DE2215101B2

DE2215101B2 - PROCEDURE FOR HEATING AND EVAPORATION OF FLUIDS BY RADIATION

Info

Publication number: DE2215101B2
Application number: DE19722215101
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Ing.; Rybar Vaclav Dipl.-Ing.; Prag Mach
Original assignee: Hutni Druhovyroba, Generalni Reditelstvi, Prag
Priority date: 1971-04-02
Filing date: 1972-03-28
Publication date: 1977-05-05
Also published as: JPS5036892B1; FR2136125A5; DE2215101A1; US3777717A; NO134596C; GB1382084A; NO134596B; AT326802B; DD98747A5; ATA268072A; CH557991A; CA944233A

Description

Die Erfindung bezieht sieb auf ein Verfahren zum Erwärmen bzw. Verdampfen von Fluiden mit den Gattungsmerkmalen des Patentanspruchs.The invention relates to a method for heating or vaporizing fluids with the sieve Generic features of the claim.

Bei einem seit langem bekannten Verfahren dieser Art (DT-PS 2 58 065 und 2 66 !33) wird ein Brenngas-Luft-Gemisch in annähernd stöchiometrischer Zusammensetzung mit einer seine Zündgeschwindigkeit überschreitenden Strömungsgeschwindigkeit durch eine glühende lose Schüttung aus feuerfesten Körpern hindurchgeführt und dabei flammenlos verbrannt. Die an den Oberflächen der feuerfesten Körper freigesetzte Wärme erhält diese in glühendem Zustand, wobei der größte Teil der bei der flammenlosen Verbrennung entwickelten Wärme als Strahlung vorliegt. Fin beträchtlicher Anteil der Wärme wird von den hocherhitzten Verbirenr.ungsgasen aufgenommen und kann aus diesen in üblicher Weise nutzbar gemacht werden. Diese unzweifelhaft vorteilhafte Art der Wärmefreisetzung führte jedoch zu keinen nennenswerten Erfolgen in der Praxis, weil z. B. ein großer Teil der Strahlung in einem inneren Kern der Füllung von den äußeren Füllungskörpern aufgrund der in peripherer Richtung stark abfallenden Temperaturen absorbiert wurde. Dies hatte zur Folge, daß im inneren Kern der Füllung zu hohe Temperaturen entstanden, die in der Regel über der Temperaturfestigkeit der Füllungskörper lagen und zum Zusammenbacken der Körper führten, wobei sich gleichzeitig die Wärmeleistung einer entsprechenden Vorrichtung verringerte. Diese Wärmeleistung bekannter Kessel wurde darüber hinaus noch durch den nach wie vor relativ großen Anteil an von den Verbren nungsgasen abgeführter Wärme vermindert.In a process of this type that has been known for a long time (DT-PS 2 58 065 and 2 66! 33), a fuel gas-air mixture is used in an approximately stoichiometric composition with an ignition rate Exceeding flow velocity through a glowing loose bed of refractory bodies passed through and burned flameless. The one released on the surfaces of the refractory bodies The heat is kept in a glowing state, with the largest part coming from the flameless combustion developed heat is present as radiation. Fin considerable proportion of the heat is from the Highly heated combustion gases taken up and can be made usable from these in the usual way will. However, this undoubtedly advantageous type of heat release did not lead to any appreciable Success in practice, because z. B. a large part of the radiation in an inner core of the filling of absorbed by the outer filling bodies due to the sharp drop in temperatures in the peripheral direction became. As a result, temperatures in the inner core of the filling were too high, which in usually above the temperature resistance of the filling body and for caking of the body led, while at the same time the thermal output of a corresponding device decreased. This heat output well-known boiler was also still due to the still relatively large proportion of heat dissipated from the combustion gases is reduced.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erwärmen b/w. Verdampfen von Fluiden durch Strahlung anzugeben, bei dem der Energieinhalt des. zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches annähernd vollkommen als Strahlungswärme freigesetzt und auch als solche zum Erwärmen und Verdampfen der Fluide nutzbar gemacht wird.The object of the invention is to provide a method for heating b / w. Evaporation of fluids through Specify radiation at which the energy content of the fuel-air mixture supplied approximates completely released as radiant heat and also as such for heating and vaporizing the fluids is made usable.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gelöst.This object is achieved by the characterizing features of the claim.

