DE2952502A1

DE2952502A1 - Verfahren zur steuerung des verlaufs einer kontaktkinetischen flammenlosen verbrennung und kessel zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2952502A1
Application number: DE19792952502
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Dusek; Jan Dipl Ing Mach
Original assignee: HUTNI DRUHOVYROBA
Current assignee: HUTNI DRUHOVYROBA
Priority date: 1978-12-29
Filing date: 1979-12-28
Publication date: 1980-07-10
Also published as: FR2445496B3; CA1146029A; FR2445496A1; DE2952502C2; GB2041181B; GB2041181A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Steuerung des Verlaufs einer kontaktkinetischen flammenlosen Verbrennung zur Erwärmung von Stoffen durch die Strahlung des gasdurchlässigen Strahlungsstoffes, welcher in der Regel nur den eigentlichen Reaktionsraum auffüllt und auf seiner Oberfläche aus dem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff die dort gebundene Wärme freigibt, lurch die er sich entweder selbst aufwärmt und thermisch bearbeitet, wobei er durchlaufend ausgetauscht wird, oder in den Ruhezustand gebracht wird und als stabler Strahler wirkt, der die freigegebene Wärme zu anderen flüssigen, gasförmigen oder festen Stoffen ausstrahlt, welche durch den Reaktionsraum getrennt strömen oder durchgehen.

Die Vorteile der Wärmeübergabe durch Strahlung sind bereits seit Ende des letzten Jahrhunderts bekannt (Stefan 1879, Boltzmann 1881, Planck 1901). Deswegen beschäftigte man sich in der technischen Praxis immer mit dem Problem, wie der Anteil der durch Strahlung übertragenen Energie zum Nachteil anderer bekannten und laufend angewandten Methoden der Wärmeübergabe erhöht werden kann. Alle Bemühungen in diesem Sinne scheiterten jedoch an der unüberbrückbaren Disproportion zwischen der begrenzten Menge der Wärme, die bisher in einer Volumeneinheit durch bekannte Methoden der Steuerung der Verbrennungsprozesse freigegeben werden konnte, und der hohen Wärmeentnahme, die praktisch schon heute durch die Strahlung zweckmäßig abgeleitet werden kann. Auch die Erkenntnis des eigentlichen Verfahrens der flammenlosen Verbrennung konnte schließlich keine ernsthafte Wendung zum übergang auf bedeutendere Strahlungsübertragung von Wärme bringen. Es standen im Wege die niedrigen Arbeitstemperaturen einerseits und andererseits die Unfähigkeit, die Zone der intensiven Verbrennung in die Nähe der Wärmeaustauschflächen so anzuordnen, daß diese den Verbrennungsverlauf

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nicht stören. Dazu kamen noch die spezifischen und strengen Sicherheits- und Betriebsbedingungen der Genehmigungsorgane im Falle der neu entworfenen Konstruktionen der Strahlungskessel, den man bei den gegenwärtigen Bestrebungen um die Intensifikation der Verbrennungsverfahren bei den vorangehenden Generationen der Strahlungskessel schwer gerecht worden konnte. Die übrigen Gebiete, insbesondere die Erwärmung von festen Stoffen ausschließlich oder überwiegend durch Strahlung, unterblieben aus den oben angegebenen Gründen völlig.

Versuche zur Schaffung eines Kessels zur Erwärmung und Verdampfung von Flüssigkeiten durch Strahlung stießen auf Schwierigkeiten entweder infolge der Mängel der technologischen Grundkonzeption, die zu viel an die Bedingungen der katalytischen Steuerung der flainmenlosen Verbrennung erinnerten, welche vor der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts durchgeführt wurde, oder es nahmen - nach der späteren Einführung des kontaktkinetischen Prinzips der flammenlosen Verbrennung die Schwierigkeiten zu, die Stabilisierung der Zone der Zündung und der Zone des intensiven Verlaufs der Verbrennung zu erzielen, welche sich mit dem thermischen Betrieb des Kessels änderten und sich als die Strahlungsquellen in eine ständig vorteilhafte Lage gegenüber den Wärmeaustauschflächen nicht festlegen ließen. Darüberhinaus verlief früher die Richtung der Strömung der Gase grundsätzlich im ganzen Bereich parallel oder entlang der Wärmeaustauschflächen und brachte damit sowohl den Nachteil des Entweichens der vorzeitig abgekühlten und daher auch nicht verbrannten Überreste der Gase in die Abzugspartien des Kessels als auch die Bedingungen für das Entstehen der intensiven selbsterregten Schwingungen. Die Strahlungskessel mit ihren Miniaturabmessungen lassen keine Zirkulation der brennenden Gase zu, die den Wirkungsgrad der Verbrennung verbessern ' nnton.

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Eine teilweise Lösung wurde durch die Trennung der Verbrennungszone und der Strahlungszone erreicht; dadurch wurde jedoch der limitierende Grundgedanke der Bildung eines sehr intensiven Strahlers verletzt, welcher im Stande sein muß, seine hohe und gleichmäßige, an einer ganzen Wärmeaustauschfläche regelmäßig ausgebreitete Temperatur zu halten und gleichzeitig auch fähig ist, an derselben Oberfläche seiner Masse die notwendige Wärme auch freizugeben und sie an die Wärmeaustauschflächen überwiegend unmittelbar zu übergeben, ohne die Heißgase als das Haupttragmedium zur Wärmeübertragung anzuwenden.

Diese Mängel werden durch die Methode nach der Erfindung beseitigt, deren Gegenstand es ist, daß die homogene oder heterogene Mischung des Brennstoffs und des Oxydationsmittels im nicht gezündeten Zustand in den um die Symmetrieachse des Reaktionsraumes symmetrisch angeordneten zentralen Funktionshohlraum eingeführt wird, dessen Umfangsflache durch die Änderung der Ableitung eines Teils der Wärme von deren Oberfläche auf die Arbeitstemperatur von 800° C aufwärts gebracht wird und sich an dieser inneren vorgewärmten Fläche des zentralen Hohlraums auf die Entflammungstemperatur erwärmt und sich gleichzeitig an der Oberfläche dieses Hohlraumes entzündet, wobei die Zone der intensiven Verbrennung des bereits qanzen Stroms der Mischung und der intensiven Temperaturen bis außerhalb des äußeren ümfangs des Mantels des Zentralhohlraums verschoben wird. Die Strahlungsmasse, die sich im Raum dieser Wärmeaustauschflächen befindet, wird durch die transversal zu den Wärmeaustauschflächen gerichtete fortsetzende Strömung in den Zustand des seine Lage nicht ändernden intensiven Wärmestrahlers gebracht, der sich unabhängig von den Änderungen des Wärmebetriebs ^des Verbrennungsverfahrens stabilisiert.

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Bei der Anwendung des flüssigen Brennstoffs ist es vorteilhaft, wenn der Axialstrom des Gemisches des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in dem Zentralhohlraum durch die in ihrer Intensität gesteuerte Strahlung ihres Umfangsmantels erwärmt wird, und wenn der Anfang der Zündung, der durch eine Temperatur von mehr als 1.200° C charakterisiert wird, bereits im Räume des Zentralhohlraums lokalisiert wird und wenn eine weitere Zunahme der Verbrennungstemperatur bis zur höchsten erreichbaren Temperatur nach und nach erst im Prozeß der folgenden Strömung verläuft.

Bei der Anwendung des gasförmigen Brennstoffs ist es vorteilhaft, wenn die Temperaturen des Zentralhohlraums durch die Begrenzung der Strahlung ihres Umfangsmantels mittels der Ableitung der Wärme von dem unmittelbaren Umfang des Zentralhohlraums unter 1.2OO C reduziert werden, wodurch der Verlauf vorübergehend verlangsamt wird und die Zone der intensiven Verbrennung sich bis in den von der Achse der Symmetrie des Reaktionsraumes der radialen Strömung des Gemisches ferner liegenden Bereich verschiebt, wo es erst zum steilen Zuwachs der höchsten Verbrennungstemperaturen kommt.

Zwecks Vorbeugung des bei allen Typen der Anlagen für gasförmige und flüssige Brennstoffe üblichen Lärms wird der Strom des Gemisches des Brennstoffs und des Oxidationsmittels noch vor dem Einlaß in den gegen den Einfluß des Erlöschens der Flamme geschütztenZentralhohlraum beruhigt und gleichmäßig gemacht, worauf er durch die räumlich symmetrische Aufwärmung in den nicht pulsierenden Konstantzustand gebracht wird.

Für die Synthese oder Zersetzung der chemischen Stoffe, deren endotherme Reaktionen teilweise zum Nachteil der Eigenwärme verlaufen, ist es von Vorteil, wenn der Mantel des Zentralhohlraums katalytisch aktiviert wird.

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Wo der gesamte Reaktionsraum um die Symmetrieachse nicht ausnützbar ist, kann das Gemisch des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in der Richtung von der Symmetrieachse geführt werden und die Verbrennung als auch die Wärmeübergabe durch Strahlung verläuft nur in einigen Teilpartien des ihr zugeordneten Reaktionsraumes.

Der Kessel zur Durchführung der Methode nach der Erfindung zur Erwärmung oder Verdampfung von Flüssigkeiten mittels thermischer Strahlungen, die infolge des gesteuerten Verlaufs der flammenlosen Verbrennung aufgrund des kontaktkinetischen Prinzips entsteht, mit den durch das System der Wärmeaustauschflächen mit Eigen- oder Zwangszirkulation der zu erwärmenden Flüssigkeit, ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Sammelkaitunern in der Symmetrieachse des Kessels mit einer Durchgangsöffnung versehen wird, die von der Außenseite des Kessels an die Zuführrohrleitung des Brennstoffgemisches angeschlossen ist und durch ihre Innenseite in den freien Zentralhohlraum mit dem thermisch isolierenden Umfangsmantel mündet. Dieser Zentralhohlraum ist durch eine Gruppe von Durchgängen mit dem sie umschließenden Kesselraum verbunden, der zur Auffüllung mit der für die Gase durchlässigen Strahlungsmasse bestimmt ist und in dem wenigstens zwei Systeme der Wärmeaustauschflachen zur Aufwärmung oder Verdampfung der Flüssigkeiten angeordnet sind, welche beide SammeIkammerη durchfließend verbinden, wobei jedes dieser Systeme der Wärmeaustauschflächen immer größere radiale Entfernung von der Kesselsymmetrieachse aufweist als das vorangehende System der Wärmeaustauschflächen.

Der Zentralhohlraum kann als ein Innenraum des Körpers aus keramischer Masse gebildet werden oder kann als ein durch ein Bündel der an der Oberfläche mit thermischer Isolierung versehenen Rohren begrenzter Raum gestaltet werden.

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Die als Rohre gestalteten Wärmeaustauschsysteme sind um den Zentralhohlraum herum konzentrisch angeordnet, und die gegenseitigen Abstände zwischen den Rohren des Wärmeaustauschsystems mit kleinerer Radialentfernung von dem Zentralhohlraum sind größer als die Abstände zwischen den Rohren des nächsten von dem Zentralhohlraum mehr entfernten Wärmeaustauschsystems.

