DE3730566A1

DE3730566A1 - Heizkessel

Info

Publication number: DE3730566A1
Application number: DE19873730566
Authority: DE
Inventors: Kurt Bohm; Vaage Dahl
Original assignee: ENERTECH VAERME AB
Current assignee: ENERTECH VAERME AB
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1988-04-21
Also published as: GB8720641D0; FI873975A; GB2198506A; SE8603907D0; DE3730566C2; SE468365B; DK480087A; GB2198506B; DE8712344U1; SE8603907L; DK480087D0; FI873975A0

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel für die Verbren nung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen, umfassend eine Brennkammer, in der Abgas in Kontakt mit wenigstens einem Austauschelement für die Übertragung von Wärme aus dem Abgas auf ein wärmeabsorbierendes Medium strömt, vorzugsweise einer Flüssigkeit, durch eine wärme leitende Wand hindurch, gegenüber der das Abgas fließt.

Derartige Heizkessel werden in den verschiedensten Ausführungsformen hergestellt. Die Austauschelemente können aus Gußeisen oder aus Blech geformten Abschnitten bestehen. Um Wärme aus dem heißen Abgas auf die wärmeab sorbierende Flüssigkeit durch eine wärmeleitende Wand zu übertragen, muß die Wärme zuerst durch Austausch auf die Wand übertragen werden. Technisch ist dieses eine Frage der Wärmeübertragungszahl α mit der Dimension W/m ²×°C. Die Wärme wird dann durch die Wand hindurch übertragen und wird dann durch Austausch auf die wärmeabsorbierende Flüssigkeit abgestrahlt bzw. übertragen. Dieser letztere Austausch ist durch eine andere Übertragungszahl gekenn zeichnet, die gewöhnlich beträchtlich größer als die auf der Abgasseite ist. Das heißt, daß der Widerstand in Richtung der Wärmeübertragung in einer Wand in einem Austauschelement der vorangehend erwähnten Art zum Hauptteil auf die Abgasseite zurückzuführen ist.

Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um die Wärmeübertragungszahl auf der Abgasseite in Heizkesseln der vorliegenden Art zu verbessern. Die Austauschelemente können in verschiedener Weise ausgebildet sein, bei spielsweise in Form von Abschnitten mit ebenen Wänden, die unter Zwischenlage von Abstandswänden in einer solchen Weise miteinander zusammengebracht werden, daß jeweils zwei und zwei eine Abgasleitung bilden. Ein derartiger Aufbau wird gewöhnlich für Austauschelemente verwendet, die aus Gußeisen hergestellt sind. In derarti gen Abgasleitungen ist es gebräuchlich, sogenannte Turbulatoren oder Verzögerer vorzusehen, die dazu dienen, die Turbulenz in der Abgasleitung zu vergrößern und somit die Wärmeübertragung auf der Abgasseite zu vergrößern. Die bekannten Turbulatoren sind bisher an der Außenseite der Grenzschicht des Abgasstromes angeordnet worden, d. h. außerhalb in der sog. freien Strömung, und haben möglicherweise per se die Wärmeübertragungszahl auf der Abgasseite vergrößert, sie haben jedoch ebenfalls einen Druckabfall durch die Leitung hindurch bzw. in ihr vergrößert.

Die Austauschelemente können ebenfalls durch Rohre in unterschiedlichen Formen und oftmals mit einem kreisför migen Querschnitt ausgebildet sein. Sie können auch länglich ausgebildet sein, d. h. mit einer im wesentli chen geraden Längsachse oder auch in Form von zylindri schen Ringen mit einem kreisförmigen Querschnitt. Der Abgaseinlaß in die Rohre kann axial oder tangential ausgebildet sein, wobei der letztere Fall bedeutet, daß das Abgas eine schraubenförmigen Strömungbahn durch die Austauschrohre hindurch ausführt. Derartige Konstruktio nen bedürfen, um ihren Einsatz zu rechtfertigen, einer Überdruckfeuerung und zeigen eine verhältnismäßig gute Wärmeübertragung. Es hat sich jedoch gezeigt, daß deren weitere Verbesserung wünschenswert ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heizkes sel der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine wesentlich verbesserte Wärmeübertragungszahl auf der Abgasseite und gleichzeitig eine geringere Temperatur des ausströmenden Abgases hat, so daß die Wärmeausnutzung vergrößert wird und dessen Druckabfall durch die Aus tauschelemente nicht vergrößert wird.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß wenigstens eine eine Turbulenz verursachende Einrichtung auf der Abgasseite der Wand derart angeordnet ist, daß die Höhe der Einrichtung von der Wand weg im wesentlichen innerhalb der Grenzschicht des Abgasstromes liegend gerichtet ist. Vorzugsweise weist die die Turbulenz verursachende Einrichtung eine im wesentlichen größere Längenausdehnung als Höhe auf. In verschiedenen Ausfüh rungsformen kann es vorteilhaft sein, ein Austausch element mit einer einzigen eine Turbulenz erzeugenden Einrichtung vorzusehen, die in diesem Fall eine beträcht liche Längsausdehnung aufweist, oft sind jedoch ver schiedene derartige Einrichtungen über der Wand eines Austauschelementes auf seiner Abgasseite verteilt ange ordnet.