Bei Einhaltung dieser erfindungsgemäßen Verfahrensbedingungen ergibt sich ein überraschender Effekt. Es bildet sich im vorderen Bereich des Reaktionsraumes eine schmale, eng begrenzte Zone in der Füllung, in welcher sich nahezu der gesamte Verbrennungsvorgang vollständig vollzieht. In dieser Zone liegen die Temperaturen bei über 1600⁰C, d. h. in einem Bereich, in dem der Strahlungsstoff die Wärmeenergie vorwiegend mit Wellenlängen von 0,5 bis 6 μΐη abstrahlt. Diese Temperaturen von über 1600°Γ sind über die gesamten Querschnittsflächen des Reaktionsraumes nahezuIf these process conditions according to the invention are adhered to, a surprising effect results. In the front area of the reaction space, a narrow, narrowly delimited zone is formed in the filling, in which almost the entire combustion process takes place completely. In this zone, the temperatures are above 1600 ^° C., ie in a range in which the radiation substance radiates the thermal energy predominantly with wavelengths of 0.5 to 6 μm. These temperatures of over 1600 ° Γ are almost over the entire cross-sectional areas of the reaction space

gleich, so daß in und unmittelbar stiomab dieser eng begrenzten Zone die isothermen Flächen annähernd eben verlaufen. Die besondere praktische Bedeutung dieses Effektes liegt darin, daß die während des flammenlosen Verbrennungsvorganges entwickelte Strahlungswärme von Füllungskörper zu Füllungskörper übertragen und in Form von hochenergetischer Strahlung an die Wärmetauscherwände abgegeben wird, ohne daß sich im mittleren Teil der Füllung ein gegen die Wände quasi isolierter Hochtemperaturkernequal, so that in and immediately stiomab this closely limited zone, the isothermal surfaces are almost flat. The special practical meaning this effect is due to the fact that the developed during the flameless combustion process Radiant heat is transferred from filling body to filling body and in the form of high-energy Radiation is emitted to the heat exchanger walls without being in the middle part of the filling high-temperature core, quasi-insulated against the walls

ergibt. Die Konzentration des vollständigen Verbrennungsvorganges in dieser sich im vorderen Bereich des Reaktionsraumes ausbildenden schmalen Zone hat den weiteren praktischen Vorteil, daß nur äußerst geringe Wärmemengen mit den Verbrennungsgasen abgeführt werden, die bereits nach einem kurzen Abströmungsweg auf ein Temperaturniveuu von ca. 200⁰C abgekühltresults. The concentration of the complete combustion process in this narrow zone that forms in the front area of the reaction chamber has the further practical advantage that only extremely small amounts of heat are dissipated with the combustion gases, which are cooled ^{to a temperature level of approx. 200 ° C. after a short outflow path}

sind. Die nach diesem Verfahren arbeitenden Kessel können daher außerordentlich kurz gebaut sein.are. The boilers working according to this process can therefore be extremely short.

Als Füllung eignen sich besonders Materialien mit der Fähigkeit einer selektiven Strahlung in dem erfindungsgemäßen Welleniängenbereich von 0,5 bis 6 μηι. Neben Zirkoniumsilikat sind noch einige Metalle, z. B. Wolfram oder Tantal sowie Metalloxyde, z. B. Thoriumdioxyd, Zirkoniumdioxyd, Chromit oder Metallkarbide, z. B.Materials with the ability of selective radiation in the one according to the invention are particularly suitable as filling Wavelength range from 0.5 to 6 μm. In addition to zirconium silicate, some metals, e.g. B. tungsten or tantalum and metal oxides, e.g. B. thorium dioxide, zirconium dioxide, chromite or metal carbides, e.g. B.

Borkarbid, Siliziumkarbid, geeignet, die bei den gegebenen Temperaturen von über 1600° C beständig sind.Boron carbide, silicon carbide, suitable, which is resistant at the given temperatures of over 1600 ° C are.

Der mit der Füllung gefüllte Querschnitt eines Reaktionsraumes wird zusammen mit der Korngröße der Füllung und deren Eigenschaften so gewählt, daß sich die angestrebte pyrometrische Temperatur an der Oberfläche der Füllungskörner stabilisiert und die isotherme Fläche an beliebigen Stellen des Reaktionsraumes, insbesondere in der schmalen Hochtemperatur- zone, mit einer Querschnittsebene des Reaktionsraumes annähernd zusammenfällt. Bei Einhaltung dieser beiden Bedingungen kann die Querschnittsfläche des Reaktionsraumes nur eine einzige Größe aufweisen, die zugleich zur kleinstmöglichen Querschnittsfiäche unter optimalen Bedingungen wird. Der maximale Umfang dieser Querschnittsfläche stallt zugleich den bestrahlter Umfang des Reaktionsrauines dar. Zur weiteren Steigerung der Wärmeübertragung können mehrere solcher Reaktionsräume unter Zwischenschaltung ent-The cross-section of a reaction space filled with the filling is together with the grain size the filling and its properties are chosen so that the desired pyrometric temperature is at the Stabilized the surface of the filling grains and the isothermal surface at any point in the reaction space, especially in the narrow high-temperature zone, approximately coincides with a cross-sectional plane of the reaction space. With compliance with these two Conditions, the cross-sectional area of the reaction space can only have a single size, the at the same time becomes the smallest possible cross-sectional area under optimal conditions. The maximum scope this cross-sectional area also houses the irradiated one Scope of the reaction roughness. To further increase the heat transfer, several such reaction spaces with the interposition of

