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Diese Erfindung bezieht sich auf eine
Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung, beispielsweise einen Boiler, die ein
aufsteigendes/absteigendes Flußsystem eines
Verbrennungsgases verwendet.
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Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung der oben beschriebenen
Art umfassen beispielsweise eine in den Figuren 1 und 2
gezeigte Vorrichtung, die der Anmelder in der japanischen
Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 15168/1956
beschrieben hat. In dieser Vorrichtung ist eine innere Trommel
22, die eine doppelte Wand umfaßt, innerhalb und in einem
Abstand von einer äußeren Trommel angeordnet, die auch
eine doppelte Wand umfaßt, und dazwischen ist ein
Verbrennungsgasabstiegskammer 23 vorgesehen. Eine äußere
Wasserkainmer 26, die einen Heißwasserauslaßöffnung 24 und
einen Wassereinlaßöffnung 25 in ihren oberen
beziehungsweise unteren Abschnitten aufweist, ist außerhalb der
Verbrennungsgasabstiegskammer 23 angeordnet, und eine
innere Wasserkammer 27, die mit einer äußeren
Wasserkammer 26 durch obere und untere Verbindungsrohre 28 in
Verbindung steht, ist innerhalb der Gasabstiegskammer 23
vorgesehen. Eine Verbrennungskammer 29, die mit der
Verbrennungsgasabstiegskammer in deren oberem Teil in
Verbindung steht, ist in der innere Trommel 22 vorgesehen,
und ein Austrittsöffnung 30 ist unterhalb der
Verbrennungsgasabstiegskammer 23 vorgesehen. Ein Rauchzug 33
steht mit der Austrittsöffnung 30 in Verbindung und ein
Vergasungsbrenner 32 ist abnehmbar montiert, so daß er
sich durch die äußeren und inneren Wasserkammern 26 und
27 erstreckt. Die Zahl 34 bezeichnet eine
Reinigungsöffnung.
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In der oben beschriebenen
Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung wandert Verbrennungsgas, das nach und nach durch den
Vergasungsbrenner 32 erhitzt wird, in der
Verbrennungskammer 29 nach oben, wobei die Strahlungswärme darin
absorbiert wird, und dann wird das Verbrennungsgas in deren
oberem Teil umgedreht und fließt nach unten durch die
Verbrennungsgasabstiegskammer 23 mit einer
Fließgeschwindigkeit von g mis, wobei die Geschwindigkeit auf G mis an
der Austrittsöffnung 30 erhöht wird, und entweicht zum
Rauchzug 33. Während dieses Verfahrens erhöht das
Verbrennungsgas schnell die Temperatur der Flüssigkeit durch
das Liefern von Hitze durch Strahlung oder Leitung zur
Flüssigkeit in den äußeren und inneren Wasserkammern 26
und 27 und durch Erhöhung der Hitzeaustauschrate zwischen
dem Verbrennungsgas und der Flüssigkeit, während zur
selben Zeit die absteigende Fließfähigkeit erhöht und die
Verbrennungsleistung verbessert wird, so daß eine
unvollständige Verbrennung vorteilhafterweise verhindert wird.
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Obwohl dieser bekannte Typ einer
Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung die obigen Vorteile bietet, weist er das
folgende Froblem auf. Der Flußpfad des Verbrennungsgases in
der Verbrennungsgasabstiegskammer 23 ist nämlich eng, so
daß die Hitzeversorgung durch den Kontakt durch das
Verbrennungsgas wirksam ausgeführt wird. Mit anderen Worten:
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(1) Das Verbrennungsgas, das in diesem engen Flußpfad
nach unten fließt, fließt seitlich, nachdem es im
wesentlichen um einen rechten Winkel ablenkt wurde, mit einer
Fließgeschwindigkeit G wie oben beschrieben, im Rauchzug
unterhalb der Austrittsöffnung 30 und es fließt danach
nach oben, nachdem es wiederum im wesentlichen um einen
rechten Winkel abgelenkt wurde, außerhalb der äußeren
Trommel 21. Somit wird ein extrem großer
Luftaustrittswiderstand erzeugt, der verhindert, daß das Verbrennungsgas
glatt fließt und es kann somit die erwartete Wirkung
nicht erzielt werden, was ein zu lösendes Problem
darstellt.
