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Flammrohrkessel mit
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Verbrennungsluft-Vorwärmanlage Die derzeitigen hohen Brennstoffkosten
erfordern u.a. auch eine Steigerung der Wirkungsgrade von Dampfkesseln, auch von
jenen Kesseln, die bereits in Betrieb sind.
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Zu diesem Zweck wurden in der Vergangenheit z.B. eine Reihe von Flammrohrkesseln
nachträglich mit Speisewasservorwärmern ausgerüstet, die - bei Nennlast - eine zusätzliche
Absenkung der Abgastemperatur von meist 240 °C auf 140 °C erreichen lassen und so
eine Brennstoffeinsparung von ca. 5 Prozent bringen.
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Eine tiefere Abkühlung der Rauchgase als auf ca. 140 °C ist bei schwerölgefuerten
Kessel im Blick auf die Gefahr von Taupunktkorrosionen von den rauchgasberfihrten
Heizflächen und Komponenten nicht ratsam.
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Bei. erdgasgefeuerten Kesseln, blei denen der Taupunkt tiefer liegt
und wegen des sehr geringen Schwefelgehaltes des Brennstoffs die Gefahr von Taupunktkorrosionen
Figur sehr klein ist, wäre zwecks einer weiterer Steigerung des Wirkungsgrades eine
Abkühlung der Rauchgase auf 100 Cc - ggf. sogar auf 90 °C - erwünscht. Dies wilrde
eine zusätzliche BrennstoECeinsparung von 2 bis 2,5 % bringen. (Eine Rauchgasabkühlung
um 20 °C ergibt eine Brennstoffersparnis von 1 %).
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Diese Abgastemperatur von 100 °C (bzw. 90 °C) kann mit Speisewasservorwärmern
jedoch nicht erreicht werden, da das vom Speisewasserbehälter kommende Speisewasscr
eine Temperatur von 102 ° bis 105 °C hat und die Abgastemperatur aus Gründen der
Wärmeübertragung immer flber der Speisewassereintrittstemperatur liegt.
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Um bei erdgasgeeuerten Flammrohrkesseln eine Abgastemperatur von 100
°C (bzw. 90 °C) zu erreichen, wurde bereits vorgeschlagen, diese Kessel mit Röhrenluftvorwärmern
auszurüsten, mit denen dieso Abgastemperaturen auch erreicht werden können. Diese
Röhrenluftvorwärmer wer seitlich des Kessels oder seitlich über dem
Kessel
angeordnet. Der Hauptvorteil der Röhrenluftvorwärm er ist der, daß sie rauchgasseitig
gut reinigbar sind (mechanisch oder pneumatisch). was besonders beiAschwerölqefeuerten
Kessel von Wichtigkeit ist.
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Hingegen ist es bei den Röhrenluftvorwärmern von Nachteil, daß diese
einen verhältnismäßig hohen verbrennungsluftseitigen und rauchgasseitigen Zugverlust
aufweisen (bei Nennlast je ca.
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0,005 bar). Dadurch wird ein Austausch der Laufräder der Verbrennungsluftgebläse
erforderlich und der elektrische Eigenbedarf der Kessel steigt an. Auch ist der
Platzbedarf der Röhrenluftvorwärmer ein großer.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile, und um für diesen Kesseltyp eine
besonders vorteilhafte Art von Verbrennunsluftvorwrmung zu schaffen, wird ein Flammrohrkessel
mit hydraulisch gekoppelten Verbrennungsluft-Vorwärmanlage vorgeschlagen, der erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichneL ist, daß der primäre Wsirmetauscher bzw. die primären Wärmetauscher
der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage im Bereich der rauchgasaustrittsseitigen Kesselhälfte
und ihr sekundärer Wärmetauscher bzw. ihre sekundciren Wärmetauscher im Bereich
der bedienungsseitigen Kesselhälfte angeordnet sind.
