DE2058492A1 - Waermeerzeuger mit untergetauchter Verbrennung - Google Patents

Waermeerzeuger mit untergetauchter Verbrennung

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DE2058492A1 DE19702058492 DE2058492A DE2058492A1 DE 2058492 A1 DE2058492 A1 DE 2058492A1 DE 19702058492 DE19702058492 DE 19702058492 DE 2058492 A DE2058492 A DE 2058492A DE 2058492 A1 DE2058492 A1 DE 2058492A1
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Guillet Remi Pierre Leon Alain
Glachant Luc Clement Dominique
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Engie SA
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Description

PL/UM/17.978
20.11.1970 Patentanwälte
Dipl.-ing. Leinweber
Dipl.-Ing. Zimmermann
München 2, Rosental 7
TeL 2619 89
27, Nov, 1970
QAZ DE C
"Wärmeerzeuger mit untergetauchter Verbrennung."
Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen einen Wärmeer^euger mit untergetauchter Verbrennung, welcher die Gewinnung einer' wärmeleitenden flüssigkeit mit hoher Temperatur unter sehr gufeen Leistungsbedingungen sowie von praktisch trockenen und gegebenenfalls "neutralen" Verbrennungsprddukten ermöglicht;* Der erfindungsgemässe Wärmeerzeuger weint eine Bauart auf, bei welcher mindestens ein Brenner für KohlenwaanernbofTe vor -'ULIem für gasförmige Kohlenwas se rat; of fe verwendet wird, welcher nach einer in einem i'lÜBsigk^Ltabad, z.B. einem Wannerb-id stattfindendon Verbrennung arbeitet;»
Die herkörarol ichf-m Wärrrjpnr^en^er, el Le zur .iteigerung der Tomno~ fM.fcnr einer ^.üi-isi^keit nuf nlnfi imelpinete Anwondungstemperatur ver-
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wendet werden, ermöglichen gewöhnlich keine Rückgewinnung von mehr als 70 bis 80 % des oberen Heizwertes der verwendeten Brennstoffe.
Bei einigen sogenannten Vorrichtungen mit untergetauchter Verbrennung, bei welchen die Verbrennung sich inmitten des zu erhitzenden Bades entwickelt,' werden diese Werte durch die Verbesserung der Austauschbedingungen leicht überschritten. Die hauptsächliche Eigenschaft der untergetauchten Verbrennung ergibt sich aus dem Massenaustausch, der in dem Bad stattfindet, wo die Verbrennung sich entwickelt. Die das Bad verlassende! Verbrennungsprodukte sind mit einem Wasser gesättigt, das die Oberflächentemperatur des Bades aufweist» Die von den Verbrennungsprodukten verschleppte Wassermenge hängt daher nur von der auf der Badoberfläche beibehaltenen Temperatur ab.
Demzufolge, je nach der Oberflächentemperatur des Bades, wird in dem Bad von den Verbrennungsprodukten Wasser auf-oder abgenommen, wobei die Temperatur, bei welcher die Bilanz des Massenaustauscbes gleich Null ist, die Tautemperatur der Verbrennungsprodukte ist.
Bei bestimmten Anwendungen, ist es also möglich, die gebundene Kondensierungswärme des Verbrennungswassers teilweise wiederzugewinnen und durch die Verbrennung eine Wärmeenergie zu gewinnen, die dem oberen Heizwert des Brennstoffes gleich ist. Bei den Oberflächentemperaturen des Bades, die zwischen der Tautemperatur und der Bezugstemperatur (O0C) liegen, steigt die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung ungefähr zwischen 90 c/'· auf den oberen Heizwert bezogen, (d.h.* 100 ;c in Bezug auf den unteren Heizwert) und 100 °/o auf den oberen Heizwert bezogen. Wenn die Badtemperaturen höher als die ^autemperatur ist, fällt die Leistungsfähigkeit schnell ab.