Die Abstände zwischen den Rohren des zum Zentralhohlraum am nächsten qeleqenen Wärmeaustauschsvstem sind qrößer als der Durchmesser des eiqenen Rohrs, und die Abstände zwischen den Rohren des nächsten von dem Zentralhohlraum mehr entfernten Wärmeaustauschsvstems sind kleiner als der Durchmesser des eiqenen Rohrs.

Das von dem Zentralhohlraum mehr entfernte Wärmeaustauschsvstem kann aus hohlen Mänteln besonders in der Form eines keilförmigen Segmenthohlraums bestehen, die um die Symmetrieachse des Kessels angeordnet sind und zwischen den einzelnen Teilmänteln schlitzartiqe Zwischenräume bilden, die in in der Symmetrieachse des Kessels liegenden Ebenen angeordnet sind.

Die einzelnen Wärmeaustauschsysteme der Rohre können in der Form von Rohrenspiralen mit abweichenden Abständen zwischen einzelnen anlieqenden Windungen gestaltet werden.

Durch die Zuführung des Gemisches des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in den zentralen Funktionshohlraum ohne Bildung grober Wirbel und in beruhigtem Zustand beginnt die Entflammung an der inneren Umfangsflache des Zentrahlhohlraums. Dieser Prozeß setzt sich durch weitere Entflammung hinter dem Außenmantel dieses Hohlraums fort. So entstehen Bedingungen für die Steuerung des kontaktkinetischen Verlaufs der Verbrennung, die durch keinen Einfluß gestört werden, der die Kontinuität dieses Vorgangs periodisch oder örtlich be-

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grenzen würde. Die Gesamtaüswirkung dieser Maßnahmen äußert sich in erster Linie darin, daß die Quelle der Entstehung jedweder selbsterregter Pulsationsschwingungen völlig beseitigt ist. Gleichzeitig wird eine sichere Entflammung des Brenngemisches auch bei großen Aggregaten mit langen zentralen Hohlräumen sichergestellt, die man sicher mittels beliebiger Methoden indizieren und sichtbar verfolgen kann. Eine weitere Wirkung der Maßnahmen nach der Erfindung ist, daß die Zone der höchsten Temperaturen und den intensivsten Wärmeübergaben an Stellen lokalisiert werden, wo die Wärmeaustauschflächen zweckmäßig untergebracht sind, die im gegebenen Reaktionsraum in ihrer Gesamtfläche gleichmäßig aufgewärmt werden, weil sich die Temperaturverteilung an den mit der Symmetrieachse konzentrischen isothermen Flächen stabilisiert und daher im ganzen System keine gefährlichen Spannungen in den Materialien infolge der unterschiedlichen thermischen Dilatation entstehen. Die Verbrennung ist vollkommen; die Bildung von Nitrogenoxiden ist infolge des Mangels der für ihre Bilduna notwendiqen Reaktionszeit fast ausgeschlossen. Die hohen spezifischen Wärmeüberaaben reduzieren die Ordnung der Masse der Anlaae des Reaktionsraums als auch des ganzen aufgrund der Methode nach der Erfindung konstruierten Arbeitsaggregats.

Die einzelnen RÄhrtfnsysteme können ebenfalls in Form von Röhrenspiralen mit abweichenden Abständen zwischen den einzelnen anliegenden Windungen gestaltet werden.

Diese Anordnung, die aus dem Grundsatz des gesteuerten Verlaufs des kontaktkinetischen Prinzips der flammenlosen Verbrennung hervorgeht, stabilisiert in erster Reihe in allen Phasen des Kesselbetriebes die Entflammung in dem Zentralhohlraum an den Innenflächen der keramischen Einlage oder an der thermisch isolierten Schicht der gekühlten Rohre, die

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diesen Hohlraum begrenzen. Dadurch wird die Lage der Entflammungsstelle von den Änderungen des thermischen Betriebes des Kessels unabhängig sogar unter solchen ungünstigen Bedingungen, wenn der Durchflußdurchschnitt, durch welchen die Gase strömen, mit der Radialentfernung vom Umfang des Zentralhohlraums quadratisch wächst und geneigt ist, die Stelle der Entflammung in die Stelle mit niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit zu verschieben. Die Temperatur des Zentralhohlraums wählt man durch konstruktionsmäßige Anordnungen im Bereich von 9OO C bis 1.70O C abhängig von den Bedingungen des angewandten Brennstoffs und des Anwendungszwecks der Anlage. Eine andere bedeutende Änderung der neuen Anordnung äußert sich darin, daß der geometrische Ort der intensiven Verbrennung und der Zone der höchsten Temperaturen beliebig gewählt wird. Sie wird jedoch überwiegend am "Anfang der Schicht der Radiationsmasse unmittelbar hinter der Außenfläche der keramischen Einlage oder in den Raum der Strahlungsmasse hinter dem den freien Zentralhohlraum bildenden Bündel der gekühlten und thermisch isolierten Rohre lokalisiert. Jedoch kann im zweiten Extremfall mit gesteuertem Verlauf des Verbrennungsvorgangs die Stelle der intensiven Verbrennung und Strahlung auch bis hinter das erste System der Wärmeaustauschflächen verschoben werden. In beiden Fällen bewahrt jedoch die Zone der intensiven Verbrennung und der höchsten Temperaturen unter den Bedingungen des neuen Reaktionsraumes als auch in der konstruktionsmäßigen Anordnung nach der Erfindung nicht nur die konstante radiale Entfernung und damit auch stabile Lage den Wärmeaustauschflächen gegenüber, sondern es wird auch die Breite der Verbrennungszone im Verlaufe der thermischen Leistung des ganzen Bereiches nicht geändert, wie es immer bei den bisher bekannten Modellen der Strahlungskessel der Fall war. Es ändert sich günstig nur die Temperatur der Strahlungsmasse, was eine besonders günstige Kennziffer der Wärmeübertragung durch

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die Strahlung darstellt. Die kalten als auch heißen Gase begegnen sich überhaupt zum ersten Mal unter der Kühlwirkung der Metallflächen - im Gegensatz zu den bekannten Konstruktionen der klassischen Strahlungskessel - erst am Ende der Verbrennungszone, so daß die Verbrennung im allgemeinen auch mit minimalem Luftüberschuß vollkommen ist. Der größte Teil der freigegebenen Wärme wird durch Strahlung direkt von der Verbrennungszone übergeben, so daß die Nachkühlung der Wärmeaustauschflächen nicht anspruchsvoll ist und der Kessel nach der Erfindung das Volumen der Strahlungsmasse gegenüber den vergleichbaren früheren Typen der Strahlungskessel auf nur einen Teil der ursprünglichen Masse reduziert und auch seine eigene Masse ermäßigt wird. Dadurch verkleinert sich auch die Menge der akkumulierten Wärme in der Strahlungsmasse, wodurch der Umfang der Sicherheitsanlagen beim Versagen der Zirkulationspumpe der Flüssigkeit auf ein Minimum reduziert wird und in der Mehrheit der Fälle solche Maßnahmen völlig wegfallen. Nicht zuletzt wird die Quelle der Entstehung der selbsterregten Schwingungen im ganzen Frequenzbereich infolge der Anwendung der freien Form des zentralen freien Hohlraums bei der Entflammung des Brennstoffgemisches völlig beseitigt und auch die grundsätzliche Vereinfachung und Anspruchslosigkeit der Steuer- und Sicherheitsanlagen sind gegeben.

Sowohl die Verbrennung als auch die Strahlung verlaufen ausschließlich unter der Strömung der Gase quer durch die Bündel der Siederohre, wogegen die Nachkühlung entweder durch die Strömung der' Gase in den Spiralen quer zu den Rohrbündeln erfolgt oder in die wiederholte Strömung entlang den Rohrwänden geändert wird. Diese Wahl und Möglichkeit war bei älteren Strahlungskesseln nicht gegeben, so daß im wesentlichen keine Auswahl an Varianten bestand. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei den Kesseln nach der Erfindung eine be-

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liebig breite Leistungsreihe der Kessel gebildet werden kann, welche sich in den Durchmessern als auch in den Höhen ändern.

In den baigefügten Zeichnungen sind Beispiele von drei Grundvarianten der Anordnung der Reaktionsräume schematisch dargestellt, von denen eine ganze Reihe von weiteren Varianten abgeleitet werden kann, in denen das Verfahren nach der Erfindung ablaufen kann.

Es zeigen

Figur 1 die linke Hälfte des Schnitts durch eine der Varianten des Reaktionsraums in der Ebene, die in der Symmetrieachse liegt,

Figur 2 die Grundrißdarstellung derselben Partie des Reaktionsraums, jedoch im Schnitt in der zur Symmetrieachse senkrechter Ebene,

Figur 3 nur die rechte Hälfte des Schnitts der zweiten Variante des Reaktionsraums, der ähnlich wie in Fig. 1 geführt wird,

Figur 4 den entsprechenden Grundriß,

Figur 5 die Abhängigkeit der Temperaturen von der Radialentfernung von der Symmetrieachse des Reaktionsraums bet der Ausführung nach Fig. 1 bis 4,

Figur 6 die dritte Variante des Reaktionsraums im Schnitt, der durch die Ebene der Symmetrieachse geführt ist,

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Figur 7 den Grundrißschnitt desselben Reaktionsraums, der in der Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Reaktionsraums geführt ist,

Figur 8 die Abhängigkeit der Temperaturen von der Radialentfernung von der Symmetrieachse des Reaktionsraums bei der Ausführung nach Fig. 6 und 7,

Figur 9 einen Wasserrohrkessel zur Wasseraufwärmung mit senkrechten Siederohren im Schnitt, der in der senkrechten Ebene durch die Kesselsyiranetrieachse geführt ist,

Figur 10 einen Kessel zur Dampfproduktion in der Kombination der senkrechten Siederohre und der Rohrspiralen, und zwar in zwei Varianten der Anordnung des eigentlichen Zentralhohlraums im in senkrechter Ebene durch die Symmetrieachse geführten Schnitt,

Figur 11 zwei Varianten der Ausführung des Zentralhohlraums eines Warmwasser-Druckkessels mit dem schematisch dargestellten System von drei verschiedenen Rohrspiralen, und zwar im Schnitt der durch die Kesselsymmetrieachse geführten Ebene,

Figur 12 einen Teil der oberen Hälfte des Grundrißschnitts durch den Kessel in der an seine Symmetrieachse senkrecht angelegten Ebene, wobei es sich um einen Kessel mit Wärmeaustauschflächen mit Wasserrohren und Mantel handelt, und

Figur 13 die untere Hälfte des Grundrißschnitts durch den Kessel in senkrechter Ebene zur Symmetrieachse, wobei es sich um eine kombinierte Ausführung der Rohr- und Mantelsegmente der Wärmeaustauschflächen handelt.

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In der Zeichnung werden in fünf Figuren insgesamt sieben Varianten der Ausführung der Kessel zur Aufwärmung der Flüssigkeiten nach der Erfindung schematisch dargestellt.

