DE2518836C2

DE2518836C2 - Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer

Info

Publication number: DE2518836C2
Application number: DE2518836A
Authority: DE
Inventors: John Harrogate North Yorkshire Thurley
Original assignee: JOHN THURLEY Ltd HARROGATE COUNTY OF YORK GB
Current assignee: JOHN THURLEY Ltd HARROGATE COUNTY OF YORK GB
Priority date: 1974-04-29
Filing date: 1975-04-28
Publication date: 1984-12-06
Also published as: NL7504849A; FR2269051B1; NL181377C; GB1473386A; SE421147B; IT1032770B; SE7504777L; DE2518836A1; NL181377B; JPS50144951A; US4018216A; CH602978A5; FR2269051A1; ES437211A1; JPS6018879B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Flüssigkeitserhitzer ist aus der DE-OS 15 01 658 bekannt.

Bei solchen Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzern liegen die als Wärmequelle dienenden Brenner oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und sind daher während des Betriebes völlig frei von jeder Wärmetauscherflüssigkeit. Das Innere eines jeden Brenners muß daher mit einem wärmefesten Material ausgekleidet sein. Dies hat zur Folge, daß das wärmefeste Material während der Tätigkeit der Gebläse für das Einspeisen von Luftsauerstoff von Wasserdampf beaufschlagt wird und dabei abblättert. Ferner besteht die Gefahr des Ausbrennens von Teilen der oberen Sektion des aus rostfreiem Stahl bestehenden Gasleitungsschachtes oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Wärmetauscher-Flüssigkeit. Die Ursache hierfür sind die eine extrem hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsprodukte — über +1600⁰C —. die auf der ungekühlten Metalloberfläche aufprallen.

Solche örtlichen Zerstörungen können zu schweren Unfällen führen, da die sehr hohe Temperaturen aufweisenden Verbrennungsprodukte dann unmittelbar auf die den Gasleitungsschacht umgebenden Rohrschlangen auftreffen. Auch steht diese Ausbildung der Verwendung eines einzigen Brenners hoher Wärmeabgabe entgegen, da bei der Durchführung einer solchen Maßnahme die Gefahr der örtlichen Zerstörung des Gasleitungsschachtes oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Wärmetauscher-Flüssigkeit erhöht wird. Ferner wird

is auch die Gefahr des Abblätterns der wiirmefesten Auskleidung des zu verwendenden Brenners größer; abgeblätterte Teile der Auskleidung werden dann mit hoher Geschwindigkeit gegen die Wandung des Gasleitungsschachtes geführt Darüber hinaus würde die Verwendung eines einzelnen Brenners mit hoher Wärmeabgabe zu einer unerwünschten Vergrößerung der Gesamthöhe des Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzerj führen. Solche Tauch-Heißgas-Wirmetauscher weisen daher stets mehrere Brenner auf, was nicht nur in der konstruktiven Ausbildung sondern auch bei der Wartung aufwendig ist. Schließlich beträgt dort das Verhältnis von der maximalen zur minimalen Wärmeabgabe beim Rückfahren der einzelnen Brenner wenig mehr als 2 :1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be-

w kannten Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer unter Vereinfachung ihrer Konstruktion durch eine neue Anordnung des Brenners derart zu verbessern, daß durch Vereinfachung ihres Aufbaus sowohl das Gewicht verringert als auch der Wirkungsgrad erhöht und ihre Wartung erleichtert wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Tauch-Heißgas-Wärmetauschers sind dem Brenner eine obere, außerhalb der Wärmetauscher-Flüssigkeit liegende Kammer und eine untere, in der Wärmetauscher-Flüssigkeit angeordnete Kammer zugeordnet und sind beide Kammern über einen vertikal verlaufenden Verbindungskanal verbunden und mündet die untere zylindrische Kammer mit ihrem tangentialgerichteten Auslaß in den Gasleitungsschacht, der mit einer Vielzahl von sich direkt unterhalb des Rohrschlangen-Systems erstrekkenden Verteilerrohren mit nach oben weisenden Auslässen verbunden ist