Die eine Turbulenz erzeugenden Einrichtungen können verschiedene Formen in bezug auf ihren Querschnitt aufweisen, es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Querschnitt mit scharfen Kanten auszubilden, d. h., den Querschnitt im wesentlichen geradlinig zu begrenzen. Der Querschnitt kann wie ein paralleles Trapez ausgebildet sein, vorzugsweise in Form eines Rechtecks, eines Quadrats oder vorteilhafterweise in einer Größe von 2×2 bis 7×7 mm. Bei einer vorteil haften Ausführungsform werden mehrere eine Turbulenz erzeugende Einrichtungen auf der Abgasseite der Wand des Austauschelements vorgesehen, so daß sie, bezogen auf ihre Längsausdehnung, einen Winkel von 15° bis 45° mit der Strömungsrichtung des Abgases bilden. In derartigen Austauschelementen, die ebene Wände aufweisen, ist es vorteilhaft, die eine Turbulenz erzeugenden Einrichtungen im wesentlichen gleichmäßig verteilt über die Wand zickzackförmig und voneinander beabstandet anzuordnen.

In Heizkesseln dieser Art, die mit Austauschelementen in Form von Rohren versehen sind, die vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und gerade oder in Form zylindrischer Ringe ausgebildet sind, ist es vor teilhafte, die die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen mit ihren Längsachsen derart anzuordnen, daß sie sich in einer Schraubenbahn längs der inneren Wand des Rohres erstrecken, die die Abgasseite bildet, wobei die erste Schraubenbahn einen Winkel von 5° bis 45° mit den Ebenen bildet, die rechtwinklig zur Richtung der Längsachse des Rohres ist. In diesen Fällen strömt das Abgas, wenn das Abgas tangential in ein derartiges Austauschrohr ein tritt, in einer zweiten schraubenförmigen Bahn durch das Austauschrohr, wobei die Längsachsen der eine Turbulenz erzeugenden Einrichtungen gewöhnlich eine erste entgegen gerichtete Schraubenbahn bilden. In einer anderen vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Winkel ungefähr 10° und der Querschnitt des Abschnittes ungefähr 3×3 mm. Eine derartige Einrichtung, die in Form eines zylindrischen Ringes mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist, hat zur Folge, daß bei normalen Be triebsbedingungen kein Druckabfall in einem Austauschele ment erfolgt.

Die Austauschelemente werden aus Gußeisen oder aus Blech gestellt. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, die die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen einstückig mit dem Wandmaterial auszubilden, d. h. im Falle der Verwendung von Gußeisen diese direkt zusammen mit der Wand zu gießen und erhaben im Falle der Verwendung von Blech auszubil den.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfol genden schematischen Zeichnungen anhand mehrerer Ausfüh rungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines vertikalen Querschnitts durch einen Heizkessel mit Austauschelementen und ebenen Enden, die mit eine Turbulenz erzeugenden Einrichtungen gemäß der Erfindung versehen sind,

Fig. 2 eine Darstellung der in Fig. 1 dargestellten turbulenzerzeugenden Einrichtungen in einem größeren Maßstab (natürliche Größe),

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine die Turbulenz erzeugende Einrichtung mit der darunter liegenden Wand längs der Linie III-III von Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht eines vertikalen Längsschnittes durch einen Heizkessel des Typs mit Verbrennungs rohr, das erfindungsgemäß mit turbulenzerzeugen den Einrichtungen versehen ist,

Fig. 5 einen vertikalen Querschnitt des Heizkessels gemäß der Darstellung von Fig. 4,

Fig. 6 eine Ansicht eines Längsschnittes durch ein Austauschelement, d. h. durch ein Rohr, das gemäß der Erfindung mit turbulenzerzeugenden Einrich tungen versehen ist, in einem größeren Maßstab als die Darstellungen in den Fig. 4 und 5 und

Fig. 7 einen abgewickelten Teil einer Wand der Abgas seite eines rohrförmigen Austauschelements für einen erfindungsgemäßen Heizkessel.

