DE2917759C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel mit einem ringförmigen Behälter zur Aufnahme einer zu erwärmenden Flüssigkeit, der konzentrisch zueinander verlaufende in­ nere und äußere Wände aufweist, die als Wärmeaustausch­ flächen dienen, wobei innerhalb der inneren Wand eine in­ nere Kammer und im Abstand von der äußeren Wand ein diese umgebender äußerer Mantel zur Bildung einer zwischenliegen­ den äußeren Kammer angeordnet ist, die mit einem Abzugs­ rohr verbunden ist und in der Einrichtungen vorgesehen sind, welche heiße Gase durch die innere Kammer und die in Strömungsrichtung daran anschließende äußere Kammer lei­ ten.

Die sachgerechte Verwendung von Energie ist in den vergan­ genen Jahren eine Aufgabe von zunehmender Bedeutung gewor­ den. Eine naheliegende Lösung zur Erreichung dieses Zie­ les besteht darin, den Wirkungsgrad der Ausnutzung von Energie zu steigern. Heizkessel bzw. Boiler und andere Flüssigkeits-Heizvorrichtungen werden sowohl in der In­ dustrie als auch im Wohnbereich so häufig verwendet, daß jegliche Verbesserung ihres Wirkungsgrades selbstverstän­ lich zu weitgehenden Energieeinsparungen führen würde.

Es ist bekannt, daß ein größerer Wirkungsgrad in der Erwär­ mung einer Flüssigkeit dadurch erreicht werden kann, daß der Bereich der Wärmeaustauschflächen zwischen der Wärmequelle und der zu erwärmenden Flüssigkeit und der Wirkungsgrad des Wärmeübergangs erhöht wird.

In CH-PS 5 33 284 wird ein Heizkessel mit konzentrisch zueinander verlaufenden inneren und äußeren Wänden beschrieben, die als Wärmeaustauschflächen dienen. Inner­ halb der inneren Wand bzw. außerhalb der äußeren Wand be­ steht eine innere bzw. äußere Kammer. Die zu erwärmende Flüssigkeit befindet sich im ringförmigen Kessel zwischen innerer und äußerer Wand, während das Wärme abgebende Fluid durch die innere sowie durch die äußere Wand strömt. Dieser Kessel hat zwar auch zwei Wärmeaustauschflächen zwi­ schen Wärme abgebendem und zu erwärmendem Medium, jedoch wird durch die in der inneren Kammer fehlenden und in der äußeren Kammer sehr einfach ausgebildeten Schikanen zur Strömungsbeeinflussung des Wärme abgebenden Fluids der Wärme­ übergang nicht wirkungsvoll gesteigert.

Die DE-OS 17 78 832 beschreibt einen ringförmigen Kessel mit einer durch die innere Wand gebildeten Kammer von kreisför­ migem Querschnitt, durch die die heißen Rauchgase strömen, wobei sie durch einen zentrischen Verdrängungskörper und in Strömungsrichtung verlaufende Rippen wärmeübergangssteigernd an die innere Kesselwand geleitet werden. Dieser zur Heiß­ wasserbereitung mit (hoch-)schwefelhaltigen Brennstoffen kon­ zipierte Kessel hat keine äußere Kammer. Zur Rauchgasrück­ führung sind keine Vorrichtungen vorgesehen; es ist dort eine doppelwandig ausgebildete Wärmeübertragungswand angeordnet, die zudem zur Vermeidung der Taupunktunterschreitung der S-haltigen Rauchgase gegen die zu erwärmende Flüssigkeit hin wärmefluß­ hemmend isoliert ist. Damit dienen die Schikanen der Tempera­ turerhöhung der Innenwand der doppellagigen "Heizfläche", wo­ bei diese Ausbildung gezielt den Wirkungsgrad der Wärmeüber­ tragung auf das zu erwärmende Medium verschlechtert.