Der Brenner kann daher ganz aus Metall aufgebaut werden, da seine untere Verbrennungskammer vollständig in die kühlende Wärmetauscher-Flüssigkeit eingetaucht ist. Auch der Gasleitungsschacht ist mit seinem unteren Ende vollständig in der kühlenden Wärmetauscher-Flüssigkeit eingetaucht Die Oberfläche seines oberen Teiles ist durch die Wirbelschicht der kühlenden Verbrennungsluft die über den tangential cn Lufteinlauf dem Brenner zugeführt wird, geschützt Demgemäß besteht kein Bedürfnis für ein Ausbetten des Brenners mit einem wärmefesten Material. Alle damit verbundenen Nachteile entfallen völlig.
Durch die Anordnung des Brenners in seitlichem Abstand zum Rohrschlangen-System wird verhindert, daß heiße Verbrennungsprodukte mit hoher Geschwindigkeit auch bei örtlichem Durchbrennen der Metallwände des Brenners unmittelbar auf die Rohrschlangen auf-

treffen können, so daß diese von heißen Verbrennungsprodukten nicht beschädigt werden können.

Schließlich ermöglicht die erfindungsgemäße Ausbildung des Tauch-Heißgas-Wärmetauschers die Verwendung eines einzigen Brenners hoher W^rmeabgabeleistung, was wesentlich wirtschaftlicher als die Verwendung mehrerer Brenner kleiner Wärmeabgabeleistung ist Die Brennerausbildung ist kompakt und vermeidet extrem große Bauhöhen, so daß selbst die größten Einheiten solch«· Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer relativ einfach sowohl auf der Straße, auf der Schiene oder über See zu transportieren sind. Schließlich beträgt das Verhältnis von maximaler zu minimaler Wärmeabgabe bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzers mindestens 50 :1.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,

F i g. 2 eine Aufsicht auf den Wärmetauscher gemäß Fig. l.und

Fig.3 eine Teilansicht eines Leitungssystems eines Wärmetauschers.

Wie F i g. 1 zeigt, besteht der Wärmetauscher aus einem Metallbehälter 1 mit rechteckigem Querschnitt, dessen kurze Seiten wände la und \b und dessen lange Seitenwände mit Ic und \d bezeichnet sind; er weist einen Boden 2 und einen Deckel 3 auf.

in dem Metallbehälter sind ein Brenner 4 und in einem inneren Behälter 33 ein der Aufnahme eines Arbeitsfluides dienendes Rohrpaket 5, das aus einer noch näher zu beschreibenden Vielzahl von Rohren 41 besteht, sowie ein Verteiler zur Aufnahme der heißen Verbrennungsgase des Brenners 4 angeordnet. Der Verteiler besteht aus einem Verteilerkanal 7 und einer Anzahl von Verteilerrohrsn 43, über die der Wärmekontakt mit dem Arbeitsfluid hergestellt wird.

Der Brenner 4 hat eine obere zylindrische Kammer 10, in die tangential ein Lufteinlaß 11 einmündet. Sie ist auf einer Plattform 13 befestigt, die in diesem Teil den Deckel des Metallbehälters 1 bildet. In dem Metallbehälter und direkt in bezug auf F i g. 1 unterhalb der Kammer 10 ist eine weitere metallene Kammer 15 angeordnet, die ebenfalls zylindrisch ist und einen langentialen Auslaß 17 aufweist. Die beiden Kammern 10 und 15 sind durch einen vertikal stehenden Verbindungskanal 19 — die Brennkammer — miteinander verbunden, der in Art eines sich in Richtung zu der Kammer 15 erweiternden Kegelstumpfes ausgebildet ist.