Der in Fig. 1 dargestellte Heizkessel wird durch mehrere Gußsegmente ausgebildet und weist eine Brennkammer 1 auf, die exzentrisch angeordnet ist. Ein Austauschelement 2 bildet zusammen mit einem nicht dargestellten vorderen Austauschelement eine Abgasleitung mit den ebenen Wänden, die mit mehreren eine Turbulenz erzeugenden Einrichtungen 3 versehen sind. Die Abgasleitung weist einen Einlaß 4 und einen Auslaß 5 auf, wobei der Strömungsweg des Abgases durch die Pfeile 6 und 7 dargestellt ist. Aus der Figur ist ersichtlich, daß das Gas in einer im wesentli chen vertikalen Richtung durch die Abgasleitung fließt. In Fig. 2 sind die die Turbulenz erzeugenden Einrichtun gen 3 in natürlicher Größe dargestellt. Sie sind zick zackförmig in bestimmten Abständen sowohl in der Breite als auch in der Länge nebeneinander gestellt angeordnet. Sie bilden Winkel β ₁, β ₂ mit der Strömungsrichtung des Abgases, das durch den Pfeil 7 angedeutet ist. In der dargestellten Ausführungsform bilden b ₁=β ₂=30°. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Querschnitt der die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen im wesentlichen durch gerade Linien begrenzt ist und grundsätzlich ein Quadrat mit 4 mm Seitenlänge bildet. Es ist ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, daß die die Turbulenz erzeugende Einrichtung in einem Stück mit der darunterliegenden Wand ausgebildet ist, d. h. sie wird gleichzeitig mit der Wand gegossen.

In den Fig. 4 und 5 bezeichnet die Bezugsziffer 8 eine kreisförmige zylindrische Brennkammer, die mit Austausch elementen mit rohrförmigen Abgasleitungen 9 umgeben ist, d.h. in Form zylindrischer Ringe mit kreisförmigem Querschnitt. Diese sind mit tangentialen Abgaseinlässen 10 versehen und Auslässen 11 in einer gemeinsamen Auslaß leitung 12. Wasseranschlüsse zur Wasserseite der Rohre sind mit 13 und 14 bezeichnet.

Die Rohre sind mit die Turbulenz erzeugenden Einrichtun gen 15 in Form einer zusammenhängenden Schraube längs der inneren Seite der Rohre ausgebildet, die einen Winkel β ₃ mit den Ebenen rechtwinklig zur Längsachse des Rohres bilden. Die die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen 15 sind derart in bezug auf den Abgaseinlaß 10 angeordnet, daß die Schraubenbahn, der der Abgasstrom folgt, entge gengerichtet zu der ist, die durch die die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen 15 gebildet wird. Die die Turbulenz erzeugende Einrichtung weist einen quadrati schen Querschnitt mit einer Größe von 3×3 mm auf, wobei der Querschnitt des Rohres in diesem Falle einen Durch messer von 75 mm aufweist. Das Vorsehen der die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen 15 hat keine Zunahme des Druckabfalls auf der Abgasseite bei diesem Heizkessel zur Folge, der für Überdruckfeuerung vorgesehen ist.

In Fig. 7 ist ein abgewickelter Teil einer Wand an der Abgasseite eines rohrförmigen Austauschelements für einen erfindungsgemäßen Heizkessel dargestellt. Pfeil 16 zeigt die Richtung der Längsachse des Austauschelements. Die zylindrische Wand ist auf eine Ebene abgewickelt worden. Eine Mehrzahl von die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen 17, 18 ist über die Wandoberfläche verteilt, wobei eine Gruppe 17 mit den Längsachsen rechtwinklig zur Längsachse des Austauschelements und eine Gruppe 18 mit den Längs achsen parallel zu dieser ausgebildet ist. Der Durchmes ser des Austauschelements beträgt in diesem Fall 80 mm, wobei die Länge der die Turbulenz erzeugenden Einrichtun gen 25 mm und deren Höhe 2 mm beträgt. Das Abgas tritt tangential durch einen nicht dargestellten Einlaß ein und beschreibt bzw. folgt einer Schraubenbahn im rohrförmigen Austauschelement, die von einer im wesentlichen recht winkligen Richtung zur Längsachse des Austauschelements bis zu einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser variiert.