⁶S sprechender Wärmetauscherflächen parallel nebeneinander zu einer Batterie zusammengefaßt werden, ohne daß sich dadurch ihre Länge und damit die Druckverluste der Gase vergrößern. ⁶ S speaking heat exchanger surfaces are combined parallel to each other to form a battery without increasing their length and thus the pressure losses of the gases.

im folgenden werden Kesselausführu/igen zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigtin the following boiler executions are given Execution of the method according to the invention described in detail with reference to the drawing. It shows

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch die eine Kesselausführung, F i g. 1 a vertical section through one boiler design,

Fig. 2 einen Querschnitt dieses Kessels in einer oberhalb des Wassereintritts verlaufenden Ebene,2 shows a cross section of this boiler in a plane running above the water inlet,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch den Kessel in einer zur Schmalseite des Kessels parallelen Ebene,F i g. 3 a vertical section through the boiler in a plane parallel to the narrow side of the boiler,

Fig.4 einen Vertikalschnitt durch die Heizbatterie einer anderen Kesselausführung,4 shows a vertical section through the heating battery another boiler design,

F i g. 5 einen Horizoritalschnitt durch die Heizbatterie nach Fig.4.F i g. 5 a horizontal section through the heating battery according to Fig. 4.

Der Kessel nach den Fig. 1, 2 und 3 enthält einen Innenmante! 1 von rechteckigem Querschnitt, der jedoch auch abgerundet oder elliptisch sein kann. Die aktive Oberfläche des Innenmantels 1 ist durch Rippen 2 vergrößert. Der Innenmantel 1 ist mit einem Außenmantel 6 durch Rauchkanäle 5 verbunden und weist an seinem Boden einen Zufuhrkanal 3 für das fertige Brennstoffgemisch auf. Diese Zufuhrle'.ung 3 mündet über ein System von Schlitzen oder Düsen 4 in den eine Reaktionskammer bildenden !nnenraum des Kessels und führt zu einem nicht dargestellten Brennstoff- und Luft-Mischer. Die Schlitze oder Düsen 4 können verschiedene Formen aufweisen, wobei es wichtig ist, d?ß sie das Gemisch gleichmäßig über den gesamten Einströmquerschnitt des Reaktionsraumes 13 verteilen und das Strömen des Gemisches entlang der Wärmeaustauschflächen (d. h. der Wände des Reaktionsraumes 13) womöglich verhindern.The boiler of FIGS. 1, 2 and 3 contains one Inner jacket! 1 of rectangular cross-section, which can, however, also be rounded or elliptical. the The active surface of the inner jacket 1 is enlarged by ribs 2. The inner jacket 1 is provided with an outer jacket 6 connected by smoke channels 5 and has a supply channel 3 for the finished at its bottom Fuel mixture on. This supply line 3 opens into one via a system of slots or nozzles 4 The interior of the boiler which forms the reaction chamber and leads to a fuel and fuel system (not shown) Air mixer. The slots or nozzles 4 can have various shapes, it being important to that they distribute the mixture evenly over the entire inflow cross section of the reaction space 13 and the flow of the mixture along the heat exchange surfaces (i.e. the walls of the reaction space 13) possibly prevent.

Der Raum zwischen dem Innenmantel t und dem Außenmantel 6 des Kessels wird von dem zu erwärmenden Wasser 8 durchströmt, welches dem Kessel über ein Zuflußrohr 7 zugeführt und aus dem Kessel durch ein Abflußrohr 9 abgeführt wird. Der Reaktionsraum 13 ist mit einer körnigen Füllung 10 aus einem gasdurchlässigen aktiven Material, z. B. Zirkoniumsilikat, gefüllt. Der Kessel ist an seiner Außenseite durch einen Rauchmantel 11 abgeschlossen und an seiner Rückseite mit einem Kamin 12 zur Abfuhr von Rauchgasen versehen.The space between the inner shell t and the outer shell 6 of the boiler is from the to heating water 8 flows through, which is fed to the boiler via a feed pipe 7 and from the The boiler is discharged through a drain pipe 9. The reaction space 13 is made of a granular filling 10 a gas permeable active material, e.g. B. zirconium silicate filled. The kettle is on its outside Completed by a smoke jacket 11 and at its rear with a chimney 12 for the discharge of Flue gases provided.

Aus dem nicht dargestellten Mischer strömt durch die Zufuhrleitung 3 ein homogenes Brenngas-Luft-Gemisch durch die Düsen 4 in den Reaktionsraum 13 des Kessels, der mit der körnigen Füllung 10 gefüllt ist. Die Größe und Form der Körner dieser Füllung 10 werden, ähnlich wie der Verbrennungsvorgang, erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Kesselvolumen und von der geforderten Höhe der Verbrennungszone gewählt. Dadurch stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen der Strömung des Brennstoffgemisches und der Geschwindigkeit des Verbrennungsvorganges in verschiedenen Wärmezonen zwischen den in F i g. 3 gekennzeichneten Ebenen A-A, B-B, C-C und D-Dein.From the mixer (not shown), a homogeneous fuel gas-air mixture flows through the feed line 3 through the nozzles 4 into the reaction space 13 of the boiler, which is filled with the granular filling 10. The size and shape of the grains of this filling 10 are, similar to the combustion process, selected according to the invention as a function of the boiler volume and the required height of the combustion zone. This creates a dynamic equilibrium between the flow of the fuel mixture and the speed of the combustion process in various heat zones between the two in FIG. 3 marked levels AA, BB, CC and D-your.