Die CH-PS 4 16 015 beschreibt ein axial durchströmtes, dem Wärmeaustausch dienendes Rohr, das eingeschobene perforierte Wandabschnitte aufweist. An diesen Wandabschnitten streicht beidseitig ein gasförmiges Medium vorbei. Die einzelnen per­ forierten Wandabschnitte können den ganzen Zylinder radial ausfüllen oder einen zylindrischen Ringraum durchgehend aus­ füllen, wobei die Rauchgase längs der benachbarten, perforier­ ten Wände strömen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Heizkessel zu schaffen, der eine schnelle Erhitzung der Flüssigkeit mit hohem Wirkungsgrad des Wärmeübergangs gestattet und bei dem störende Grenzschichten an den wärme­ übertragenden Wänden der Kammern vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der inneren Kammer an der inneren Wand Leitbleche ange­ ordnet sind und daß in der äußeren Kammer durch perforierte Wände voneinander getrennte Zuleitungskanäle, die mit der inneren Kammer in Verbindung stehen, und Ableitungskanäle, die mit dem Abzugsrohr verbunden sind, angeordnet sind, wobei die Löcher der perforierten Wände so angeordnet sind, daß die durch diese strömenden heißen Gase auf unperforierte Be­ reiche der benachbarten perforierten Wände auftreffen.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Kessel hat durch die zwischen innerer und äußerer Kammer und Kessel gebildeten zwei wärmeüber­ tragenden Oberflächen und die in diesen Kammern angeordne­ ten Schikanen einen hohen Wärmeübergangswirkungsgrad. Das wird insbesondere dadurch bewirkt, daß durch die Turbulenzen, die durch Drallung der heißen Rauchgase in der inneren Kam­ mer entstehen und durch die Leitung der durch die Löcher der Zuleitungskanäle in der äußeren Kammer auf gegenüberlie­ gende unperforierte Wandabschnitte die Bildung von den Wär­ meübergang hindernden Grenzschichten vermieden wird. Durch diese Anordnung wird es möglich, den Kessel kompakt, ein­ fach und billig herzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Seitenschnittansicht eines Heizkessels zur Erwärmung von Flüssigkeiten,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Stirnansicht des Heizkessels nach Fig. 1,

Fig. 3 und 4 die Ausbildung und Herstellung von Schikanen in der äußeren Kammer des Heiz­ kessels nach Fig. 1 und 2.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Heizkessels dargestellt, der in einem doppel­ wandigen isolierten Mantel 11 eingeschlossen ist. Die grund­ sätzlichen Arbeitselemente umfassen einen ringförmigen Wasser­ behälter 2 und einen Brenner 14, der so angeordnet ist, daß er heiße Gase zunächst durch eine innere Kammer 16 ab­ gibt, die zum Teil durch die innere Wand 20 des ringförmigen Wasser­ behälters 12 gebildet ist. Aus dieser inneren Kammer 16 gelangen die Gase sodann durch eine äußere Kammer 18, die zum Teil durch die Außenwand 22 des ringförmigen Behälters 12 gebildet ist. In den Kammern 16, 18 sind zur Steigerung der Wärmeübertragung Strahl-Auftreffelemente (Schikanen) vorgesehen, die weiter unten noch näher beschrieben werden.

Der ringförmige Wasserbehälter 12 ist durch konzentrische innere und äußere zylindrische Wände 20 bzw. 22 zu einem geschlossenen Behälter ausgebildet. Ferner sind eine Stirn­ platte 24 und eine Endkappe 26 vorgesehen. Das zu erwärmende Wasser wird in den ringförmigen Wasserbehälter 12 durch eine Einlaßleitung 28 eingeführt, die in der Stirnplatte 24 ab­ gedichtet ist. Erwärmtes Wasser gelangt aus dem ringförmigen Wasser­ behälter 12 durch eine Auslaßleitung 30, die in entsprechender Weise in der Endkappe 26 abgedichtet ist. Um eine direkte Wasserströmung von der Einlaßleitung 28 zu der Auslaßleitung 30 hin zu verhindern, ist innerhalb des ringförmigen Wasserbehäl­ ters 12 gegenüber der Eintrittsstelle der Einlaßleitung 28 eine Umlenkplatte 32 angeordnet. Die Umlenkplatte 32 ist derart gekrümmt, daß sie an die innere zylindrische Wand 20 ange­ paßt ist, an der sie angebracht ist. Die Umlenkplatte 32 verläuft radial zu der äußeren zylindrischen Wand 22 hin. Sie besitzt eine Querschnittsform eines Scheibenabschnitts, der über einen Winkel von etwa 90° verläuft und dessen mitt­ lerer Bereich etwa gegenüber der Einlaßleitung 28 angeordnet ist.

