DE2836251B2 - Anordnung zur Rauchgasführung und Rauchgasentnahme in einem Wärmekessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rauchgasführung und Rauchgasentnahme in einem Wärmekessel mit die Strahlungsbrennkammer umgebenden, als Strahlungsheizflächen ausgelegten, und mit zu diesen versetzt angeordneten, der Brennkammer nachgeschalteten, als Konvektionsheizflächen ausgebildeten Rohrführungen, mit einem am Ende der Brennkammer zentral innerhalb der Konvektionsheizflächen angeordnetem Rauchgaskanal zum direkten Einströmen ungekühlter Rauchgase, der als axial zur Brennkammer hin offenes Rohr ausgebildet ist und in seinem Inneren eine Drosseleinrichtung für den dort fließenden Rauchgas· strom aufweist, sowie mit einem Kamin zur Ableitung der Rauchgase nach Umströmen der Konvektionsheizflächen.

Aus der DE-PS 8 03 501 ist eine solche Anordnung bekannt, bei der im Dampferzeuger, im Inneren eines doppelwandigen Gehäuses, im Sinne der Gasströmung hintereinandergeschaltet ein Brennraum, ein Verdampfer, ein Überhitzer und ein nachgeschalteter Verdampfer zwecks Vermeidung von Druckverlusten in gerader Flucht angeordnet sind. Bei der vorbekannten Anordnung wird die Druckenergie der Verbrennungsgase mindestens einer den erwähnten Wärmeaustauschern nachgeschalteten Nutzleistungsgasturbine ausgenutzt,

is wobei die Gastemperatur am Austritt aus dem Dampferzeuger mit Hilfe des erwähnten nachgeschalteten Verdampfers geregelt wird. Um die Gastemperatur am Gasauslaß des Dampferzeugers regeln zu können, wird der im Sinne der Gasströmung nachgeschaltete Verdampfer mit einem Ga^durchgang mit Drosselklappe versehen; gleichermaßen wird auch ein Gasdurchgang mit einer Drosselklappe bei dem im Sinne der Gasströmung vorgeschalteten Verdampfer eingesetzt, um die Regelung der Gastemperatur vor dem

Überhitzer und damit auch diejenige der Frischdampftemperatur zu ermöglichen. Diese vorbekannte Anordnung läßt zwar eine Steuerung der Gaseintrittstemperatur beim Oberhitzer und weiterhin auch eine Steuerung der Gasauslaßtemperatur des Dampferzeugers zu, die Möglichkeit zur Entnahme von in ihrer Temperatur innerhalb eines weiten Temperaturbereiches steuerbaren Rauchgasen in den verschiedenen Lastbereichen des Erhitzers zum Abzug an einen außerhalb des vorgesehenen Rauchgaskreislaufes angeordneten Rauchgasverbraucher ist jedoch nicht möglich.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß sie bei Ausbildung des Wärmekessels als Zwangdurchlaufkessel eine gleichmäßige Entnahme von Rauchgasen in den verschiedenen Lastbereichen des Erhitzers bei gleichzeitig innerhalb eines weiten Temperaturbereiches von ca. 500⁰C bis ca. 900⁰C beliebig einstellbarer Temperatur ermöglicht. Erfindungsgemäß wird dies bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß bei einer Ausbildung des Wärmekessels als Zwangdurchlaufkessel am Mantel des Rohres öffnungen angebracht sind, die in Strömungsrichtung der Rauchgase hinter der Drosseleinrichtung angeordnet sind, und daß das Rohr

so an einer Stelle hinter den öffnungen über eine Absaugeinrichtung an einen Rauchgasverbraucher angeschlossen ist. Eine solchermaßen ausgestaltete Anordnung kann im Normalbetrieb dann, wenn die Drosseleinrichtung den Rauchgaskanal gegen Durchtritt von Rauchgasen verschließt, durch Anströmung aller Heizflächen einen normalen Wirkungsgrad erreichen und etwa nach DIN 4754 ausgebildet werden. Andererseits ermöglicht diese erfindungsgemäße Anordnung es jedoch, in den verschiedenen Lastbereichen des Erhitzers eine gleiche Menge von Rauchgas mit einer nahezu beliebig vorzuwählenden Temperatur innerhalb des vorgenannten Temperaturbereichs abzunehmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wirkungsvoll, ist besonders einfach herstellbar und benötigt, abgesehen von der beweglichen Drossel, keinerlei sonstige zusätzliche bewegbaren mechanischen Teile.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden

