DE2321926B2

DE2321926B2 - Kessel zur Erwärmung bzw. Verdampfung von Fluiden

Info

Publication number: DE2321926B2
Application number: DE2321926A
Authority: DE
Inventors: Radovan Drapal; Jan Dipl.-Ing. Mach; Vaclav Dipl.-Ing. Rybar
Original assignee: STAV PRAHA VYROBNI STAVEBNI DRUZSTVO PRAG
Current assignee: STAV PRAHA VYROBNI STAVEBNI DRUZSTVO PRAG
Priority date: 1972-08-14
Filing date: 1973-04-30
Publication date: 1980-01-24
Also published as: DK136123C; ATA688073A; NL7310980A; FR2196454A1; MC986A1; LU68213A1; BE803423A; CS177930B1; NO135882C; GB1440980A; DK136123B; US3877441A; JPS4992638A; NO135882B; DE2321926C3; DE2321926A1; AT328137B; FR2196454B1; ES417863A1; IT992943B

Description

Die Erfindung betrifft einen Kessel zur Erwärmung bzw. Verdampfung von Fluiden der im Patentanspruch I angegebenen Gattung.

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 22 15 101 ist ein derartiger Kessel beschrieben, der aus mehreren /ti einer Einheit zusammengefaßten Brennkammern besteh!, die mit einem körnigen Strahlungsstoff gefüllt sind. Der Kessel wird mit einem in einer vorgeschalteten Mischkammer erzeugten Brenngas-Luft-Gcmisch beschickt, das über eine gelochte untere Tragplatte für die Füllkörper in die Brennkammern einströmt und in einer schmalen Reaktionszone flammenlos bei Temperaturen von etwa I6OO°C verbrennt. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften der selektiv strahlenden Füllkörper wird bei diesen Temperaturen die umgesetzte Wärme nahezu vollständig in Weüenlängcnbercichen von 0,5 bis (im abgestrahlt, wodurch sich höchste Wärmeübertragungsleistungcn auf vergleichsweise kleinstem Raum erreichen lassen, wie sie bei herkömmlichen Flammrohrkesseln zur Zeit nicht möglich sind. Diese vorgeschlagenen Kesselausführungen weisen jedoch noch einige Nachteile auf, durch deren Oberwindung die Leistungsfähigkeit dieser Kessel weiter gesteigert werden kann. Fines der wesentlichen Kriterien für die Leistungsfähigkeit dieser Kessel liegt im Verlauf der Isothermen senkrecht /iir Kessellängsachse, d. h. in der Ausbildung der heißen Wärmeubertragungszone möglichst ausschließlich in einer eng begrenzten querverlaufenden Schicht der Füllkörper. Bei den vorgeschlagenen, aus mehreren miteinander kombinierten Einheiten bestehenden Kesseln waren die Querabstände zwischen den von den zu erwärmenden Fluiden durchströmten Mänteln veränderlich, was sich nachteilig auf die ebene, schichtförmige Ausbildung der Reaktionszone auswirkte. Darüber hinaus waren die den FiMIkörpern

ίο zugewandten Wände der vom Fluid durchströmten Hohlmäntel eben oder in Form von längsverlaufenden Rippen ausgebildet Da unmittelbar im Grenzbereich dieser Wände die Verzahnungswirkung der Füllkörper weitgehend beseitigt ist, konnten sich Strömungskanäle

!5 im Wandbereich ausbilden, welche die vollständige Verbrennung des zugeführten Gemisches nur innerhalb der eng begrenzten Reaktionszone beeinträchtigte. Ferner haben praktische Versuche ergeben, daß auch die Gemischbildung bei diesen vorgeschlagenen Kessel ausführungeu noch nicht optimal war.

