DE19804267C2

DE19804267C2 - Großwasserraumkessel für Porenbrenner

Info

Publication number: DE19804267C2
Application number: DE1998104267
Authority: DE
Inventors: Eberhard Franz
Original assignee: Loos Deutschland GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: DE19804267A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Großwasserraumkessel, zur Erzeu gung von Wasserdampf und/oder Heißwasser mit einer Feuerung sowie mindestens einer Wärmetauschereinrichtung zur Erhitzung des Großwasser raumkesselwassers.

Heutige Großwasserraumkessel umfassen ein Flammrohr, welches sich mit unter nahezu über die gesamte Länge des Kessels erstreckt. An den jeweili gen Stirnseiten des Kessels befinden sich Rauchgaswendekammern, die da zu dienen, das Rauchgas aus dem Flammrohr in parallel zum Flammrohr angeordnete Rauchrohrzüge zu leiten. Bei einem Dreizug- Großwasserraumkessel wird beispielsweise das den ersten Rauchrohrzug verlassende Rauchgas durch eine stirnseitig angeordnete Rauchgaswende kammer in einen weiteren, zum ersten Rauchrohrzug parallel angeordneten zweiten Rauchrohrzug geleitet.

Um das Erfordernis eines guten Wirkungsgrads zu erfüllen, besitzen derar tige Kessel konstruktionsbedingt große Abmessungen. Darüber hinaus ist der Kessel aufgrund des sich über dessen Gesamtlänge erstreckenden Flammrohrs, welches in der Regel asymmetrisch zum Kessel innerhalb des selben positioniert ist, erheblichen Wärmespannungen ausgesetzt.

Aus der DE 18 01 925 B2 ist eine Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit Kapillarwirkung bekannt. Er umfaßt eine Vielzahl von senkrechten Verbrennungsluftrohren, die durch eine Trennwand führen, wobei an der Oberseite der Trennwand zwischen den einzelnen Verbren nungsluftrohren eine den Brennstoff durch Kapillarwirkung fördernde Fül lung von Aluminiumoxydpulver vorgesehen ist. In der Trennwand ist um jedes der Verbrennungsluftrohre herum ein ringförmiger Brennstoffkanal vorgesehen, durch den hindurch Brennstoff von der Unterseite der Trenn wand nach oben in die Füllung gelangen kann.

Aus der EP 044 132 A2 ist eine Boiler zur Erzeugung von Heißwasser oder Wasserdampf bekannt. Die Brennkammer des Boilers ist aufgeteilt in einen unteren sowie oberen Brennkammerabschnitt. Im unteren Brennkammerab schnitt befindet sich ein Fluidisierungsbett. Das Rauchgas strömt aus dem unteren Brennkammerabschnitt zunächst in den oberen Brennkammerab schnitt und von dort über eine Abgaskammer über eine Rauchgasleitung in einen an der Oberseite des Boilers befindlichen Wärmetauscher.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Großwasser raumkessel der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, welcher bei gutem Wirkungsgrad verringerte Abmessungen besitzt und im Betrieb das Auftreten von Wärmespannungen am Großwasserraumkessel vermeidet oder zumindest in erheblichem Maße reduziert.

Die vorliegende Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Großwasserraumkes sel dadurch gelöst, daß als Brenner eine Porenbrennereinrichtung vorgese hen ist, deren Brennraum räumlich zusammenhängende Poren aufweist und die Porenbrennereinrichtung und die Wärmetauschereinrichtung innerhalb des Großwasserraumkessels nacheinander positioniert sind, derart, daß das in der Porenbrennereinrichtung erzeugte Rauchgas von dieser durch die Wärmetauschereinrichtung strömt. Durch den Einsatz einer Porenbren nereinrichtung können die Brennräume in ihren Abmessungen erheblich re duziert werden. Die Erfindung ermöglicht es, Wärmetauschereinrichtungen der Porenbrennereinrichtung unmittelbar nachzuschalten. Dies wiederum ermöglicht eine über den Querschnitt des Großwasserraumkessels gesehen homogene, symmetrische Anordnung der Porenbrennereinrichtung. Vor al lem durch die reduzierte Feuerraumlänge können Wärmespannungen am Großwasserraumkessel vermieden oder zumindest erheblich reduziert wer den.

