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Die
Erfindung betrifft eine Erwärmungseinrichtung ausgebildet
als Brennkammer mit einem daran angeschlossenen Brenner.
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Es
ist bekannt, Fluide effizient zu erwärmen, in dem man die
Oberfläche eines mit dem Fluid in Kontakt stehenden Heizelementes
entsprechend groß ausbildet, um einen wirtschaftlichen
Wärmetransport zu ermöglichen. Auf dem Gebiet
des Heizkesselbaues ist aus der
DE 1053360 C2 bekannt, bei einer zur Vergrößerung
der Oberfläche der Trennwand zwischen einem mit heißem
Gas gefüllten Brennkammer und einem zu erwärmenden
Fluid, ein spiralförmiges Rohr zu verwenden, dass von dem
zu erwärmenden Fluid umschlossen ist. Durch diese konstruktive
Maßnahme läßt sich im Vergleich zu einem
geradlinig ausgebildetem Rohr der Kontakt mit dem heißen
Brennkammergas die Effizienz des Heizkessels verbessern. Nachteilig
an dieser Ausführung ist der vergrößerte
Materialbedarf und die Volumenerweiterung des Aggregates. Weiterhin
sind Erwärmungs- und Heizeinrichtungen bekannt bei denen
in einer Brennkammer einer Flamme hohe Temperaturen erzeugt und
die Wärmeenergie durch ein die Brennkammer umströmendes
Fluid transportiert wird. Das Umströmen wird durch eine
Ummantelung der Brennkammer ermöglicht mit dem durch die
Ummantelung eine die Brennkammer umhüllende Außenkammer
gebildet ist. Zur verbesserten Wärmeübertragung
offenbart die
DE 197
57 526 C1 durch mechanisch Aufrauung hergestellte Grundflächen zur
Vergrößerung der zur Verfügung gestellten
Oberflächen. Dabei wird mittels der Oberflächenbearbeitung
eine Aufrauung der Oberflächen erreicht. Die Rautiefe der
mechanischen Vorsprünge bzw. Noppen beträgt dabei
0,1 mm. Die Rauigkeit bewirkt eine Steigerung der Effizienz der
Wärmeübertragung, jedoch wird eine spürbare
Verbesserung des Wärmetransportes nicht erreicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Erwärmungseinrichtung
ausgebildet als Brennkammer mit daran angeschlossenen Brenner zu schaffen,
mit der eine bedeutende Verbesserung des Wärmetransportes
von der Brennkammer zu einem diese umschließenden zu temperierenden
Fluid erreicht werden kann.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe, durch eine Erwärmungseinrichtung
gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch
1 und den Ausgestaltungen wie sie in den unter Ansprüchen
ausgeführt sind.
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Erfindungsgemäß wird
eine Erwärmungseinrichtung, ausgebildet als eine Brennkammer
zur Verfügung gestellt, wobei die Erwärmungseinrichtung als
Brennkammer eines Heizkessels ausgeführt einen daran angeschlossenen
Brenner aufweist, mit dem eine in die Brennkammer ragende Flamme
erzeugbar ist. Der Heizkessel ist von einer Außenkammer
zu mindestens teilweise oder auch vollständig umschlossen.
Zwischen der Wand der Brennkammer und der Außenkammer ist
das zu erwärmende Fluid eingeordnet. Wenigstens eine der
Brennkammerwände weist an ihrer äußeren
oder inneren Oberfläche oder auch an beiden Oberflächen
eine Mikrostruktur auf. Die Mikrostruktur kann so angeordnet sein,
dass sie die Brennkammerwände teilweisen oder auch vollständig
bedeckt. Das zwischen beiden Kammerwänden befindliche Fluid
wird durch den in die Brennkammer ragenden Brenner erwärmt.
Die Mikrostruktur bewirkt eine Vergrößerung der
Oberfläche der Kammerwände und führt
zu einer Erhöhung der Wärmeübertragung.
