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VORRICHTUNG ZUR RAUCHGASFÜHRUNG IN EINEM ALS
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ZWANGSDURCHLAUFKESSEL AUSGEBILDETEN WARMEKESSEL (Zusatz zu Patentanmeldung
P 28 26 048.2-13)
VORRICHTUNG ZUR RAUCHGASFÜHRUNG IN EINEM ALS ZWANGSDURCH-LAUFKESSEL
AUSGEBILDETEN WARMEKESSEL Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur.
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Rauchgasführnng in einem als Zwangsdurchlaufkessel ausgebildeten Wärmekessel,
der eine Strahlungsbrennkammer mit den Flammenbereich radial umgebenden, von Wärmetransportmedium
durchströmbaren, als Strahlungsheizflächen ausgelegten Rohrführungen, weitere durchströmbare
Rohrführungen, die zu den Strahlungsheizflächen sowie zueinander radial versetzt,
von den erzeugten Rauchgasen umströmbar und als Konvektionsheizflächen ausgelegt
sind, sowie eine Ableitung für die Rauchgase zu einem Kamin nach Durchströmen der
Konvektionsheizflächen aufweist, zur Durchführung eines Verfahrens nach Patent ......
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(Patentanmeldung P 28 26 048.2-13).
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In der älteren Patentanmeldung ist ein Verfahren zur Führung der im
Brennraum eines Wärmekessels erzeugten Rauchgase beschrieben, bei dem die Rauchgase
innerhalb des Wärmekessels unter Wärmeabgabe über von einem Wärmetransportmedium
gekühlte Kühlstrecken geleitet und einem Abgaskamin zugeführt werden, wobei die
den Brennraum verlassenden
Rauchgase in mindestens zwei Teilströme
aufgeteilt, die einzelnen Teilströme unterschiedlich stark durch Wärmeabgabe an
das Wärmetransportmedium gekühlt, sodann zumindest teilweise wieder zu einem Gasstrom
vorwählbarer Mischtemperatur zusammengemischt und dann zumindest teilweise einem
nachgeschalteten Verbraucher direkt zugeleitet werden, wobei die nicht an diesen
Verbraucher abgegebenen Anteile der Rauchgase bis über die letzte der Kühlstrecken
zum Abgaskamin geführt und die zur Bildung des Gasstromes vorwählbare Mischtemperatur
verwendeten Anteile der Teilströme entsprechend der gewählten Mischtemperatur gesteuert
werden. Hierdurch ist es möglich, für die konventionelle Wärmeerzeugung des Kessels
die volle erzeugte Strahlungswärme und die benötigte Konvektionswärme zu entnehmen
und gleichzeitig Rauchgase einer gewünschten Temperatur innerhalb eines Temperaturbereiches
von ca. 5000C bis ca. 9000C laufend für einen nachgeschalteten Verbraucher abzuziehen.
Das Verfahren nach der älteren Anmeldung gewährleistet überdies eine besonders hohe
Wirtschaftlichkeit, da die von der erzeugten Flamme abgegebene volle Strahlungswärme
für die konventionelle Wärmeerzeugung ebenso wie die benötigte Konvektionswärme
ausgenutzt werden kann. Selbst die nicht für den nachgeschalteten Rauchgasverbraucher
benötigten Rauchgas-Restanteile werden bis zu ihrer Einleitung in den Rauchgaskamin
noch zur Wärmeabgabe für die Wärmeerzeugungsseite des Kessels herangezogen.
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Weiterhin werden in der älteren Anmeldung auch Vorrichtungen zur Durchführung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens beschrieben.