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Da bei Erdgasfeuerung eine Verscllmutzungsgefahr für den primären
(= rauchgasbeheizten) Wärmetauscher der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage fast nicht
gegeben ist, ist es möglich, für dieses Gerät Rippenrohre zu verwenden, die einen
sehr niedrigen rauchgasseitigen Zugverlust aufweisen. Auch für den sekundären (=
verbrennungsluftgekühlten) Wärmetauscher der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage können
Rippenrohre mit ihrem niedrigen Zugverlust verwendet werden.
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Dadurch kann der gesamte Zugverlust von primärem und sekundärem Wärmetauscher
der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage bei Nennlast auf ca. 0,002 bar reduziert werden,
was den elektrischen Eigenbedarf vermindert und einen Austausch der Laufräder der
Verbrennungsluftgebläse meist erübrigt.
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Falls erforderlich - wenn es z.B. die Platzverhältnisse bestimmen
oder wenn neben dem Erdgas auch Schweröl über längere Zeit verbrannt wird - können
die primären Wärmetauscher auch als Doppelrohr- oder als Glattrohr-Wärmetauscher
(Schlangenrohr-Wärmetauscher) ausgebildet sein.
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Die hydraulisch gekoppelte Verbrennungsluft-Vorwärmanlage besteht
aus wenigstens einem primären (= rauchgasbeheizten) und einem sekundären (= verbrennungsluftgekthlten)
Wärmetauscher, die durch Verbindungsleitungen zu einem Strömungskreis geschaltet
sind, in d>m durch eine Umwälzpumpe der flüssige Wärmeträger (Wärmeöl, Wasser)
in Zirkulation gehalten wird.
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Der flüssige Wärme träger wird im primären Wärmetauscher durch Rauchgas
aufgeheizt (z.B. von 60 °C auf 210 °C) und im sekundären Wärmetauscher durch Verbrennungsluft
wieder abgekühlt (z.B. von 210 Cc auf 60 "C), wobei gleichzeitig sich die Verbrennungsluft
erwärmt (z.B. auf 180 °C) Falls ein Keller unter dein Kessel vorhanden istr kann
der sekundärc Wärmetauscher mit Verbrennungsluftgebläse bzw. können die sekundären
Wärmetauscher mit Verbrennungsluftgebläse vorteilhaft unter der Bedienungsdecke
des Kessels angeordnet sein. Dies reduziert vor allem den Lärmpegel über dein Heizerstand.
Aüch der primäre Wärmetauscher bzw. die primären Wärmetauscher kann bzw. können.unter
der Bedienungsdecke aufgestellt ein.
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Wenn es die Platzverhältnisse erfordern, kann der primäre WArmetauscher
bzw. können die primären Wärmetauscher der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage auf oder
über dem Kessel, vorzugsweise auf dessen Abgasstutzen angeordnet sein. Eine Anordnung
auf oder über dem Kessel reduziert die erforderliche Grundfläche der Anlage. Auch
der oder die sekundäre(n) Wärmetauscher kann bzw. können auf oder über dem Kessel
oder auf dessen Grundrahmen angeordnet sein.
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Der primäre bzw. die primären Wärmetauscher der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage
kann bzw. können in an sich bekannter Weise auch an der rauchgasaustrittsseitigen
Stirnwand des Kessels oder hinter demselben angeordnet sein.
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Um den verbrennungsluftseitigen Zugverlust möglichst gering zu halten,
ist zwischen jedem sekundären Wärmetauscher der hydraulisch gekoppelten Verbrennungsluft-Vorwärmanlage
und seinem zugehörigen Brenner ein gerader Luftkanal angeordnet, dessen Längsachse
auf die Brennerachse senkrecht oder ungefähr senkrecht steht. Auch ist das Verbrcnnungsluf
tgel,läsc am Gehäuse des zugehörigen sekundären Wärme tauschers anyeflanscht, wobei
-Krümmer vermieden sind.
