DE3613103A1 - Anordnung zur waermeuebertragung in einem waermeerzeuger - Google Patents

Description

Die Frühjahrsmessen der Heizungs- und Energietechnik haben aufgezeigt, daß auf dem Gebiet der Wärmeerzeugung und Wärmeübertragung jetzt ein Stand der Technik erreicht worden ist, wie ihn sich der Fachmann schon lange gewünscht hat. Vergleicht man die verschiedenen Fabrikate, dann fällt auf, daß sich das Konstruktionsprinzip bei allen immer ähnlicher wird. Das Grundprinzip ist, wie schon immer, daß der Wasserraum den Feuerungsraum umhüllt. Verbrennungsraum und Verbrennungsabgase werden durch die Wassermassen eingeschlossen.

So logisch auch dieses Prinzip sein mag, es dürfte mit Sicherheit auch erhebliche Nachteile haben. Wir kennen die Gesetze der Wärmeübertragung und wissen, daß in diesen Heizkesseln aufgrund des großen Strömungsquerschnittes an dem Wärmeübertragungsflächen nur sehr wenig Bewegung vorherrscht. Für die Bewegung in den wasserführenden Räumen verlassen wir uns auf den Schwerkraftauftrieb, indem die Wassermoleküle selbsttätig zu zirkulieren haben. Dies kann an den stark beaufschlagten Heizflächen durchaus der Fall sein, dieser Effekt sinkt jedoch an den weniger heißen Oberflächen in erheblichem Umfange ab. Überall dort, wo nur laminare Strömung auftritt, behindern sich die Flüssigkeitsmoleküle gegenseitig an einer wirkungsvollen Wärmeaufnahme. Es ist zu beobachten, daß auf der Feuerungsseite die Bemühungen sehr groß sind, eine starke Turbulenz der Ferbrennungsgase zu erzeugen, um eine bessere Ausnützung der Heizgase zu erzielen. Es wäre jedoch angebracht, dem wasserführenden Teil die gleiche Aufmerksamkeit zu schenken.

Leider ist es aber so, daß man da nur sehr wenig Möglichkeiten hat, denn diese Kesselkörper sind aus einem Stück gefertigt. Dieser Umstand trägt zudem noch dazu bei, daß es leicht zu Verspannungen und Kräftewirkungen kommt, die zu Materialermüdungen führen können, weil im Kesselkörper sehr unterschiedliche Temperaturen auftreten. Die Folge davon ist, daß solche Wärmeerzeuger insgesamt unbrauchbar werden, wenn Spannungsrisse auftreten, die sich in der Regel erst viel später aufzeigen.

Die geschilderten Probleme sind der Anlaß, ein geeigneteres System der Wärmeübertragung in Einsatz zu bringen. Den wasserführenden Teil des Wärmeerzeugers wollen wir in solcher Anordnung gestalten, daß alle Wassermoleküle gleichberechtigt an der Wärmeübertragung teilnehmen können. Für die Bewegung an den Wärmeübertragungsflächen wollen wir uns nicht mit der Schwerkraftzirkulation begnügen, sondern ein wirkungsvolleres Instrument in Anwendung bringen, wodurch wir die Strömungsbewegung in den Griff bekommen können. Das Verbrennungssystem wollen wir ebenso dynamisieren, indem wir zwischen die Brennkammer und der Abgaskammer ein gebündeltes Wirbelstromprinzip zum Einsatz bringen, welches die Heizflächen zu durchdringen hat.

Der Erfindungsgedanke nimmt seinen Ursprung in der Vorstellung, daß wir eine Strömungsbewegung kennen, die einem genauen Ordnungsprinzip unterliegt. Bewegen wir eine Flüssigkeit im Kreise, dann nimmt die Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen nach außen ab, in Richtung des Zentrums steigt die Geschwindigkeit jedoch. Demnach ist es bei einer Kreisströmung nicht so, daß in der Mitte der Strömung die Höchstgeschwindigkeit herrscht. Führen wir einer Kreisströmung an den Begrenzungsflächen Wärme zu, dann "steigen" aufgrund der Zentralbeschleunigung die wärmeren Teilchen auf, während die kälteren (schweren) Teilchen nach außen "absinken". Durch dieses Instrument kann also das lineare Strömungsbild einer Kreisströmung "gestört" werden, und wir erhalten eine Querbewegung der Moleküle innerhalb des Strömungsquerschnittes. Auf einer langen tangentialen Kreisbahn entsteht somit eine willkommene Turbulenz, wobei sich die einzelnen Flüssigkeitsteilchen durchdringen und vermischen, und somit die Wärmeübertragung aktivieren können.

