DE60305277T2

DE60305277T2 - Effizienter Wärmetauscher und Brennkammer-Anordnung für Kessel und Lufterhitzer

Info

Publication number: DE60305277T2
Application number: DE60305277T
Authority: DE
Inventors: Angelo Rigamonti
Original assignee: APEN GROUP SpA; APEN GROUP SpA PESSANO CON BORNAGO
Current assignee: APEN GROUP SpA; APEN GROUP SpA PESSANO CON BORNAGO
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: CA2428670A1; ATE326671T1; US20040069295A1; ITMI20020573U1; EP1429085A1; DE60305277D1; CA2428670C; EP1429085B1; US7044123B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscher- und Kondensations-Brennkammer-Anordnung für die Passage von Rauchgasen, die durch die Verbrennung von Luft/Gas entstehen und durch Vormisch-Brenner erzeugt werden, die mit der Brennkammer gekoppelt sind.
Wie bekannt ist, hat eine solche Anordnung einen sehr hohen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 105 %, wobei diese als Verbrennungsprodukte zusätzlich zu den Verbrennungsrauchgasen auch Wasserdampf erzeugt, der durch einen speziell vorgesehenen Förderschacht an die äußere Umgebung ausgeleitet wird.
Bei einer derartigen Ausführungsform ist es notwendig, den Wärmeaustausch zwischen den Rauchgasen und der zu erwärmenden Sekundärluft zu erhöhen oder zu steigern, während die Erzeugung jeglicher laminarer Strömungen mit Wärmegradienten im Inneren des Austauschrohrs, die eine Verringerung des Wärmeaustausches mit dem Sekundärfluid verursachen würde, zu verhindern ist.
Ein weiteres Problem besteht in Verbindung mit der starken Erhitzung der Brennkammer, die mit Brennern für vorgemischtes Gas zusammenarbeitet, die einen sehr hohen Leistungsfaktor für die Flammoberfläche aufweisen.
Das erste Problem, das den Anstieg des Wärmeaustausches in den Wärmetauscherrohren betrifft, ist durch die Schaffung von Turbulenz erzeugenden Einrichtungen im Inneren der Wärmetauscherrohre gelöst worden.
Die vorstehend genannten Einrichtungen, die aus rostfreiem Stahl hergestellt sind und eine im Querschnitt rechteckige, blattartige Konfiguration aufweist, die in Form einer Spiralwendel verformt ist, waren für die Erzeugung von Turbulenz bewegung in dem heißen Rauchgasweg ausgebildet, um das Auftreten von jeglichem Laminareffekt zu verhindern, durch den eine Verringerung der ausgetauschten Wärmemenge entsteht.
Das Dokument US-A-2190349 offenbart eine Wärmeaustauscher- und Brennkammer-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Dokument FR-A-1240439 offenbart eine Brennkammer mit Tropfenkonfiguration.
Das Dokument US-A-6006741 offenbart Wärmetauscherrohre mit einem flachen Mittelabschnitt und einer quer verformten Fläche.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die vorstehend genannten Probleme zu lösen.
Im Umfang der vorstehend geschilderten Zielsetzung besteht ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines solchen Wärmetauschers vom Rohrkörper- und Brennkammer-Typ, der sich bei einer relativ kleinen Austauschgröße für hohe Wärmebelastungen auslegen lässt und der ferner das Unterhalten einer Turbulenzbewegung der Verbrennungsrauchgase zulässt, ohne dass negative Belastungsverluste durch das System entstehen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend genannten Zielsetzungen und Ziele sowie weitere Ziele, die im Folgenden noch deutlicher werden, erreicht durch eine Wärmeaustauscher- und Brennkammer-Anordnung, die insbesondere für Brenner und Lufterhitzer ausgelegt ist, wie diese im Anspruch 1 angegeben ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Offenbarung einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform der Erfindung, die in Form eines erläuternden, jedoch nicht einschränkenden Beispiels in den Begleitzeichnungen dargestellt ist; darin zeigen:
1 eine perspektivische Seitenansicht der Wärmeaustauscher- und Brennkammer-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht der gleichen Wärmeaustauscher- und Brennkammer-Anordnung;
3 eine von oben gesehene Draufsicht auf die Wärmeaustauscher- und Brennkammer-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine Perspektivansicht einer Länge eines Wärmetauscherrohrs; und
5 eine Frontaufrissansicht der erfindungsgemäßen Wärmetauscher- und Brennkammer-Anordnung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Unter Bezugnahme auf die in den vorstehend genannten Figuren verwendeten Bezugszeichen besitzt die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, eine Brennkammer 3, der ein Wärmeaustauscher zugeordnet ist, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren 5 aufweist, deren Enden mit einer rückwärtigen Rohrplatte bzw. einem rückwärtigen Flächenkörper 2 und mit einer vorderen Rohrplatte bzw. einem vorderen Flächenkörper 6 gekoppelt sind.
Im Spezielleren ist die rückwärtige Rohrplatte 2 mit einem rückwärtigen Sammelkanal 4 gekoppelt.
Gemäß einem Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung hat jedes Rohr 5, beginnend von der vorderen Platte 6 zu der rückwärtigen Platte 2, einen sich allmählich verjüngenden oder vermindernden Querschnitt.
Genauer gesagt weisen die Rohre 5 einen vorderen Befestigungsbereich 12 (4) auf, der einen kreisförmigen Querschnitt hat und einen Abschnitt oder Längenbereich 13 aufweist, in dem die Querschnittsfläche zu einer elliptischen Konfiguration schmaler wird.
In diesem Abschnitt wird ein Verformungsvorgang vorgenommen, der als Querverformungsvorgang bezeichnet werden kann und der die Entsteheung einer Rauchgasbahn rohrförmigen Typs zulässt, um auf diese Weise den Wärmeaustausch zwischen den von der Brennkammer kommenden heißen Rauchgasen und der erwärmten Luft stark zu steigern.
Das Wärmetauscherrohr 5 kehrt an seinem Endbereich 14 in eine kreisförmige Konfiguration zurück, um auf diese Weise das Koppeln mit der Platte, beispielsweise durch Schweißen, zu erleichtern.
Die Form oder Konfiguration der Rohre ist in Abhängigkeit von den Erfordernissen variabel, und die Wärmeaustauscher-Querschnittsfläche muss derart ausgebildet sein, dass sich die Volumenverluste und die Rauchgastemperatur kompensieren lassen, so dass man praktisch eine konstante Rauchgasrate bzw. Rauchgasgeschwindigkeit halten kann, um dadurch eine innere "turbulenzartige" Bewegung zu schaffen, die eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Anordnung bewirkt.
Insbesondere das Abflachen der Rohrkörperanordnung bzw. der Flachrohranordnung ermöglicht zusätzlich zu der Schaffung der vorstehend offenbarten Vorteile ein korrektes Einhalten der Fluidraten und die Schaffung eines sekundären Förderelements, so dass sich damit die Wärmeaustauscheigenschaften verbessern lassen.
Ein Hauptmerkmal der Brennkammer 3 besteht darin, dass diese im Querschnitt eine Tropfenkonfiguration aufweist, wie dies in 5 deutlich zu sehen ist, und dass diese zwischen einem oberen Satz und einem unteren Satz von Rohren 5 angeordnet ist.
Dieser technische Lösungssweg erlaubt die Verwendung eines zylindrischen Brenners mit hoher Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger Schaffung einer laminaren Bewegung der Kühlluft an dem Wärmetauscher, wobei dies wiederum die Schaffung einer gleichmäßigen Kühlung und als Ergebnis hiervon eine lange Lebensdauer des Wärmetauschers zulässt.
Es hat sich herausgestellt, dass die Erfindung die gesetzten Zielsetzungen und Ziele voll erreicht.
In der Tat schafft die Erfindung einen Rohrkörper-Wärmetauscher bzw. Flachrohr-Wärmetauscher mit einer Brennkammer, die sich bei vergleichsweise verminderter Austauschgröße an hohe Wärmebelastungen anpassen lässt.
Darüber hinaus erteilt der vorliegende Wärmetauscher den Verbrennungsrauchgasen eine Turbulenzbewegung, ohne dass dabei unerwünschte Lastverluste durch das System entstehen.
Ferner gestattet der Rohrkörper bzw. das Flachrohr die Ausbildung der Austauschrohre in Abhängigkeit von der Wärmeaustauschleistung, so dass sich der Rohrkörper bzw. das Flachrohr als sekundäre Fluidfördereinrichtung nutzen lässt.
Der Wärmeaustauscher und die Brennkammer sorgen für einen sehr zuverlässigen und sicheren Betrieb unter Verwendung von im Handel erhältlichen Elementen sowie bei sehr geringen Kosten im Betrieb.
Insbesondere erlaubt der erfindungsgemäße Wärmetauscher stets die Aufrechterhaltung von starker Turbulenz der Verbrennungsrauchgase, und zwar ohne irgendwelche nennenswerte Lastverluste, so dass sich das Wärmeaustauschproblem in angemessener Weise lösen lässt.
Die Brennkammer erlaubt die Verwendung eines Innenbrenners mit hoher Leistungsfähigkeit, so dass aufgrund der versetzen Lage des Brenners und der Tropfenkonfiguration der Kammer eine lange Lebensdauer des Wärmetauschers und der eigentlichen Brennkammer erzielt werden kann.