Die Kammer 10 weist auf ihrer Oberseite einen mittig angeordneten Brennstoffeinlaß 21 auf, durch den Brennstoff in die Brennkammer, also in den Verbindungskanal 19 entlang dessen Achse eingespritzt wird. Die untere Kammer 15 weist auf ihrer Unterseite ebenfalls einen mittig angeordneten Brennstoffeinlaß 23 auf, der durch die Kammer etwa bis zu deren Oberseite geführt ist, so daß Brennstoff in Richtung der Achse des erwähnten Verbindungskanals 19 nach oben in die Brennkammer eingespritzt wird.

Die Kammer 15 hat einen in bezug auf F i g. 1 nach unten gewölbten tellerförmigen Boden 25, auf den während des Betriebes des Brenners Wasser gesprüht wird, das aus Löchern eines unterhalb des Bodens 25 angeordneten Ringrohres 27 ausströmt. Die Oberseite der Kammer 15 kann — hier nicht gezeigt — ebenfalls tellerförmig ausgebildet sein, um Vibrationen zu verringern, die durch die Pulsationen der brennenden Feuergase verursacht werden.

Das Rohrpaket 5 ist in einem Teil des Behälters angeordnet, der durch die Seitenwände la und Ic/und durch Wände 29 und 31 begrenzt ist, die ein Überlaufwehr bilden. Die Wände 29 und 31 liegen nahe an dem Rohrpaket 5 an, wobei die Wände 29 und 31 niedriger sind als die Seitenwände la und Iddes das Rohrpaket aufnehmenden Behälters, und zwar derart, daß /wischen den Wänden und dem Deckel des Behälters ein einen Dom

to bildenden Zwischenraum 34 und zwischen den Wänden \nd dem Boden ein weiterer Zwischenraum verbleibt.

Der untere Zwischenraum kann auch, falls die Wände

bis zum Boden reichen, durch Löcher in den Wänden ersetzt werden.

Das Arbeitsfluid wird in das in dem Behälter befindliche Rohrpaket durch einen Einlaß 35 eingeleitet und verläßt dieses durch einen Auslaß 37. Die Verbindung zwischen Einlaß bzw. Auslaß und dem Rohrpaket wird jeweils über ein Anschlußrohr hergestellt; in der Figur ist nur das dem Auslaß 37 zugeordnete Anschlußrohr 39 gezeigt; dasjenige für den Einlaß ist unterhalb des Anschlußrohres 39 nahe dem Boden des Metallbehälters 1 angeordnet.
Zwischen den beiden Anschlußrohren isi das schon erwähnte Rohrpaket 5 angeordnet, das eine Vielzahl von Rohren 41 mit kleinem Durchmesser aufweist, die jeweils in einer senkrechten Ebene angeordnet und hier schlangenförmig geführt sind, derart, daß jedes Rohr mehrfach umgebogen und mehrere Teilstücke aufweist, die parallel zu der Seitenwand lt/des Wehres 33 verlaufen.

Der tangential angeordnete Auslaß 17 der Kammer 15 ist mit dem Verteilerkanal 7 verbunden, der einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweist und der nahe am Boden des Behälters 1 entlang der Seitenwand 29 geführt ist Im rechten Winkel zu dem Verteilerkanal 7 sind eine Vielzahl von Verteilerrohren 43 abgezweigt, von denen jedes sich unterhalb des Rohrpaketes 5 erstreckt. Jedes Verteilerrohr 43 ist in seinem in bezug auf Fig. 2 nach oben weisenden Bereich mit mehreren Löchern 47 versehen.

In dem Deckel des Behälters sind zwei Schornsteine bzw. Schornsteinanschlüsse 49 und 51 vorgesehen, die mit dem als Dom dienenden Zwischenraum 34 in Verbindung stehen.