Aufgabe der Erfindung ist es, die spezifische Wärmcübcriragi-Tigsieistung eines Kesseis der angegebenen Gattung weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden

Merkmale des Patentanspruchs I gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Kesselausführung wird die angestrebte optimale Ausbildung der heißen Reaktionszone in Form einer ebeK2n, eng begrenzten Schicht innerhalb der Füllkörperpackung durch die konzentrische Anord-

JO nung der zylinderförmigen Brennkammern von jeweils gleicher Breite erreicht. Diese Maßnahme bewirkt, daß auch die Abstände zwischen den vom Fluid durchströmten Wärmetauschermänteln jeweils gleich sind, so daß auch die heiße Reaktionszone in einer für den gesamten

J5 Kessel gleichen Ebene liegt. Darüber hinaus ergibt sich der weitere Vorzug, daß die inneren Wärmelauschermäntel jeweils beidseitig angestrahlt werden. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verteilerkummer führt ferner zu einem nahezu vollständig homogenen Brenngas-Luft-Gemisch, da* überv:en gesamten Kesselboden gleichmäßig verteilt und mit hoher Geschwindigkeit in das Füllkörpermatcrial einströmt. Die radialen, sich quer in die Brennkammern hinein erstreckenden Hohlrippen an den Wärmctauschermäntcln verhindern

*5 das Entstehen von Strömungskanälen im unmittelbaren Wandbereich.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Untcransprüchen.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines

w Kessels können gegenüber Strahlungskcsseln früherer Konzeption mit Langshppcn bei gleichen Außenabmessungen etwa 30% am Gewicht eingespart und höhere Wärmeübcrtragungsleistungcn erzielt werden. Fin Kessel mit einem Wärmelauschermantel aus einem zu einem Zylinder gewundenen Rohr hat gegenüber einem älteren Kessel mit einem Wärmctauschcrmanlcl in Form eines glatten Kreiszylinders eine um 84% höhere Wärmelauscherleistung. Gegenüber einem älteren Kessel mit einem Wärmetauschcrmäntel in Form eines

μ Vierkantprismas beträgt die verbesserte Wärmelau scherlcislung 44%. Bei einem erfindungsgemäß aus mehreren Msintcln gebildeten Kessel kommen diese

Vorzüge in gleichem Maße zum Tragen. Eine progressive Gewichtsverminderung des Kessels

i>5 ist außerordentlich wichtig bei der Installierung von Strahlungskcsscln in Wohnungs- sowie Industriebauten, ferner als cnergictei hinsehe Aggregate und in Zukunft als DriickdampfqiiL-lle für Zwecke des Motorantrieb*. In

allen Fällen gewährleisten die erfindungsgemäUen Kessel einen Beilrag zum Umweltschutz, da sie die Atmosphäre weit weniger als die bisherigen Kessel verunreinigen. Vom erzeugungstechnischen Standpunkt wird mit dem neuen Kesseltyp ein geringer Arbeitsaufwand, eine Gewichlsersparnis von mindestens 90% gegenüber gebräuchlichen Kesselausführungen und geringe Ansprüche an den Maschinenpark des Erzeugerbetriebs erreicht

Im folgenden wird als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Wasserkessel anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig.! einen vertikalen Schnitt durch den Wasserkessel;

F i g. 2 den Grundriß des Wasserkessels nach F i g. 1 mit abgenommener Abgashaube.

Der dargestellte Wasserkessel besteht aus drei zylindrischen Wärmetauschermänteln 1, 2, 3, die durch Wicklung dreier Metallrohre von kreisförmigem Querschnitt zu drei selbständigen, eingängigen Spiralen gleicher Höhe gebildet sind. Der lichte Durchmesser des inneren Mantels i entspricht der Breite des ringförmigen Zwischenraums zwischen den Mänteln 1 und 2 sowie den Mänteln 2 und 3. Die Symmetrieachse 4, um die die Mantel I, 2, 3 konzentrisch angeordnet sind, verläuft vertikal.