Die Gesamthöhe der Füllung 10 entspricht dem Abstand zwischen den Ebenen A-A und D-D. Der Teil der Füllung 10 zwischen den Lhenen A-A und B-Bbleibt kühl. In dem Teil der Füllung zwischen den Ebenen B-B bis C-C kommt es zur vollständigen Verbrennung des Gemisches, wobei die Temperatur der Füllung 10 um mehrere hundert Grad Celsius höher al·; die Temperatur der Gase zwischen den Körnern dci Füllung 10 ist. Die Metallflächen des Innenmantels ! und der Rippen 2 behindern in keiner Weise den Brennvorgang in dieser Schicht. An der Verbrennung hetpilist sich etwa die Hälfte des Volumens der Füllung 10, was jedoch ausreicht, denn in 1 dm³ der Füllung 10 werden 30 000 bis 100 000 kcal/h freigesetzt.The total height of the filling 10 corresponds to the distance between the levels AA and DD. The part of the filling 10 between the lines AA and BB remains cool. In the part of the filling between the levels BB to CC there is complete combustion of the mixture, the temperature of the filling 10 being several hundred degrees Celsius higher than; the temperature of the gases between the grains dci filling 10 is. The metal surfaces of the inner jacket! and the ribs 2 in no way hinder the burning process in this layer. About half the volume of the filling 10 is present at the combustion, which is sufficient, however, because 30,000 to 100,000 kcal / h are released ^{in 1 dm 3 of the filling 10.}

Bei dieser Konzentration der freigesetzten Wärme wird eine weitgehende Annäherung der pyrometrischen Temperatur der Füllung 10 an die theoretische Verbrennungstemperatur des verwendeten Brennstotfes selbst bei hoher Wärmeabfuhr erreicht. Dabei kommt es zu den bekannten komplizierten Veränderungen im Inneren der atomaren Struktur der Körner der füllung 10, deren Ergebnis eine kontinuierliche Umwandlung der freigesetzten Wärme in Strahlungsenergie ist, die vorwiegend im infraroten Teil des Spektrums liegt und je nach der erreichten sich bis in ihren sichtbaren Teil erstreckenden Temperatur hauptsächlich im Wellenlängenbereich zwischen 6 und 0,5 μηι liegt.At this concentration of the released heat, a close approximation of the pyrometric Temperature of the filling 10 to the theoretical combustion temperature of the fuel used achieved even with high heat dissipation. This leads to the well-known complicated changes inside the atomic structure of the grains of the filling 10, the result of which is a continuous Conversion of the released heat into radiant energy is predominantly in the infrared part of the Spectrum is and depending on the reached temperature extending into their visible part mainly in the wavelength range between 6 and 0.5 μm lies.

Durch geeignete Korrelation zwischen der Führung des Verbrennungsprozesses, den erreichten Temperaturen und der Beschaffenheit der aktiven Masse wird die Arbeitsbreite des Spektrumteils, der für den erfindungsgemäßen Wärmeübergang entscheidende Bedeutung hat, auf die oben angeführten Wellenlängen beschränk!.By means of a suitable correlation between the management of the combustion process and the temperatures reached and the nature of the active material is the working width of the spectrum part, which is for the invention Heat transfer is of crucial importance, limited to the wavelengths listed above!