die Öffnungen gleichmäßig über das Mantelrohr des Rauchgaskanals verteilt angeordnet und von gleicher Größe ausgeführt 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 unterschiedlicher Größe und Form vorgesehen sind. Im Regelfall dürfte jedoch mit der gleichmäßigen Anordnung gleich großer und gleich geformter Öffnungen eine ausreichend zuverlässige und besonders gleichmäßige Zuführung der Rauchgase von allen Seiten her in den Rauchgaskanal sichergestellt sein. Es empfiehlt sich dabei, wenn die öffnungen über einen Oberfläch jnbereich des Mantelrohres verteilt angeordnet sind, der über seiner ganzen Länge von Konvektionsheizflächen umgeben ist Hierdurch wird sichergestellt, daß wirklich nur solche Rauchgase, die an dsn Konvektionsheizflächen entlangströmen und damit bereits eine gewisse Abkühlung erhieltci, durch die Öffnungen in den Rauchgaskanal eingeJeitet werden können.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung wird auch dadurch erhalten, daß am Austritt des Rohres zum Rauchgasverbraucher und in der Ableitung der Rauchgase zum 2s Kamin jeweils eine Drossselklappc angeordnet ist, wobei beide Drosselklappen in Abhängigkeit voneinander verstellbar sind. Hierdurch wird sichergestellt, daß unabhängig von der Eingangsöffnung der Drosselklappe im Rauchgaskanal der rauchgasseitige Gesamtwiderstand ausreichend groß ist, um stets eine stabile Verbrennung aufrecht zu erhalten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Anordnung eine Regeleinrichtung zum Steuern der beiden Drosselklappen sowie der Drosse- !einrichtung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Rauchgas-Entnahmetemperatur bei vorgegebener Rauchgas- Entnr.hmemenge vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Regeleinrichtung wird nun die Steuereinrichtung für den Einlaß der nicht abgekühlten heißen Rauchgase aus der Strahlungsbrennkammer (»Regelklappe«) so gesteuert, daß diese vorgegebene Temperatur gehalter, werden kann. Dies wird ermöglicht, weil im Bypass heiße Rauchgase aus dem Strahlungsraum entnommen werden können; bei einem zu hohen Anteil von Rauchgasen aus dem Strahlungsbrennraum wird die Regelklappe über die Regeleinrichtung soweit zugefahren, daß die nachgeschaltete Absaugeinrichtung (etwa ein Ventilator) gekühlte Rauchgase über die Konvektionsheizflächen so und das nach der Regelklappe gelochte Rohr abzieht. Hiermit läßt sich mit einfachen Mitteln eine Temperaturregelung in allen Lastbereichen des Erhitzers problemlos und funktionssicher bei geringem Aufwand ermöglichen.

Eine besonders einfache Ausführung der Drosseleinrichtung besteht in deren Ausführung als Drosselklappe.

Durch die bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen vorgesehene Anordnung einer Absaugeinrichtung zwischen Rauchgaskanal und Rauchgasverbraucher läßt sich zum Ansaugen von Rauchgasen im Rauchgaskanal ein Unterdruck erzeugen, wobei durch die Absaugeinrichtung, vorzugsweise einen Ventilator, eine bestimmte, im wesentlichen gleich große, der Fördermenge der Absaugeinrichtung entsprechende Menge an Rauchgasen laufend durch den Rauchgaskanal abgezogen wird. Dabei wird durch entsprechendes Verstellen der Drosseleinrifhtung, die den Querschnitt des Rauchgaskanals 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 Drosseleinrichtung entstehenden relativen Unterdruck im Rauchgaskanal gegenüber der Umgebung desselben bewirkt, daß aus dieser Umgebung (& h. aus der Gegend der Konvektionsheizflächen) strömende, dort bereits abgekühlte Rauchgase zu einem gewissen Anteil über die Offnungen im Rauchgaskanal hinter der Drosseleinrichtung in diesen eintreten und dort die direkt aus der Strahlungsbrennkammer entnommenen heißen Rauchgase entsprechend abkühlen können. Je stärker dabei durch die Drosseleinrichtung im Rauchgaskanal der Eintritt an ungekühlten, heißen Rauchgasen aus der Strahlungsbrennkammer behindert wird, desto stärker ist der hier entstehende Unterdruck und desto größer der Anteü an abgekühlten Rauchgasen, die hinter der Drosseleinrichtung zur Abkühlung der heißen, ungekühlten Rauchgase angesaugt werden. Die insgesamt erhaltene, der gewünschten Temperatur entsprechende Rauchgasmischung wird dann über die Absaugeinrichtung dem nachgeschalteten Verbraucher zugeführt, während die nicht in den Rauchgaskanal eingetretenen Rauchgase nach Durchströmen der Konvektionsheizflächen für das Wärmetransportmedium letztlich abgekühlt in den vorgesehenen Kreislauf (Abgaskamin) eingeleitet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber im Prinzip noch näher erläutert:

Bei der in der Figur dargestellten Vorrichtung ist ein als Zwangdurchlaufkessel ausgebildeter Wärmekessel 1 mit einem Brenner 4 vorgesehen, dem über eine Brennstoffleitung 6 der für die Verbrennung erforderliche Brennstoff und über ein Gebläse 5 die nötige Luft zugeführt wird. 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) vom 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 der ausströmenden Rauchgase, 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

Auslaß 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 Rauchgaskanais 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 Rauchgaskanais 10 angebracht, durch die zwischen den als Konvektionsheizflächen dienenden Rohrleitungen strömende, bereits abgekühlte Rauchgase von außen her in den Rauchgaskanal 10 einfließen können. 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 Rauchgaskanals 10 ist eine weitere Drosselklappe 13 vorgesehen, die in Verbindung mit der 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

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 22 ansteuert Dabei wird vom Thermoelement 15 über eine Signalflußleitung 19 ein der momentanen Temperatur der Rauchgase vor der Drosselklappe 13 entsprechendes Signal als Regelgröße eingegeben.