Der Brenner 14 kann von herkömmlicher Ausführung sein; vor­ zugsweise ist der Brenner jedoch ein Schirmbrenner, dem Brennstoff, z. B. Gas, durch einen Einlaß 29 und Luft durch ein Gebläse 31 zur Verbrennung zugeführt wird. Der Auslaß des Brenners ist zentrisch in der Stirnplatte 24 neben ei­ ner Funkenzündeinrichtung 40 abgedichtet, die ebenfalls durch die Stirnplatte 24 hindurchgeführt und in dieser ab­ gedichtet ist. Die Funkenzündeinrichtung 40 weist Elektroden 41 auf, die nahe dem Schirm des Brenners 14 angeordnet sind.

Es hat sich als wirksam herausgestellt, heiße Gase zu der inneren Wand 20 dadurch hinzuleiten, daß in der Mitte ein Ablenk- und Verdrängungskörper 34 aus Hochtemperatur-Isola­ tionsmaterial eingeführt wird, der vorzugsweise an dem Ende kegelförmig abgeschrägt ist, welches dem Brenner gegenüber­ liegt; das abgeschrägte Ende kann dann dazu dienen, den Schirm des Brenners 14 zu tragen und zu zentrieren.

Auf die innere Wand 20 sind Gruppen von Leitblechen 36, 37, 38, 39 aufgesetzt, die radial von der inneren Wand 20 nach innen verlaufen. Jede Leitblechgruppe kann achtzehn Leit­ bleche umfassen, die symmetrisch angeordnet sind und um 20° zu­ einander versetzt über den Umfang der Innenfläche der inne­ ren Wand 20 angeordnet sind. Die Leitbleche bestehen aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit; sie können mit der Innenwand 20 zusammenhängend gebildet oder an dieser so angeschweißt oder angelötet sein, daß eine gute Wärmeleitung erzielt wird.

Die Anordnung der Leitblechgruppen 36 und 37 ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich. In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten System sind vier derartige Gruppen verwendet. Die Leitbleche jeder Gruppe sind in Umfangsrichtung betrachtet zu der be­ nachbarten Gruppe oder den benachbarten Gruppen versetzt. Gemäß Fig. 2 - in der der Fall von Leitblechen veranschau­ licht ist, die um 20° voneinander getrennt sind - beträgt eine wünschenswerte Versetzung der Leitbleche der Gruppe 36 zu jenen der Gruppe 37 etwa 10°. Die Leitbleche 38, 39 der dahinter­ liegenden Gruppen sind in entsprechender Weise um 10° von einer Gruppe zur benachbarten Gruppe versetzt.

Die zwischen den Leitblechen 36-39 vorhandenen Schlitze liegen in Ebenen, welche durch die Achse der inneren Wand 20 verlaufen, wobei jedoch die versetzte Anordnung der jeweiligen Gruppe in bezug auf ihre benachbarte Gruppe eine spiralförmig ge­ wundene Bahn für die Strömung der heißen Gase festlegt und zur Steigerung der Turbulenz führt, durch die Grenzschich­ ten unterbrochen werden, die normalerweise an Wärmeübertragungs­ flächen vorzufinden sind. Mit anderen Worten heißt das, daß die Leitbleche derart in Abstand voneinander vorgesehen und so angeordnet sind, daß der Widerstand gegenüber der axial durch die innere Kammer 16 erfolgenden Strömung der Gase nicht nennenswert gesteigert wird, was bei Querleitblechen der Fall wäre. Mit anderen Worten heißt dies, daß dann, wenn keine Versetzung in Drehrichtung vorhanden wäre und wenn die Leitbleche sämtlicher Leitblechgruppen zueinander ausgerichtet wären, der geradlinige Durchgang von Gasen die Grenzschichten nicht hinreichend unterbrechen würde, um eine gute Wärmeüber­ tragung zu fördern.