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Es hat sich nun gezeigt, daß als eine Vorrichtung zur Rauchgasführung
nach einem Verfahren gemäß der älteren Anmeldung bei einem als Zwangsdurchlaufkessel
ausgebildeten Wärmekessel sich eine Vorrichtung der eingangs genannten Art besonders
günstig und vorteilhaft verwenden läßt, die
dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Konvektionsheizflächen der Strahlungsbrennkammer nachgeschaltet sowie
ein zentral angeordneter Rauchgaskanal zum direkten Ableiten von Rauchgasen aus
der -Strahlungsbrennkammer mit einer Einrichtung zum Steuern des Rauchgasstromes,
eine dem Kanal nachgeschaltete Absaugeinrichtung zum Absaugen der Rauchgase und
weiterhin eine Zuleitung vorgesehen sind, über die im Bereich der Konvektionsheizflächen
strömende Rauchgase dem Rauchgaskanal zuführbar sind. Eine solchermaßen ausgestaltete
Vorrichtung kann in Normalbetrieb dann, wenn die Einrichtung zum Steuern des Rauchgasstromes
den Rauchgaskanal gegen Durchtritt von Rauchgasen verschließt( durch Anströmung
aller Heizflächen einen normalen Wirkung-sgrad erreichen und etwa nach DIN 4754
ausgebildet werden. Andererseits kann durch die erfindungsgemäß vorgesehene Entnahmevorrichtung
in Verbindung mit der Einrichtung zum Steuern des Rauchgasstromes in den verschiedenen
Lastbereichen des Erhitzers eine gleiche Menge-von Rauchgas mit einer nahezu beliebig
vorzuwählenden Temperatur innerhalb eines Temperaturbereiches, der dem aus der älteren
Anmeldung entspricht (also ca. 50-00C bis ca. 9000C), abgenommen werden.
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Eine besonders einfache und wirkungsvolle sowie-leicht steuerbare
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich dadurch erzielen, daß
die Einrichtung zum Steuern des Rauchgasstromes als eine im Rauchgaskanal angeordnete
Drosselklappe ausgeführt ist. Vorteilhafterweise werden weiterhin als Zuleitung
zum Zuführen der im Bereich der Konvektionsheizflächen strömenden Rauchgase an den
Rauchgaskanal Öffnungen im Mantelrohr des Rauchgaskanales vorgesehen, die - in Strömungsrichtung
der Rauchgase gesehen - hinter der Einrichtung zum Steuern des Rauchgasstromes angeordnet
sind. Hierdurch wird eine wirkungsvolle und besonders einfach herstell-
bare
Zuleitung geschaffen, die überdies ohne irgendwelche zusätzlichen bewegbaren mechanischen
Teile arbeiten kann. Dabei werden die Öffnungen vorteilhafterweise gleichmäßig über
das Mantelrohr des Rauchgaskanales verteilt angeordnet und von gleicher Größe ausgeführt.
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Für bestimmte Einsatzfälle mag es allerdings auch von Vorteil sein,
wenn die auf der Oberfläche des Mantelrohres verteilten Öffnungen in einer bestimmten,
zweckmäßigen Musterung und - vielleicht auch - von unterschiedlichen Größen und
Formen vorgesehen sind. Im Regelfall dürfte jedoch mit der gleichmäßigenAnordnung
gleich großer und gleich geformter Öffnungen eine ausreichend zuverlässige und besonders
gleichmäßige Zuführung der Rauchgase von allen Seiten her in den Rauchgaskanal sichergstellt
sein.
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Dabei empfiehlt es sich, wenn die Öffnungen über einen Oberflächenbereich
des Mantelrohres verteilt angeordnet sind, der über seiner ganzen Länge außen von
Konvektionsheizflächen umgeben ist. Hierdurch wird sichergstellt, daß wirklich nur
solche Rauchgase, die an den Konvektionsheizflächen entlangströmten und damit bereits
eine gewisse Abkühlung erhielten, durch die öffnungen in den Rauchgaskanal eingeleitet
werden können.