Unter einem "Porenbrenner" ist ein Brenner mit definiert vorgegebenem Brennraum zu verstehen, welcher einzelne räumlich zusammenhängende Hohlräume (Poren) aufweist und hierdurch eine definierte Flammenzone gebildet wird. Entsprechende Porenbrenner sind beispielsweise in US 5,522,723 sowie WO 95/01532 beschrieben.

Eine besonders vorteilhafte Wärmeübertragung wird dadurch erzielt, daß die Porenbrennereinrichtung durch einzelne, insbesondere zueinander paral lel angeordnete Porenbrennermodule gebildet ist. Gleichzeitig kann hierbei die Wärmeverteilung, im Kesselquerschnitt gesehen, homogen gehalten werden, wodurch Wärmespannungen vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden.

Desweiteren kann die Wärmetauschereinrichtung ebenso durch insbesonde re zueinander parallel angeordnete Wärmetauschermodule in beliebiger Art über den Querschnitt des Kessels verteilt angeordnet werden.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn jedem Porenbrennermodul ein entspre chendes Wärmetauschermodul nachgeschaltet ist.

Um einen möglichst gleichmäßigen Eintritt des Rauchgases aus der Poren brennereinrichtung in die Wärmetauschereinrichtung zu gewährleisten, be findet sich zwischen Porenbrenner und Wärmetauschereinrichtung bzw. Po renbrennermodul und Wärmetauschermodul ein Abströmraum. Hierdurch wird ferner die thermische Belastung der Einschweißung der Wärmetau schereinrichtung reduziert.

Die neuartige Idee erlaubt es zudem, Komplettmodule, bestehend aus Po renbrennermodule, Abströmräume sowie Wärmetauschermodul, vorzuse hen, die als standardisiertes Modul in Großwasserraumkessel unterschied lichster Größe eingebaut werden können. Hierdurch wird die Fertigungstiefe und damit der Kostenaufwand in Zusammenhang mit der Herstellung ver ringert.

Die Wärmetauschereinrichtung besteht zweckmäßigerweise in einer Mehr zahl von zueinander parallel verlaufenden, einzelnen vom Kesselwasser umspülten Rauchgasrohren.

Die Rauchgasrohre können sich konstruktionsbedingt über die gesamte Querschnittsfläche des Großwasserraumkessels erstrecken.

Zur Ausnutzung der Wärmeübertragung in Verbindung mit der Konvektion des Kesselwassers innerhalb des Großwasserraumkessels können die ein zelnen Rauchgasrohre bei modulartigem Aufbau im Querschnitt gesehen von oben nach unten gruppiert angeordnet sein, wobei zwischen den einzel nen Gruppen der Rauchgasrohre einzelne Passagen vorhanden sind, durch die hindurch Wasser und/oder Dampfblasen aufgrund der Thermokonvekti on strömen kann bzw. können.

Der obige Effekt kann noch zusätzlich dadurch verstärkt werden, daß die einzelnen Gruppen von Rauchgasrohren zueinander versetzt angeordnet sind.

Ebenso besitzen die einzelnen Porenbrennermodule zweckmäßigerweise ei ne von oben nach unten gesehen längliche Form und bilden zwischen den einzelnen Porenbrennermodulen einzelne Passagen aus. Auch hierdurch wird die Konvektion des Kesselwassers zwischen den einzelnen Porenbren nermodulen zur Wärmeübertragung in vorteilhafterweise ausgenutzt.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist darin ge kennzeichnet, daß die einzelnen Porenbrennermodule an der Ober- und/oder Unterseite abgerundet sind. Hierdurch können Spannungsspitzen aufgrund mechanischen Belastung im Bereich der Wärmetauschermodule vermieden werden und gleichzeitig ein besserer Abtransport der Dampfblasen im Be reich der Wärmetauschermodule sichergestellt werden.

Zweckmäßigerweise sind die Porenbrennermodule ebenfalls zueinander versetzt angeordnet.

Die erfindungsgemäße Konstruktion macht es möglich, auf externe Kühl maßnahmen der Porenbrennermodule vollständig zu verzichten.