Am Ende des ringförmigen Wasserbehälters 12, und zwar gegenüber dem Brenner, treten die heißen Gase aus der inneren Kammer 16 in einen Raum 43 ein, wobei sie durch eine Umlenkeinrichtung 45 nach außen umgeleitet und in die ringförmige äußere Kam­ mer 18 zurückgeleitet werden, die durch die Innenwand des isolierten Mantels 11 und die äußere Wand 22 des Wasserbehälters 12 ge­ bildet ist.

In der äußeren Kammer 18 ist nahezu über die gesamte Länge eine Reihe von Strahl-Auftreffteilen vorgesehen. Die genaue Auslegung dieser Teile kann unterschiedlich sein, wobei je­ doch die berücksichtigte Grundauslegung darin besteht, daß Strahlen heißer Gase gebildet werden, die auf die Wärme­ übertragungsflächen in einer solchen Art und Weise auftref­ fen, daß die Grenzflächen unterbrochen werden, wie dies wei­ ter unten noch im einzelnen erläutert werden wird. Bei der in Fig. 2 dargestellten speziellen Anordnung sind je­ doch Kanäle aus einem einzigen Blech gebildet, welches ge­ locht und meanderförmig gebogen ist, wie dies die Teilan­ sichten gemäß Fig. 3 und 4 erkennen lassen.

In Fig. 3 ist speziell ein Teil eines Metallblechs dargestellt, in welchem Reihen von in regelmäßigen Abständen vorgesehenen Löchern 51, 52 ausgestanzt sind und in welchem Biegekanten gebildet sind. Die Löcher 51 der ersten Reihe sind symmetrisch von den Löchern 52 der zweiten Reihe versetzt, wobei die An­ ordnung für aufeinanderfolgende Reihen wiederholt vorgesehen ist. Das Materialstück wird dann längs der Linien 53 abge­ bogen, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Das so erzielte meanderförmige Gebilde wird dann um die äußere Wand 22 herumgewickelt, um die obenerwähnten rechteckförmigen Kanäle zu bilden. Die Kanäle können dabei weitgehend über die gesamte Länge der äußeren Wand 22 verlaufen, oder aber es kön­ nen mehrere Gruppen gebildet und übereinandergestapelt sein. Die gewünschten Strahlbildungsöffnungen und die gegenüber­ liegenden nicht-gelochten Wärmeübertragungsflächen können in verschiedener Art und Weise konstruiert sein. Hierbei anwendbare theoretische Betrachtungen und vergleichbare Fa­ brikationsverfahren sind an anderer Stelle zu finden (siehe US-PS 38 04 159).

Der wesentliche Punkt besteht darin, daß die versetzten Reihen von Löchern 51, 52 so angeordnet sein müssen, daß jedes Loch in irgend­ einer Kanalwand einem nicht-gelochten Wandabschnitt gegenüber­ steht, damit nämlich Gase auf den nicht-gelochten Wandab­ schnitt abgestrahlt werden, um Grenzschichten zu unterbre­ chen und damit den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu stei­ gern. Zurückkommend auf Fig. 2 und unter Bezugnahme auf die Zuleitungskanäle 57 und Ableitungskanäle 58 sei bemerkt, daß der Zuleitungs­ kanal 57 zu dem Raum 43 hin offen ist und daß der Ableitungs­ kanal 58 dorthin geschlossen ist. Die Reihenfolge offener und geschlossener Kanäle wiederholt sich über den Umfang der Anordnung.

Neben der Stirnplatte 24 ist ein weiterer Raum 49 gebildet, und die Reihenfolge offener und geschlossener Kanäle ist umgekehrt.

Mit anderen Worten heißt dies, daß der Zu­ leitungskanal 57, der zu dem Raum 43 hin offen ist, zu dem Raum 49 hin verschlossen ist, und daß der Ableitungskanal 58, der zu dem Raum 43 verschlossen ist, zu dem Raum 49 hin offen ist. Ein Abzugsrohr 61 verläuft durch den isolierten Mantel 11 hindurch und ist an diesem ab­ gedichtet. Das Abzugsrohr 61 steht mit dem Raum 49 in Ver­ bindung, um Abgase abzuführen.