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Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird dadurch erhalten, daß die der Strahlungsbrennkammer nachgeschalteten Konvektionsheizflächen
mehrere, radial zueinander versetzt angeordnete Rohrleitungen aufweisen, die einzeln
oder gemeinsam an den Kreislauf des Wärmetransportmediums zu-und von ihm abschaltbar
sind. Hierdurch läßt sich die Abkühlwirkung der Heizflächen für das Wärmetransportmedium,
die auf die dort entlangströmenden Rauchgase ausgeübt wird, in einfacher Weise regeln
bzw. verändern und somit die Temperatur der hinter der Drossel-
klappe
in den Rauchgaskanal eintretenden Rauchgase, welche die direkt aus der Strahlungsbrennkammer
ohne Abkühlung in den Rauchgaskanal einströmenden Rauchgase zum Erzielen der gewünschten
Temperatur abkühlen sollen, ebenfalls in geeigneter Weise beeinflussen.
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Vorteilhafterweise weist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die
Absaugeinrichtung einen Ventilator auf, mittels dessen zum Ansaugen-von Rauchgasen
im Rauchgaskanal ein Unterdruck erzeugbar ist. Dieser Ventilator sorgt zunächst
dafür, daß eine bestimmte, im wesentlichen gleich große, seiner Fördermenge entsprechende
Menge an Rauchgasen laufend durch den Rauchgaskanal abgezogen wird. Dabei wird durch
entsprechendes Verstellen der Drosselklappe, welche den Querschnitt des Rauahgaskanales
zum Eintreten der direkt aus der Strahlungsbrennkammer ankommenden Rauchgase steuert,
nur ein entsprechender Anteil an ungekühlten, heißen Rauchgasen eingelassen; andererseits
wird durch den dabei hinter der Drosselklappe entstehenden relativen Unterdruck
in dem Rauchgaskanal gegenüber der Umgebung des Rauchgaskanales bewirkt, daß aus
dieser Umgebung (d.h. aus der Gegend der Konvektionsheizflächen) strömende, dort
bereits abgekühlte Rauchgase zu einem gewissen Anteil über die öffnungen im Rauchgaskanal
hinter der Drosselklappe in diesen eintreten und dort die direkt aus der Strahlungsbrennkammer
entnommenen heißen Rauchgase entsprechend abkühlen können. Je stärker dabei durch
die Drosselklappe im Rauchgaskanal der Eintritt an ungekühlten, heißen Rauchgasen
aus der Strahlungsbrennkammer behindert wird, desto stärker ist der hier entstehende
Unterdruck und desto größer der Anteil an abgekühlten Rauchgasen, die hinter der
Drosselklappe zur Abkühlung der heißen, ungekühlten Rauchgase angesaugt werden.
Die ingesamt erhaltene, der gewünschten Temperatur entsprechende Rauchgasmischung
wird dann über den
Ventilator dem nachgeschalteten Verbaucher zugeführt,
während die nicht in den Rauchgaskanal eingetretenen Rauchgase nach Durchströmen
der Konvektionsheizflächen für das Wärmetransportmedium letztlich abgekühlt in den
Abgaskamin eingeleitet werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
in der Ableitung für die Rauchgase zum Kamin sowie in dem Rauchgaskanal zwischen
Absaugeinrichtung (z.B. Ventilator) und Steuereinrichtung (z.B.
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Drosselklappe) für den Rauchgasstrom jeweils eine zusätzliche Drosselklappe
angeordnet, wobei beide Drosselklappen in Abhängigkeit voneinander verstellbar sind.
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Hierdurch wird sichergestellt, daß unabhängig von der Eingangsöffnung
der Drosselklappe im Rauchgaskanal der rauchgasseitige Gesamtwiderstand ausreichend
groß ist, um eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine Regeleinrichtung zum Ansteuern dieser beiden Drosselklappen sowie der Steuereinrichtung
für den Gasstrom im Rauchgaskanal in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Rauchgas-Entnahmetemperatur
bei vorgegebener Rauchgas-Entnahmemenge vorgesehen ist. Dies kann besonders einfach
und vorteilhaft etwa über ein geeignet plaziertes Thermoelement geschehen, über
das die gewünschte Rauchgasendtemperatur vorgegeben wird.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Regeleinrichtung wird nun die
Steuereinrichtung für den Einlaß der nichtabgekühlten heißen Rauchgase aus der Strahlungsbrennkammer
("Regelklappe") so gesteuert, daß diese vorgegebene Temperatur gehalten werden kann.