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(2) Wenn die Querschnittsgebiete der Austrittsöffnung 30
und des Rauchzugs 33 größer gemacht werden, um dieses
Problem durch das Ermöglichen eines glatten Fließens des
Verbrennungsgases zu lösen, um somit den großen
Austrittswiderstand zu überwinden, treten Störungen bei
einer Fließgeschwindigkeit von V m/sec an der
Austrittsöffnung des Rauchzugs 33 auf, wie dies durch die
Pfeilmarkierung in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn dann die
Fließgeschwindigkeit V kleiner ist als die Fließgeschwindigkeit
G des Verbrennungsgases (V < G) wird eine normale
Verbrennung aufrecht erhalten, aber wenn V > G erstrecken
sich die Störungen in die Verbrennungskammer 29, was eine
normale Verbrennung verhindert. Wenn das Feuer angezündet
wird, kann die Zugkraft allgemein durch die Gleichung Df
= H x (Tgm - To) ausgedrückt werden (wobei Df die
Zugkraft, H die Höhe, Tgm die mittlere Temperatur im
Rauchzug 33 und To die Temperatur der äußeren Luft ist). Wenn
dann der Rauchzug 33 einen großen Querschnitt aufweist,
nimmt die Menge der Hitze, die von der Oberfläche des
Rauchzugs abgestrahlt wird, zu und die Zugkraft geht
verloren, was einen schlechten Einfluß auf die Verbrennung
hat. Wenn dann die Verbrennung gestoppt wird, kommt von
einem offenen Ausgang des Rauchzugs 33, der einen großen
Querschnitt hat, äußere Luft herein, was das
wärmeisolierende Gas, das sich in der Vorrichtung befindet, kühlt
und eine Konvektion erzeugt, wobei das wärmeisolierende
Gas über den Rauchzug 33 nach außen abgegeben wird, und
die Temperatur fällt. Somit arbeitet, wenn ein solches
System für ein automatisches Heißwasserversorgungssystem
verwendet wird, der Vergasungsbrenner 32 unnützerweise,
was eine Verschwendung von Energie und eine Erhöhung des
Betriebskosten bedeutet. Auch wird der
Verbrennungszustand in der Vorrichtung instabil, was sowohl eine
unterbrochene Verbrennung im Vergasungsbrenner 32 oder die
Erzeugung einer oszillierenden Verbrennung verursacht als
auch Lärm erzeugt, wobei dies ein anderes zu lösendes
Problem darstellt.
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Das Dokument JP-A-2213646 aus den Patent Abstracts of
Japan, Band 14, Nr. 514 (M-1046) beschreibt eine
Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung, die eine innere Trommel, die
in einem Abstand von und innerhalb einer äußeren Trommel
angeordnet ist, eine Verbrennungsgasabstiegskammer
zwischen den Trommeln, eine äußere Wasserkammer, die
außerhalb der Verbrennungsgasabstiegskammer angeordnet ist,
und eine Heißwasserauslaßöffnung und eine
Wassereinlaßöffnung in ihren oberen beziehungsweise unteren
Abschnitten umfaßt, eine innere Wasserkammer, die innerhalb
der Verbrennungsgasabstiegskammer angeordnet ist und mit
Verbindungsrohren in ihren oberen und unteren Abschnitten
mit der äußeren Wasserkammer in Verbindung steht, eine
Verbrennungskammer, die innerhalb der inneren Trommel
angeordnet ist und über Verbindungsrohre mit der
Verbrennungsgasabstiegskammer in ihrem oberen Teil verbunden
ist, und eine Rauchsammelkammer, die mit einer
Rauchaustrittsöffnung versehen ist, aufweist. Die vorliegende
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche
Austrittsöffnung die Verbrennungsabstiegskammer mit der
Rauchsammelkammer verbindet, wobei die Rauchsammelkammer
eine größere Querschnittsfläche hat als die der
zusätzlichen Austrittsöffnung und unterhalb der zusätzlichen
Austrittsöffnung angeordnet ist.