Die Tautemperatur der Verbrennungsprodukte erscheint also als eine Bin .schränkung des Nutzens der untergetauchten Verbrennung·, Die Tau temperatur der Verbrennua.""sprodukte des Lacn-'rHses liegt z=,B. bei 60 0O. Tn diesem i?all und bei dem gewählten "Beiemel, ist die "normale" untergetauchte Verbrennung des Lacq-G-ases anwendbar und »uch rlpnn tatsächlich ausgenützt, wenn die HlrhitzungBtemneratur des Bades unter 600O gehalten wird, waa der Höchsttemperatur der wärmet ragenden, wr Kntnähme der Wärmeenergie rhi dem Bad verwendeten Flüssigkeit entspricht,, Die Anwendu'1 T des Prin^.i pee der un terret'tuch ten Verbrennung hpprrh Klinkte sich bin jet'/.t mm!" dl·? l'Jrhi heurig bzw. ^ei^ung bei r i etiri "-^n T pm -0"-.I h.iren wie κ, H, γΙ-ίπ l/iiirt'ier'Rrw'irww νη·ι HfihvnTnmhädern urH Hie Bodenheizung In RHu^'n .
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109829/1046 'bad OBiOINAl.
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■n-rodukte des Lacq-G-ases (6O0G unter normalem Druck) beträgt z.B. 930C unter einem Druck von 4 Bare (Ausdruck des Druckes im Absolutwert). Bei dieser letzten Temperatur liegt die Leistung der untergetauchten Verbrennung bei 88 % (bezogen auf den oberen Heizwert) und bei Temperaturen von 930C bis O0O, schwingt die Leistung jeweils 88 ic bis 100 fo (bezogen auf den oberen Heizwert).
Der erfindungsgemässe Wärmeerzeuger, der gemäss der untergetauchten Verbrennung arbeitet und die genannten Eigenschaften verwertet, ist dadurch varteilig, dans die Wärme, die dem Bad durch die Verbrennungsgase erteilt wird,zsed5S VsrwaÄng durtäi mindestens einen. Austauscher entnommen wird, welcher am besten mindestens teilweise in dem Bad, sogenanntes Hauptbad, untergetaucht wird, und dass, deswegen der Brennstoff, der Zündstoff und die Verbrennungsprodukte unter einen höheren Druck als der Luftdruck, z.B. in der Grössenordnung von 4 Bars gestellt werden,,
Die Warmwasserheizung ist nunmehr möglich und zwar mit wesentlich besseren Leistungen als jene die mit einem herkömmlichen Wärmeerzeuger ersielt werden, dessen Leistung bei annähernd 75 i° bezogen auf den ober-en Heizwert liegt.
Dafür genügt es, die Verbrennungsprodukte nach deren Durchfluss durch das Bad weiter unter Druck zu halten und die Verbrennung unter ausreichendem Druck vorzusehen. Man muss jedoch darauf hinweisen, dass die zum Ueberdruck des Zündstoffes und des Brennstoffes notwendige Energie z.B. bei einer Verdichtung von 4 Bars, ungefähr 5 # bezogen auf den oberen Heizwert des Brennstoffes beträgt.
Die zur Sättigung der Verbrennungsprodukte nötige Wassermenge, d.hi, die Menge des nicht kondensierten Wassers, die von den aus dem Erzeuger freigelassenen Rauchgasen verschleppt wird, ausschliesslich durch die Oberflächentemperatur des Bades bestimmt wird»
Gemäss einem weiteren vorteilhaften Merkmal der vorliegenden Erfindung, werden die aus dem Hauptbad ausgelassenen Rauchgase,zu einem Wärme-Kühler-Rekuperator geführt, welcher einem dem Hauptbaddruek annäherden Druck unterstellt wird und dessen Badtemperatur vorzugsweise niedriger als die ^autemperatur der Rauchgase ist, wobei die in diesem Kühler abgelassenen Kalorien zur Aufwärmung der kalten wärmeleitenden Flüssigkeit vor deren Eintritt in den Austauscher verwendet werden, welcher in dem Hauptbad angeordnet ist.