Die Strahlungsenergie fällt in diesem Abschnitt auf den Innenmantel 1 und auf die Rippen 2 des Kessels und wandelt sich verlustlos in Wärme um. die an das zu erwärmende Wasser 8 abgegeben wird. In der Ebene C-C in Fig. 3 beginnt aie Gastemperatur die Temperatur der Körner der Füllung 10 zu übersteigen, und von dieser Ebene C— Cbis zur Ebene D-Dkommt es zur Wärmeübergabe durch Strahlung und Konvektion der Verbrennungsgase an die relativ große Oberfläche der Körner der Füllung 10. Dadurch wird dieser Teil der Füllung 10 erwärmt, und durch Konvektion und Strahlung im Bereich von größeren Wellenlängen, d.h. etwa von 6 bis 15μηι, wird die Wärmt an den Innenmantel 1 des Kessels abgegeben. Die Gastemperatur am Ende der Füllung 10, in der Ebene D-D, stabilisiert sich bei voller Wärmebelastung des Kessels je nach der Gesamthjhe der Füllung zwischen 200 und 300⁰C, und die Gase mit dieser Temperatur entweichen dann durch den Rauchkanal 5 in den Raum zwischen dem Außenmantel 6 und dem Rauchmantel 11 des Kessels, worauf sie durch den Kamin 12 bei einer Temperatur unter 200"C in den Schornrtein geführt werden, nachdem sie vorher noch einen Teil ihrer Wärme an das zu erwärmende Wasser 8 mittels des Außenmantcls 6 und einen weiteren Teil der Wärme durch den Rauchkanal 11 an den den Kessel enthaltenden Raum abgegeben haben. Aufgrund der Ergebnisse nach dem weiter angegebenen Beispiel kann der Rauchkanal 11 weggelassen werden, ohne daß dadurch der praktische Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Kesselbetriebes beeinflußt würden.In this section, the radiation energy falls on the inner jacket 1 and on the ribs 2 of the boiler and is converted into heat without loss. which is given off to the water 8 to be heated. In the plane CC in FIG. 3, the gas temperature begins to exceed the temperature of the grains of the filling 10, and from this plane C-C to the plane DD there is a transfer of heat by radiation and convection of the combustion gases to the relatively large surface of the grains of the filling 10. As a result, this part of the filling 10 is heated, and by convection and radiation in the range of larger wavelengths, ie from about 6 to 15μηι, the heat is given off to the inner jacket 1 of the boiler. The gas temperature at the end of the filling 10, in the plane DD, stabilizes with full heat load of the boiler depending on the total height of the filling between 200 and 300 ⁰ C, and the gases with this temperature then escape through the smoke channel 5 into the space between the Outer jacket 6 and the smoke jacket 11 of the boiler, whereupon they are passed through the chimney 12 at a temperature below 200 "C into the chimney, after having previously transferred part of their heat to the water 8 to be heated by means of the outer jacket 6 and another part the heat given off to the boiler room through the smoke duct 11. On the basis of the results according to the example given further, the smoke duct 11 can be omitted without the practical efficiency and economy of the boiler operation being affected.

Die Wärmeübertragung unter diesen Bedingungen ermöglicht eine Verringerung der Heizflächen und der Masse auf jeweils weniger als 10% gegenüber bekannten Kesselkonstruktionen. Die Verbrennung verläuft dabei vollkommen bei einem LuftüberschuD von etwa 3%.The heat transfer under these conditions enables a reduction in the heating surfaces and the Mass to less than 10% in each case compared to known boiler designs. The burn runs completely with an excess of air of about 3%.

Bei dem in den Fig.4 und 5 dargestellteti Kesse besteht der Reaklionsraum aus mehreren Einheiten, die zu einer Batterie zusammengefaßt sind. Bei jeder dei vier Einheiten 21 von quadratischem Querschnitt fließ das Wasser durch den von dt η Verbrennungseinheitei 2i und dem Außenmantel 23 begrenzten Raum. ]edi Verbrennungseinheit 21 enthält eine Füllung 24 dei vorbeschriebenen Art, die auf einem Rost 25 aufliegt. Ir Richtung des Pfeils 27 wird das Bronngas zugeführt, miIn the Kesse shown in Figures 4 and 5 the Reaklionraum consists of several units that are combined into a battery. In each of the four units 21 of square cross-section flow the water through the combustion unit of dt η 2i and the outer jacket 23 limited space. ] edi combustion unit 21 contains a filling 24 dei of the type described above, which rests on a grate 25. Ir the direction of the arrow 27, the Bronngas is supplied, mi

der in der Richtung der Pfeile 28 zugeführten Luft in einem Mischring 29 gemischt und von hier in eine Speisekammer 26 geleitet. Die Abgase werden durch einen gemeinsamen Stutzen 30 in einen nicht dargestellten Exhaustor abgesaugt. In der Kammer 26 mündet eine Zündöffnung 31. Das kühle Wasser 22 wird durch ein Rohr 32 zugeführt und das erwärmte Wasser durch ein Rohr 33 abgeführt.the air supplied in the direction of arrows 28 in mixed in a mixing ring 29 and passed from here into a pantry 26. The exhaust gases are through a common nozzle 30 is sucked into an exhaustor, not shown. In the chamber 26 opens an ignition port 31. The cool water 22 is supplied through a pipe 32 and the heated water through a pipe 33 discharged.

Das Wasser wird in der dargestellten Heizbatterie bei einem betriebstechnisch stabilisierten Zustand in der Weise erwärmt, daß der nicht dargestellte Exhaustor durch den Stutzen 30 die Verbrennungsgase absaugt und im ganzen System einen Unterdruck hervorruft. Infolgedessen wird in den Stutzen der Kammer 26 nicht vorgewärmte Verbrennungsluft angesaugt und mit dem Brenngas 27 gemischt. Das Gemisch wird in dem Mischring 29 homogenisiert und strömt durch die Kammer 26 und durch die Rostöffnungen 25 in alle Arbeitselemente 21 in der Weise, daß der Gasstrom zwischen den Körnern der Füllung 24 eine größere »o Geschwindigkeit als die Flammengeschwindigkeit aufweist. Die Bedingungen einer derartigen Verbrennung sind bereits bekannt und werden in der einschlägigen Literatur als »Kontakt-kinetisches Brennverfahren« bezeichnet.In the heating battery shown, the water is in an operationally stabilized state in the Heated way that the exhaustor, not shown, sucks the combustion gases through the nozzle 30 and creates a negative pressure in the whole system. As a result, the chamber 26 is not in the nozzle preheated combustion air is sucked in and mixed with the fuel gas 27. The mixture is in the Mixing ring 29 homogenizes and flows through chamber 26 and through grate openings 25 into all of them Working elements 21 in such a way that the gas flow between the grains of the filling 24 has a greater »o Speed than the flame speed. The conditions of such a burn are already known and are referred to in the relevant literature as the "contact kinetic combustion process" designated.