Um jedoch diese Vorstellungen verwirklichen zu können, sind wir gehalten, ein entsprechendes Ordnungsprinzip einzuführen, denn denn die Bewegungen der einzelnen Moleküle innerhalb von Wärmeerzeugern wird von vielen Faktoren bestimmt, die mehr oder weniger mitwirken können. Da unser System außerdem die Aufgabe zu erfüllen hat, sowohl für den wasserführenden Teil als auch für die Verbrennungsgase ein solches Ordnungssystem einzuführen, müssen wir beide Wärmeträgermedien gleichberechtigt berücksichtigen. Wir stellen uns vor, daß wir ein annähernd ideales Ordnungssystem dann erreichen können, wenn alle Teilchen der Medien auf gleichen Wegen, und unter gleichen Bedingungen, einander zu durchdringen haben. Weiterhin wollen wir so aufbauen, daß der Weg aller Teilchen in solcher Anordnung verläuft, daß in Richtung der Strömung eine gleitende Temperaturschichtung entsteht, sodaß wir sicher sind in der Annahme, daß eine Welligkeit hinsichtlich der Temperaturdifferenz zwischen den Wärmetauschermedien ausgeschlossen ist.

Derartige Anforderungen können wir innerhalb von herkömmlichen Wärmeerzeugern nicht erfüllen. Wir müssen uns davon befreien, und völlig anders aufbauen. Während die Heizkessel derartig aufgebaut sind, daß die Wasserräume die Verbrennungsräume umhüllen, wollen wir uns vorstellen, was wir tun könnten, wenn dies umgekehrt wäre, wenn nämlich die Verbrennungsgase die Wasserräume umschließen. Es entsteht sodann ein ganz anderes Bild der Möglichkeiten, die sich ergeben, denn die Ansprüche hinsichtlich der Drucksicherheit und der Schwierigkeit bei der Formgebung liegen doch auf der Wasserseite. Wir können den wasserseitigen Aufbau also ziemlich frei gestalten, wenn er sich im Raum der Verbrennungsgase spannungsfrei bewegen kann, um die Wärmedehnungen zu kompensieren.

Aus diesem Grunde wollen wir so vorgehen, daß wir den Wärmeerzeuger als zwei getrennte Einheiten betrachten können, ebenso wie das Gesamtsystem Auto aus einer Karrosserie und einem Motor besteht, wollen wir eine Karrosserie aufbauen, dessen Wärmetauschersystem unser Motor ist. Unser Motor soll das System der Wärmeübertragung sein, welches unseren Vorstellungen hinsichtlich des gewünschten Ordnungsprinzips voll entspricht, damit wir die Entropie, also die unkontrollierte Unordnung innerhalb des Wärmeerzeugers weitgehenst ausschalten können, und somit die Exergie zu steigern vermögen. Ebenso wie innerhalb der Karrosserie eines Auto verschieden starke Motoren angeboten werden, wollen wir in unseren Wärmeerzeuger bei gleicher Karrosserie unterschiedlich große Heizleistungen unterbringen können. Die Heizregister sollen auch später jederzeit problemlos ausgetauscht werden können.

Damit wir unsere Vorstellungen auch verwirklichen können, wollen wir die Karrosserie derartig gestalten, daß die Brennkammer und die Abgaskammer im Zentrum des Hohlzylinders übereinander angeordnet werden. Durch die Einfügung des Wärmetauschersatzes, welcher der wasserführende Teil ist, werden die Brennkammer und die Abgaskammer in einer solchen Anordnung miteinander verbunden, daß sich die Verbrennungsgaskanäle bilden, sodaß dadurch der Wärmeerzeuger komplettiert ist. Da der Wärmetauschersatz die Formen von Brennkammer und Abgaskammer endgültig erst nach seiner Einfügung festlegt, erhalten wir eine willkommene Vielgestaltigkeit des Wärmeerzeugers.

Unser gewünschtes Ordnungsprinzip wollen wir dadurch erreichen, daß der zur Verfügung stehende Raum des Wärmeerzeugers durch die Einfügung des Wärmetauschersatzes in einer solchen Anordnung verformt wird, daß die Verbrennungsgase das System des Wärmetauschersatzes auf kreisbahnbeschleunigten Wegen zu durchdringen haben. Ebenso ist das flüssige Wärmeträgermedium gehalten, daß Verbrennungsgassystem unter kreisbahnbeschleunigtem Zustand zu durchdringen, wobei sich beide Wärmeträgermedien gegensinnig zu bewegen haben.

