DE3730566C2

DE3730566C2 -

Info

Publication number: DE3730566C2
Application number: DE19873730566
Authority: DE
Inventors: Kurt Bohm; Vaage Norrahammar Se Dahl
Original assignee: ENERTECH VAERME NORRAHAMMAR SE AB
Current assignee: ENERTECH VAERME NORRAHAMMAR SE AB
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1991-04-18
Also published as: FI873975A0; GB2198506B; FI873975A; DK480087A; SE468365B; DK480087D0; DE3730566A1; DE8712344U1; GB8720641D0; GB2198506A; SE8603907D0; SE8603907L

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen mit einer Brennkammer, in der die Abgase ihre Wärme durch eine wärme leitende Wand hindurch zu einem wärmeabsorbierenden Medium, vorzugsweise einer Flüssigkeit, übertragen.

Es ist ein Heizkessel ähnlicher Art bekannt (DE-Gbm 19 20 513), in dessen Rauchzügen Strömungshindernisse angeordnet sind, um den Strömungsweg zu verlängern.

Derartige Heizkessel werden in den verschiedensten Ausfüh rungsformen hergestellt. Die Wärmeaustauschelemente können aus Gußeisen oder auch aus Blech geformten Abschnitten bestehen. Um Wärme aus dem heißen Abgas auf die wärmeabsor bierende Flüssigkeit durch eine wärmeleitende Wand zu über tragen, muß die Wärme zuerst durch Austausch auf die Wand übertragen werden. Technisch ist dieses eine Frage der Wärmeübertragungszahl α mit der Dimension W/m² × °C. Die Wärme wird dann durch die Wand hindurch auf die wärmeabsorbierende Flüssigkeit übertragen. Die Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit ist dabei durch eine andere Übertragungszahl gekennzeichnet, 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, beispielsweise in Form von Abschnitten mit ebenen Wänden, die unter Zwischen lage 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 derartigen 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 beispielsweise 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 vergrö ßert.

Die Austauschelemente können ebenfalls durch Rohre in unter schiedlichen Formen und oftmals mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sein. Sie können auch länglich ausgebildet sein, d. h. mit einer im wesentlichen geraden Längsachse oder auch in Form von zylindrischen 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 schraubenförmige Strömungsbahn durch die Austauschrohre hindurch ausführt. Derartige Konstruktionen 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 Heizkessel 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 Austauschelemente nicht vergrö ßert wird.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß auf der Abgasseite der Wand turbulenzenverursachende, im wesent lichen senkrecht zur Wand gerichtete und im wesentlichen gleichmäßig über die Wand mit Zwischenräumen untereinander verteilte Stege angeordnet sind, deren Höhe sich im wesent lichen mit der Dicke der Grenzschicht des Abgasstromes deckt, deren Längenausdehnung größer als die Höhe ist und deren Seitenwände von im wesentlichen geraden Linien begrenzt sind, bei einem Querschnitt von 2 × 2 bis 7 × 7 mm.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die turbulenzerzeugenden Stege auf der Abgasseite derWand des Austauschelements, bezogen auf ihre Längsausdehnung, einen Winkel von 15 bis 45° mit der Strö mungsrichtung des Abgases. In derartigen Austausch elementen, die ebene Wände aufweisen, ist es vorteilhaft, die turbulenzerzeugenden Stege im wesentlichen zickzackförmig und voneinander beab standet anzuordnen.

In Heizkesseln, die mit Austauschelementen in Form von Rohren versehen sind, die vorzugsweise einen kreisförmigen Quer schnitt aufweisen, und gerade oder in Form zylindrischer Ringe ausgebildet sind, ist es vorteilhaft, die turbulenzer zeugenden Stege mit ihren Längsachsen derart anzuordnen, daß sie sich in einer Schraubenbahn längs der inneren Wand des Rohres erstrecken, die die Abgasseite bildet. In derartigen Fällen strömt das Abgas, wenn das Abgas tangential in ein derartiges Austauschrohr eintritt, in einer zweiten schrau benförmigen Bahn durch das Austauschrohr, wobei die Längs achsen der turbulenzerzeugenden Stege gewöhnlich eine erste entgegengerichtete Schraubenbahn bilden. In einer derartigen Einrichtung, die in Form eines zylindrischen Ringes mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist, hat das zur Folge, daß bei normalen Betriebsbedingungen kein Druckabfall in einem Austauschelement erfolgt. Der Querschnitt der Stege beträgt dabei ungefähr 3 × 3 mm.

Aus der DE-AS 22 41 928 ist ein Heizkessel bekannt, in dem jedoch keinerlei wirbel- oder turbulenzerzeugende Einrich tungen in den Rauchgasabzügen vorhanden sind, so daß sich der Wirkungsgrad dort trotz hoher Strömungsgeschwindigkeiten wegen der dort vorhandenen wärmeisolierenden Grenzschicht im Konvektionsteil verkleinert.

Aus der DE-Gbm 19 73 611 ist ein Heizkessel bekannt, bei dem in den Rauchgasabzügen Kurzrippen von erheblicher Höhe vorhanden sind, die dafür sorgen sollen, daß die Gasströmung einen Drall enthält. Diese Kurzrippen stören selbstverständ lich auch die Durchströmung, da die Ausdehnung der Rippen in Richtung auf die Mitte des Rauchgaszuges sehr beträchtlich ist, wobei diese Störung der Durchströmung wegen eines anders gearteten Ziels der damaligen Erfindung bewußt in Kauf genommen worden ist.

