DE2917759C2 - - Google Patents
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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.
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