Während des Betriebes des Wärmetauschers wird der oberen Kammer 10 über den Einlaß U Luft zugeführt, die dann in einer Schraubenbewegung abwärts durch die Brennkammer 19 strömt und dabei eine Kühlschicht 53 in Form eines Wirbelbettes für die metallenen Wände der Brennkammer 19 aufbaut. Der Brennstoff wird durch einen oder beide Brennstoffeinlässe 21 und 23 eingespritzt, so daß nach der Zündung der Brennstoff hauptsächlich in dem Raum 54, der von der KUhlschicht umgeben ist, und ferner in der unteren Kammer 15 verbrennt.

Der Metallbehälter 1 wird zum Wärmeaustausch mit einem Fluid, in diesem Falle Wasser, bis zu einem Niveau aufgefüllt — in der Zeichnung mit 55 bezeichnet — so daß das Metall des Verbindungskanales 19 und die Kammer 15 unterhalb des Niveaus 55 durch das Wasser gekül.lt werden, während oberhalb des Niveaus 55 der Verbindungskanal durch die Kühlluftschicht 53 auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten wird. Auf diese Weise braucht für den Brenner kein feuerfestes Material verwendet werden. Da der Raum unterhalb der Kammer 15 nicht mit Wasser gefüllt ist, wird hier, wie bereits erwähnt, der Boden der Kammer

über das Ringrohr 27 mit Kühlwasser besprüht.

Die aus der Kammer 15 austretenden Verbrennungsgase strömen durch den Auslaß 17 und durch den Verteilerkanal 7 in die Verteilerrohre 43. Aus diesen Rohren strömen sie durch die Löcher 47 in das im inneren Behälter 33 enthaltene Wasser direkt unterhalb des Rohrpaketes 5. Die Verbrennungsgase steigen durch das Wasser auf und gelangen dabei, da die Seitenwände 29 und 31 eng an dem Rohrpaket 5 anliegen, in innigen Kontakt mit den einzelnen Rohren dieses Paketes, bis sie zur Oberfläche aufgestiegen sind. Infolge der Anreicherung des Wassers mit den Verbrennungsgasen ist das spezifische Gewicht des Wassers innerhalb des das Rohrpaket 5 aufnehmenden Raumes wesentlich geringer als außerhalb, so daß die Oberfläche des Wassers hier ansteigt. Gleichzeitig wird jedoch Wasser durch die unteren Durchbrüche in den Seitenwänden 29 und 31 in das innere Gebiet nachströmen. Wenn der Durchsatz der Verbrennungsgase durch das als Wärmeaustauschflüssigkeit dienende Wasser genügend groß ist, wird das Wasser über die Seitenwände 29 bis 31 überlaufen. In diesem Zustand überdeckt das Wasser auch die obersten Windungen des Rohrpaketes 5. Das Wasser, das über die Seitenwände 29 und 31 abfließt, wird wiederum, wie oben geschildert, durch kühleres Wasser ersetzt.

In dem Raum 34 oberhalb des Rohrpaketes 5 strömen die Verbrennungsgase aus dem Wasser aus und verlassen den Behälter durch die: Schornsteinanschlüsse 49 und 51.

Das Arbeitsfluid, etwa eine zu verdampfende Flüssigkeit wie flüssiger Stickstoff, Erdgas, Methan, Sauerstoff oder Äthylen, wird durch den Einlaß 35 in das untere Anschlußrohr eingeleitet. Es strömt dann in die Rohre 41 und, deren schlangenförmiger Führung folgend, mehrmals durch die gesamte Länge des als Wehr dienenden inneren Behälters, bevor es in das obere Anschlußrohrsystem 39 eintritt. Während des Flusses durch die Wärmeaustauschflüssigkeit wird das Arbeitsfluid erwärmt bzw. verdampft, wobei die Wärmeübertragung aufgrund der Schlangenführung und der dadurch bedingten großen Kontaktfläche der Rohre 41 mi» dem Wasser sehr wirksam ist.