Ferner kann der erfindungsgemäße Großwasserraumkessel zwischen der Po renbrennereinrichtung und der Wärmetauschereinrichtung eine Sammel kammer aufweisen, die zweckmäßigerweise für mindestens zwei, im Ideal fall für sämtliche Porenbrennermodule vorgesehen ist. An der Sammel kammer können sich Einrichtungen zur Zündung und/oder Überwachung (insbesondere Flammenüberwachung) befinden. Die Sammelkammer hat den Vorteil, daß für die angeschlossenen Porenbrennermodule bzw. die an geschlossene Porenbrennereinrichtung eine vereinheitlichte Zündung und/oder Überwachung vorgenommen werden kann, wodurch die Kosten entsprechender gattungsgemäßer Großwasserraumkessel erheblich reduziert werden können.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Großwasserraum kessels werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert, ohne jedoch den Schutzumfang einzuschränken. Es zeigen:

Fig. 1 eine stark vereinfachte, schematische Darstellungsweise der einzelnen Porenbrennermodule in Draufsicht auf den Kesselquerschnitt;

Fig. 2 eine stark vereinfachte, schematische Darstellungsweise der Porenbrennermodule, des Abströmraums, der Sam melkammer sowie der Wärmetauschereinrichtung in Sei tenansicht;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch die Wärmetauschereinrich tung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch die Porenbrennermodule ei ner weiteren Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung der Porenbrennermodule, des Abström raums sowie einzelnen den Porenbrennermodulen zuge ordneten Wärmetauschermodulen in Seitenansicht;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch die einzelnen Wärmetau schermodule;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Komplettmoduls;

Fig. 8 eine Schnittdarstellung der Ansicht E-F des Komplettmo duls gemäß Fig. 7 sowie

Fig. 9 eine Schnittdarstellung durch das Rauchgasrohrfeld des Komplettmoduls gemäß Fig. 7 bzw. 8.

Bezugsziff. 1 in Fig. 1 kennzeichnet den Großwasserraumkessel in seiner Gesamtheit. Er umfaßt eine Kesselaußenwandung 2, welche den sogenann ten "Kesseldruckkörper" darstellt. An der Außenseite der Kesselaußenwan dung 2 befindet sich ein umlaufender Isoliermantel 3.

Weiterhin sind (in den nachfolgenden Zeichnungen nicht dargestellte) Merkmale vorgesehen, die ein Großwasserraumkessel üblicherweise auf weist, wie z. B. Entnahmeventile für Dampf und/oder Heißwasser, Sicher heitsventile, Wasserstandsanzeiger, Manometer etc.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Brennraum des erfindungsge mäßen Großwasserraumkessels durch eine Porenbrennereinrichtung 4 reali siert. Diese ist in einzelne Porenbrennermodule 6 unterteilt, welche in zwei Reihen untereinander und zueinander versetzt angeordnet sind.

Die Porenbrennermodule 6 besitzen eine sich von oben nach unten länglich erstreckende, an der Ober- und Unterseite abgerundete Form. Die Anord nung der einzelnen derart geformten Porenbrennermodule 6 gewährleistet Durchtrittspassagen 13 für das innerhalb des Großwasserraumkessels 1 zir kulierende Kesselwasser.

Die Porenbrennermodule 6 sind mit einer porösen Packung aus hitzebe ständigem Draht, Folien, Blech, Kunststoff oder Keramikmaterial mit räumlich zusammenhängenden Hohlräumen zur Bildung einer definierten Flammenzone gefüllt.

Die Länge der Porenbrennermodule 6 ist im Vergleich mit der Gesamtlänge des Großwasserraumkessels 1 besonders kurz.

Jedes Porenbrennermodul 6 geht über einen axial nachfolgende Abström raum 8 in eine gemeinsame Sammelkammer 15 über. Im Anschluß daran folgen einzelne, den Porenbrennermodulen 6 zugeordnete Wärmetauscher module 7, die aus einzelnen über den Querschnitt des Großwasserraumkes sels 1 gruppiert angeordneten Rauchgasrohren 10 bestehen. Die einzelnen Rauchgasrohre 10 werden jeweils von Kesselwasser umspült.