Als Ausführungsbeispiele werden in den Fig. 1 bis 8 von vielen möglichen Varianten der praktischen Anwendung der Steuerung des Verlaufs des Verbrennungsvorgangs in einem zentralen Funktionshohlraum drei verschiedene Ausführungen des Reaktionsraums als Beispiel für die Erwärmung von Flüssigkeiten in dem rohrförmigen Wärmeaustauschsystem gewählt. In allen Fällen enthält der eigentliche Reaktionsraum um eine gemeinsame Symmetrieachse ο herum in erster Linie einen freien zentralen

_ , .. . _, _ , Zylinderfqrmöausaebildßt ist, Funktionshohlraum 3, der jedoch auch aie Form eines regelmäßigen Prismas, einer Pyramide, eines Kegels, einer Kugel, eines Würfels oder eines regelmäßigen Polyeders haben kann. Ferner sind im Reaktionsraum verschiedene Wärmeaustauschflächen angeordnet, oder durch ihn geführt, wie z.B. das feste innere Wärmeaustauschflächensystem 45 und das äußere Wärmeaustauschflächensystem 46.

Nach Fig. 3 und 4 gehört zum Reaktionsraum noch ein weiteres Außenwärmeaustauschflächensystem 47, während die Umfangs-Wärmeaustauschflachen 54 in Fig. 1 und 2 nicht mehr zum aktiven Teil des Reaktionsraums gehören und einen anderen Zweck haben. Die Wärmeaustauschflächen sind als Rohre ausgeführt.

Form und Größe des zentralen Funktionshohlraums sind durch die Anordnung von Distanzeinlagen 4 bestimmt, die die für Gase durchlässige körnige oder schichtartige Füllung der Strahlungsmasse 12 des Reaktionsraums, die kreuzschraffiert dargestellt ist, von dem zentralen Funktionshohlraum 3 trennen. Sowohl die Strahlungsmasse 12 als auch die Distanzeinlagen sind aus hochfeuerbeständigem Material hergestellt, welches die Eigenschaft der selektiven Strahlung bei der Infrarot-

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Spektralwellenlänge von rund 6 nja aufweisen soll. Als geeignetes Material können z.B. Korund, Siliziumkarbid, Zirkoniumdioxid oder Massen mit schwachen Beimischungen von Lithium, Thorium usw. verwendet werden. Die Distanzeinlagen 4 werden gegeneinander so geschichtet, daß zwischen zwei aneinanderliegenden Einlagen eine Kreisringschlitzdüse 5 verbleibt.

Die form- und funktionsmäßig abweichenden Distanzeinlagen 4 bei der Ausführung nach Fig. 3 und 4 bilden den eigentlichen Umhüllungsmantel des zentralen Funktionshohlraums 3 um die Symmetrieachse ο herum. Die körnige oder schichtförmige Füllung der Strahlungsmasse I2 füllt den ganzen Raum zwischen den Distanzeinlagen 4 und zwischen dem inneren und äußeren Wärmeaustauschflächensystem 45, 46 aus; eventuell reicht sie nach Fig. und 4 bis zum weiteren Außenwärmeaustauschflächensystem 47, an dem auch der Wirkungsbereich des eigentlichen Reaktionsraums endet.

Außerhalb des Reaktionsraums ist noch die in Fiq. 1 und 2 qezeiqte zylinderförmiqe Trennwand 51 anqeordnet, die aus Metall oder Keramikmaterial hergestellt ist und eine katalytisch aktive Oberfläche aufweisen soll, die als eine Zusatzsicherung für eine vollkommene Verbrennung dient, der Strömung der Gase die richtige Richtung gibt und die von den Gasen übernommene Wärme zum freiliegenden Außenwärmeaustauschflächensystem und zu den Umfangs-Wärmeaustauschflachen 54 abstrahlt. Ferner gehören zu diesem Außenreaktionsraum auch die radiale Trennwand 52 und der Mantel 55, der auch in Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Der Mantel 55 kann mit einer nicht eingezeichneten Wärmeisolierung versehen sein.

Die ausgezogenen Pfeile 48 bezeichnen in dem zentralen Funktionshohlraum 3 die Richtung des zugeführten Gemisches von Brennstoff und Oxidationsmittel. Am Austritt aus der Strahlungsmasse

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bedeuten die Pfeile 53 die fließenden Rauchgase. Die doppellinigen Pfeile 49, 50 deuten die Richtung des Eintritts bzw. Austritts des Behandlungsmediums/ d.h. zum Beispiel der erwärmten Flüssigkeit an.

In Fig. 6 und 7 ist der freie zentrale Funktionshohlraum 3 an seinem Umfangsmantel nicht durch die Distanzeinlagen 4 sondern durch das symmetrisch angeordnete Wärmeaustausch-Hilfsflächensystem 56 begrenzt, welche an ihrem äußeren Umfang eine thermisch isolierende Schicht 57 aufweisen, so daß zwischen den einzelnen Wärmeaustauschflächen die mit der Symmetrieachse ο parallel laufenden Zwischenräume 58 entstehen. Die thermische Isolationsschicht 57 wird z.B. als eine keramisch Schicht ausgeführt, welche von den Wärmeaustausch-Hilfsflachen 56 entweder durch freie Dilatationsspalte getrennt oder mit der Oberfläche dieser Flächen fest verbunden ist. Als vorteilhaft hat sich auch die Anwendung einer abschirmenden Metallwand aus feuerbeständigem Stahl erwiesen, die von der Oberfläche der Wärmeaustausch-Hilfsflachen 56 durch regelmäßige freie Spalte getrennt ist, wobei die schirmenden Wände an der Oberfläche der Wärmeaustausch-Hilfsflächen 56 nicht direkt aufliegen oder die Spalte noch mit geeigneter Isolationsmasse aufgefüllt sind.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,2 ist im stabilen Wärmegleichgewicht wie folgt:

Die Distanzeinlagen 4 werden mittels eines geeigneten bekannten Verfahrens auf die Zündtemperatur des Gemisches gebracht, worauf in den freien zentralen Funktionshohlraum 3 in Richtung der Symmetrieachse ο einseitig oder in der Gegenrichtung das nicht vorgewärmte und nicht gezündete Gemisch von Brennstoff und Oxidationsmittel in der Richtung des Pfeils 48 eingeblasen wird. Bei Anwendung eines gasförmigen Brennstoffes

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ist das Gemisch vollkommen homogen. Im Falle eines flüssigen Brennstoffes liegt eine vollkommen heterogene Nebelsuspension vor.

Der zentrale Funktionshohlraum 3 enthält keine Stellen, die ein Erlöschen der Flamme verursachen könnten, wie z.B. metallische Kühlflächen, die den Verlauf der gleichmäßigen Erwärmung und Entflammung des Brennstoffes bzw. sein Entzünden stören würden. Die symmetrische Form des Zentralhohlraums 3 erwärmt den Strom des Gemisches gleichmäßiq durch die Radiationswirkung des Umfangsmantels des zentralen Funktionshohlraums 3, wobei nach dem bekannten ungleichen Verteilen der Vektoren der Strömungsgeschwindigkeit im kreisförmigen als auch anderen Rohrleitungsquerschnitt, dessen Analogie auch der zentrale Funktionshohlraum 3 darstellt, der Strom an der Wand des Zentralhohlraums gebremst wird und sich daher früher auf seine Zündtemperatur aufwärmt und bei der reduzierten Geschwindigkeit plötzlich die Richtung ändert und nach der Anfangsentflammung anfängt, in der Querrichtung zu den Bündeln des inneren Wärmeaustauschflächensystems 45 als auch des äußeren Wärmeaustauschflächensystems 46 und des weiteren äußeren Wärmeaustauschflächensystems 47 zu strömen. Unter diesen Bedingungen erreicht der Strom des Gemisches von Brennstoff und Oxidationsmittel, welcher in der Richtung des Pfeils 48 fließt, in dem Zentralhohlraum 3 seine höchste Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte, wo sie die frontale Geschwindigkeit der Flammenausbreitung mehrmals übersteigt. Damit verlängert sich die Erwärmungszeit, so daß infolge der verschlechterten Wärmedurchgangszahl der dickeren Schicht der Gase auch die Entflammungstemperatur mit einer Verspätung erreicht wird. Durch die Oberflächenverbrennung des Gemisches zuerst nur im begrenzten Raum des Umfangsmantels des Zentralhohlraums 1 und dann insbesondere in der eigentlichen Strahlungsmasse 12 des Reaktionsraums in der kontaktkinetischen Weise der flammenlosen Verbrennung und ferner unter den Bedingungen

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des gewählten Wärmebetriebs und der Dynamik der Strömung in dem Zentralhohlraum 3 wird die Entflammung des Gemisches in den Zustand gebracht, in welchem die Entstehung als auch der weitere Verlauf des Wechsels der selbsterregten, infolge des abwechselnden Entzündens und Erlöschens der Teilvolumina des Brennstoffs entstehenden Druck- und Unterdruckwellen völlig unterdrückt werden. Diese Druckschwingungen sind immer mit akustischen Erscheinungen verbunden.

Der Zentralhohlraum 1 verursacht infolge seiner geometrischen Form, daß alle gegenläufigen Druckwellen in der Radialrichtung vom Umfangsmantel des Zentralhohlraums 3 zur geroeinsamen Symmetrieachse ο gleichzeitig wirken, so daß sich ihre Wirkungen gegenseitig aufheben. Darüberhinaus sind die niedrige Frequenz der Schwingungsquelle und die hohe Eigenfrequenz des zentralen Funktionshohlraumes 3 diametral verschieden. Deswegen ist die resultierende akustische Frequenz weder im Kaltzustand noch im Warmzustand hörbar und kann auch keinen Einfluß auf die Steuer- und Regelorgane dadurch ausüben,daß die Schwingungen des Systems die genannten Organe ungenau oder sogar unwirksam machen.

Der Übergang der Gase aus dem zentralen Funktionshohlraum 3 in die Strahlungsmasse 12 wird durch die Schlitzdüsen 5 vermittelt, in denen die Radialströmung der entflammten Gase beginnt. Gleichzeitig fängt in diesen Schlitzdüsen 5 der Prozeß der eigentlichen flammenlosen Verbrennung an. Vergleicht man die größere Breite der Distanzeinlagen 4 und die größere Radialentfernuna des inneren Wärmeaustauschflächensystems 45 nach Fig. 1 und 2 mit der kleineren Breite der Distanzeinlagen 4 und der kleineren Radialentfernung des näher zum Zentralhohlraum angeordneten inneren Systems der Wtärmeaustauschflachen 4 5 nach Fig. 3 und 4, so zeichnet sich folgender Funktionsunterschied beider Anordnungen ab:

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Das innere System der Wärmeaustauschflächen 45 beeinflußt durch seine Kühlwirkung vor allem die Entwicklung der Temperatur in dem zentralen Funktionshohlraum 3. Die verkleinerte Kühlwirkung der breiteren Distanzeinlagen 4 bzw. der größere Abstand des inneren Wärmeaustauschflächensystems 45 von den Umfangen dieser Einlagen 4 verursachen die höhere Temperatur des Umfangmantels des Zentralhohlraums 3 von mehr als 1.2OO C sowie die intensivere Erwärmung des Gemischstroms. Dies wird mit Vorteil beim heterogenen Gemisch angewandt, damit die Verdampfung der eingeblasenen Suspension des flüssigen Brennstoffs über die Bildung der Ubergangsphase seiner pyrogenetischen Spaltung beschleunigt wird. Aufgrund einer etwas abweichenden Anordnung und insbesondere der Beseitigung des Abkühleffekts des inneren Wärmeaustauschflächensystems 4 5 durch ihre völlige Weglassung aus dem Reaktionsraum und eventuell,' unter der Bedingung, daß die Oberfläche der Distanzeinlagen 4 geeignet aktiviert wird, kö-nen der zentrale Funktionshohlraum und die Schlitzdüsen 5 durch ihre Wirkung unter absichtlich hervorgerufenen Hochtemperaturen katalytische Vorvergasung der dispergierten Teilchen der flüssigen Brennstoffe verursachen, ohne die Entstehung der Übergangsphase der Rußbildung bei einigen Sorten der flüssigen Brennstoffe zuzulassen. Neben dieser Möglichkeit kann der Reaktionsraum durch die Verkleinerung oder Beseitigung von einigen Wärmeaustausch^lachen ins katalytische System der großindustriellen endothermen als auch exothermen Spalt- und Vergasungsreaktionen verwandelt werden, in welchem die Hauptaufgabe nicht darin besteht, die Wärme zu übergeben, sondern verschiedene Gase für die chemische Industrie zu produzieren.