Die auch als Innenkammer bezeichnete Brennkammer kann als Heizkessel
auch in Hohlzylinderform ausgebildet werden. In dieser Ausgestaltungsform
ist die Mikrostruktur bevorzugt auf der Mantelfläche des
Hohlzylinders angeordnet. Bei einer konstruktiven Ausbildung die
einem die ein vollständiges Umströmen der Brennkammer
ermöglicht, kann die Mikrostruktur auf der dem Brenner
gegenüber liegenden Stirnseite des Hohlzylinders angeordnet
sein. Bei einer Ausbildung der Brennkammer in einer kubischen Form
können Teile ihrer einzelnen Fläche oder auch
die Flächen insgesamt vollständig mit Mikrostrukturen
bedeckt sein. Die Mikrostruktur ist im wesentlichen durch eine Vielzahl
von Vorsprüngen ausgebildet, die auf einer oder mehreren
Grundflächen der Brennkammerwand angeordnet sind. Die Vorsprünge
weisen vorzugsweise eine Mindesthöhe von 8 μm
auf. Bei dieser Höhenerstreckung ist bereits eine merkliche
Verbesserung des Wärmeüberganges erreichbar. Jedoch
ist eine wirtschaftliche Fertigung der Vorsprünge in einer
Größe von 10 μm festzustellen und auch
eine Verbesserung des Wärmeüberganges. Vorteilhafter
Weise sind die Mikrostrukturen auf den Kammerflächen angeordnet. Insbesondere
die Anordnung der Mikrostrukturen auf der Innenfläche der
Brennkammer bewirkt eine deutliche Erhöhung der Wärmeübertragung
durch die Brennkammerwand auf das Fluid. Damit ist gleichzeitig
eine Regelbarkeit der Wärmeübertragung aus der Brennkammer
zu sichern. Vorteilhafte Ergebnisse beim Wärmetransport
aus der Brennkammer lassen sich bei einer Ausbildung der Mikrostruktur
mit wenigstens 100 Vorsprüngen/cm2 erreichen.
Die Vorsprünge der Mikrostruktur sind weitestgehend in
Stiftform ausgebildet und erstrecken sich in der Regel senkrecht
aus der Grundfläche. Es ist auch möglich, dass
die Stifte in einem Neigungswinkel von 30 Grad bis 60 Grad zur Grundfläche
angeordnet sind.
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Durch
die Mikrostruktur wird eine weitgehende Vergrößerung
des thermischen Wirkungsgrades bei der Ausnutzung der Wärmeenergie
des Brenners zur Übertragung auf das umgebende Fluid erreicht. Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung kann die Mikrostruktur
auf der Innenfläche der Brennkammer angeordnet werden,
wobei die Vorsprünge in dem Flammraum der Brennkammer hinein
ragen. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist gegeben,
wenn die Mikrostruktur auf der äußeren Brennkammerwand
angeordnet in die Außenkammer hineinragt und die Außenkammerwand
selbst an der, der Kammer zugerichteten Oberfläche mit
Mikrostrukturen bedeckt ist. Dabei können die Mikrostrukturen
partiell oder auch vollständig auf den jeweils bestimmten
Flächen erstreckt werden. Selbstverständlich ist
es notwendig, dass bei einer Anordnung der Mikrostrukturen die in
dem Brennerraum der Brennkammer hineinragen, einen rußfrei
arbeitenden Brenner zu verwenden ist. Bei einer ausschließlichen Aufbringung
der Mikrostruktur auf die Außenseite der Brennkammer wird
auf die Wirkung auf die im Kontakt mit dem zu erwärmenden
Fluid stehenden Oberfläche der Brennkammer wesentlich erhöht,
so dass der Wärmeeintrag in das zu erwärmende
Fluid verbessert wird. Daraus ergibt sich, dass die Anordnung von
Mikrostrukturen an den Innen- und Außenseiten der Brennkammer
zu einer bedeutenden Steigerung der Effektivität der Wärmeübertragung
führt. Entsprechend einer besonderen Ausgestaltung ist
vorgesehen, die Mikrostrukturen bevorzugt im oberen Bereich der
Innenwände anzuordnen. Hierbei ist der obere Bereich derart
definiert, dass nur eine Hälfte der über der Brennerflamme
liegende Hälfte der Innenwand betroffen ist. Bei dieser
Ausgestaltung ist es vorteilhaft, das der Brenner nicht vollständig
rußfrei arbeiten muß. Durch die Rußansammlung
auf dem unbehandelten Boden der Brennkammer, wird die Wirkung der
an der oberen Seite befindlichen Mikrostruktur nicht beeinträchtigt.
Eine weitere Steigerung der Wirksamkeit kann erreicht werden, das
wenigstens eine der Wände der Brennkammer zusätzlich
zur Mikrostruktur mit einer Macrostruktur ausgerüstet wird.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird neben der durch die
Mikrostruktur bewirkten Oberflächenvergrößerung
eine weitere Vergrößerung der Oberfläche
der Brennkammer erreicht. Die Profilierung mit einer Macrostruktur
kann durch einen Wellenverlauf selbst und eine Variierung der Dicke der
Brennkammerwand vielgestaltig ausgebildet werden. Dabei kann in
vorteilhafter Weise der Erfindung folgend, die Mikrostruktur auch
auf die Oberfläche der Macrostrukturierung aufgearbeitet
werden. Wie bereits ausgeführt, kann die Mikrostruktur
auch auf der dem Brenner gegenüber liegenden Wand angeordnet
werden. Hierbei ist es möglich die Mikrostruktur auf der
inneren oder auch auf der, der Außenkammer zugerichteten
Fläche der Brennkammerwand zuzuordnen. Es ist dabei notwendig,
die Länge der Brennerflamme so einzustellen, dass die Mikrostruktur
nicht unmittelbar mit der Brennerflamme in Berührung kommt.