Diese Geschwindigkeitsverhältnisse rufen einen Zustand hervor, bei dem die Körner derjenigen Schicht der Füllung 24, die unmittelbar auf dem Rost 25 liegt, kühl bleiben und dadurch sowohl den Rost 25 gegen Überhitzung als auch das Brenngemisch gegen Zündung in der Kammer 26 schützen. In der unteren Hälfte der Füllung 24 jedes der vier Arbeitselemente 21 erfolgt die intensive und vollständige Verbrennung des Gemisches unter sehr hohen Temperaturen an der Oberfläche der Körner der Füllung 24, welche sämtliche durch die Verbrennung freigesetzte Wärme durch Strahlung auf die wärmeaustauschenden Umfangswände der Arbeitselemente 21 überführen, worauf diese sie an das Wasser 22 abgeben.These speed ratios produce a condition in which the grains of that layer of Filling 24, which lies directly on the grate 25, remain cool and thereby both the grate 25 against Protect overheating and the combustion mixture against ignition in the chamber 26. In the lower half of the Filling 24 of each of the four working elements 21, the intensive and complete combustion of the mixture takes place under very high temperatures on the surface of the grains of the filling 24, which all through the Combustion heat released by radiation on the heat-exchanging peripheral walls of the working elements 21, whereupon they are transferred to the water 22 submit.

Um die Bildung eines unwirksamen und toten Kernes von hohen Temperaturen ir. der Füllung 24 zu vermeiden, welcher die freigesetzte Wärme nicht unmittelbar an die Wärmeaustauschwände abgeben kann und sie in die höheren Schichten der Füllung überführen müßte, wodurch in einer unerwünschten Weise die Höhe der Füllung 24 und zugleich auch die Höhe der Arbeitselemente vergrößert würde, muß im gegebenen Fall der lichte quadratische Querschnitt der Arbeitselemente 21 mit einer Seitenlänge von etwa 50 bis 60 mm eingehalten werden, der einer Korngröße der Füllung 24 von etwa 10 bis 15 mm entspricht. Unter diesen Bedingungen wird d^:<* Höhe der Füllung 24 in Abhängigkeit von der Art des verwendeten gasförmigen Brennstoffes etwa 200 bis 280 mm betragen. Die Wärmeleistung jedes Arbeitselements 21 wird unter diesen Bedingungen rund 12 000 kcal/h betragen. Dabei werden die Verbrennungsgase entsprechend den obenerwähnten Grenzen der Schichthöhe der Füllung 24 in dem gemeinsamen Austrittsstutzen 30 eine Temperatur von ungefähr 180 bis 300° C aufweisen.In order to avoid the formation of an ineffective and dead core of high temperatures in the filling 24, which cannot transfer the released heat directly to the heat exchange walls and would have to transfer it to the higher layers of the filling, thereby reducing the height of the filling in an undesirable manner 24 and at the same time the height of the working elements would be increased, the clear square cross-section of the working elements 21 with a side length of about 50 to 60 mm must be maintained in the given case, which corresponds to a grain size of the filling 24 of about 10 to 15 mm. Under these conditions, d ^{: <} * the height of the filling 24 will be approximately 200 to 280 mm, depending on the type of gaseous fuel used. The heat output of each working element 21 will be around 12,000 kcal / h under these conditions. In this case, the combustion gases will have a temperature of approximately 180 to 300 ° C. in accordance with the above-mentioned limits of the layer height of the filling 24 in the common outlet connection 30.

Wie bereits erwähnt, wird die pyrometrische Temperatur in der .Verbrennungszone des Reaktionsraumes auf einem Wert gehalten, bei dem eine vollständige Wärmeübertragung durch Strahlung bereits im Reaktionsraum eintritt. Ein Oberschreiten dieses Wertes würde eine Erhöhung der Temperatur der abziehenden Gase und die Einschaltung von Konvektionsflächen bedeuten, was einem Übergang auf die bestehenden Systeme gleichkäme. Beim Unterschreiten dieses Wertes wird die Leistung verringert, die Ausstrahlung bleibt jedoch aufrechterhalten.As mentioned earlier, this is the pyrometric temperature in the combustion zone of the reaction space at a value at which a complete Heat transfer by radiation already occurs in the reaction space. Exceeding this value there would be an increase in the temperature of the evacuating gases and the inclusion of convection surfaces mean what would amount to a transition to the existing systems. When falling below this The performance is reduced, but the charisma is maintained.