Entsprechend der Darstellungen der Fig. 1 und 2 erhalten wir somit das Prinzip einer gebündelten Wirbelströmung, die zwei Bewegungsebenen beinhaltet. Die Fig. 1 zeigt auf, wie die Verbrennungsgase horizontal vom Zentrum des Wärmeerzeugers in den Raum expandieren, die Fig. 2 stellt dar, wie die Verbrennungsgase eingeschnürt werden, bis sie in der Abgaskammer münden. Die Brennkammer ist vom Zylindermantel des Wärmeerzeugers durch mehrere wasserführende Wände getrennt, sodaß außen nur noch mäßige Temperaturen auftreten können. Das Heizwasser wird von der Abgaskammer bis zur Brennkammer den Verbrennungsgasen in zylinderförmiger Anordnung entgegengeführt, sodaß alle Flüssigkeitsteilchen gleichberechtigt an der Wärmeübertragung teilhaben können.

Durch den beschleunigten Zustand der Wärmeträgermedien während der Wärmeübertragung schaffen wird ganz gezielt die Voraussetzung, daß während der Tangentialbewegung der Medien auf der ganzen Weglänge zwischen Brennkammer und Abgaskammer, die einzelnen Moleküle die Eigenbewegungen machen, die wir benötigen, wollen wir den Wärmeübergangswiderstand verringern. Wir können somit durch die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit auch die wirkende Zentralbeschleunigung festlegen, und diese somit gezielt anheben oder absenken.

Erläuterung der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist die Prinzipdarstellung eines Wärmeerzeugers mit mit eingefügtem Wärmetauscher im Querschnitt durch die Brennkammer, die den Raum der Verbrennungsgase als einzügigen Wirbelstrom ausbildet.

Fig. 2 stellt im Prinzip den Querschnitt des Wärmeerzeugers durch die Abgaskammer dar, sowie den eingefügten Wärmetauscher mit der Ausbildung des Raumes der Verbrennungsgaskanäle als einzügigen Wirbelstrom.

Fig. 3 zeigt dieses Ausführungsbeispiel des Wärmeerzeugers im Vertikalschnitt.

Fig. 4 ist eine Abwandlung von Fig. 1 und stellt den Wärmeerzeuger mit 2-zylindrischem Wärmetauscher dar, der den Raum der Verbrennungsgase als doppelte gebündelte Wirbelströmung ausbildet.

Fig. 5 stellt dar, wie prinzipiell vier Wärmetauscher der Fig. 4 übereinander angeordnet sind, und dadurch die Führung der Verbrennungsgase vorgenommen wird.

Wie die Fig. 1, 2 und 3 zeigen, hat der Wärmeerzeuger 1 eine Karrosserie 2 mit Brennkammer 3 und Abgaskammer 4. Durch die Einfügung des Wärmetauschers 5, dem Zwischendeck 6 und dem zweiten Wärmetauscher 7 entsteht der komplette Wärmeerzeuger 1, dessen Wirkungsweise unseren Vorstellungen entspricht.

Die Brennkammer 3 wird durch den Wärmetauscher 5 derartig geformt, daß die Verbrennungsgase einen Drall bekommen und in Form eines spiralenförmigen Wirbelstromes 8 den Wärmetauscher 5 durchdringen, bis sie am Außenrand in die untere Bewegungsebene umgelenkt werden. Sie durchströmen das Zwischendeck 6 im freien Durchlaß 9, und vollziehen sodann eine gleichartige Wirbelstrombewegung 10, während sie den Wärmetauscher 7 durchdringen, bis sie in der Abgaskammer 4 münden.

Der Heizwasserkreislauf wird aufgrund der Formgebung der Wärmetauscher 7 und 5 dazu veranlaßt, das Verbrennungsgassystem in gleicher Bewegungsanordnung, jedoch entgegengesetzt zu durchdringen. Das Wärmeträgermedium tritt in die Verteilerkammer 11 ein, durchsetzt den Wärmetauscher 7 als spiralenförmige Wirbelströmung bis zur Sammelkammer 12, wechselt über in die Verteilerkammer 13, durchströmt den Wärmetauscher 5 gegensinnig beschleunigt bis zur Sammelkammer 14 und verläßt sodann den Wärmeerzeuger 1.