Dies wird dabei ermöglicht, weil im Bypass heiße Rauchgase aus dem Strahlungsraum
entnommen werden können; bei einem zu hohen Anteil von heißen Rauchgasen aus dem
Strahlungsbrennraum wird die Regelklappe über die Steuereinrichtung
dann
soweit zugefahren, daß der nachgeschaltete Ventilator gekühlte Rauchgase über die
Konvektionsheizflächen und das nach der Regelklappe gelochte Rohr abzieht.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einfachen Mitteln eine
Temperaturregelung in allen Lastbereichen des Erhitzers problemlos- und funktionssicher
bei geringem Aufwand möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber
im Prinzip noch näher erläutert.
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Bei der in der Figur dargestellten Vorrichtung ist ein als Zwangsdurchlaufkessel
ausgebildeter Wärmekessel 1 mit einem Brenner 4 vorgesehen; dem Brenner 4 wird über
eine Brennstoffleitung 6 der für die Verbrennung erforderliche Brennstoff und über
ein Gebläse 5 die nötige Luft zugeführt. Innerhalb des Wärmekessels 1 ist in weitem
radialem Abstand vom Brenner 4 eine Reihe von Rohrleitungen 7 spiralförmig um die
Mittelachse des Kessels 1 verlaufend angeordnet. Diese Rohrleitungen 7 werden (was
in der Figur nur beispielshalber an einigen Stellen gezeigt ist) von Wärmetransportmedium
2 durchströmt, für das sie als Heizflächen dienen. Die Anordnung und der weite radiale
Abstand der Rohrleitungen 7 zum Brenner 4 sind so gewählt, daß die Rohrleitungen
7 im vorderen (d.h. in der Figur: im rechts liegenden) Bereich des Wärmekessels
1 als Strahlungsheizflächen wirken: die Aufheizung dieser Rohrleitungen 7 erfolgt
dort somit nicht etwa durch konvektiven Wärmeübergang aus strömenden Rauchgasen,
sondern im wesentlichen durch die vom Flammenbereich ausgehende Strahlungswärme
("Strahlungsheizflächen"). In geeignet gewähltem axialen Abstand vom Brenner 4 sind
dann, radial zu den Rohrleitungen 7 sowie zueinander versetzt, auch andere Rohrleitungen
8
und 9 angeordnet, die ebenfalls vom Wärmetransportmedium 2 durchströmt
werden. In diesem hinteren (d.h. in der Figur links liegenden) Bereich des Wärmekessels
1 dienen die dort vorhandenen Reihen von Rohrleitungen 7, 8 und 9 nunmehr im wesentlichen
als Konvektionsheizflächen für das in ihnen strömende Wärmetransportmedium 2, was
darauf zurückzuführen ist, daß dort die heißen, von der vorgeschalteten Strahlungsbrennkammer
stammenden Rauchgase zwischen den einzelnen Rohrleitungen hindurchströmen und sich
dabei unter Aufheizung derselben langsam abkühlen. Nach Durchströmen dieser Rohrleitungen
werden dann die abgekühlten, nicht anderweitig genutzten Rauchgase über einen Auslad
27, in dem eine Drosselklappe 14 angeordnet ist, einem Kamin 26 zugeführt. Bei der
gezeigten Anordnung sind also die als Konvektionsheizflächen ausgebildeten Rohrreihen
(hintere, d.h. in der Figur links liegender Teil der Rohrreihe 7 sowie Rohrreihen
8 und 9) der Strahlungsbrennkammer 3 nachgeschaltet, die ihrerseits im wesentlichen
aus dem Flammenbereich und den diesen in weitem Abstand umgebenden Teil der Rohrreihe
7 (dort als Strahlungsheizflächen benutzt) besteht. Dieser Strahlungsbrennkammer
ist auch noch ein zentral angeordneter rohrförmiger Rauchgaskanal 10 nachgeschaltet,
um den herum die Konvektionsheizflächen angeordnet sind. Die Konvektionsheizflächen
sind ihrerseits jeweils einzeln dem Kreislauf des Wärmeübertragungsmediums zu- und
von ihm abschaltbar. Innerhalb des Rauchgaskanales 10 ist eine Drosselklappe 12
an einer Stelle angeordnet, die - in Strömungsrichtung der Rauchgase gesehen - hinter
der Stelle angeordnet ist, wo die ersten Schlangen der Konvektionsheizflächen zum
Abkühlen der aus der Strahlungsbrennkammer austretenden Rauchgase vorliegen. Weiterhin
in Strömungsrichtung der Rauchgase gesehen sind hinter der Drosselklappe 12 Öffnungen
11 in der Rohrwand des Rauchgaskanales 10 angebracht, durch die zwischen den als
Konvektionsheizflächen dienenden Rohrlei-
tungen strömende, bereits
abgekühlte Rauchgase von außen her in den Rauchgaskanal 10 einfließen können.