Die Unterenden der Rohrspiralen der Wärmetauschermäntel 1, 2, 3 sind an eine gemeinsame Zulaufleitung 5 und die Oberenden an eine gemeinsame Ablaufleitung 6 für das zu erwärmende Wasser jo angeschlossen. Unter den Wärmetauschermänteln 1, 2, 3 ist ein gemeinsamer Verteilerrost 7 angeordnet, in dem ein System von kreisförmigen oder schlitzartigen öffnungen 8 vorgesehen ist. Unter dem Rost 7 befindet sich ein kreisförmiges Gehäuse 9 mit einem Spiralboden J5

10 und mit einer tangential angeordneten Speiseleitung

11 für ein homogenes Brenngas-Luft-Gemisch. Oberhalb der Mäntel I, 2, 3 ist eine Sammelhaube 12 und ein Rauchgasabzug 13 vorgesehen. Alle Zwischenräume in den Brennkammern von konstanter Breite 15 /wischen den Mänteln 1, 2,3 sowie der Innenraum des Mantels 1. dessen Innendurchmesser dieser Breite gleich ist, sind mit gasdurchlässigen Strahlungs-Füllkörpern 14 gefüllt, die beispielsweise aus Zirkoniumsilikat als Strahlungsstoffbestehen.

Die Erwärmung des Wassers im geschlossenen Kessel verläuft in folgender Weise: Bei einem stabilisierten Wärmeregime wird aus einer nicht dargestellten Misch- und Homogenisiervorrichtung durch die Speiseleitung 11 ein homogenes Brennstoff- so Luft-Gemisch, am besten im stöchiometrischen Verhältnis, in das kreisförmige Gehäuse 9 eingeführt, dessen Spiralboden 10 den Gemischstrom in Richtung ?um Verteilerrost 7 orientiert, durch dessen öffnungen 8 das Gemisch in die mit dem Strahlungsstoff gefüllten Brennkammern 15 strömt. Die Korngröße, Gestalt und Eigenschaften der Strahlungs-Füllkörper 14 werden in Abhängigkeit von der Schichtdicke des Stoffes, Kesselgröße und Art des verwendeten Brennstoffes gewählt. Wenn sich bei einer beliebigen Leistung das dynamische Gleichgewicht zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgemisches in den Strömungskanälen zwischen den Körnern des Strahlungsstoffes und der Geschwindigkeit des Brennvorganges an den unmittelbaren Oberflächen der Körner unter <i5 extremen Bedingungen stabilisiert, beginnt sich eine Verbrennungszone in einer Entfernung von etwa 10 mm über dem Verteilerrost 7 zu lokalisieren, die etwa ein Drittel der Schichthöhe der Strahlungs Füllkörper 14 einnimmt.

Der Verbrennungsprozeß verläuft mit einer Intensität von 60 bis 110 Millionen kcal/h in 1 m² des mit dem Strahlungsstoff gefüllten Raumes. Bei dieser Konzentration der freigesetzten Wärme und bei einer pyrometrischen Temperatur über 1600°C, fallweise bei der Verwendung eines Strahlungsstoffes mit selektiver Strahlung, kommt es zur Ausstrahlung der Wärmeenergie vor allem in spektralen Wellenlängen von ü.b bis 6 μηι, welche auf die halbkreisförmigen Rippen der durch Rohre gebildeten, vom Wasser durchflossenen Wärmetauschermäntel 1,2,3 auftrifft.

Die in der beschriebenen Art und Weise gebildeten natürlichen Rippen haben zur Folge, daß Wärmestrahlen auf die Wärmeaustauschflächen auch in einem breiteren sphärischen Bereich unter Winkeln auftreffen, die einen? senkrechten Einfallwinkel nahe kommen, wodurch der Wärmefluß auf eine V -heit der WärmeuuMüuschfiäehe erhöht wird, in der Ver' rennungszone wird der größte Anteil der freigesetzten Wärme abgegeben. Ein kleinerer Wärmeanteil wird in größeren Wellenlängen in den übrigen zwei Dritteln der Schichthöhe der Strahlungs-Fullkörper 14 ausgestrahlt. wobei sich dieser Stoff durch die kühleren Brenngase bereits zu erwärmen beginnt.