Durch diese sinnvolle Anordnung ist sichergestellt, daß die Wärmeaustauschermedien während der Wärmeübertragung einer stetigen Zentralbeschleunigung unterliegen. Dieser Zustand beginnt für die Verbrennungsgase in der Brennkammer und endet in der Abgaskammer. Für das Heizwasser beginnt der zentralbeschleunigte Zustand in der Abgaskammer und und endet erst in der Brennkammer.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie dieses Prinzip erheblich in seiner Heizleistung verstärkt werden kann, wenn zusätzlich zu einem Wärmetauscher 5 a ein gleichartiger Wärmetauscher 5 b eingefügt wird. Die Verbrennungsgaskanäle 8 werden dadurch doppelt unterteilt. Die Bündelung der Wirbelströmung somit verdoppelt, und die Brennkammer 3 von der Umfassungswand der Karrosserie 2 durch doppelt so viele wasserführende Wände getrennt. Bei gleicher Feuerungsleistung kann somit die Abgastemperatur entsprechend weiter abgesenkt werden, sodaß die Wärmeschutzumhüllung schwächer ausgeführt werden kann.

Die Anordnung der Fig. 4 kann jedoch auch auf die Fig. 2 sinngemäß übertragen werden. In diesem Falle kann die Bündelung der Wirbelströmung im Bereich der Abgaskammer 4 entsprechend verstärkt werden, sodaß die Anzahl der Abgaskanäle 10 verdoppelt wird und eine dichtere Packung der Heizregister für den stärkeren Wärmeentzug sorgt.

Die Fig. 5 zeigt eine weitere Variante auf, die mehrere Wärmetauscher 7 übereinandergesetzt werden können, indem die Führung der Verbrennungsgase vom Zentrum des Wärmeerzeugers 1 zu dessen Umfassung 2 mehrmals wechselt, während die Abgase horizontal die Wärmetauscher 7 durchdringen, bis sie in der Abgaskammer 4 münden. Die Umlenkung der Verbrennungsgase erfolgt durch die Einfügung von Zwischendecks 6 a, 6 b, die sinngemäß die gleiche Funktion des Trenndecks 6 erfüllen. Damit wird es uns ermöglicht, den Heizwasserkreis 7 in mehreren Temperaturstufen zu unterteilen, oder auch eine Hintereinanderschaltung der Wärmetauscher 7 anzuwenden.

Der Wärmeerzeuger 1 kann aus einer Karrosserie 2 bestehen, die für schiedliche Anwendungen geeignet ist. In der einfachen Ausführung als Spezialheizkessel mit einem Wärmetauscher 5 und einem Trenndeck 6, ohne Wärmetauscher 7 kann sie vorzugsweise aus Kesselstahlblech erstellt werden. Damit der Wärmetauscher 7 und das Trenndeck 8 ausgewechselt werden können, wird die obere Abdeckung 15, mit dem Flammrohrzylinder 16 abnehmbar ausgeführt. Der Karrosserieboden 17 mit dem Abgaszylinder 18 und dem Abgasrohr 19 trägt den Aufbau des Wärmetauschersatzes der Teile 5, 6, 7. Für die Ableitung von Kondenswasser ist im Boden der Abgaskammer 4 der Stutzen 20 vorgesehen. In der Ausführung als Niedertemperatur-Wärmeerzeuger wird die Karrosserie entsprechend korrossionsgeschützt.

Der Wärmetauscher 5 wird in Spezialstahl ausgeführt, da er gegen Druck- und Temperaturdehnung bestehen muß. Durch seine spiralenfederförmige Ausbildung ist er geeignet, die Wärmedehnungen in sich zu kompensieren, durch die radiale Fixierung 21 kann das übrige Register auf dem Trenndeck 6 planeben gleiten.

Bei Verwengung als Niedertemperatur-Wärmeerzeuger wird das Heizregister 5 in rostfreiem Material, vorzugsweise in Edelstahl ausgeführt.

Das Trenndeck 6 ist Träger des Wärmetauschers 5 und hat die Aufgabe, die Brennkammer 3 von der Abgaskammer 4 thermisch zu trennen, sowie die Verbrennungsgase umzulenken. Es kommen die gleichen Materialien wie zuvor beschrieben in Einsatz. Lediglich der Flammenboden ist eine gewölbte Schamotteplatte.

Der Wärmetauscher 7, der Träger des Trenndecks ist, wird wie der Wärmetauscher 5 ausgeführt. Das Trenndeck 6 rastet in den Wärmetauscher 5 so ein, daß eine sichere Führung besteht. Auf dem Karrosserieboden 17, der der Träger des Wärmetauschers 7 ist, kann der Wärmetauscher planeben gleiten, um die Wärmedehnungen kompensieren zu können. Der Wärmetauscher rastet ein in den Boden der Karrosserie an einem Anschlagwinkel.