Die Sammelkammer 15 in Fig. 2 verbindet sämtliche vorgesehenen Poren brennermodule 6 und ist darüber hinaus mit Einrichtungen zur Zündung 16 sowie Einrichtungen zur Überwachung 17 (insbesondere zur Flammen überwachung) ausgestattet.

In Fig. 3 sind - lediglich beispielhaft zum besseren Verständnis - sämtliche Wärmetauschermodule 7 eingezeichnet. Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß die einzelnen Wärmetauschermodule 7 in einem dem Verteilungsmuster der Po renbrennermodule 6 gemäß Fig. 1 entsprechenden Verteilungsmuster ange ordnet sind. Durch das axial hintereinander Positionieren der einzelnen Po renbrennermodule 6, des Abströmraums 8 sowie der Wärmetauschereinrich tung 5 wird eine optimale Wärmeübertragung bei reduzierten Abmessungen erzielt.

Die Fig. 4-6 zeigen eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Großwasserraumkessels 1, bei der einzelne Komplettmodule 9, bestehend aus Porenbrennermodule 6, zugehörige Abströmräume 8 sowie Wärmetau schermodule 7 aufgebaut sind, ohne daß eine gemeinsame Sammelkammer 15 vorgesehen ist.

Die Anordnung der Porenbrenner 4 in Fig. 4 entspricht der Anordnung der Porenbrenner 4 in Fig. 1. Den einzelnen Porenbrennermodule 6 sind einzel ne Wärmetauschermodule 7 in entsprechender Gruppierung 11 und Ausrich tung nachgeschaltet, wobei zwischen jedem Porenbrennermodul 6 und Wärmetauschermodul 7 ein Abströmraum 8 sich befindet. Der Abström raum 8 wird dadurch konstruktiv erreicht, daß ein Stahlmantel vom Poren brennermodul 6 lediglich zu einem Teilbereich ausgefüllt ist. Das jeweilige Komplettmodul, bestehend aus Porenbrennermodul 6, Abströmraum 8 so wie Wärmetauschermodul 7, ist in Fig. 5 mit der Bezugsziffer 9 gekenn zeichnet. Bezugsziffer 10 kennzeichnet das einzelne Rauchgasrohr inner halb der betreffenden Wärmetauschermodule 7.

Wie aus Fig. 6 deutlich wird, sind die einzelnen Wärmetauschermodule 7 hinsichtlich ihrer jeweiligen Rauchgasrohre 10 innerhalb des Großwasser raumkessels 1 in Gruppen 11 zusammengefaßt, die sich in länglicher Aus richtung von oben nach unten in zweireihiger zueinander vesetzter Anord nung erstrecken. Die einzelnen Wärmetauschermodule 7 bilden demzufolge Passagen 12, durch die hindurch das Wasser, bedingt durch Konvektion oder zusätzliche mechanische Bewegung, strömen kann.

Aus Fig. 4 wird die Gruppierung und Zuordnung der Porenbrennermodule 6 sowie Wärmetauschermodule 7 unmittelbar deutlich.

Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines Porenbrennermoduls 6. Das Ge häuse 14 (Stahlmantel) des Porenbrennermoduls 6 ist über den Querschnitt betrachtet vollständig mit porösem Material der eingangs beschriebenen Art ausgefüllt. Das Gehäuse 14 bildet zusammen mit der Stirnfläche des Poren brennermoduls 6 ein Abströmraum 8, an dessen Stirnseiten wiederum sich die einzelnen Rauchgasrohre 10 des Wärmetauschermoduls 7 anschließen. Porenbrennermodul 6, Abströmraum 8 sowie Wärmetauschermodul 7 sind zweckmäßigerweise als Komplettmodul 9 konzipiert und können in Groß wasserraumkessel unterschiedlichster Größe in beliebiger Anzahl eingesetzt werden. Zwischen dem Gehäuse 14 und dem Porenbrennermodul 6 ist eine umlaufende Isolierung 18 vorgesehen.

Fig. 9 zeigt die Zuordnung der einzelnen Rauchgasrohre 10 zur Lage des Porenbrennermoduls 6.