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Bei jenen Dampfkesseln, die ausschließlich oder fast ausschließlich
mit Erdgas befeuert sind, bestehen primäre(r) und sekundäre(r) Wärmetauscher aus
Rippenrohren, da hier eine rauchgasseitige Verschmutzungsgefahr nicht gegeben ist
und so ein niedriger Zugverlust und ein geringer Platzbedarf erreicht werden können.
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Hingegen ist es bei jeden Kesseln, die abwechselnd mit Erdgas und
Schweröl - und zwar je über längere Zeit - befeuert werden, wegen der erhöhten Verschmutzungsgefahr
bei Schwerölfeuerung nicht ratsam, für die primären Wärmetauscher Rippenrohre zu
verwenden.
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Bei diesen Kesseln bestehen diese Geräte aus Doppel rohren oder Glattrohren
(Schlangenrohren) und nur die sekundären W§rmetauscher bestehen - wegen des geriiigen
verbrennungsluftseitigen Zugvcrlustes und des kleineren Platzbedarfs - aus Rippenrohren.
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Ein primärer Wärmetauscher der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage kann
in an sich bekannter Weise auch im Kamin angeordnet sein, wobei er vorzugsweise
aus Doppelrohren besteht.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Wärmetauscher der
Verbrennungsluft-Vorwärmanlage als Einrohr-Wärmetauscher ausgebildet, deren wärmeaustauschenden
Rohre wärmetragerseitig hintereinander geschaltet sind. Diese Ausführung vermeidet
die Problematik paralleler Strömungswege und läßt eine einwandfreie Entlüftung der
Rohrsysteme erreichen. Auch erreicht der flüssige Wärmeträger dann ausreichend holme
Geschwindigkeiten, was günstigere Wärmeübertragungsverhältnisse gibt.
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Nach einem anderen Erfindungsmerkmal ist im System der Verbindungsleitungen
der hydraulisch gekoppelten Verbrennungsluft-Vorwärmanlage wenigstens ein Blasenspeicher
als Behälter zur Aufrechterhaltung des Druckes des Flüssigen Wärmeträgers angeordnet.
Dieser Druck darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, um Dampfblasenbildung
im flüssigen Wärmeträger zu vermeiden.
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Die Umwälzpumpe(n) der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage ist bzw.
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sind in an sich bekannter Weise zweckmäßig als In-Line-Pumpe(n) ausgeführt,
was eine einfachere Rohrführung ermöglicht.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
mehrere primäre und mehrere sekundäre Wärmetauscher der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage
in an sich bekannter Weise durch mehrere Wärmerohre (Heat-pipes) miteinander verbunden
sind und nach m W<irmerohr-Prinzip arbeiten.
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Bei diesem modifizierten System der Verhrcnnungsl uf t-Vorw;irmanlage
erfolgt der Wärmetransport durch Verdampfen und Kondensieren mehrerer flüssiger
bzw. dampfförmiger Wärme träger in Teilsystem und in Verbindung mit kapillaren Wanderungen
und/oder mit Schwerkraftwirkung. Die Umwälzpumpe(n) kann bzw. können entfallen und
es ergibt sich ein sehr wartungsarmes System das keine Eigenbedarfsleistung benötigt.
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Dabei ergeben sich hinsichtlich der Kondensat rückführungen aus den
sekundären in die primären Wtirmetauscher besonders sichere Verhaltnisse, wenn die
sekundären Wärmetauscher der geodätischen Höhe nach über den primären Wärmetauschern
angeordnet sind. Die Kondensatrückführung geschieht dann mittels Schwerkraft, wozu
die Rückführleitungen mit stetigem.Gefälle zu verlegen sind.
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Ist der Dampfkessel ein Zweiflammrohrkessel, so kann zweckmäßigerweise
jedem seiner zwei Brenner eine Verbrennungsluft-Vorwärmanlage mit den vorbeschriebenen
Kennzeichen zugeordnet sein.