Die aus der erfindungsgemässen Anlage freigelassenen Verbrennungsprodukte sind in dem Kühler unter Druck-und Gleichgewichtstemperaturbedingungen an Wasser gesättigt. Daraus ergibt sich, dass die Leistungsfähigkeit der Anlage "ausschliesslich durch den Druck
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pder Verbrennungsprodukte und die Gleichgewichtstemperatur in dem Kühler bedingt wird. Z.B., in dem Fall der Verbrennung des Lacq-Gases, liegt die Leistung der erfindungsgemassen Vorrichtung in der Grössenordnung von 97 $ bezogen auf den oberen Heizwert, wenn der Druck in dem Köhler 4 Bars annähert und wenn die Gleichgewichtstemperatur 400O beträgt (d.h. wenn diese Temperatur den Temperaturen der kalt en wärmeleitenden Flüssigkeit bei ihrem Eintritt in die Anlage annähernd ist).
Die Leistungsfähigkeit der Gesamtvorrichtung hängt also nicht mehr von der Badtemperatur in dem Haupterzeuger ab und die wärmeleitende Flüssigkeit kann gegebenenfalls die Vorrichtung mit einer höheren Temperatur als die Tautemperatur der Verbrennungsprodukte in dem Haupterzeuger verlassen, ohne dass die Leistung der Gesamtanlage darunter leidet. Unter diesen Bedingungen wird das Wasser des Bades des Haupterzeugers dazu neigen, in dem Hauptbad zu verdampfen, und wird dann in dem Kühler aufgefangene Gemäss einem weiteren vorteilhaften Merkmal der vorliegenden Erfindung, bewirkt, eine Umlaufpumpe den Rückfluss diese Wassers zu dem Bad des Haupterzeugers.
Dank der erfindungsgemassen Vorrichtung, ist es nun möglich, eine heisse wärmeleitende Flüssigkeit mit einer hervorragenden Leistungsfähigkeit zu erzeugen. Neben diesem Vorteil,ergibt sich eine weitere Vorteil bringende Eigenschaft daraus,dass die aus der Anlage freigelassenen Rauchgase praktisch "trocken" sind0 In dem vorgenannten Beispiel, wenn der Druck und die Temperatur in dem Kühler jeweils 4 Bars und 400O betragen, enthalten die Verbrennungsprodukte des Lacq-Gases nur 7 % des durch die Verbrennung erzeugten Wassers, d.h. ungefähr 11 Gramm Wasser pro Kubikmeter Rauchgas·gegenüber 160 Gramm pro Kubikmeter des durch einen herkömmlichen Heizkessel freigelassenen Rauchgaseso Die Verbrennungsprodukte weisen daher einen Feuchtigkeitsgehalt auf, der sich dem Feuchtigkeitsgehalt der umgebenden Luft annähert. Dadurch werden die Wasserkondensierungserscheinungen in den Schornsteinen und die Bildung von Wasserdampfnebeln in der Nähe der Schornsteine vermieden.
Wenn ausserdem gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung, die giftigen Verbrennungsprodukte wie z.B„ S0„, 00~ kontinuierlich aus dem Hauptbad und/oder aus dem Kühler entnommen werden, sind die aus der Anlage freigelassenen Rauchgase neutral, d.h. dass sie im wesentlichen aus Stickstoff bestehen.