Das Wärmetransportmedium 2 aus den Heizflächen des Wärmekessels 1 wird über eine Leitung 23 einem nachgeschalteten Wärmeverbraucher 24 zugeführt und von diesem wieder in den Wärmekessel 1 eingespeist Dabei ist eine entsprechende Pumpe 25 in der Leitung 23 zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes vorgesehen.

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 (d. h. in der Figur: links) von den Rohrleitungen 7 als Konvektionsheizflächen umgeben ist. Das in diesen Rohrleitungen dort strömende Wärmetransportmedium wird durch die hier übertragene Strahlungswärme aufgeheizt. Die Rauchgase treten nach Verlassen des Flammenbereiches teilweise in das Innere des Rauchgaskanals 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 Rauchgaskanals 10 hineingesaugt werden. Infolge des hinter der Drosselklappe 12 jedoch entstehenden Unterdruckes gegenüber der Umgebung des Rauchgaskanals 10 werden allerdings auch bereits abgekühlte Rauchgase aus dem Bereich der Konvektionsheizflächen über die öffnungen 11 in das Innere des Rauchgaskanals 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 des geringeren Unterdruckes hinter der Drosselklappe 12, auch entsprechend weniger bereits abgekühltes Rauchgas über die öffnungen 11 eingesaugt wird. Ist hingegen die vom Thermofühler 15 erfaßte Temperatur des Rauchgasstromes noch immer höher als der eingestellte Sollwert, dann wird von der Regeleinrichtung 18 Ober 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 öffnungen U 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, ungekühhen heißen Rauchgase und der über die öffnungen 11 angesaugten bereits gekühlten Rauchgase zu einem Rauchgasstrom der gewünschten Temperatur führt Mit dieser Regelung zusammengeschaltet ist auch, ebenfalls Ober die Regeleinrichtung 18 gesteuert, eine entsprechende Verstellung der Drosselklappen 13 und 14 zur Aufrechterhaltung des erforderlichen rauchgasseitigen Widerstandes. Da iuch hierdurch die vom Ventilator 17 ausgelösten Druckverhältnisse hinter der Drosselklappe 12 und damit die Strömungsverhältnisse 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 mit der voreingestellten Temperatur an den Rauchgasverbraucher 16 in jedem Lastbereich des Erhitzers abgegeben werden kann.
Es ist wohl noch eine Vielzahl einzelner Zusatzvor-

richtungen bei der praktischen Ausführung eines solchen Wärmekessels erforderlich (Brennstoff-Regeleinrichtungen, Lastregler etc.), deren Erwähnung jedoch zum Verständnis der Erfindung nicht nötig sind und nur einer leichteren Verständlichkeit wegen nicht erfolgten, und die bei praktisch auszuführenden Vorrichtungen durch Einsatz geeigneter, üblicher Einrichtungen selbstverständlich stets zusätzlich vorzusehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Rauchgasführung und Rauchgasentnahme in einem Wärmekessel mit die Strahlungsbrennkammer umgebenden, als Strahlungsheizflächen ausgelegten, und mit zu diesen versetzt angeordneten, der Brennkammer nachgeschalteten, als Konvektionsheizflächen ausgebildeten Rohrführungen, mit einem am Ende der Brennkammer zentral innerhalb der Konvektionsheizflächen angeordnetem Rauchgabkanal zum direkten Einströmen ungekühlter Rauchgase, der als axial zur Brennkammer hin offenes Rohr ausgebildet ist und in seinem Inneren eine Drosseleinrichtung für den dort fließenden Rauchgasstrom aufweist, sowie mit einem Kamin zur Ableitung der Rauchgase nach Umströmen der Konvektionsheizflächen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung des Wärmekessels als Zwangdurchlaufkessel am Mantel des Rohres (10) öffnungen (11) angebracht sind, die in Strömungsrichtung der Rauchgase hinter der Drosseleinrichtung (12) angeordnet sind, und daß das Rohr (10) an einer Stelle hinter den öffnungen (11) über eine Absaugeinrichtung (17) an einen Rauchgasverbraucher (16) angeschlossen ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (11) gleichmäßig über den Mantel des Rohres (10) verteilt und von gleicher Größe sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (U) über einem Oberflächenbereich des Rohres (10) angeordnet sind, der über seiner ganzen Länge von Konvektionsheizflächen (8,9) umgeben ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Austritt des Rohres (10) zum Rauchgasverbraucher (16) und in der Ableitung (27) der Rauchgase zum Kamin (26) jeweils eine Drosselklappe (14, 13) angeordnet ist, wobei beide Drosselklappen (13,14) in Abhängigkeit voneinander verstellbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (18) zum Steuern der beiden Drosselklappen (13,14) sowie der Drosseleinrichtung (12) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Rauchgas-Entnahmetemperatur bei vorgegebener Rauchgas-Entnahmemenge vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (12) als Drosselklappe ausgeführt ist.