Der Bereich der intensiven Verbrennung und die Lage der höchsten Verbrennungstemperaturen wird sich in der Anordnung nach Fig. 1 und 2 erst um die Stelle stabilisieren, wo die in der Radialrichtung durch die Spaltdüsen 5 strömenden Gase den

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Außenumfang der Distanzeinlagen 4 verlassen und in die Strahlungsmasse 12 eintreten. Die„s erfolgt einerseits infolge des erwähnten Kühlungseffekts des inneren Wärmeaustauschflächensystems 45, der vor allem die Abnahme der Temperatur der Distanzeinlagen 4 verursacht, aber andererseits auch gleichzeitig und hauptsächlich durch die Vergrößerung des Durchflußprofils des Reaktionsraums für die Verbrennungsprodukte, die wesentlich ist und ein Mehrfaches des Wertes des Durchflußquerschnitts an der Stelle der Brennstoffentflammung an der inneren Umfangsflache des zentralen Funktionshohlraums 3 beträgt. An der Stelle des Kontakts der Gase mit der ungeschützten Oberfläche des inneren Systems der Wärmeaustauschflächen 45 ist die Neigung zur Abkühlung und zum Erlöschen der eventuellen Überreste der bisher nicht verbrannten Gase im Großen und Ganzen vernachlässigbar, da bei dem folgenden radialen Zwangsdurchgang der Gase durch die Heißschicht der Strahlungsmasse 12 diese wiederum auf die Entflammungstemperatur aufgewärmt werden und die Verbrennuno beendet wird. Die Strahluncrsmasse 12 überaibt dann den Hauptteil der Wärme unter besonders günstigen lokalen Bedingungen für die Wärmestrahlung an beide Wärmeaustauschflächensysteme 45 und 46.

Eine abweichende Entwicklung der Temperaturverteilung liegt bei der in Fig. 3 und 4 dargestellten Anordnung vor. Ihr Hauptmerkmal sind die kleine Breite der Distanzeinlagen 4 und daher auch die kleine Tiefe der Spaltdüsen 5. Gleichzeitig sind alle drei Wärmeaustauschflächensysteme, d.h. das innere System 45, das äußere System 46 und das weitere Außensystem 47 näher zum zentralen Funktibnshohlraum 3 verschoben, der in seinem Durchmesser annähernd gleich bleibt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2. Dies hat zur Folge, daß die Kühlwirkung des inneren Wärmeaustauschflächensystems 45 sich an der Temperatur der Distanzeinlagen 4 viel markanter äußert. Deswegen

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wird die Temperatur des zentralen Funktionshohlraums 1 an seinem ümfangsmantel auf unter 1.20O° C reduziert. Dadurch wird auch die Intensität der Wärmestrahlung zum Strom des Gemisches erniedrigt und die Temperatur des strömenden Gemisches wird dadurch niedriger. Die niedrigere Temperatur in dem zentralen Funktionshohlraum 3 bringt einerseits günstigere Bedingungen für die Indikation der Erscheinungen in diesem Bereich des Reaktionsraums; andererseits wirkt sie in dem Sinne, daß sich die Zone der intensiven Verbrennung und der höchsten Temperaturen markanter bis in die Nähe des äußeren Wärmeaustauschflächensystems 4 6 verschiebt.

Dies stellt eine weitere wesentliche Änderung gegenüber der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 in dem Sinne dar, daß in dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 durch die infrarote Strahlung der Strahlungsmasse 12 anstelle von zwei Systemen alle drei Wärmeaustauschflächensysteme, d.h. das innere System 45, das äußere System 46 und das weitere Außensystem 47 bestrahlt werden. Eine vollkommene Verbrennung der Überreste der zufällig und vorzeitig abgekühlten Gase wird von zwei ununterbrochenen heißen Bändern der Strahlungsmasse 12 zuerst zwischen den Wärmeaustauschflächen des inneren Systems 45 und des äußeren- Svstems 46 und dann zwischen den Flächen des äußeren Systems 46 und dem weiteren Außensystem 47 besorgt. Dieses Ausführungsbeispiel ist jedoch für flüssige Brennstoffe weniger geeignet.

In Fig. 5 und 6 ist eine dritte Ausführungsform als einer der vielen anderen Fälle, die mit dem Vorliegen des freien Zentralhohlraums 3 verbunden sind, gezeigt. Der Zentralhohlraum 3 ist in diesem Fall an seinem Umfang in der gewählten Form durch das Bündel der Wärmeaustausch-Hilfsflachen 56 begrenzt, durch welche auch die in den Kreislauf der Erwärmung eingeschlossene Flüssigkeit hindurchfließt. Im Gegensatz zu allen anderen Wärme-

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austauschflächensystemen nach den Fig. 1, 2, 3 und 4 ist die Oberfläche der Wärmeaustauschhilfsflächen 56 mit einer Wärmeisolierung 57 versehen. Ohne die Wärmeisolierung kann man nämlich den Strom des Gemisches in dem Zentralhohlraum 3 weder zum Brennen noch zur Entflammung bringen, und deswegen ist es nicht möglich, die Verbrennung hinter den Umfang des zentralen Funktionshohlraums 3 durch die Axialspalte 58 in die Strahlungsmasse 12 zu übertragen. Dies wird neben der Volumenbegrenzung des Hohlraums 3 vor allem durch die metallische oder andere Oberfläche mit starker Abkühl- und Löschwirkung der Wärmeaustausch-Hilfsflachen 56 verursacht. Dieser Wirkung wird durch die Wärmeisolierung 57 vorgebeugt.Verschiedene Wer/e der Wärmeleitfähigkeit können dadurch verwirklicht werden, daß der Wärmeisolierung 57 eine solche Dicke gegeben wird, daß die Temperatur an der Oberfläche der Wärmeisolierung 57 im stabilen Wärmegleichgewicht auf etwa 9OO C gehalten wird. Dies bewirkt, daß das strömende Gemisch in dem Zentralhohlraum nur begrenzt entflammbar und die eigentliche Verbrennung praktisch bis hinter die Spaltdüsen 58 in die Strahlungsmasse 12 übertragen wird und in der sich fottsetzenden Strömung die Zone der höchsten Verbrennungstemperaturen mit gleichzeitiger Beendigung des Prozesses der Verbrennung bis ins Gebiet zwischen den einzelnen Gliedern des inneren Wärmeaustauschflächensystems verschoben wird, so daß deren ganzer Umfang und die zugewandte Hälfte des Umfangs der Wärmeaustauschflächen des äußeren Systems 46 der direkten Wirkung der infraroten Strahlung der Strahlungsmasse 12 ausgesetzt sind. Diese Variante ist für flüssige Brennstoffe und für hohe und höchste Leistungen weniger geeignet.

Fig. 1 und 2 sind als bevorzugtes Beispiel weitere Funktionselemente dargestellt, die andeuten, wie vorteilhaft die Form des Reaktionsraums für die effektive Nachkühlung der Rauchgase ist. Eines dieser Funktionselemente ist die zylinderförmige Trennwand 51, welche die strömenden Rauchgase 53 abfängt. Die Trennwand

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ist aus Metall oder Keramik hergestellt und mit katalytisch aktiver Oberfläche versehen, die als eine Zusatzsicherung zur vollständigen Verbrennung dient, deren Hauotaufaabe iedoch ist. die den strömenden Rauchaasen 53 entnommene Wärme durch beidseitige Strahlung bei der Temperatur von rund 8OO° C wieder an die Wärmeaustauschflächendes äußeren Systems 46 und an die Umfanqsflachen 47 abzuqeben. Die Trennwand 51 und die radiale Trennwand 52 steuern und richten die strömenden Rauchgase 53 von dem Austritt aus dem Reaktionsraum bis zum durch den Mantel 55 begrenzten Raum. Der Mantel 55 mit der nicht eingezeichneten äußeren Wärmeisolierung nimmt auch in der Strahlung der Abwärme an die Umfangs-Wärmeaustauschflachen 54 teil. Erst der Rest der Wärme wird durch tangentiale Strömung den konfektionsmäßig zugeordneten Wärmeaustauschflächen übergeben. Dieser Anteil ist gegenüber der Gesamtkonzeption der Wärmeübertragung durch Strahlung fast vernachlässigbar.

In der Ausführung nach Fig. 3 und 4 strahlt die Strahlungsmasse 12 mehr Wärme aus als in der Ausführung nach Fig. 1 und 2. Deswegen genügt es, die Rauchgase durch die freien Räume zwischen den einzelnen Gliedern des weiteren äußeren Wärmeaustauschflächensystems 47, die die Strahlungsmasse 12 an der Vorderseite nicht decken, abzuführen. Die Strömung ist koaxial und in Fig. 3 gezeigt. Die Rauchgase kehren schließlich in der koaxialen Rückströmung zwischen der Hinterwand des weiteren Außen-Wärmeaustauschflächensystems 47 und dem Mantel 55 zurück. Diese Methode erhöht die Forderung an größere Masse der Füllung der Strahlungsmasse 12 und dadurch auch die Wärmekapazität der Anlage, in der die Methode gemäß der Erfindung angewendet wird.

Jede von den als Beispiel angegebenen Ausführungsformen weist im stabilen Zustand ein abweichendes thermisches

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Gleichgewicht im Reaktionsraum auf, welches von einem abweichenden Verlauf der Temperaturen begleitet ist. Das in Fig. 5 und 8* dargestellte Wärmediagramm zeigtidie Verteilung der Temperaturen, die in allen senkrecht zu der Symmetrieachse ο gelegten Ebenen gleich sind. Jeder Punkt dieser Kurve entspricht der Temperatur in anderer Radialentfernung von der Symmetrieachse o. Jede zylinderförmige Rotationsfläche, die konzentrisch um die Symmetrieachse ο geführt ist, stellt also eine isotherme Fläche dar.