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Ist der Kessel ein Heißwasserkessel, so kann er ebenfalls mit einer
hydraulisch gekoppelten Verbrennungsluft-Vorwärmanlage der vorbeschriebenen Art
ausgeruistet sein. Dadurch kann selbst dann eine Abgastemperatur von 100 °C (bzw.
90 °C) erreicht werden, wenn die Rücklauftemperatur des Heißwassers eine hohe ist
(130 C bis 170 °C).
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Nach einem aneleren, wesentlichen Merkmal der Erfindung wird bei der
Umstellung der Kesselfeuerung von Gas auf Schweröl der sekundäre Wärmetauscher der
Verbrennungsluft-Vorwärmanlage vom flüssigen Wärmeträger im Teilstrom umströmt.
Hierdurch wird die Eintrittstemperatur des Wärmeträgers in den primären Wärmetauscher
angehoben und es steigt die Abgastemperatur des Kessels auf etwa 140 °C an. (Vermeidung
der Taupunktgefahr).
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Wird der Kessel mit niedriger Teillast gefahren, so kann auch bei
Gasfeuerung der sekundäre Wärmetauscher vom flüssigen Wärmetr<'lger im Teilstrom
umströmt werden, wodurch ein unerwünschtes Absinken der Abgastemperatur unter den
Sollwert (ca. 100 °C) vermieden werden kann.
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Auch ist die Vmwälzrate des flüssigen Wärme trägers bei Teillast kleiner
als die Umwtilzrate bei Nennlastbetrieb des Kessels. Dies wird zweckmäßig durch
Änderung tler Drehzahl der Umwälzpumpe bewirkt.
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Es sei ncll besonders darauf verwiesen, daß gasgefeuerte Flammrohr-
oder Industriekessel, die bereits einen externen Speisewasservorwärmer besitzen,
aber noch eine zu hohe Abgastemperatur aufweisen (z.B. 150 °C), mit einer Ver'orenllungsluft-Vorwärmanlage
der vorbeschriebenen Art nachträglich ausgestattet werden können.
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In den Zeichnungen sind drei beispielhafte Ausführungen der rrfindung
und zwei Temperaturdiagramme über den Wärmetauschern der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage
beispielhaft dargestellt.
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Es zeigt: Figur 1 eine vertikalen Längsschnitt eines Flammrohrkessels
mit der ersten Ausführungsform der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage.
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Figur 2 einen vertikalen Längsschnitt eines Flammrohrkessels mit der
zweiten AusEührungsform der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage.
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Figur 3 einen vertikalen Längsschnitt eines Flammrohrkessels mit der
dritten Ausfüllrungsform der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage (mit Wärmerohren).
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Figur 4 ein erstes Temperatur-Diagramm über den Wärmetauschern einer
Verbrennungsluft-Vorwärmanlage mit Flüssigem Wärmeträger.
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Figur 5 ein zweites Temperatur-Diagramm silber den Wärmetauschern
einer dreiteiligen Verbrennungsluft-Vorwärmanlage mit Wärmerohren (Heat-pipes).
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Bei der in Figur 1 im vertikalen Längsschnitt dargestellten ersten
Aus fQhrungsform der Erfindung besteht der Flammrohrkessel 1 aus dem drucktragenden
Walzenkörper 2, dem Flammrohr 3, der inneren Wendekammer 4, den Heizrohren 5, der
bedienungsseitigen Wende kammer 6 und der Abgaskammer 7 mit Abgasstutzen 8.
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-An der bedienungsseitigen Stirnwand des Flammrohres 3 ist der Gas/Ölbrenner
9 angeordnet.
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Dem F'lammrohrkessel 1 ist eine Verbrennungsluft-Vorwärmanlage 10
zugeordnet.