Unter diesen Bedingungen, erscheint der ganze Erzeuger als ein Pamnfkessel mit trockenen gegebenenfalls "neutralen" Rauchgasen und sehr hohen T.ei.Fttungsf ähi'-kei t, der Tür die Heizung bei mittlerer Tem-
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BAD ORJOINAi
Deratur empfohlen werden kann und bedeutende Abweichungen zwischen der Eintrittstemperatur und der Ausgangstemperatur der wärmeleitenden flüssigkeit verträgt„
Die nachstehende Beschreibung gibt ein nicht beschränkendes Beispiel der Wärmeerzeuger mit untergetauchter Verbrennung sowie der zur Herstellung der Wärmeerzeuger bestimmten Vorrichtung die. Gegenstand der Erfindung sind, und durch die beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht werden. In den Zeichnungen zeigen :
- Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anlage ;
- Figur 2 die Leistungskurven der untergetauchten Verbrennung des Lacq-Grases bei verschiedenen Absolut drucken und im Verhältnis zu der Oberflächentemperatur des Bades der letzten Stufe ;
- Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsab- Jj weichung der erfindungsgemässen Vorrichtung»
Gemäss der auf der Figur 1 gezeigten Ausführungsart der erfindungsgemässen Vorrichtung, wird die zu einem Brenner 1 g^öhrte brennbare Mischung in einem Warmwasserbad 2 untergetaucht, welcher unter Druck in einem Behälter 3 steht. Die Verbrennungsprodukte werden unter Einwirkung des in dem Behälter 3 gegebenen Druckes durch eine Rohrleitung 4 freigelassen, welche sie zu einem unterim wesentlichen gleichem Druck stehenden Kühler-Rekuperator 5 führt- (dieser Druck ist dem Behälterdruck gleich, wenn man Ladeverluste in der Rohrleitung 4 nicht in Betracht zieht). Ein Ventil 6 bewirkt den Auslass unter gewünschtem Druck der nicht kondensierten aus dem Kühler 5 freigelassenen Produkte.
Die kalte wärmeleitende Flüssigkeit dringt durch die Rohrleitung ' ™ 7 in einen ersten Austauscher 8 §in und wird in diesem Austauscher aufgewärmt, welcher mindestens teilweise untergetaucht werden kann und in dem Kühler angeordnet ist. Der Austauscher wird vorzugsweise, wie es auf der Zeichnung gezeigt wird, angeordnet, sodass die kältesten Anfangaspiralen sich in dem oberen Teil des Behälters 5 befinden, damit die Oberflächentemperatur Tt, des Kondensierwasserbades möglichst gesenkt wirdo D©r Vorteil dieser Anordnung besteht nämlich darin, dass die Obe-pflächentemperatur des Bades zum grossen Teil die Gesamtleistung der Anlage bestimmt, wie es schon erklärt wurde.
Bei dem Ausgang des Austauschers 8, erreicht die wärmeleitende Flüssigkeit durch eine Rohrleitung 9 einen in dem unter Druck stehenden Warmwasserhauptbades 2 untergetauchten Austauscher 1O0 Die in 11 fliessende Flüssigkeit ist warm. Als wärmeleitende Flüssigkeit kann
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z.B. Wasser verwendet werden, wobei dieses Wasser in 7 kalt einfliesst und in 11 warm als Wasser oder Dampf ausläuft0
Die giftigen Verbrennungsprodukte wie z.Bo 80?, GO die in dem Hauptbad 2 aufgelöst sind, können mittels eines Auffanggerätes 12 kontinuierlich zurückgewonnen werden, welcheswie in 13 durch die gestrichelte Linie gezeigt, in geschlossenem Kreis arbeitet. Die Entnahme der giftigen aufgelösten Produkte kann ebenfalls ganz oder teilweise in dem Bad 18 erfolgen»
Eine Umlaufpumpe 14 ermöglicht es , in dem Hauptbad 2 dusreheine Rohrleitung 15 einen Teil des in dem Kühler 5 gebildeten Kondensierungswassers zurückzubringen„
Die in 16 und 17 schematisch dargestellten Vorrichtungen ermöglichen es, das Hauptbad 2 und das Nebenbad 18 mit einem konstanten Flüssigkeitspegel zu halten.
Dieses Schema ist eine Grundschaltung, aber die gesamte Anlage wird jedoch vorzugsweise aus Pl atzbedarf-und Wärroeisolierungsgrü'nden zusammengedrängt.
Die Brenner und Austauscher können ausserdem in einer einfachen G-rube untergetaucht werden.