In den Wärmediagrammen ist auf der y-Achse die Temperatur eingezeichnet, wogegen die x-Achse die Radialentfernung angibt. Das Diagramm in Fig. 5 mit der durch starke Linien begrenzten schraffierten Fläche gehört zur Ausführung nach Fig. 1 und 2. Der in Fig. 5 durch die unterbrochene Linie eingezeichnete Verlauf der Temperaturen gehört zu Fig. 3 und A, ist jedoch spiegelbildlich in das erste Diagramm übertragen. Die Grundpunkte a, b, c, d, e, f, g, h-des ersten Diagramms können mit den nur mit der Indexbezeichnung unterschiedenen identisch bezeichneten Punkten a', b¹, c¹, d¹, e¹, f, g' der zweiten Kurve verglichen werden. Die unterschiedlichen Orte der zwei mit identischen Buchstaben bezeichneten Punkte bedeuten, daß die Verschiebung in der Radialrichtung der x-Achse entlang den Zustand des unterschiedenen Verlaufs der Verbrennung angibt, wogegen die Höhenunterschiede der y-Achse entlang eine andere Verteilung des Wärmefeldes bedeuten, woraus man den Bereich der Intensität der Wärmestrahlung beider zu vergleichenden Systems in beliebiger Stelle des Reaktionsraums beurteilen kann.

Das in Fig. 8 dargestellte Diagramm zeigt eine weitere Änderung im Verlauf des Wärmebetriebes, wie sie bei der in

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Fig. 6 und 7 gezeigten dritten Funktionsvariante der Erfindung vorliegt. Dieses Diagramm endet bei dem Bezugsbuchstaben "h", da dem dargestellten Reaktionsraum der Abschnitt der Nachkühlung fehlt, der die Temperaturen der strömenden Rauchgase 53 etwa laut dem Verlauf der gestrichelt gezeichneten Kurve zwischen den Punkten "h" und "i" reduzieren würde.

Jeder der dargestellten Reaktionsräume in den Fig. 1 und 2, 3 und 4 sowie 6 und 7 kann durch eine oder mehrere in der Symmetrieachse ο geführte Ebenen in zwei Hälften oder in keilförmige Sektoren geteilt werden. Durch geeignete Erweiterung des aus dem Zentralhohlraum 3 neu entstandenen Gebildes kann es erreicht werden, daß sich das neue Gebilde des Zentralhohlraumes 3 funktionsmäßig völlig anpaßt und ausgleicht. Dann können diese Teilabschnitte des Reaktionsraums die Wärme im Sinne der Methode nach der Erfindung freigeben und durch Strahlung selbständig abgeben. Sie können sowohl in Gruppen als auch in unsymmetrischen Blöcken eingesetzt werden, wie dies z.B. bei der Aufwärmung von Feststoffen in verschiedenen Formen und Dimensionen der Hüttenprodukte und Maschinenbau-Halbfabrikate usw. der Fall ist.

Ein weiteres Gebiet der effektiven Ausnutzung der Methode nach der Erfindung in den symmetrischen Reaktionsgrundräumen oder in angepaßten Blockformationen, wo die beiden Varianten der Reaktionsräume nur formenmäßig dem gegebenen Zweck angepaßt werden, stellt die Technologie der Durchwärmung und Trocknung von Schüttgütern als auch von Gasen dar, wobei die Aufwärmung auf sehr hohe Temperaturen unter Anwendung dieser Methode in einer ganzen Reihe von Industriezweigen besonders vorteilhaft ist. Eine Spezialrichtung der Ausnützung der Methode können das Schmelzen, Sintern und Rösten von Erzen und Nichterzen oder Metallen und die Reduktion von Erzen sein. In Extremfällen wird die Strahlungsmasse 12

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selbst die einzige Wärmeaustauschfläche bilden/ wobei sie auch gleichzeitig das thermisch bearbeitete Medium repräsentieren wird.

Der Kessel nach Fig. 9 ist ein Wasserrohrkessel in vertikaler Anordnung mit vertikaler Symmetrieachse, der als Wärmeaustauscher zur Wassererwärmung die Form eines Rotationszylinders hat. Zwischen der oberen, mit der oberen Durchgangsöffnung 7 versehenen Sammelkammer 1 und der unteren mit der kegelförmigen unteren Durchgangsöffnung 6 versehenen Sammelkammer 2 ist in der Symmetrieachse ο der vertikale Hohlzylinder aus keramischen Distanzeinlagen 4 eingebaut, welcher den Umfangsmantel des freien zentralen Funktionshohlraums 3 bildet. Die einzelnen Distanzeinlagen 4 sind aus feuerbeständiger Keramik hergestellt und zwecks Beseitigung der Folgen thermischer Spannungen und ungleichmäßiger Dilatation vorzugsweise aus mehreren Kreisringausschnitten zusammengestellt.

Die einzelnen Distanzeinlagen 4 werden so aufeinandergelegt, daß zwischen ihnen horizontale Spaltdüsen 5 entstehen. Als geeigneter Werkstoff für die Distanzeinlagen 4 gelten z.B. Korund, Siliziumkarbid, Zirkoniumdioxid oder Stoffe mit kleinen Zugaben von Lithium, Thorium usw. Die obere als auch die untere Sammelkammer 1 und 2 sind mit abnehmbaren Stirnflächen versehen, welche von oben als auch von unten den Zutritt einerseits zu zwei Siederohrsystemen 8 und 9 und andererseits zu zwei Vorwärmrohrsystemen 10 und 11 ermöglichen, welche die beiden Sammelkammern 1 und 2 parallel verbinden und in der Regel mit der Symmetrieachse ο des Kessels parallel laufen, jedoch aus Dilatationsgründen schräg oder· im Bogen hindurchgeführt sind.

Alle Rohrsysteme sind im Beispiel und zwecks Vereinfachung

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als einreihige Rohrbündel ausgeführt, die in konzentrischen zylindrischen Flächen mit verschiedenen radialen Abständen angeordnet sind, wobei die freien Entfernungen zwischen den Einzelrohren des ersten Siederohrsystems 8 in der Regel größer sind, als der Außendurchmesser dieser Rohre beträgt, und mit der Schicht der Strahlungsmasse 12 ausgefüllt sind. Die Abstände zwischen den Rohren des zweiten, von der Symmetrieachse ο radial weiter entfernten Siederohrsystems 9 sind kleiner als der Durchmesser seiner Rohre, um das Vordringen der Strahlungsmasse 12 hinter diese Rohre zu verhindern. Die Strahlungsmasseschicht 12, welche dieselbe Zusammensetzung aufweisen kann wie die Distanzeinlagen 4, wird in den Kessel durch die obere Durchgangsöffnung 7 eingelegt. Diese öffnung dient gleichzeitig als ein Vorratsbehälter für die Strahlungsmasse 12, welche in der Form der Hohlzylinder den Raum zwischen der Säule der keramischen Distanzeinlagen 4 ausfüllt, ferner zwischen den Rohren des ersten Siederohrsystems 8 durchläuft und den Zwischenraum bis zum zweiten Siederohrsystem 9 völlig ausfüllt, wo an deren innerer Oberfläche die Füllung der Strahlungsmasse 12 endet. Diese Kesselpartie, die den Raum von dem freien zentralen Hohlraum 3 bis in den Raum des zweiten Siederohrsystems 9 einbezieht und mit der Ausnahme des Zentralhohlraums 3 mit der Schicht der Strahlungsmasse 12 ausgefüllt ist, bildet den eigentlichen Strahlungsraum des Kessels. In ihm verläuft die vollständige Verbrennung und die übergabe des überwiegenden Teils der Wärme ausschließlich mittels Strahlung.

Das erste sowie das zweite Vorwärmrohrsystem 1O und 11 bestehen aus den Vorwärmrohren, die in beliebigen Abständen auch an beide Sammelkammern 1 und 2 angeschlossen sind. Sie sind untereinander durch zugeschweißte erste Zwischenrippen

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und zweite Zwischenrippen 17 verbunden und bilden die erste und zweite membranartige Rohrwand. Die ersten zugeschweißten Zwischenrippen 16 sind nur mit der oberen Sairanelkammer 1 verbunden, reichen jedoch mit.ihren unteren Enden nicht bis zur unteren Sammelkammer 2, so daß sie zwischen den Vorwärmrohren 10 des ersten Systems vor ihrer Einmündung in die untere Sammelkammer 2 öffnungen für die freie Durchströmung der Gase bilden. Dieselbe Anordnung liegt bei den zweiten zugeschweißten Zwischenrippen 17 in dem Sinne vor, daß diese Zwischenrippen wieder nicht bis zur oberen Sammelkammer 1 reichen, womit hier wieder am ganzen Umfang des Kessels öffnungen für den zweiten freien Durchfluß der Gase, diesmal an der entgegengesetzten Seite des Kessels entstehen. Bei den vertikalen Rohrsystemen wird der Raum zwischen den ersten zugeschweißten Zwischenrippen 16 und den zweiten zugeschweißten Zwischenrippen 17 der membranartigen Rohrwände mit der Füllung aus körniger keramischer Masse 13 versehen, die bezüglich der Materialwahl und funktionsmäßig von der Schicht der Strahlungsmasse 12 vollkommen abweicht.

Der Eintritt des Rücklaufwassers durch den Stutzen 18 wird tangential in den Deckel der oberen Sammelkammer 1 geführt, und das Wasser läuft an ihrem Umfang oberhalb des ersten und des zweiten Vorwärmrohrsystems 10 bzw· 11 um, nachdem es von dem Raum mit dem Warmwasser durch den Trennring 19 getrennt wird, wobei der Austrittsstutzen 20 des Warmwassers ebenfalls im Deckel der oberen Sammelkammer 1 angeordnet ist. Die obere Durchgangsöffnung 7 ist mittels des Flansches der wassergekühlten Einlage 22 geschlossen. In der Einlage 22 befinden sich das Sichtfenster 21 sowie die in der Zeichnung nicht eingezeichneten Zündungs- und Sicherheitsinstrumente. Die untere Durchgangsöffnung 6 ist kegelförmig, und an seinem Flansch ist der Deckel der unteren Sammelkammer 2, ferner der Stutzen 14 mit der Zufuhrleitung des Brenn-

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Stoffgemisches und schließlich auch der Stutzen mit der kegelförmigen homogenisierenden und schützenden Siebeinlage 15 angeschlossen. Der Kessel ist mit dem Mantel 23 versehen, mit dem der Sammelring 24 der Rauchgase verbunden ist. Der Stutzen 25 des Rauchgasabzugs wird an den nicht eingezeichneten Exhaustor angeschlossen, so daß der ganze Kessel in diesem Fall ständig unter Unterdruck steht.