Die gesamte Wärmeübergabe ist derart intensiv, daß die Temperatur der Brenngase bei ihiem Austritt aus der insgesamt nur 200 bis 300 mm hohen Schicht des Strahlungsstoffes 180 bis 250C beträgt. Es ist somit nicht erforderlich, den Kessel mit weiteren Wärmeaustauschflächen zur Wärmeübergabe durch Konvektion auszustatten, wobei der Wirkungsgrad des Kessels trotzdem annähernd 90% beträgt. Die Konvektion beteiligt sich lediglich mit weniger als 5% an der Gesamtwärmeübertragung, die an die Wärmeiauschermäntel 1, 2, 3 in dem mit den Strahlungs-Füilkörr.·.-rn 14 gefüllten Raum übergeben wird.

Die bereits in den .Strahlungs-Füllkörpern 14 abgekühlten Verbrennungsprodukte sammeln sich unterhalb der Sammelhaube 12 und ziehen durch den Rauchgasabzug 13 ab. Im Kessel kann der Verbrennungsvorgang entweder durch Überdruck oder Unterdruck verlaufen. Die Erzielung eines derart hohen Strahlungsgrades setzt voraus, dall die Verbrennungszone möglichst schmal ist und im Unterteil des Kessels lokalisiert bleibt. Die Querrippen der Wärmetauschermäntel 1, 2, 3 wirken wie ein Widerstand, hauptsächlich gegen die Strömung des unverbrannten Brenngemisches entlang der Wärmeaustauschflächen, so daß die Verbrennungszone nicht in höhere Lagen übertrügen und (^e Verbrennungsintensität nicht verringen w ird.

Aufgrund von Betriebsprüfungen eines aus drei Mänteln bestehenden Kessels wurden die folgenden Werte ermittelt: mittlere Leistung 274 700 kcal/h, Durchschnittsbehstung der Wärmeaustauschflächen 203 000 kcal/m², Wirkungsgrad 90,8%. Das Gewicht des eigentlichen Kesstis ohne Ventilator und Steuerapparate betrug 42 kg, das Gewicht der Zirkoniumsilikaihil lung 48 kg. Dadurch wurde ein spezifisches Gewicht des Kessels ohne Füllung von 0,53 kg/1000 kcal installierter Leistung erzielt. Noch günstigere Werte werden erreicht, wenn der Kessel zur Erzeugung von Sattdampf ausgelegt ist.

Hier/u I HIaIt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Kessel zur Erwärmung bzw. Verdampfung von Fluiden, bestehend aus mindestens einer Brennkammer, die gasdurchlässig mit Füllkörpern eines Strahlungsstoffes gefüllt ist, aus vom Fluid durchströmten längsverlaufenden Wärmetauschermänteln, aus einer gasdurchlässigen Tragplatte am Boden der Brennkammer und aus einer der Brennkammer vorgeordneten Homogenisierungsund Verteilerkammer für das Brenngas-Luft-Gemisch, wobei in einer eng begrenzten und quer zur Kessellängsachse verlaufenden Reaktionszone durch flammenlose Oberflächenverbrennung des Brenngas-Luft-Gemisches der Strahlungsstoff bei einer Temperatur von etwa 1600" C die freigesetzte Wärme praktisch vollständig im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 6μιη abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschermäntel (I, 2, 3) konzentrisch ineinander angeordnet sind und .nehrere gesonderte, mit den Strahlungs-Füilkörpern (14) gefüllte Brennkammern (15) begrenzen, daß die radiale Breite der Brennkammern (15) untereinander gleich ist, daß die Wärmetauschermäntel (1,2,3) an ihren die Strahlungs-Füllkörper (14) berührenden Wänden radiale Hohlrippen bilden und daß die Ver'eilerkammer für das Brenngas-Luft-Gemisch ein Gehäuse (9) mit Spiralboden (10) enthält.

2. Kessel nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (15) gleiche Höhe aufweisen.

3. Kessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschcrmäntel (1,2, 3) durch Mc;allwcndcin gebildet sind, deren Wicklungen dicht ancinande. anliegen, und daß diese Wärmetauschermäntel (1, 2, 3) reihen-, parallel- oder reihenparallelgeschaltet sind.