Die Erfindung gewährleistet im Vergleich zum bisher bekanntgewordenen Stand der Technik eine erhebliche Reduzierung der Dimensionen von Großwasserraumkessel bei gleichbleibender Leistung sowie gleichbleiben dem Wirkungsgrad. Darüber hinaus können Wärmespannungen im Bereich des Großwasserraumkessels vermieden oder zumindest erheblich abgebaut werden. Die Erfindung stellt daher einen ganz besonderen Fortschritt auf dem einschlägigen technischen Gebiet dar.

Claims

1. Großwasserraumkessel zur Erzeugung von Wasserdampf und/oder Heißwasser mit einem Brenner, mindestens einer Wärmetauscherein richtung zur Erhitzung des Kesselwassers, dadurch gekennzeichnet, daß als Brenner eine Porenbrennereinrichtung (4) vorgesehen ist, deren Brennraum räumlich zusammenhängende Poren aufweist, und die Po renbrennereinrichtung (4) sowie die Wärmetauschereinrichtung (5) innerhalb des Großwasserraumkessels (1) nacheinander positioniert sind, derart, daß das in der Porenbrennereinrichtung (4) erzeugte Rauchgas von dieser durch die Wärmetauschereinrichtung (5) strömt.

2. Großwasserraumkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenbrennereinrichtung (4) durch einzelne, insbesondere zuein ander parallel angeordnete Porenbrennermodule (6) gebildet ist.

3. Großwasserraumkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschereinrichtung (5) durch einzelne, insbesondere zu einander parallel angeordnete Wärmetauschermodule (7) gebildet ist.

4. Großwasserraumkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Porenbrennermodulen (6) zugehörige Wärmetauscher module (7) nachgeschaltet sind.

5. Großwasserraumkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Porenbrennereinrichtung (4) und der Wärmetauschereinrich tung (5) oder zwischen jedem Porenbrennermodul (6) und dem zuge hörigen Wärmetauschermodul (7) ein Abströmraum (8) vorgesehen ist.

6. Großwasserraumkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß Komplettmodule (9), bestehend aus Porenbrennermodul (6), Abström raum (8) sowie Wärmetauschermodul (7) vorgesehen sind.

7. Großwasserraumkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauschereinrichtung (5) eine Mehrzahl von zueinander parallel verlaufenden, einzeln vom Kesselwasser umspülten Rauch gasrohren (10) vorgesehen sind.

8. Großwasserraumkessel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der einzelnen Rauchgasrohre (10) im Querschnitt ge sehen sich kontinuierlich über die gesamte Breite des Großwasser raumkessels (1) erstreckt.

9. Großwasserraumkessel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rauchgasrohre (10) bei modulartigem Aufbau im Quer schnitt gesehen von oben nach unten gruppiert angeordnet sind und zwischen den einzelnen Gruppen (11) der Rauchgasrohre (10) einzel ne Passagen (12) vorgesehen sind.

10. Großwasserraumkessel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gruppen (11) von Rauchgasrohren (10) zueinander ver setzt angeordnet sind.

11. Großwasserraumkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Porenbrennermodule (6) eine von oben nach unten ge sehen längliche Form besitzen und zwischen den einzelnen Poren brennermodulen (6) einzelne Passagen (12) vorgesehen sind.

12. Großwasserraumkessel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Porenbrennermodule (6) an der Ober- und/oder Unter seite abgerundet sind.

13. Großwasserraumkessel nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Porenbrennermodule (6) versetzt zueinander angeordnet sind.

14. Großwasserraumkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß keine externen Kühlmaßnahmen für die Porenbrennereinrichtung (4) vorgesehen sind.

15. Großwasserraumkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Porenbrennereinrichtung (4) und der Wärmeaustausch einrichtung (5) eine Sammelkammer (15) vorgesehen ist.

16. Großwasserraumkessel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens zwei Porenbrennermodule (6) eine gemeinsame Sam melkammer (15) vorgesehen ist.

17. Großwasserraumkessel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Porenbrennermodule (6) eine gemeinsame Sammelkammer (15) vorgesehen ist.

18. Großwasserraumkessel nach einem der Ansprüche 15-17, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Sammelkammer (15) eine Einrichtung zur Zündung und/oder Überwachung befindet.