Der Kessel gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt:

Die Zuführung des Gemisches des Brennstoffs und des Oxidationsmittels durch den Stutzen 14 wird so eingestellt, daß durch ihn 1/10 bis 1/4 des Volumens des Gemisches bei der Nennleistung des Kessels strömt. Das Gemisch strömt infolge des Unterdrucks im ganzen Kessel, der durch den nicht eingezeichneten, an den Stutzen 25 des Rauchgasabzugs angeschlossenen Exhaustor verursacht wird, über die homogenisierende und schützende Siebeinlage 15 in die untere Durchgangsöffnung 6, die in Form einer Düse gestaltet ist. Hier erfolgt die Beruhigung und Beseitigung der früher entstandenen Wirbel, und das Gemisch dringt in den anschließenden freien Zentralhohlraum 3 ein. Durch die nicht eingezeichnete Zündeinrichtung wird das frei strömende Gemisch in dem Zentralhohlraum 3 gezündet und brennt bei der niedrigen Anfangsgeschwindigkeit mit offener Flamme. Die dünne Oberflächenschicht des inneren Mantels des Zentralhohlraums 3, welcher durch keramische Distanzeinlagen 4 gebildet wird, wärmt sich schnell über die Zündtemperatur des Brennstoffgemisches bis zu einer Temperatur von 800 bis 900° C.auf. In dieser Aufwärmungsperiode, die etwa 30 s dauert, verbleibt die eigentliche Masse der Distanζeinlagen 4 im Innern noch im Kaltzustand. Die Leistung des Kessels kann jedoch bereits

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kontinuierlich erhöht werden, so daß im Verlaufe von weiteren 1,5 *>is 2 Minuten die Volleistung erreicht wird. Dadurch ist auch der Umfang der Betriebsregulierung des Kessels gegeben« Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß der über die Zündtemperatur in dem Zentrahlhohlraum 3 gebrachte Kessel eine Regelzeit hat, die nur von der Empfindlichkeit der Regelelemente abhängig ist.

Am Ende der Periode der Erwärmung des Zentralhohlraums 3 beim Start des Kessels verschwinden vom ganzen Raum die sichtbaren Flammen von selbst, und die Verbrennung ändert sich zur flammenlosen Oberflächenverbrennung und konzentriert sich ausschließlich an die innere Umfangsfläche der keramischen Distanzeinlagen 4, wo der Teil des Brennstoffgemisches zu entflammen beginnt, der im Sinne der eingezeichneten Pfeile im gegebenen Fall nach oben durch den Zentralhohlraum 3 strömt. Die Entflammung betrifft jedoch den Teil des Stroms des Brennstoffgemisches, der unmittelbar mit dem inneren Mantel des Zentralhohlraums 3 in Kontakt kommt, wogegen das verbleibende Volumen des Gasgemisches im gegebenen begrenzten Raum, welchen der Zentralhohlraum 3 darstellt, nicht entflammt weiterströmt, und eine Geschwindigkeit aufweist, die höher als die frontale Geschwindigkeit der Flammenausbreitung und auch in dem Sinne höher ist, daß auf dem kurzen Wegstück mittels Strahlung das gesamte strömende Medium nicht auf seine Zündtemperatur erwärmt werden kann. Deswegen wird die Umfangsentflammung weiter in die Spaltdüsen 5 übertragen. An den Stellen, wo diese Spaltdüsen 5 in die angrenzende Schicht der Strahlungsmasse 12 einmünden, erfolgt bei den kinetischen Bedingungen des Brennens und ausschließlich im Kontakt mit der gegliederten Oberfläche dieser Masse 12 ein heftiges Entflammen des Brennstoffgemisches

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in ausschließlich flammenlosem Brennen. Hier lokalisiert sich auch die Zone der intensiven Verbrennung und der höchsten Temperaturen und ändert sich nicht mit der Kesselleistung, weil auch der Anfang der Entflammung durch die unveränderte Fläche am inneren Umfang des freien Zentralhohlraums 3 gegeben ist. Die Lage der Zone der intensiven Verbrennung hängt von der Oberflächentemperatur des inneren Umfangs des Zentralhohlraums 3 ab, die selbst wieder von der Abführung eines Teils der Wärme aus dem Raum der keramischen Distanzeinlagen abhängig ist. Die Wärmeabführung ist umso größer, je kleiner ihre Radialentfernung von dem ersten Siederohrsystem 8 ist. Im Falle der großen Nähe des ersten Siederohrsystems 8 zu den Distanzeinlagen 4 wird die Hauptverbrennung durch die Spalte zwischen den anliegenden Rohren, die mit der Strahlungsmasse aufgefüllt sind, bis in die Schicht der Strahlungsmasse 12 übertragen, die sich zwischen beiden Siederohrsysteraen 8,9 befindet.

Es handelt sich dabei um einen Extremfall, der jedoch keinesfalls selten ist. Die als Beispiel in Fig. 9 dargestellte Anordnung ruft jedoch nur die mittlere Temperatur des Zentralhohlraums von rund 1.200° C hervor. Die Schicht der Strahlungsmasse 12 zwischen dem ersten und zweiten Siederohrsystem 8, 9 ist völlig zusammenhängend und enthält keine Elemente, die den Brennverlauf verschlechtern oder sogar unterbrechen wurden. Deswegen verhält sich diese Zone, als ob sie die Funktion der extrem vorgeschobenen Zone der intensiven Verbrennung übernimmt oder als ob sie in der überwiegenden Mehrheit der Fälle nur die Stelle des Ausbrennens der zufälligen Brennstoff Überreste darstellt, um den Verbrennungsprozeß gegen das Entweichen der nicht verbrannten Komponenten des Brennstoffs zu schützen. Die Maßnahme dient also zum Schutz der

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Reinheit der Atmosphäre· in der Kesseltechnik.

Die vollkommen verbrannten und stark abgekühlten Rauchgase gehen durch das System der schmalen vertikalen Schlitze zwischen den Siederohren des zweiten Systems 9 hindurch. Die zugeschweißten ersten Zwischenrippen 16 im ersten System 10 der Vorwärmrohre ändern die im Beispiel durch starke Linien und Pfeile gezeichnete Querströmung der Rauchgase in die Strömung in Richtung nach unten entlang der membranförmigen Zwischenrohrwand. Da die erste Zwischenrippe 16 nicht bis zur unteren Sammelkammer 2 reicht, dringen die Rauchgase durch die entstandenen Spalte in den Raum zwischen den Systemen der Vorwärmrohre 10 und 11 hindurch. Weil auch die Vorwärmrohre des zweiten Systems 11 mittels der zweiten zugeschweißten Rippen 17 an die Zwischenwand aus Rohren angeschlossen sind, strömen die Rauchgase an ihnen entlang in Richtung nach oben. Da die zweiten Rippen 17 in diesem Fall ebenfalls nicht zur oberen Sammelkammer 1 reichen, gehen die Rauchgase durch ähnliche Spalte wie vorher in der oberen Partie des Kessels in den Raum hinter der Zwischenwand aus Rohren des zweiten Systems 11 der Vorwärmrohre in den zylindrischen Kessel über und strömen weiter in Richtung nach unten in den Sammelring der Rauchgase 24, von wo sie durch den nicht eingezeichneten Exhaustor durch die an den Stutzen des Rauchgasabzugs 25 angeschlossene Rohrleitung abgesaugt werden.

Die Wirkung der Nachkühlung der Rauchgase zwischen dem ersten und zweiten Vorwärmrohrsystem 10 und 11 wird höher, wenn dieser Raum, der im gegebenen Fall als ein Hohlzylinder gestaltet ist, dessen Wände eine Dicke aufweisen, die der radialen Bitfemung der zugeschweißten ersten Zwischenrippen 16 und zweiten Zwischenrippen I7 gleich ist, mit einer

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grobkörnigen keramische^ Masse 13 aufgefüllt wird, die bei der Temperatur von 2^0° C einen höheren Koeffizient der Wärmestrahlung hat, als die Gesamtzahl der Wärmeübertragung aus den Gasen an die Rohrwände beträgt. Darüberhinaus wird durch ihre Anwesenheit die Bildung der Wirbel der Rauchgase an den Wänden der Rohre der ersten und zweiten Vorwärmsysteme 10 und 11 verursacht und die Wärmeübergangszahl durch Konvektion erhöht. Die Strahlwirkung der gegliederten Oberfläche der Füllung aus keramischer Masse 13 ist jedoch in ihrer Wirkung am wichtigsten und nimmt wesentlich an der Reduktion der Wärmeaustauschflächen auch bei niedrigen Temperaturen der Abgase teil, die im Betrieb noch als ökonomisch vertretbar toleriert werden. Die Füllung der keramischen Masse 13 ist der besseren Übersichtlichkeit halber nur in der rechten Hälfte der Fig. 9 in dünner Kreuzschraffierung angedeutet. In der linken Hälfte der Fig. 9 sind die zugeschweißten Zwischenrippen 16, 17 ohne die keramische Masse 13 eingezeichnet.

An der Konstruktion aller in Fig. 9, 10, 11, 12, 13 dargestellten Kessel ändert sich nichts, wenn der Kessel an die Überdruckeinführung des Brennstoffgemisches angeschlossen wird, d.h. daß die Räume dieser Kessel imstande sind, ohne jede Anpassung sowohl im Unterdruck- als auch im Überdruckbetrieb zu arbeiten.

Die Strömung des Wassers oder einer anderen Flüssigkeit, die im Kessel gemäß der Erfindung erwärmt wird, verläuft auf die Weise, daß die kalte Flüssigkeit in den K_essel durch die Rohrleitung über den Stutzen 18 des Eintritts des Rückführwassers geführt wird, der tangential in den Deckel der oberen Sammelkammer 1 einmündet. Das Rückführ-

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wasser kreist zwischen -dem äußeren Umfang der oberen Sammelkammer 1 und dem Trennring 19 und wird regelmäßig in beide Systeme der Vorwärmrohre 10 und 11 aufgeteilt, durch welche es in die untere Sammelkammer 2 strömt und durch die in den Rohren der Siedesysteme 8 und 9 durch die von der aufgewärmten Flüssigkeit hervorgerufene Auftriebskraft wieder nach oben in die obere Sammelkammer 1 steigt, wo es durch den erwähnten Trennring von der kalten eintretenden Flüssigkeit getrennt wird. Außerdem kann es auch zur inneren selbständigen Zirkulation kommen, bei der ein Teil der weniger aufgewärmten flüssigkeit aus dem ersten Siederohrsystem 8 teilweise durch das zweite Siederohrsystem 9 zurückkehrt, da der Trennring 19 an seinem oberen als auch unteren Umfang angemessen gas-sowie flüssigkeitsdurchlässig gestaltet ist.

Alle Geber zur Steuerung und zum Schutz des Kessels werden in getrennten Rohren mittels der wassergekühlten Einlage 22 in den Raum des Zentralhohlraums 3 eingelassen. In der wassergekühlten Einlage 22 befindet sich auch das Sichtfenster 21, Alles kann ebenfalls in der unteren Durchgangsöffnung 6 und in ihrer unmittelbaren Umgebung angeordnet werden.

Bei der Anwendung des flüssigen Brennstoffs wird in die untere Durchgangsöffnung 6 eine spezielle Zerstäubungs-,Vermischungs- und Orientierungseinrichtung zur Erzeugung eines vollkommen homogenen Ärosols eingebaut. Diese Einrichtung ist nicht eingezeichnet. Ihre Funktion ist jedoch an die Mitwirkung mit dem zentralen Funktionshohlraum 3 angepaßt. Sie kann im freien Raum der heutigen klassischen Kessel nicht arbeiten.