Aus den beiliegenden, auf der Figur 2 gezälgten Kurven, wird vor allem ersichtlich, dass die Leistungsfähigkeit in der G-rössenordnung von 98 σ/ο bezogen auf den oberen Heizwert liegt, wenn die Oberflächentemperatur des Bades T_ in dem Kühler 400G beträgt und wenn der auf dieser Stufe gehaltene Druck in der G-rössenordnung von 4 Bars liegt (Absolutdruck).
In der auf der ?igur 3 gezeigten AusfUhrungsvariante der vorliegenden Erfindung, wird eine Anlage dargestellt,die etwas komplizierter als die vorher beschriebene Anlage ist und bei welcher das Prinzip einer mindestens Teil-Vorverbrennung in einer nicht untergetauchten Verbrennungskammer angewandt wird, welches Prinzip von dem Anmelder in der am gleichen T-ag vorgelegten Patentanmeldung beschrieben und mit dem Titel {"Wärmeerzeuger mit untergetauchter Verbrennung insbesondere zur Gewinnung von heissem Wasser" bezeichnet wird,
Gemäss dieser Ausführungsabweichung der vorliegenden Erfindung, werden der Zündstoff und der Brennstoff durch die Leitungen 10·, 11', zu einer in einem Warmwasserbad 13'untergetauchten Verbrennungskammer 12" geführt, wobei dieses Bad in einem unter Druck stehenden Behälter 14' enthalten ist. Die Verbrennungskammer 12* ist wie ein zylinderförmiges senkrechtes HeizkessaLgehäuße gebildet, das an seinem
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oberen Teil durch eine Wandung 15* geschlossen wird. Das Innere der Kammer 12* besteht aus einem Austauscher 16·,durch welchen eine wärmeleitende Flüssigkeit fliesst. Dieser Austauscher 16' kann ebenfalls aus ringförmigen, die Flamme umgebenden Wasserkammern oder aus den erzeugenden der Kammer gleichlaufenden,z.B. schlangenförmig angeordneten Rohren bestehen. Die obere Wandung 15* und die Seitenwandung 17' des Heizkesselgehäuses isolieren die Kammer 12' von der. ausstrahlenden Wärme des Bades 13f.° Die unter Druck in 21 · freigelassenen Verbrennungsprodukte werden danach in einem Kühler-Rekuperator 24* gewaschen, der im wesentlichen unter demselben Druck wie das Bad 13' steht (wenn man die Ladeverluste an die Leitung 21* nicht in Betracht zieht)ο
Wie schon erwähnt, bestimmt die Oberflächentemperatur T^ des Kondensierungswasserbades 27' in dem Kühler 24' zum grossen Teil die Gesamtleistung der Anlage.
Die wärmeleitende Flüssigkeit tritt in kaltem Zustand in 25' ein, fliesst durch den in dem Bad 27' untergetauchten Austauscher, dringt in 1.8· in das Hauptbad 13 ein, fliesst durch einen in diesem Bad untergetauchten Austauscher 19', und fliesst dann durch den Austauscher 16', der in dem Heizkesselgehäuse 121 eingebaut ist» Die wärmeleitende Flüssigkeit ist warm, wenn sie in 20· ausläuft.
Wie es auf der Figur 1 gezeigt wird, führt eine Umlaufpumpe 28' durch die Rohrleitung 29' Wasser aus dem Kühler 27' in das Hauptbad 13* zurück. Wie auf der Figur 1 ebenfalls dargestellt ist, werden die giftigen Produkte in einem Element 22* behandelt, welches in dem geschlossenen Kreis 231 angeordnet wird.
In 30' ist ein eingestelltes "Ventil dargestellt, das den Auslass der trockenen und neutralen Rauchgase aus der Anlage unter Einwirkung des in dem Kühler 24* gegebenen Druckes bewirkt.