Dadurch ist also ein Heizkessel zur Erwärmung von flüssigen Medien geschaffen, wobei eine Quelle heißer Gase vorgesehen ist, deren heiße Gase zunächst längs der Innenwand eines ringförmigen Behälters auf einer gewundenen Bahn streichen, welche durch an der betreffenden Innenwand angebrachte Leitbleche gebildet ist. Sodann werden die be­ treffenden Gase längs der Außenwand des Behälters durch ein Strahl-Auftreff-Wärmeübertragungssystem geleitet.

Claims (5)

1. Heizkessel mit einem ringförmigen Behälter zur Aufnahme einer zu erwärmenden Flüssigkeit, der konzentrisch zueinander verlaufende innere und äußere Wände aufweist, die als Wärmeaustauschflächen dienen, wobei innerhalb der inneren Wand eine innere Kammer und im Abstand von der äuße­ ren Wand ein diese umgebender äußerer Mantel zur Bildung einer zwischenliegenden äußeren Kammer angeordnet ist, die mit einem Abzugsrohr verbunden ist und in der Einrichtungen vorgesehen sind, welche heiße Gase durch die innere Kammer und die in Strömungsrichtung daran anschließende äußere Kam­ mer leiten, dadurch gekennzeichnet, daß in der inneren Kammer (16) an der inneren Wand (20) Leit­ bleche (36, 37, 38, 39) angeordnet sind und daß in der äußeren Kammer (18) durch perforierte Wände voneinander getrennte Zu­ leitungskanäle (57), die mit der inneren Kammer (16) in Verbindung stehen, und Ableitungskanäle (58), die mit dem Abzugsrohr verbunden sind, angeordnet sind, wobei die Löcher (51, 52) der perforierten Wände so angeordnet sind, daß die durch diese strömenden heißen Gase auf unperforierte Be­ reiche (54) der benachbarten perforierten Wände auftreffen.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (36, 37, 38, 39) an der inneren Wand (20) und die perforierten Wände, die Zuleitungskanäle (57) und die Ableitungskanäle (58) bilden, an der äußeren Wand (22) wärmeleitend angebracht sind.

3. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zu- (57) und Ableitungskanäle (58) bildenden perforierten Wände aus Blechtafeln oder -bändern so herge­ stellt sind, daß in diese im Teilungsabstand Lochreihen gestanzt sind, wobei die Löcher (51, 52) immer neben un­ perforierten Bereichen (54) zwischen den Löchern (52, 51) der benachbarten Lochreihen liegen, und die gelochten Blechtafeln oder -bänder rechtwinklig so abgebogen sind, daß sich bei dem meanderförmigen Gebilde die versetzten Lochreihen in den Seitenflächen gegenüberliegen, und daß die gelochten und abgebogenen Blechtafeln oder -bänder zu einem über die äußere Wand (22) passenden Zylinder ge­ bogen sind.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (36, 37, 38, 39) durch eine Vielzahl von Leitblechgruppen gebildet sind, die von der inneren Wand (20) radial nach innen verlaufen und mit ihren inneren Längskanten einen als solchen bekannten zy­ lindrischen Ablenk- und Verdrängungskörper (34) aus Hoch­ temperatur-Isolationsmaterial umschließen, der an seinem dem Brenner (14) zugewandten Ende kegelförmig ausgebildet und zentrisch in der inneren Kammer (16) derart angeordnet ist, daß er die Um- und Weiterbildung der heißen Rauch­ gase zur inneren Wand (20) unterstützt, und daß jede der­ artige Leitblechgruppe in Umfangsrichtung zu einer benach­ barten Gruppe so versetzt ist, daß für die Rauchgase eine spiralförmig gewundene Bahn gebildet wird.

5. Heizkessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Leitblechen (36, 37, 38, 39) eine Vielzahl von in gleichen Winkeln zueinander angeordneten Leitblechen aufweist und daß der Winkel zwischen den be­ treffenden Leitblechen einer Gruppe etwa doppelt so groß ist wie der Winkel, um den jede Gruppe zu einer benachbarten Gruppe versetzt ist.