Die Mikrostrukturen werden vorteilhaft in bekannter Weise mittels
Galvanotechnik auf die Oberflächen aufgebracht.
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Die
Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert werde.
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Die
zugehörige Zeichnung zeigt, eine Erwärmungseinrichtung 1 bei
der in der Brennkammer 3 ein Brenner angeordnet ist, dessen
Flamme 10 in das Innere der Brennkammer 3 ragt.
Eine Außenkammer 2 umschließt die Brennkammer 3 und
bildet die Erwärmungseinrichtung 1 eines Heizkessels.
Zwischen den beabständeten Wänden der Brennkammer 3 und der
Außenkammer 2 ist ein Fluid eingeordnet, dass durch
die von der Brennerflamme 10 erzeugte Wärme temperiert
wird. Durch die Flamme 10 wird das Gas in der Brennkammer 3 erhitzt,
wobei sich über Konvektion die Kammerwände 5 erwärmen
und die Wärmeenergie an das die Brennkammerwand 5 umgebende
Fluid übertragen. Das erwärmte Fluid kann zum
Beispiel in industriellen Prozessen für Heizzwecke verwendet
werden. Dabei kann das Verhältnis von Brennstoffeinsatz
bzw. eingesetzter Energie, zu eingebrachter Wärmemenge
in das Fluid, in einer bestimmten Zeiteinheit um so günstiger
sein, je wirksamer der Wärmetransport von heißem
Gas in der Brennkammer 3 in die Brennkammerwand 5 und
damit in das zu erwärmende Fluid erfolgt. Der Wärmetransport
kann noch weiter verbessert werden, wenn zwischen dem heißen
Gas und dem umgebenden Fluid die angeordnete Oberfläche
der Brennkammerwand 5 vergrößert wird.
Ausführungsgemäß ist die Brennkammerwand 4 dazu
mit einer ihrer Oberflächen vergrößernden
Mikrostruktur 7 ausgerüstet. Die Mikrostruktur 7 kann
dabei auf einer der inneren oder äußeren Oberflächen
der Brennkammerwand 4 angeordnet sein. Dabei muß die
Mikrostruktur 7 jedoch nicht in jedem Fall vollständig
die Oberflächen der Wände bedecken, sondern kann
ausführungsgemäß nur teilweise die Oberflächen
an ausgewählten Stellen bedecken. Die Mikrostruktur 7 soll
erfindungsgemäß an den Außen- und Innenflächen
der Brennkammer 3 oder auch Außenkammer 2 auch
wahlweise sich gegenüberliegend angeordnet sein. Es ist
erfindungsgerecht ausgeführt, wenn die Mikrostruktur sich
nicht gegenüberliegend auf den Flächen der Brennkammer
oder Außenkammer angeordnet ist. Die Anordnung der Mikrostruktur
auf der äußeren Oberfläche der Brennkammer 3 sowie
auf den inneren Oberflächen der Außenkammer 2 bewirken
eine bedeutende Vergrößerung der Wärmeübertragung auf
das zu erwärmende Fluid. Bei Anordnung der Mikrostruktur 7 auf
der inneren Oberfläche im oberen Bereich der Brennkammer
bewirkt eine Vergrößerung der Oberfläche
und damit eine Steigerung der Wärmeübertragung
auf das Fluid. Besonders bei Verschmutzung der Brennkammer, zum
Beispiel durch Ruß ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung
der Mikrostruktur sich lediglich auf den oberen Bereich der Innenwände 5 beschränkt.
Bei Anordnung der Mikrostruktur 7 im unteren Bereich 12 könnten
sich die Mikrostrukturen durch die Rußpartikel zusetzen
und unwirksam werden.
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- 1
- Erwärmungsvorrichtung
- 2
- Außenkammer
- 3
- Brennkammer
- 4
- Brennkammerwand
- 5
- Innenwand
- 6
- Außenwand
- 7
- Mikrostruktur
- 8
- Äußere
Oberfläche
- 9
- Brenner
- 10
- Flamme
- 11
- Hinterer
Bereich
- 12
- Fluid
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1053360
C2 [0002]
- - DE 19757526 C1 [0002]