Aus der US-PS 20 24 743 ist ein zylindrischer Läufer eines Elektromotors bekannt, der einen massiven Umlaufkörper aufweist, in dem während des Betriebs des Elektromotors Wärme erzeugt wird, wobei diese Wärme über kleine Rippen abgeleitet werden soll, die an eingebauten Lüftungskanälen vorgesehen sind. Diese Rippen weisen jedoch eine außergewähnlich geringe Höhe auf, so daß sie den Effekt einer Turbulenzerzeugung im erfindungsgemäßen Sinne nicht haben. Eine Verwendung derar tiger Rippen bei einem Heizkessel im Feststoff enthaltenden Rauchgasstrom, würde anders als bei Kühlluft, keine Turbu lenzerzeugung zur Folge haben, da die Dicke der Feststoffe ohne weiteres die Höhe der bekannten Rippen erreicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend im einzelnen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines vertikalen Querschnitts durch einen Heizkessel mit Austauschelementen und ebenen Enden, die mit turbulenzerzeugenden Einrichtungen versehen sind,

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

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine turbulenzerzeugende Einrichtung mit darunterliegenden Wand längs der Linie III-III von Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht eines vertikalen Längsschnittes durch einen Heizkessel des Typs mit Verbrennungsrohr, das mit turbulenzerzeugenden Einrich tungen ersehen ist,

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

Fig. 6 eine Ansicht eines Längsschnittes durch ein Aus tauschelement, d. h. durch ein Rohr, mit turbulenzerzeugenden Einrichtungen versehen ist, in einem größeren Maßstab als die Darstellungen in den Fig. 4 und 5 und

Fig. 7 einen abgewickelten Teil einer Wand der Abgasseite eines rohrförmigen Austauschelements für einen 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 it einem nicht dargestellten vorderen Austausch element 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 Strömung des Abgases durch die Pfeile 6 und 7 dargestellt ist. Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Gas in einer im wesentlichen vertikalen Richtung durch die Abgasleitung fließt. In Fig. 2 sind die die turbulenzerzeu genden Einrichtungen 3 in natürlicher Größe dargestellt. Sie sind zickzackförmig in bestimmten Abständen sowohl in der Breite als auch in der Länge nebeneinander gestellt angeord net. Sie bilden Winkel β₁, β₂ mit der Strömungsrichtung des Abgases, die durch den Pfeil 7 angedeutet ist. In der darge stellten Ausführungsform bilden β₁ = β₂ = 30°. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Querschnitt der turbulenzerzeugenden Einrichtungen 3 im wesentlichen durch gerade Linien begrenzt ist und hier ein Quadrat mit 4 mm Seitenlänge bildet. Es ist ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, daß die turbulenzerzeu gende Einrichtung 3 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 und Auslässen 11 in einer gemeinsamen Auslaßleitung 12 versehen. Wasser anschlüsse zur Wasserseite der Austauschelemente sind mit 13 und 14 bezeichnet.

Die rohrförmigen Abgasleitungen 9 sind mit turbulenzerzeugenden Einrichtungen 15 in Form einer zusammenhängenden Schraube längs der inneren Seite der Abgasleitungen 9 ausgebildet, wobei die Einrichtungen 15 einen Winkel β₃ mit den Ebenen rechtwinklig zur Längsachse der Abgasleitung 9 bilden. Die turbulenzerzeugenden Einrichtungen 15 sind derart in bezug auf den Abgaseinlaß 10 angeordnet, daß die Schraubenbahn, der der Abgasstrom folgt, entgegengerich tet zu der ist, die durch die turbulenzerzeugende Einrichtungen 15 gebildet ist. Jede turbulenzerzeugende Einrichtung 15 weist einen quadratischen Querschnitt mit einer Größe von 3 × 3 mm auf, wobei der Querschnitt der rohrförmigen Abgasleitung 9 in diesem Falle einen Durchmesser von 75 mm aufweist. Das Vorsehen der turbulenzerzeugenden 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 Heizkessel dargestellt. Pfeil 16 zeigt die Richtung der Längsachse des Austauschelements. Die zylin drische Wand ist auf eine Ebene abgewickelt worden. Eine Mehrzahl von turbulenzerzeugenden Einrichtungen 17, 18 ist über die Wandoberfläche verteilt, wobei eine Gruppe 17 mit den Längsachsen rechtwinklig zur Längsachse des Aus tauschelements und eine Gruppe 18 mit den Längsachsen parallel zu dieser ausgebildet ist. Der Durchmesser des Aus tauschelements beträgt in diesem Fall 80 mm, wobei die Länge der die turbulenzerzeugenden Einrichtungen 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 rechtwinkligen 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 hingewiesen, daß der Pfeil 20 in Wirklichkeit weiter rechts im rohrförmi gen Austauschelement (das lediglich teilweise dargestellt ist) angeordnet sein soll.

Claims

1. Heizkessel zur Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen mit einer Brennkammer, in der die Abgase ihre Wärme durch eine wärmeleitende Wand hin durch zu einem wärmeabsorbierenden Medium, vorzugsweise einer Flüssigkeit übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Abgasseite der Wand Turbulenzen verursachende, im wesentlichen senkrecht zur Wand gerichtete und im wesent lichen gleichmäßig über die Wand mit Zwischenräumen un tereinander verteilte Stege (3, 15) angeordnet sind, de ren Höhe sich im wesentlichen mit der Dicke der Grenz schicht das Abgasstromes deckt, deren Längenausdehnung größer als die Höhe ist und deren Seitenwände von im we sentlichen geraden Linien begrenzt sind, bei einem Querschnitt von 2 × 2 bis 7 × 7 mm.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsausdehnung der Stege (3, 15) mit der Strö mungsrichtung der Abgase einen Winkel 15° bis 45° bildet.