Claims

Wärmetauscher- (10) und Brennkammer- (3) Anordnung, insbesondere für Brenner und Lufterhitzer ausgelegt, wobei der Wärmetauscher (10) mehrere Rohre (5) umfasst, die jeweils einen flachen Mittelabschnitt aufweisen und miteinander und mit der Brennkammer (3) durch eine vordere Platte (6) und eine rückwärtige Platte (2) verbunden sind, wobei die Rohre jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen, die zum Ausgleichen für den Verlust der Volumina und der Temperatur der Rauchgase, und um die Rauchgasrate im Wesentlichen konstant zu halten, von der vorderen Platte (6) zur rückwärtigen Platte (2) abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass an der vorderen (6) und rückwärtigen (2) Platte der Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei dem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt (12) ein ovaler Abschnitt mit einem abnehmenden elliptischen Querschnitt (13) folgt, dem wiederum der flache Mittelabschnitt folgt, welcher auf den rückwärtigen Abschnitt (14) von im Wesentlichen kreisförmiger Konfiguration trifft, der an die rückwärtige Platte (2) gekoppelt ist, und dass der flache Mittelabschnitt eine quer verformte Fläche aufweist, die durch einen mechanischen Verformungsvorgang hergestellt ist, und dass die Brennkammer (3) zwischen zwei Sätzen der Rohre (5) angeordnet ist.
Wärmetauscher- und Brennkammer-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (5) ein Förderelement zum Befördern eines sekundären Wärmetauschfluids schaffen.
Wärmetauscher- und Brennkammer-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (5) durch Schweißen mit der vorderen Platte (6) und der rückwärtigen Platte (2) verbunden sind.
Wärmetauscher- und Brennkammer-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (3) eine Tropfenkonfiguration aufweist.