Die Pfeile 19 und 20 zeigen derartige Strömungsrichtungen innerhalb des Austauschelements. Es sei darauf hingewie sen, daß der Pfeil 20 in Wirklichkeit weiter rechts im rohrförmigen Austauschelement (das lediglich teilweise dargestellt ist) angeordnet sein soll.

Die erfindungsgemäßen Heizkessel zeigen im Vergleich zu denen, die keine eine Turbulenz erzeugende Einrichtung gemäß der Erfindung aufweisen, große Vorteile. Die Austrittsabgastemperatur wird beispielsweise bei 240° gehalten, wobei der Heizeffekt um ungefähr 50% angehoben werden kann. Wenn auf der anderen Seite die Eintrittsab gastemperatur auf 200°C abgesenkt wird, kann die Wirkung um 25-40% mit einem zunehmenden Wirkungsgrad angehoben werden. Die dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Heizkessels sind natürlich nur Beispie le. Verschiedene andere mögliche Ausführungsformen liegen im Schutzbereich der Erfindung bzw. werden von dieser umfaßt.

Claims

1. Heizkessel für die Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen, umfassend eine Brennkammer, in der Abgas in Kontakt mit wenigstens einem Austauschelement zur Übertragung von Wärme aus dem Abgas auf ein wärmeabsorbierendes Medium strömt, vorzugs weise einer Flüssigkeit, durch eine wärmeleitende Wand hindurch, gegenüber der das Abgas fließt, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens eine eine Turbulenz verursachen de Einrichtung (3, 15) auf der Abgasseite der Wand derart angeordnet ist, daß die Höhe der Einrichtung (3, 15) von der Wand weg im wesentlichen innerhalb der Grenzschicht des Abgasstromes liegend gerichtet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz verursachende Einrichtung (3, 15) eine im wesentlichen größere Längenausdehnung als Höhe aufweist.

3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz verursachende Einrichtung bei der Ansicht in Längsrichtung einen Querschnitt aufweist, der durch im wesentlichen gerade Linien begrenzt ist.

4. Heizkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt die Form eines parallelen Trapezes aufweist.

5. Heizkessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt die Form eines Rechtecks aufweist.

6. Heizkessel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung im Querschnitt eine Größe von 2×2 bis 7×7 mm aufweist.

7. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, in dem mehrere die Turbulenz erzeugende Einrich tungen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen (3) derart auf der Abgasseite der Wand angeordnet sind, daß ihre Längs ausdehnung mit der Strömungsrichtung der Abgase einen Winkel von 15°-45° bildet.

8. Heizkessel nach Anspruch 7, bei dem die Wand vorzugs weise eben ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen (3) im wesentlichen gleichmäßig über die Wand zickzackförmig und mit Zwischenräumen untereinander verteilt sind.

9. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, in dem ein Austauschelement die Form eines Rohres mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt und mit einer inneren Abgasseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz erzeugenden Einrichtungen (15) mit ihrer Längsachse oder ihren Längsachsen sich in einer ersten Schraubenbahn längs der inneren Wand des Rohres erstrecken, wobei die Schraubenbahn einen Winkel von 5°

-45° mit Ebenen bildet, die rechtwinklig zur Längsrich tung des Rohres sind.

10. Heizkessel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ungefähr 10° beträgt.

11. Heizkessel nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, in dem ein Abgaseinlaß (10) tangential im Rohr angebracht ist, so daß das Abgas durch das Rohr in Form einer zweiten Schraubenbahn wegströmt, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Schraubenbahn entgegen der ersten Schraubenbahn gerichtet ist.

12. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Austauschelement aus Gußeisen herge stellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz erzeugende Einrichtung (3, 15) einstückig mit der Abgas seite der Wand ausgebildet ist.

13. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Austauschelement aus Blech herge stellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz erzeugende Einrichtung (3, 15) erhaben im Blech ausge bildet ist.