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Die Verbrennungsluft-Vorwärmanlage 10 besteht aus dem primären (rauchgasbeheizten)
Wärmetauscher 10a, dem sekundären (verbrennungsluftgekühlten) Wärmetauscher lOb
sowie den Verbindungsleitungen lOc für den flüssigen Wärmeträger mit Umwälzpumpe
lOd (In-Line-Pumpe) und Blasenspeicher 10e für die Druckhaltung.
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Der primäre Wärmetauscher 10a und der sekundäre Wärmetauscher lOb
bestehen aus Rippenrohren.
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Der primäre Wärmetauscher 10a ist im Bereich der rauchgasaustrittsseitigen
Kesselhälfte 1b, und zwar auf dem von der Abgaskammer 7 abzweigenden Abgasstutzen
8 angeordnet.
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Vom Blechgehäuse des primären Wärmetauschers IOa führt ein Abgaskanal
11 zum Kamin 12.
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Der sekundäre Wärmetauscher lOb mit angeflanschtem Verbrennungsluftgebläse
13 ist unter der Bedienungsdecke 14 des Kessels und zwar im Bereich der bedienungsseitigen
Kesselhälfte la angeordnet.
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In dem System der Verbindungsleitungen lOc ist wärmeträgerseitig eine
Bypaßleitung lOf zum sekundären Wärmetauscher lOb angeordnet. br diesc Bypaßleitung
lOf und die Bypaßarmatur lOg kann der flüssige Wärmeträger im Teilstrom am sekundären
Wärmetauscher lOb vorbeigeleitet und so die Abgastemperatur am Kamineintritt beeinflußt
werden. (Dies besonders bei Umstellung der Kesselfeuerung von Gas auf Schweröl oder
bei niedriger Kessellast)
Vom sekundären Wärmetauscher lOb zum
Brenner 9 führt ein gerader Luftkanal 15, dessen Längsachse auf die Brennerachse
senkrecht steht. Dadurch wird der verbrennungsluftseitige Zugverlust klein gehalten.
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Der primäre Wärmetauscher 10a und der sekundäre Wärmetauscher lOb
sind je als Einrohr-Wärmetauscher ausgebildet, deren wärmeaustauschenden Rohre wärmeträgerseitig
hintereinander geschaltet sind.
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Dies erleichtert ihre Entlüftung.
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Bei der in Figur 2 im vertikalen Längsschnitt dargestellten zwei ten
Ausführungsform der Erfindung ist der zeitliche Anteil der Schwerölfeuerung größer
als bei der Ausführung nach Figur 1.
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Um der dadurch gegebenen größeren Verschmutzungsge.fahr besser zu
begegnen, ist der primäre Wärmetauscher 10a' der Verbrennungsluft-Vorwärmanlage
10' als Doppelrohrkonstruktion ausgeführt. Letzterer ist im Kamin 12 angeordnet.
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Der sekundäre Wärmetauscher lOb' ist stirnseitig am bzw. auf dem Flammrohrkessel
1 angebracht.
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Die übrigen Komponenten in Figur 2 stimmen mit jenen in Figur 1 dann
überein, wenn die Positionsnummern dieselben sind.
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Bei der in Figur 3 im vertikalen Längsschnitt dargestellten dritten
Ausführungsform der Erfindung weist die Verbrennungs luft-Vorwärmanlage 10X drei
Teilsysteme auf, die wärmeträgerseitig nicht miteinander in Verbindung stehen. Jedes
Teilsystem arbeitet nach dem Wärmerohr-Prinzip (Heatpipe-Prinzip), bei dem der jeweilige
Wärmeträger WT1 bzw. WT2 bzw. WT3 im primären Wärmetauscher verdampft, von dort
über das Wärmerohr in den sekundiren Würmetauscher gelangt, wo er kondensiert und
von wo das Kondensat in den primären Wärmetauscher zurückfließt.
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Das erste Teilsystem besteht aus dem primären Wärmetauscher 10ax,
dem sekundären Wärmetauscher 10bx und dem verbindenden Wärmerohr 10cx (Heat-pipe).