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In Fig. 10 wird die zweite Variante des Strahlungskessels nach der Erfindung schematisch im abgekürzten Vertikalschnitt als Kessel zur Produktion des trockenen oder überhitzten Dampfes dargestellt. Der zentrale Funktionshohlraum 3 ist auch hier vorhanden. Die linke Hälfte der Fig. 10 deutet die Möglichkeit der Anwendung der keramischen Distanzeinlagen 4 an, die rechte Hälfte zeigt die Ausführung des durch das Bündel dear Hilfsrohre 28 mit der thermischen Isolierung der Oberfläche begrenzten Zentralhohlraums 3· Diese zwei möglichen Modifikationen des Zentralhohlraums 3 bringen bestimmte Konstruktionsänderungen in die ansonsten gleichbleibende Konzeption des Dampfkessels. Ein gemeinsames Merkmal bilden hier die beiden oberen und unteren Sammelkammern 1, 2» Sie sind jedoch nach Fig. 9 wesentlich kleiner, weil die zur Zuführung der Rücklaufflüssigkeit bestimmte und durch den Trennring 19 begrenzte Partie wegfällt. Die Siederohre des ersten Systems 8 und des zweiten Systems 9 sind an der rechten Seite in größerer Entfernung von der Symmetrieachse ο angeordnet, was dadurch verursacht wird, daß die Zone des intensiven Brennens infolge des Bündels der Hilfsrohre 28 mit thermischer Oberflächenisolierung bis zwischen das erste System 8 und das zweite System 9 der Siederohre versetzt wird. Deswegen muß auch die Schicht der Strahlungsmasse 12 bis hinter die Siederohre des zweiten Systems 9 verbreitert werden, wogegen in der linken Hälfte in Fig. 1 die Strahlungsmasse 12 zwischen den beiden Systemen 8 und 9 endet.

Die gemeinsamen Merkmale des Kessels nach Fig. 10 sind wie folgt:

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Der Stutzen des Eintritts des Rückführwassers ist mit der ersten Rohrspirale 27 verbunden, die ohne oder mit Zwischenrippen gestaltet ist, das Rückführwasser aufwärmt, es durch die Zuführrohrleitung 29 zur niedrigsten Stelle der unteren Sammelkammer 2 übergibt und es im Sinne der eingezeichneten Doppelpfeile verteilt. Der oberhalb des Wasserspiegels in der oberen Sammelkammer 1 angesammelte Dampf wird durch die Rohrspirale 26 abgeführt, welche vorzugsweise als ein mehrfaches Bündel von Rohrspiralen ausgeführt werden kann, bis zum Dampfaustrittsrohr 30, welches er als trockener oder überhitzter Dampf verläßt. Die Dampfüberhitzung nach der rechten Hälfte der Fig. 10, wo die Strahlungsmasse 12 die zweite Rohrspirale 26 berührt, ist vorteilhafter.

Der in Fig. 10 dargestellte Kessel hat gegenüber Fig. 9 seinen Zuführungsstutzen 14 für das Brennstoffgemisch an die obere Seite des zentralen Funktionshohlraums 3 angeschlossen. Die Zuführrohrleitung wird in den spiralförmigen Vermischer 33 tangential zur Symmetrieachse ο geführt, so daß das ^rennstoffgemisch um die homogenisierende und schützende Siebeinlage 15 rotiert, durch sie durchdringt und durch die Mitte der wassergekühlten Einlage 22 in den Zentralhohlraum strömt. Aus diesem Grunde werden alle Betriebs-, Regel- und Meßgeber getrennt in mehreren oder nur in einem Durchgangsrohr 32 in der unteren Sammelkammer 2 eingeführt. Das Sichtfenster 21 bleibt in der höchsten Position des Kessels. Nach Bild 10 wird der Exhaustor 31 als Gestell des stehenden Kessels gestaltet. Sonst sind die Bezugszahlen in allen Figuren für funktionsmäßig und formmäßig gleiche Teile identisch und werden daher nicht wiederholt.

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Eine andere Variante des Kessels nach der Erfindung wird in Fig. 11 dargestellt. Es handelt sich um eine typische mittlere Partie der Kesselkonstruktion zur Produktion von Druckwasser oder anderer Flüssigkeiten mit erhöhter Nutzungstemperatur, die nach den Prinzipien des Strahlungskessels nach der Erfindung angeordnet ist. Diese Variante kennzeichnet sich dadurch, daß nicht nur die Rohrsysteme 8, 9, 10 und ,11 aus Fig. 9» sondern auch die Systeme der Rohrspiralen und 27 aus Fig. 10 durch drei in Serie geschaltete Rohrspiralen 34» 35 und 36 mit gleichem Querschnitt ersetzt sind. Diese Rohrspiralen werden konzentrisch zur Symmetrieachse ο gewunden und weichen voneinander nicht nur durch verschiedene Radialabstände von der Symmetrieachse o, sondern vor allem durch die Gewindesteigung ab, wodurch die technologisch notwendigen, in ihren Breiten abweichenden und früher diskutierten Spalte z\tfischen den Rohren gebildet werden, wie in der Beschreibung des Kessels nach Fig. 9 erläutert wurde. Die untere Partie der Fig. 11 zeigt die Anordnung des Zentralhohlraums 3 mit keramischen Distanzeinlagen 4. In der mittleren Partie der Fig. 3 ist die Möglichkeit der Ersetzung der keramischen Distanzeinlagen 4 durch das Bündel der Hilfsrohre 28 mit thermischer Oberflächenisolierung angedeutet. Die Bezeichnung der Richtung der Strömung der Flüssigkeiten und Gase durch verschiedenartig gezeichnete Pfeile entpsricht der Beschreibung der vorangehenden Fig. 9» 10. Die Symmetrieachse ο nach Fig. 11 kann eine beliebige Lage so wie bei allen Kesseln nach Fig. 9 und 10 einnehmen, wenn konstruktionsmäßig die Voraussetzungen für die richtige Zirkulation der Flüssigkeit im gesamten System geschaffen werden.

Eine Sonderstellung in der Konstruktionsanordnung der Kessel nach der Erfindung nehmen die Mantelkessel nach Fig.

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und 13 ein. Die Beschreibung charakterisiert jedoch nur die Partien der Strahlungskessel nach der Erfindung, die sich am äußeren Umfang des eigentlichen Reaktionsraums befinden, schließen jedoch den ganzen Abschnitt der Nachkühlung ein. Dies bedeutet, daß um den zentralen Funktionshohlraum 3» welcher in Fig. 12 beispielsweise als regelmäßiges vierseitiges Prisma dargestellt wird, der Mantel in Form der zusammengelegten Distanzeinlagen 4 mit Vierkantprofil ausgebildet wird, wobei die Distanzeinlagen voneinander durch Spaltdüsen 5 getrennt sind, die in Fig. 12 nicht gezeigt sind. Abhängig davon, wie die Lage der Verbrennungszone gewählt wird, bestimmt man die Radialentfernung des ersten Siederohrsystems 8, dessen Funktion gleich ist wie in Fig. und 10. Das zweite Siederohrsystem 9 in Fig. 9 und 10 wird jedoch einerseits durch die inneren Hohlräume 43 und andererseits durch den hohlen Umfangsmantel 44 ersetzt, durch welchen das Wasser hindurchfließt, nachdem sie gemeinsam mit dem ersten Siederohrsystem 8 sowie oben als auch unten an die Sammelkammern angeschlossen sind. Die Sammelkammern sind in Fig. 12 nicht eingezeichnet. Alle entweder zwischen den anliegenden inneren Hohlräumen 43 oder zwischen diesen Räumen 43 und dem hohlen Umfangsmantel 44 entstandenen Zwischenräume 37 haben in der Regel alle oder in der Mehrheit die Form eines mit der engeren Partie zum Umfang des Kessels orientierten Keils und sind mit der Schicht der keramischen Masse 13 8^e~ füllt. Der Raum von dem Mantel des Zentralhohlraums 3 bis hinter das erste Siederohrsystem 8 ist mit der Strahlungsmasse gefüllt. Hier sind sie nicht durch die Kreuzschraffierung voneinander unterschieden. Die Zwischenräume 37 sind die Stellen, wo es zur Nachkühlung der Rauchgase kommt, die in die vertikalen Kanäle 38 einmünden und erst von hier in den Abzug geführt werden.

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Die in Fig. I3 im Grundschnitt dargestellte Variante des Strahlungskessels nach der Erfindung ist eine Analogie des Kessels nach Fig. 12 mit dem Unterschied, daß der zentrale Funktionshohlraum 3 durch das Bündel der Hilfsrohre 28 "begrenzt ist, die in diesen Fall die teilweise thermische Oberflächenisolierung aufweisen, welche in den Zentralhohlraum einwärts orientiert ist. Die Wärmeisolierung hat einen noch stärkeren Nachkiihleffekt auf den Zentralhohlraum 3 als Rohre mit der isolierenden Schicht im ganzen Rohrumfang und verstärkt somit den Steuerungseinfluß auf den Verlauf der kontakt-kinetischen Methode der flammenlosen Verbrennung, der sich in diesem Fall durch die Lokalisierung der Zone der intensiven Verbrennung und der maximalen Temperaturen überwiegend ins erste System 8 zwischen die Siederohre oder unmittelbar hinter die Siederohre in der Richtung weg von der Symmetrieachse ο äußert.

Der Umfangsmantel des Kessels ist am Umfang mit mehreren keilförmigen Hohlräumen 39 ^mit stark abgerundeter Spitze des Hohlraums versehen, die mit Ausnahme der flachen Rauchgasrohre ^o mit Wasser aufgefüllt sind. Die keilförmigen Hohlräume 39 sind mit der Trennwand 41 versehen, durch welche sie in zwei ungleich große und selbständige Räume aufgeteilt werden. Durch den größeren Raum näher dem Mantel 23 des Kessels strömt das kältere Rückführwasser in Richtung nach unten und wird durch den Strom der Rauchgase von den flachen Rauchgasrohren 40 aufgewärmt. Durch den kleineren Raum in der Spitze des keilförmigen Hohlraums 39 strömt das Warmwasser abgetrennt durch die Trennwand nach oben aus der nicht eingezeichneten unteren Sainmelkammer in die obere Sammelkammer 1. Gleich wie Fig. 12 dienen die Zwischenräume 37 zur Nachkühlung. Sie sind mit keramischer Masse 13 aufgefüllt. Der eigentliche Reaktionsraum

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ist mit der Strahlungsmasse 12 gefüllt. Beide Massenarten sind mit gleicher Kreuzschraffierung dargestellt. Aus den Zwischenräumen 37 strömen die fast abgekühlten Rauchgase in den Umfangssammelraum 42 und werden in spiralförmiger Bewegung zwischen dem Kesselmantel 23 und den Hinterwänden der keilförmigen Hohlräume 39 in die flachen Rauchgasrohre 40 und ferner in den Rauchgasabzug geführt. Diese Partien sind in Fig. 13 nicht eingezeichnet.