Mit dieser Anordnung von Karrosserie und Wärmetauschersatz ist es möglich, die Wärmetauscher 5, 6 in unterschiedlichen Bauhöhen auszuführen und in die Karrosserie einzufügen. Gelangen zwei Wärmetauscher 5, 6 in Einsatz, die niedriger gebaut sind, dann wird ein kreisringförmiges Abdeckblech 22 auf den Wärmetauscher 5 aufgelegt, sodaß die Führung der Verbrennungsgase durch den Wärmetauscher 7 gesichert ist.

Claims (13)

1. Anordnung zur Wärmeübertragung in einem Wärmeerzeuger mit den Merkmalen, daß die Brennkammer und die Abgaskammer eines Wärmeerzeugers durch die Einfügung eines Wärmetauschersatzes verbunden werden, und somit die Führung der Verbrennungsgaskanäle entsteht, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß wie in den Fig. 1, 2 und 3 beispielhaft dargestellt, im Wärmeerzeuger 1, bestehend aus einer Karrosserie 2, mit Brennkammer 3 und Abgaskammer 4, der Wärmetauschersatz 5, 6, und 7 den Verbrennungsgasraum derartig ausbildet, daß dadurch die Verbrennungsgaskanäle 8, 9, und 10 entstehen, die derartig angeordnet sind, daß die Verbrennungsgase in der Brennkammer 3 dralliert werden, als dicht gebündelte Wirbelströmung 8 den ersten Wärmetauscher 5 durchdringen, in der Umlenkkammer 9 die Bewegungsebene wechseln, sodann als gegensinnige Wirbelströmung 10 den zweiten Wärmetauscher 7 durchsetzen, bis sie in der Abgaskammer 4 münden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wie in den Fig. 1, 2 und 3 beispielhaft dargestellt, im Wärmeerzeuger 1, bestehend aus einer Karrosserie 2, mit Brennkammer 3 und Abgaskammer 4, der Wärmetauschersatz 5, 6, und 7 derartig geformt ist, daß dadurch das Heizwasser, welches in der Abgaskammer 4 an der Verteilerkammer 11 eintritt, im Wärmetauscher 7 das Verbrennungsgassystem 10 in Form einer gebündelten Wirbelströmung durchdringt, an der Sammelkammer 12 in die obere Ebene wechselt, in die Verteilerkammer 13 eintritt, im Wärmetauscher 5 das Verbrennungsgassystem 8 in umgekehrter Wirbelanordnung durchsetzt, bis es an der Sammelkammer 14 aus der Brennkammer 3 austritt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher 5, 7 in zylinderförmiger Spiralenanordnung, untereinander in gegensinniger Krümmungsanordnung gesetzt werden, sodaß die Strömungsrichtungen beibehalten werden können.

4. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Wärmetauscher 5 und ein Trenndeck 6 den Wärmeerzeuger 1 in der Karrosserie 2 bilden.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend der Darstellung Fig. 4 in einem Wärmeerzeuger 1 statt einem Wärmetauscher 5 zwei Wärmetauscher 5 a, 5 b oder auch mehrere Wärmetauscher den Verbrennungsgasraum 8 aufteilen, sodaß eine dichtere Bündelung der gegensinnigen Wirbelströmung erfolgen kann.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmetauscher 7, getrennt durch Trenndecks 6 a, 6 b übereinander gesetzt werden, wie die Fig. 5 zeigt.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmigen Wärmetauscheroberflächen der Wärmetauscher 5, 7 eine Oberflächenwelligkeit aufweisen, wie die Fig. 6 zeigt, wobei diese vertikal angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmigen Wärmetauscher 5, 7 horizontale Stege aufweisen, die die Heizwasserströmung mehrlagig unterteilt, wie die Fig. 7 darstellt.

9. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher 5, 7 getrennte Heizkreise mit unterschiedlichem Temperaturniveau sind.

10. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher 7 als Luftwärmetauscher eingesetzt wird, der nach dem beschriebenem Wärmetauschprinzip arbeitet.

11. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses System der Wärmeübertragung in Wärmeerzeuger zum Einbau gelangt, deren Karrosserie 2 mit den Wärmetauschern 5, 7 fest zusammengeschweißt ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger 1, dargestellt in den Fig. 1, 2, 3 auch in horizontaler Anordnung, oder vertikal umgekehrt nach dem beschriebenen Systemprinzip ausgeführt wird.

13. Anordnung nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das beschriebene Prinzip der Wärmeübertragung in Wärmeaustauschern zum Einsatz gelangt, indem die Brennkammer 3 den Eintritt des Wärmeträgermediums, die Abgaskammer 4 dessen Austritt darstellt.