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Vom Rauchgaskanal 10 aus werden über eine geeignete Leitung 28 die
Rauchgase einem Rauchgasverbraucher 16 zugeleitet, wobei in der Leitung 28, dem
Rauchgaskanal nachgeschaltet, eine als Ventilator 17 ausgebildete Absaugeinrichtung
zwischengeschaltet ist. Am Ende des Rauchgaskanales 10 ist eine weitere Drosselklappe
13 vorgesehen, die in Verbindung milder im Auslaß 27 vorgesehenen Drosselklappe
14 so gesteuert werden kann (worauf später noch zurückzukommen sein wird) , daß
stets der erforderliche rauchgasseitige Widerstand für eine stabile Verbrennung
in der Brennkammer 3 sichergestellt ist.
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Zwischen den Drosselklappen 12 und 13 ist ein als Thermoelement ausgebildeter
Wärmefühler 15 vorgesehen, über den die Temperatur des im Rauchgaskanal 10 strömenden
Rauchgases kurz vor der Drosselklappe 13 feststellbar ist. Weiterhin ist eine Regeleinrichtung
18 vorgesehen, die zum Einregeln einer gewünschten Rauchgastemperatur für die in
der Leitung 28 strömenden Rauchgase die Klappen 12, 13 und 14 in geeigneter Weise
über Signalflußleitungen 20, 21 und- gesteuert. Dabei wird vom Thermoelement 15
über eine Signalflußleitung 19 ein der momentanen Temperatur der Rauchgase vor der
Drosselklappe 13 entsprechendes Signal als Regelgröße eingegeben.
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Das Wärmetransportmedium 2 aus den Heizflächen des Wärmekessels 1
wird über eine Leitung 23 einem hachgeschalteten Wärmeverbraucher 24 zugeführt und
von diesem wieder in den Wärmekessel 1 eingespeist. Dabei ist eine entsprechende
Pumpeinrichtung 25 in der Leitung 23 zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes vorgesehen.