In diesem ersten Teilsystem verdampft bzw. kondensiert der Wärmeträger (WT1) bei
der höchsten Temperatur (z.B.
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191 CC) Das zweite Teilsystem besteht aus dem primären Wärmetauscher
10axx, dem sekundären Wärmetauscher lObXx und dem verbindenden Wärmerohr 10cxx.
In diesem zweiten Teilsystem verdampft bzw. kondensiert der Wärmeträger (WT2) bei
einer mittleren Temperatur (z.B. 147 °C) Das dritte Teilsystem besteht aus dem primären
Wärmetauscher 10axxx, dem sekundären Wärmetauscher 10bxxx und dem verbindenden Wärmerohr
10cxxx. In diesem dritten Teilsystem verdampft bzw. kondensiert der Wärmeträger
(WT3) bei der niedrigsten Temperatur (z.B. 92 °C) Die drei primären Wärmetauscher
10ax, lOaXX und lOaXXX und die drei sekundären Wärmetauscher lObX, lObXX und lObXXX
sind je in einem gemeinsamen Blechgehäuse angeordnet.
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Die drei primären Wärmetauscher iOaX, 10axx und lOaXXX sind hinter
dem Kessel - zum Kamin 12 hin n - angeordnet.
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Die Temperatur des flüssigen bzw. dampfförmigen Wärmeträgers bleibt
während des Betriebes in jedem Teilsystem konstant.
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Die übrigen Komponenten in Figur 3 stimmen mit den Komponenten in
Figur 1 dann überein, wenn die Positionsnummern dieselben sind.
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In Figur 4 sind über den Heizflächen des primären Wärmetauschers 10a
und des sekundären Wärmetauschers lOb von Figur 1 die Temperaturen des Abgases,
des flüssigen Wärmeträgers und der Verbrennungsluft aufgetragen. Aus diesem Diagramm
sind die Temperaturdifferenzen zu entnehmen, die für die Berechnung der Größen der
Wärmetauscher 10a und lOb erforderlich sind.
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In analoger Weise sind in Figur 5 über den Heizflächen der Wärmetauscher
10ax, 10axx, 10axxx und 10b, 10bxx, 10bxxx von Figur 3 die Temperaturen des Abgases,
der verdampfenden und kondensierenden Wärmeträger WT1, WT2, WT3 und der Verbrennungsluft
aufgetragen. Bei dieser Art von Verbrennungsluft-Vorwärmanlage 10X ist die Temperatur
des Wärmeüberträgers in jedem Teilsystem konstant. Die Verdampfung und Kondensation
der drei Wärmeträger WT1, WT2 und WT3 erfolgt jedoch auf unterschiedlichen Temperaturniveaus
(u. zw. bei 191 OC, 147 °C und 92 °C).
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Die hier beschriebene hydraulisch gekoppelte Verbrennungsluft-Vorwärmanlage
kann auch für Industrie-Wasserrohrkessel (= kleinere Wasserrohrkessel) verwendet
werden.
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Gegenüber einem Flammrohrkessel mit Speisewasser- und Verbrennungsluftvorwärmung
(letztere mittels einer hydraulisch gekoppelten Verbrennungsluft-Vorwärmanlage entsprechend
der Stamm-Clnlueldun), hat die hier oti'enbarte Lösung den Vorteile, daß der Speisewasservorwärmer
und die Einrichtungen zur Speisewasser-
Stetiegregelung entfallen
können.
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Wird der Flammrohrkessel abwechselnd mit Erdgas und mit Schweröl gefeuert,
so hat die hier offenbarte Lösung den weiteren Vorteil; daß zufolge der hohen Endvorwärmung
der Verbrennungsluft (z.B. 180°C) bei der Verfeuerung von Schweröl die Zündung und
der Ausbrand des Öls verbessert werden.