In einem Wärmetauscher der beschriebenen Art können Wirkungsgrade erreicht werden, die nur etwa ein Prozent unter denen für einen idealen Wärmetauscher liegen, so daß Einheiten mit nur einem Brenner bis zu 100 000 000 Britische Wärmeeinheiten pro Stunde (ca. 25 000 000 kcal/h) abgeben.

Die spezielle Anordnung des tangentialen Einlasses 11 und des Verbindungskanales 19 gewährleistet in Verbindung mit der tangentialen Führung des Auslasses 19 und der Kegelstumpfform des Verbindungskanales zudem eine Stabilität der Verbrennung durch die Wirbelbildung innerhalb der eingeblasenen Luft wodurch bei minimalem Druckabfall eine maximale Vermischung der Gase bzw. des Brennstoffes und damit eine sehr hohe Intensität der Verbrennung erreicht wird.

In einem Wärmetauscher gemäß dem Stande der Technik mit einer Wärmeabgabe von 72 000 000 Briti- eo sehen Wärmeeinheiten pro Stunde (ca. 18 000000 kcal/ h) wird für den Brenner ein Gebläse erforderlich sein, das von einem elektrischen Motor mit etwa 250 PS angetrieben wird. Ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung mit gleicher Leistung wird einen Motor mit etwa 100 PS weniger erfordern.

Ferner ist keine komplizierte Vormischung des Brennstoffes nötig, da etwa nicht aufbereitetes Gas als Brennstoff verwendet werden kann, wobei die Einspritzung entlang der Achse des Verbindungskanales in Verbindung mit der in der Kühlschicht verwirbelten Luft eine gleichmäßige und intensive Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad gewährleistet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer, mit einem Abzugsöffnungen aufweisenden Tank zur Aufnahme einer Wärmetauscher-Flüssigkeit, einem in diese teilweise eingetauchten, von einer mantelförmigen Wandung umgebenen Rohrschlangen-System für das aufzuheizende Medium und einem Brenner für die Erzeugung des Heißgases, das Ober einen Gasleitungsschacht in die Wärmetauscher-Flüssigkeit unterhalb des Rohrschlangen-Systems eingeführt wird, wobei der Brenner mit einer oberen, außerhalb der Wärmetauscher-Flüssigkeit liegenden Kammer mit einem Lufteinlaß versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (4) weiterhin eine unters, in der Wärmetauscher-Flüssigkeit angeordnete Kammer (15) aufweist, die mit der oberen Kammer (10) über einen vertikal verlaufenden Verbindungskanal (19) verbunden ist und einen tangential gerichteten Gasauslaß (17) aufweist, der in den Gasleitungsschacht (7) mündet, welcher horizontal neben der mantelförmigen Wandung (29,31) liegend mit einer Vielzahl von sich direkt unterhalb des Rohrschlangen-Systems (5) erstreckenden Verteilerrohren (43) mit nach oben weisenden Auslässen (47) verbunden ist

2. Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kammern (10, 15) Brennstoff-Einlässe (21, 23) zum Einspritzen von Brennstoff in Richtung der Längsachse des Verbindungskanals (19) vorgesehen sind, von denen der Brennstoff-Einlaß (21) der oberen Kammer (10) nach unten und der Brennstoff-Einlaß (23) der unteren Kammer (15) nach oben in Richtung der oberen Kammer (10) gerichtet ist.

3. Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lufteinlaß (11) tangential in die obere Kammer (10) mündet und der Verbindungskanal (19) die Form eines Kegelstumpfes aufweist, dessen Querschnitt sich in Richtung zur unteren Kammer(15) erweitert.

4. Tauch-Heißgas-Flüssigkeitserhitzer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus oberer Kammer (10), kegelstumpfförmigem Verbindungskanal (19) und unterer Kammer (15) bestehende Brenner (4) als Wirbelbett-Brenner ausgebildet ist, dessen Gehäuse aus Metall besteht.