Die beschriebenen AusfUhrungsarten der vorliegenden Erfindurig können in. breitem Umfang geändert werden. Insbesondere, wenn"man heisses Wasser oder heisaen Dampf bei sehr hoher Leistung erzeugen wi'll, ist es auch ztfeckmässig, mehrere reihenmässig angeordnete - Stufen zur Kondensierung-Rekuperation vorzusehen, deren Badtemperaturen abgestuft werden. Auf diese Weise kann man bis zur niedrigsten Oberflächentemperatur des letzten Bades alle in den verschiedenen Stufen zur Kondensierung-Rekuperation der verschiedenen Bäder alsgaLassene Kalorien wieder auffangen.
Ebenso auf dem Auslasskreis der Rauchgase kann gegebenenfalls eine Entspannungsturbine eingebaut werden, deren Energie z.B. zur
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Verdichtung der Zünd-und/oder Brenngase auf dem in dem Hauptbad gegebenen Druck angewandt wird»
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Claims (10)

  1. PAT ENT AN SPRUBOHB
    11. iWärmeerzeuger, der mindestens einen Brenner vor allem einen Gasbrenner umfasst, der nach einer in einem Flüssigkeitsbad, z.B. einem Wasserbad stattfindenden Verbrennung arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Verbrennungsgase diesem Bad (.2) erteilte Wärme zwecks Auswertung durch mindestens einen Austauscher (10) entnommen wird, welcher mindestens teilweise in diesem Bad dem sogenannten "Hauptbad11 untergetaucht wird, und das der Brennstoff, der Zündstoff und die Verbrennungsprodukte unter einem stärkeren Druck z.B. in der G-rössenordnune· von 4 Bars als der Luftdruck stehen.
  2. 2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Λ die aus dem Hauptbad (2) freigelassenen Rauchgase zu einem Wärme-Kühler-Rekuperator (5) geführt werden, welcher einen dem Hauptbaddruck angehörenden Druck aufweist und dessen Badetemperatur vorzugsweise niedriger als die Tautemperatur der Rauchgase ist, wobei die in dem Kühler abgelassenen Kalorien zur Erwärmung der kalten wärmeleitenden Flüssigkeit bei ihrem Einfliessen in den Austauscher verwendet werden, welcher in dem Hauptbad angeordnet isto
  3. 3. Wärmeerzeuger nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlaufpumpe (14) Wasser aus dem Kühler (5) in das Hauptbad (2) zurückbringt«
  4. 4. Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere reihenmässig angeordnete Stufen zur Kondensierung-Rekuperation vorgesehen sind, deren Badetemperaturen % abgestuft werden»
  5. 5. Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die giftigen Verbrennungsprodukte wie z.B. SOp, COp mindestens aus einem der Bäder kontinuierlich entnommen werden.
  6. βο Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Entspannungsturbine auf der Rauchgasauslassleitung eingebaut wird»
  7. 7o. Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die in diesen Bädern(2)gelagerten Austauscher (10) so angeordnet werden, daas deren kälteste Austauschoberflächen in dem oberen Teil der Bäder liegen.
  8. 8. Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbrennungskammer (12·)» welche mindestens teilweise von der ausstrahlenden Wärme'des Bades (13') isoliert ist,
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    vorgesehen wird, in welcher die Brennstoffmischung, bevor die untergetauchte Verbrennung stattfindet, mindestens teilweise brennt, wobei ein Gas/wärmeleitender FlUssigkeit-Wämeaustauscher(i 6*) in dieser Verbrennungskammer auf dem Durchflussweg der wärmeleitenden Flüssigkeit an deren Ausgang (20·) aus der Anlage angeordnet wird.
  9. 9. Wärmeerzeuger nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass dieser G-as-FlUssigkeit-Wärmeaustauscher (1 6*) aus einem an sich bekannten Heizkesselgehäuse besteht.
  10. 10. Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 oder dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskammer (I2f) zylinderfb'rmig, vorzugsweise senkrecht angeordnet und mindestens teilweise in dem Bad(i3') untergetaucht ist, und dass deren untere Wandung aus einem Austauscher (I6f) besteht, welcher der Einwirkung der Verbrennungsprodukte unterstellt wird und durch welchen dje wärmeleitende Flüssigkeit vor ihrem Ausgang (20') aus der Anlage fliesst.
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