Im Zusammenhang mit Fig. 10, 11, 12 und 13 wurde darauf verwiesen, wie die detailliert im Beispiel in Fig. 9 angeführten konstruktionsmäßigen Hauptprinzipien in der Praxis geltend gemacht werden und wie man durch die Kombination einiger der angewandten Konstruktionselemente eine Reihe von weiteren Varianten unter Anwendung des einheitlichen Systems des Reaktionsraums ableiten kann, der aus einem der angegebenen Typen der Umfangsfläche des Zentralhohlraums mit gesetzmäßig angeordneten Flächen, bis an die Stellen, wo die Verbrennung als auch die intensive Wärmestrahlung endet, gebildet ist. Es entfällt ferner die Notwendigkeit, für große Leistungen Reihen von kleinen Kesseleinheiten zu gruppieren und sie durch kostspielige Steuerungs- und Regeltechniken zu verbinden, da die Kessel nach der Erfindung in ihren Leistungen im Bereich von 1:10 reguliert werden können. Dabei wird der effektive Wirkungsgrad des Kessels bei seiner Maximaileistung, während welcher die Temperaturen der Rauchgase den Wert von 240 nicht überschreiten, unter 92 % nicht absinken. Mit der Reduktion der Belastung des Kessels steigt der Wirkungsgrad bis auf 96 %, wozu neben den bekannten Bedingungen vor allem die reduzierte Masse dieser Strahlungskessel sowie deren reduzierte Strahlungsoberfläche zusammen mit vollkommener Verbrennung unter minimalem Luftuberschuß

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beitragen. Deswegen bestehen bei der Methode nach der Erfindung Möglichkeiten der Anwendung der Kessel bei allen Kategorien beginnend mit der Individual-, Zentraloder Blockheizung von Wohnungen und ganzer Siedlungen über Niederdruck-, Mitteldruck- bis zu Hochdruckaggregaten der industriellen Warmwasser- und Dampfsysteme unter Anwendung von verschiedenen Wärmeaustauschmedien, wo neben Wasser Verschiedene öle, flüssiges Natrium usw. in Frage kommen. Da sich die Kessel nach der Erfindung durch Mobilität als auch niedrige Masse und kleine Dimensionen auszeichnen, vor allem jedoch die Möglichkeit der schnellen Inbetriebsetzung aufweisen, können sie integrierte Einheiten mit anderen Arbeits anlagen wie z.B. Sonnen- oder Wind quellen für Wärme oder andere Energieformen bilden und auch an der Akkumulierung der sich periodisch wiederholenden vorübergehenden Überschüsse der Wärmeenergiequellen usw. mitwirken.

Die Konstruktionsgrundelemente der Anlage nach der Erfindung können auch im Einklang mit der Grundmethode zur Rekonstruktion und Innovation der Mehrheit der klassischen Flammrohrkessel als auch anderer Kessel, die einen symmetrisch angeordneten Verbrennungsraum und wenigstens das um ihn regelmäßig angeordnete erste System der Wärmeaustauschflächen aufweisen, angewandt werden. Die Konstruktionsanpassung ist nicht anspruchsvoll. In der Regel entfallen die nachkühlenden Rauchgassysteme, ⁰S¹O^cIaB die Form, das Aussehen und die Dimensionen des Kessels üblich erhalten bleiben. Es erhöht sich die Wärmeleistung der Einheit wenigstens auf das doppelte. Es kann jedoch nach der Änderung des Nachkühlsystems im Einklang mit einer der Ausführungen nach der Erfindung bis zum Vierfachen der ursprünglichen Nennleistung erreicht werden. Da in allen erwähnten Fällen

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der Wirkungsgrad der Anlage in der Ausführung im Sinne der Erfindung hohe Werte erreichen wird, zeigen sich "bei der gegenwärtigen progressiven Miniaturisierung besonders günstige Perspektiven der Anwendung dieser Methode sowohl bei klassischen als auch neuen Prinzipien der Traktionsmotoren, wie z.B. Stirling, Minto, Dampfantriebe, Turbinen und nicht zuletzt die neu konzipierten kaskadenartigen hybriden Thermogeneratoren mit günstigeren Eetriebscharakteristiken und mit wesentlich höherem Wirkungsgrad in einfacherer Grundkonstruktion und ohne Notwendigkeit der Steuerung der Verbrennungsprozesse mittels komplizierter Elektronik.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche :

( 1. Verfahren zur Steuerung des Verlaufs einer kontaktkinetischen flaminenlosen Verbrennung zwecks Erwärmung von Stoffen durch die Strahlung einer gasdurchlässigen Strahlungsmasse, die an ihrer Oberfläche aus dem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff die Latentwärme freigibt, durch welche sie entweder selbst aufgewärmt und thermisch bearbeitet wird, wobei sie durchlaufend ausgetauscht wird, oder in den Ruhezustand gebracht und zum stabilen Strahler wird, welcher die freigegebene Wärme unmittelbar zu anderen flüssigen, gasförmigen oder festen Stoffen ausstrahlt, die getrennt durch den Reaktionsraum strömen oder hindurchgehen, dadurch gekennzeichnet, daß das homogene oder heterogene Gemisch des Brennstoffs und des Oxidationsmittels im nicht gezündeten Zustand in einen zentralen, um die Symmetrieachse des Rer.ktionsraums gelegenen Funktionshohlraum

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eingeführt und die Umfangsflache des Funktionshohlraumes durch die Änderung des Abführens eines Teils der Wärme von ihrer Oberfläche auf die Arbeitstemperatur von mehr als 800 C gebracht wird und das Brennstoffgemisch an dieser inneren vorgewärmten Fläche des Zentralhohlraums auf seine Entflammungstemperatur erwärmt wird und gleichzeitig an der Oberfläche dieses Hohlraumes zündet, wobei die Zone der intensiven Verbrennung des bereits vollen Stroms des Gemisches und der intensiven Temperaturen bis hinter den äußeren Umfang des Mantels des Zentralhohlraums übertragen und die im Räume dieser Wärmeaustauschflächen angeordnete Strahlungsmasse infolge der sich fortsetzenden, quer zu den Wärmeaustauschflächen gerichteten Strömung in den Zustand des positionsmäßig unveränderlichen, intensiven Wärmestrahlers gebracht wird, der sich unabhängig von den Änderungen des thermischen Betriebes des Verbrennungsvorgangs stabilisiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Strom des Gemisches des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in dem Zentralhohlraum durch die in ihrer Intensität gesteuerte Strahlung des Umfangsmantels des Zentralhohlraums erwärmt und der durch die Temperatur von mehr als 1.2OO C charakterisierte Anfang der Entflammung bereits in den Zentralhohlraum gelegt wird und eine weitere Zunahme der Verbrennungstemperatur bis zur höchsterreichbaren Temperatur nach und nach erst im Verlaufe der weiteren Strömung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen dos Zentralhohlraums mittels der Begrenzung der durch die Abführung der Wärme

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vom unmittelbaren Umfang des Zentralhohlraumes gesteuerten Strahlung ihres Umfangsmantels unter den Wert von 1.200 C gesenkt wird, wobei der Verlauf des Brennens vorübergehend verlangsamt und die Zone der intensiven Verbrennung bis in den von der Symmetrieachse des Reaktionsraums der radialen Strömung des Gemisches ferner liegenden Bereich übertragen wird, wo erst das heftige Anwachsen auf höchste Verbrennungstemperaturen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Gemisches des Brennstoffs und des Oxidationsmittels noch vor dem Eintritt in den gegen den Effekt der Flammenlöschung geschützten Zentralhohlraum beruhigt und gleichmäßig gemacht wird, worauf er mittels der räumlich symmetrischen Aufwärmung in konstanten, nicht pulsierenden Zustand gebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Zentralhohlraums katalytisch aktiviert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in der Richtung weg von der Symmetrieachse geführt wird und das Brennen als auch die Wärmeübergabe durch Radiation nur in einigen zu ihr gehörenden Teilpartien des Reaktionsraums verläuft.
7. Kessel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Erwärmung oder Verdampfung von Flüssigkeiten durch Wärmestrahlung, die im gesteuerten Verlauf der flammenlosen Verbrennung nach dem kontaktkinetischen Prinzip entsteht, mit durch ein System von Wärmeaus-

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tauschflächen verbundenen Sammelkammern und Selbst- oder Zwangszirkulation der zu erwärmenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Sammelkanunern (1, 2) in der Kesselsymmetrieachse (o) mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, die von der Außenseite des Kessels an die Zuführleitung (14) des Brennstoffgemisches angeschlossen ist und durch ihre Innenseite in den freien Zentralhohlraum (3) mit dem wärineisolierenden Umfangsmantel mündet, welcher durch die Gruppe der Durchgänge (5) mit dem den Zentralhohlraum (3) umschließenden Kesselraum verbunden ist, wobei in dem Raum, der zur Auffüllung mit der gasdurchlässigen Strahlungsmasse (12) bestimmt ist, wenigstens zwei Systeme von Wärmeaustauschflächen (8, 9) zur Erwärmung oder Verdampfung von Flüssigkeiten angeordnet sind und beide Sammelkammern (1, 2) verbinden und jedes dieser Systems (8, 9) von Wärmeaustauschflächen von der Symmetrieachse des Kessels ferner liegt als das ihm in der Richtung von der Symmetrieachse vorangehende System von Wärmeaustauschflachen.
8. Kessel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralhohlraum (3) den Innenraum des Körpers aus keramischer Masse bildet.
9. Kessel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralhohlraum (3) als der durch das Bündel (28) der an der Oberfläche mit thermischer Isolierung versehenen Rohre begrenzte Raum gestaltet ist.
10. Kessel nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die als Rohre gestalteten Wärmeaustauschflächensysteme (8, 9) konzentrisch um den Zentralhohlraum (3) angeordnet sind und die gegenseitigen Abstände zwischen den Rohren dps /^toms (8) der Wärmeaustauschflächen tu j * kleinerer iadio ■ ! '"■ η dem

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BAD ORIGINAL

Zentralhohlraum (3) größer sind als die Abstände zwischen den Rohren des nächsten von dem Zentralhohlraum (3) ferner liegenden Systems (9) von Wärmeaustauschflächen.
11. Kessel nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Rohren des dem Zentralhohlraum (3) nächsten Systems (8) von Wärmeaustauschflächen größer sind als der Durchmesser des eigentlichen Rohrs und die Abstände zwischen den Rohren des von dem Zentralhohlraum (3) ferner liegenden Systems (9) der Wärmeaustauschflächen kleiner sind als der Durchmesser des eigentlichen Rohrs.
12. Kessel nach den Ansprüchen 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Zentralhohlraum

(3) ferner liegende System der Wärmeaustauschflächen aus hohlen Mänteln besteht, die insbesondere die Form von keilförmigen Segmenthohlräumen (39) aufweisen und gleichmäßig um die Symmetrieachse (o) des Kessels angeordnet sind, wobei zwischen den einzelnen Teilmänteln die in den in der Symmetrieachse des Kessels (o) liegenden Ebenen radial angeordneten spaltförmigen Zwischenräume (37) ausgebildet sind.
13. Kessel nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch g e kennzeichnet, daß die einzelnen Rohrsysteme der Wärmeaustauschflächen in Form von Rohrspiralen (34, 35) mit abweichenden Abständen zwischen den einzelnen anliegenden Windungsgängen gestaltet sind.

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