beanspruchten Ausführungsformen eine Reihe weiterer Möglichkeiten der Realisierung der technischen Lehre, die jedoch alle als in den Schutzbereich der Erfindung fallend anzusehen sind.

Claims (11)

1. Heizeinrichtung für einen Dampferzeuger mit

• - mindestens einem Heizelement,
• - einer Wärmeverteilungsvorrichtung und
• - einer Dampfüberhitzungsvorrichtung,

wobei das Heizelement wärmeleitend mit dem Wärmeverteilungselement verbun­ den ist, an dessen Oberfläche Wasser verdampft wird und der entstandene Dampf mittels der Dampfüberhitzungsvorrichtung überhitzt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Heizelement (4) in der als Block ausgebildeten Wärmeverteilungsvorrichtung (5) eingebettet ist,
• - die Dampfüberhitzungsvorrichtung (8) innerhalb der Wärmeverteilungsvorrichtung (5) in naher Lagebeziehung zum Heizelement (4) angeordnet ist und
• - die Wärmeverteilungsvorrichtung (5) an ihrem Außenumfang Verdampfungsrippen (6) aufweist, wobei im Fußpunktbereich (7) der Verdampfungsrippen (6) Mittel vorgesehen sind, die den Wärmestrom vom Heizelement (4) in die Verdampfungs­ rippen (6) vorbestimmt begrenzen.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkör­ per der Wärmeverteilungsvorrichtung (5) als Zylinder ausgebildet ist, an dessen Mantelfläche die Verdampfungsrippen (6) radial (strahlenförmig) angeordnet sind (Fig. 2, 3).

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkör­ per der Wärmeverteilungsvorrichtung (5) als Quader ausgebildet ist und die Ver­ dampfungsrippen (6) so angeordnet sind, daß deren Symmetrielinien im wesentli­ chen senkrecht zur Quaderoberfläche stehen (Fig. 4).

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverteilungsvorrichtung (8) axial und zentrisch in der Wärmeverteilungsvor­ richtung (5) und die Heizelemente (4) konzentrisch um die Wärmeverteilungsvor­ richtung (8) angeordnet sind.

5. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverteilungsvorrichtung (8) in der Mitte der Wärmeverteilungsvorrichtung (5) angeordnet ist und die Heizelemente (4) angrenzend zu der Wärmeverteilungsvor­ richtung (8) angeordnet sind.

6. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmestrombegrenzung im Fußpunktbereich (7) der Verdamp­ fungsrippen (6) durch Verringerung des Materialquerschnitts erfolgt.

7. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär­ mestrombegrenzung im Fußpunktbereich (7) der Verdampfungsrippen (6) mittels Einsatz von Material mit geringem Wärmeleitvermögen erfolgt.

8. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Bereich (11) zwischen den Fußpunkten der Verdampfungsrip­ pen (6) an der Oberfläche der Wärmeverteilungsvorrichtung (5) Filmsieden eintritt.

9. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Wärmeverteilungsvorrichtung (8) Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehen sind.

10. Heizeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme­ übergangs mittels Rippen oder Mehrfachumleitung des Dampfes verbessert wird.