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Bei Inbetriebnahme arbeitet die gezeigte Vorrichtung folgendermaßen:
Dem Brenner 2 wird über die Brennstoffleitung 6 der für die Verbrennung nötige Brennstoff
sowie über das Gebläse 7 die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderliche
Luft zugeführt. Im Brennraum 3 erfolgt dann die gewünschte Verbrennung, wobei der
dort erzeugte Flammenbereich weit außen von den Rohrleitungen 7 als Konvektionsheizflächenumgeben
ist. Das in diesen Rohrleitungen dort strömende Wärmetransportmedium wird durch
die hier übertragenc Strahlungswärme aufgeheizt. Dic Rauchgase treten nach Verlassen
des Flanmenbereiches teilweise in das Innere des Rauchgaskanales 10 ein, teilweise
strömen sie außen an dem Rauchgaskanal 10 zwischen den einzelnen Rohrreihen 7, 8
und 9 hindurch, wobei dort im wesentlichen über konvektiven Wärmeübergang das Wärmetransportmedium
2 in den Rohrschlagen unter Abkühlung der Rauchgase aufgeheizt wird. In Abhängigkeit
von einer gewünschten Rauchgastemperatur für den nachgeschalteten Rauchgasverbraucher
16 ist die Drosselklappe 12 von der Regeleinrichtung 18 in eine bestimmte Stellung
gebracht, so daß, auch noch unter Einwirkung des laufenden Ventilators 17, die heißen
Rauchgase dort um die Drosselklappe herum in den weiteren Verlauf des Rauchgaskanales
10 hineingesaugt werden. Infolge des hinter der Drosselklappe 12 jedoch entstehenden
Unterdruckes gegenüber der Umgebung des Rauchgaskanales 10 werden allerdings auch
bereits abgekühlte Rauchgase aus dem Bereich der Konvektionsheizflächen über die
Öffnungen 11 in das Innere des Rauchgaskanales 10 zu den dort bereits strömenden
heißen (ungekühlten) Rauchgasen hineingesaugt; die Mischtemperatur des Rauchgasstromes
wird dann weiter hinten vom Thermofühler 15 erfaßt und ein entsprechendes Informationssignal
über die Leitung 19 an die Regeleinrichtung 18 abgegeben. Entsprechend dem eingestellten
Sollwert
wird dann die Drosselklappe 12 für den Fall, daß eine höhere Temperatur gewünscht
ist, weiter geöffnet, wodurch ein größerer Anteil heißer Rauchgase direkt aus dem
Brennraum 3 eintreten kann und, infolge der geringeren Unterdruckes hinter der Drosselklappe
12, auch entsprechend weniger bereits abgekühlte Rauchgase über die Öffnungen 11
eingesaug wird. Ist hingegen die vom Thermofühler 15 erfaßte temperatur des Rauchgasstromes
noch immer höher als der eingestellte Sollwert, dann wird von der Rgeleinrichtungl8
über die Signalleitung 22 ein weiteres Schließen der Drosselklappe 12 vorgenommen;
hierdurch können noch weniger heiße Rauchgase die Stelle der Drosselklappe 12 passieren,
wobei hinter dieser ein vergrößerter Unterdruck durch den Ventilator 17 erzeugt
und dadurch ein stärkeres Einfließen abgekühlter Rauchgase durch die Offnungen 11
hervorgerufen wird. In jedem Fall wird die Drosselklappe 12 über die Regeleinrichtung
18 letztlich in eine Stellung gebracht, in der die Mischung der direkt einfließenden,
ungekühlten heißen Rauchgase undder über die Offnungen 11 angesaugten bereits gekühlten
Rauchgase zu -einem Rauchgasstrom der gewünschten Temperatur führt. Mit dieser Regelung
zusammengeschaltet ist auch, ebenfalls über die Regeleinrichung 1 gesteuert, eine
entsprechende Verstellung der Drosselklappen 13 und 14 zur Aufrechterhaltung des
erforderlichen rauchgasseitigen Widerstandes. Da auch hierdurch die vom Ventilator
17 ausgelösten Druckverhältnisse hinter der Drosselklappe 12 und damit die Strömungverhältnisse
des Rauchgasstromes im Rauchgaskanal 10 insgesamt beeinflußt werden, wird über die
Regeleinrichtung 18 somit letztlich ein geeignetes Verstellen der Drosselklappen
12, 13 und 14 gesteuert, so daß über die Leitung 28 der gewünschte Rauchgasstrom
der voreingestellten Temperatur an den Rauchgasverbraucher 16 in jedem Lastbereich
des Erhitzers erfolgen kann.
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Es ist wohl noch eine Vielzahl einzelner Zusatzvorrichtungen bei der
praktischen Ausführung eines solchen Wärmekessels erforderlich (Brennstoff-Regeleinrichtungen,
Lastregler etc.), deren Erwähnung jedoch zum Verständnis der Erfindung nicht nötig
ist, nur einer leichteren Versädlichkeit wegen nicht erfolgte und die bei praktisch
auszuführenden Vorrichtungen durch Einsatz geeigneter, üblicher Einrichtungen selbstverständlich
stets zusätzlich vorzusehen sind.