Die kleinste und gleichzeitig optimale Größe der Querschnittsfläche des Arbeitselements bei der Ausführung gemäß Fig.4 und 5 wird erreicht, wenn die isotherme Fläche der Füllung 24 eine ebene und nicht eine räumliche Fläche bildet und mit einer zur Achse des Reaktionsraumes senkrechten Ebene zusammenfällt.The smallest and at the same time optimal size of the cross-sectional area of the working element when performing according to Fig.4 and 5 is achieved when the isothermal surface of the filling 24 forms a flat and not a three-dimensional surface and with one to the axis of the Reaction space vertical plane coincides.

Die einzelnen Arbeitselemente 21 stellen die kleinste Einrichtungseinheit dar und werden für größere Leistungen zweckmäßig zu Batterien zusammengeschlossen. In der dargestellten Ausführung wird also das Hervorrufen der Gasströmung im Arbeitselement 21 statt durch Überdruck durch einen Unterdruck im ganzen System ersetzt, wobei der Mischring 29 und die Speisekammer 26 gemeinsam sind. Die Schlitze oder Düsen für die Zufuhr des Brenngemisches in den Reaktionsraum, die in der Ausführung gemäß F i g. 1 bis 3 verwendet werden, sind in der Ausführung gemäß F i g. 4 und 5 durch den Rost 25 ersetzt.The individual work elements 21 represent the smallest furnishing unit and are used for larger ones Services appropriately combined to form batteries. In the embodiment shown, the Causing the gas flow in the working element 21 instead of overpressure by a negative pressure in the entire system replaced, the mixing ring 29 and the pantry 26 are common. The slots or Nozzles for feeding the fuel mixture into the reaction chamber, which in the embodiment according to FIG. 1 to 3 are used in the embodiment according to FIG. 4 and 5 replaced by grate 25.

Bei beiden Ausführungen gilt jedoch der Grundsatz, daß zur Erreichung optimaler Verhältnisse die kleinste Entfernung des Umfangsmantels des Reaktionsraumes von einer durch die längere Symmetrieachse des Querschnittprofils hindurchtretenden Ebene derjenigen Länge gleich sein muß, bei der die Temperatur in der Symmetrieachse des Reaktionsraumes die Temperatur an einer beliebigen Stelle des Querschnitts des Reaktionsraumes oder des Arbeitselements noch nicht überschreitet.In both versions, however, the principle applies that to achieve optimal ratios the smallest Removal of the circumferential jacket of the reaction space from one through the longer axis of symmetry of the Cross-sectional profile passing through the plane must be the same length at which the temperature in the The axis of symmetry of the reaction chamber, the temperature at any point in the cross-section of the Reaction space or the working element has not yet exceeded.

In den beschriebenen Beispielen wurde die Verwendung eines gasförmigen Brennstoffes vorausgesetzt. Ebenso können jedoch beliebige flüssige Brennstoffe verwendet werden, die durch Abdampfen in einen gasförmigen Zustand gebracht werden können oder in einer fein verteilten Suspension leicht zündbar sind.In the examples described, the use of a gaseous fuel was assumed. Likewise, however, any liquid fuels can be used, which by evaporation in a can be brought into a gaseous state or are easily ignitable in a finely divided suspension.

example

Bei einem Prototyp des erfindungsgemäßen Kessels der gemäß der Ausführung nach F i g. 1 bis 3 gebaut und zur Erwärmung von Wasser für eine Zentralheizung bestimmt war, wurden die folgenden Parameter erzielt:In a prototype of the boiler according to the invention according to the embodiment according to FIG. 1 to 3 built and was intended for heating water for central heating, the following parameters were achieved:

Durch den Brennstoff zugeführte 36 200 kcal/h36,200 kcal / h supplied by the fuel

WärmemengeAmount of heat

Gesamtmenge der an das Wasser 33 200 kcal/hTotal amount of to the water 33 200 kcal / h

abgegebenen Wärmegiven off heat

Innere Heizfläche (Strahlung) 0,197 m² Inner heating surface (radiation) 0.197 m ²

Äußere Heizfläche (Konvektion) 0,135 m² Outer heating surface (convection) 0.135 m ²

An die innere Heizfläche ab- 32 600 kcal/hTo the inner heating surface from 32 600 kcal / h

gegebene Wärmemengegiven amount of heat

Spezifische Belastung der inneren 165 500 kcal/m² · 1 HeizflächeSpecific load on the inner 165 500 kcal / m ² · 1 heating surface

Durch die äußere Heizfläche über- 600 kcal/hOver 600 kcal / h due to the external heating surface

gebene Wärmemengegiven amount of heat

Spezifische Belastung der äußeren 4450 kcal/m² ■ h HeizflächeSpecific load on the outer 4450 kcal / m ² ■ h heating surface

Gewirht des eigentlichen Kessels 12,00 kpTwisted the actual boiler 12.00 kp

(ohne Zubehör)(without accessories)

Gewicht der Füllung (Zirkonium- 2,20 kpWeight of the filling (zirconium - 2.20 kp

silikat)silicate)

Wasservolumen im Kessel 2,001Volume of water in the boiler 2.001

(in Litern)(in liters)

Wirkungsgrad des Kessels (Brenn- 91,80%Boiler efficiency (burning 91.80%

stoff-Wasser)substance-water)

Gesamtwirkungsgrad des Kessels 93,80%Overall boiler efficiency 93.80%

(Wasser und an die Umgebung(Water and to the environment

abgegebene Wärme)emitted heat)

Im Hinblick auf die geringen Ausmaße, das geringe Gewicht der Einrichtung, den hohen Wirkungsgrad und die vollkommene Verbrennung sowie den raschen Anlauf auf Volleistung (etwa binnen 60 Sekunden) eignet sich die Erfindung zur Miniaturisierung von großen Heizaggregaten, für die Beheizung von Häuserblöcken und Siedlungen, wo die Einrichtung infolge ihres geringen Gewichtes vorzugsweise auch auf den Dächern der betreffenden Objekte angebracht werden kann. Es wird ein hoher Wirkungsgrad der Einrichtung erzielt, und die durch das Anfallen aggressiver Kondensate aus den Schornsteinen verursachten Probleme werden beseitigtIn view of the small size, the low weight of the device, the high efficiency and the perfect combustion as well as the rapid start to full power (within about 60 seconds) the invention is suitable for the miniaturization of large heating units, for heating blocks of houses and settlements, where the device, due to its low weight, preferably also on the Roofs of the objects in question can be attached. It becomes a high efficiency device achieved, and caused by the accumulation of aggressive condensate from the chimneys Problems are eliminated

Die Anwendung der Erfindung kommt ferner in Betracht z. B. bei der Beheizung von Zuggarnituren, provisorischen Arbeitsstätten bei Bauten u.dgl. mit leicht tragbaren Heizquellen, ferner bei für Industrie und Energetik bestimmten Kesseln nach einer konstruk-The application of the invention also comes into consideration z. B. when heating train sets, Temporary workplaces in buildings and the like with easily portable heat sources, as well as in industry and energy-related boilers according to a design

tiven Anpassung auf unter Druck arbeitende Wärme austauschflächen, für fahrbare verpackte Kraftwerk' (Baukastenzentralen), thermochemische Einrichtungei in der Erdölindustrie, thermochemische Einrichtungei zur Erwärmung von Flüssigkeiten und zu derei Verdampfung in der organischen sowie anorganische! chemischen Industrie, in der Kraftfahrzeugindustrii zwecks Einführung der Dampftraktion auf Wasser dampfbasis oder mittels anderer Flüssigkeiten, kombi niert mit einer Miniaturturbine, und zwar vor allem in Hinblick auf die außerordentlichen Erfordernisse eine vollkommenen Verbrennung und des Umweltschutzes.tive adaptation to heat exchange surfaces working under pressure, for mobile packaged power plants' (Modular centers), thermochemical equipment in the petroleum industry, thermochemical equipment for heating liquids and for their evaporation in the organic as well as inorganic! chemical industry, in the automotive industry for the purpose of introducing steam traction on water based on steam or by means of other liquids, combined with a miniature turbine, especially in In view of the extraordinary requirements of perfect combustion and environmental protection.

Edelbrennstoffe werden in der zur Erwärmung voiNoble fuels are used in the heating voi

Wasser für Heizzwecke bestimmten erfindungsgemä Ben Einrichtung mit einem bis um 10 und mehr Prozen höheren Wirkungsgrad als bei den besten bekanntei Kesseln klassischer Konzeption verbranntWater for heating purposes is determined by the device according to the invention with up to 10 and more percent burned higher efficiency than the best known boilers of classic design

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

709518/5709518/5

Claims

22 15 1022 15 10

Claim:

A method for heating or evaporating fluids by radiation, in which a mixture of fuel and oxidizing agent, in particular a fuel gas and air, through the filling of z. B. zirconium silicate, the reaction chamber is passed and burned flameless, characterized in that the mixture is completely homogenized before entering the reaction chamber and in this room in the unignited and not preheated state is introduced evenly distributed over the entire cross section of the reaction chamber, wherein the grain size of the radiation substance
filling, the surface properties of the grains, the layer thickness of the filling between peripheral heat exchanger surfaces and the flow rate of the mixture between the grains, which delays the combustion process with increasing size, are coordinated in such a way that the radiant substance has the thermal energy predominantly in the range from 0.5 to 6 μτη radiates and the heat distribution in the radiation material runs in approximately flat isothermal surfaces that are almost perpendicular to the resulting flow direction of the gas mixture.