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Beim Betreiben einer solchen Vorrichtung wird ein
Verbrennungsgas, das in der Verbrennungskammer nach oben
fließt, oben umgekehrt und fließt durch die Verbrennungs
gasabstiegskammer nach unten, und während dieses
Prozesses versieht das Verbrennungsgas eine Flüssigkeit
innerhalb der inneren und äußeren Wasserkammern mit Wärme.
Somit wird die absteigende Fließfähigkeit verbessert,
während die Verbrennungsleistung erhöht wird, was eine
unvollständige Verbrennung verhindert und die Temperatur
der Flüssigkeit durch das Erhöhen der Wärmeaustauschrate
zwischen dem Verbrennungsgas und der Flüssigkeit erhöht.
Die Fließgeschwindigkeit des Verbrennungsgases, das mit
einer hohen Geschwindigkeit aus der zusätzlichen
Austrittsöffnung in die Rauchsammelkammer ausgegeben wird,
wird vermindert, dadurch daß das Querschnittsgebiet der
Rauchsammelkammer größer ist als das der
Austrittsöffnung, wobei ein Teil des dynamischen Druckes durch die
Differenz in einen statischen Druck wechselt, der den
Abgabedruck an der zusätzlichen Austrittsöffnung aufrecht
erhält, und aus diesem Grund nimmt, wenn von einer
Austrittsöffnung des Rauchzuges eine äußere Störung in die
Rauchsammelkammer gelangt, die Fließgeschwindigkeit ab
und die äußere Störung wird zerstreut und abgeschwächt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielhaft
und unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in welchen
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Fig. 1 ein Querschnitt einer bekannten
Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung ist, gesehen von vorne in Längsrichtung;
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Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1
ist; und
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Fig. 3 ein Querschnitt einer
Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist, gesehen von vorne in Längsrichtung.
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Die in Figur 3 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine äußere
Trommel 1, die eine doppelte Wand hat, die mit einem
wärmeisolierenden Material 19 bedeckt ist, und eine innere
Trommel 2, die innerhalb der äußeren Trommel in einem
Abstand zu ihr angeordnet ist, wobei die innere Trommel
eine doppelte Wand hat, um eine
Verbrennungsgasabstiegskammer zwischen den Trommeln zu definieren. Eine äußere
Wasserkammer 6, die eine Heißwasserauslaßöffnung 4 und
eine Wassereintrittsöffnung 5 in ihren oberen
beziehungsweise unteren Abschnitten aufweist, ist außerhalb der
Abgasabstiegskammer 3 vorgesehen. Eine innere
Wasserkammer 7, die mittels Verbindungsrohen 8 in ihren oberen und
unteren Abschnitten mit der äußeren Wasserkammer 6 in
Verbindung steht, ist innerhalb der
Verbrennungsgasabstiegskammer 3 vorgesehen. Eine Verbrennungskammer 9, die
in ihrem oberen Abschnitt mit der
Verbrennungsgasabstiegskammer 3 über Verbindungsrohre 37 in Verbindung
steht, ist innerhalb der inneren Trommel 2 vorgesehen,
eine Austrittsöffnung 10 ist unterhalb der
Verbrennungsgasabstiegskammer 3 vorgesehen, ein Rauchzug 13 steht mit
der Austrittsöffnung 10 in Verbindung, und ein
Vergasungsbrenner 12 ist abnehmbar montiert, so daß er sich
durch die äußeren und inneren Wasserkammern 6 und 7
erstreckt. In dieser Flüssigkeitserhitzungsvorrichtung
wird, wie in der bekannten oben beschriebenen
Vorrichtung, ein Verbrennungsgas, das in der Verbrennungskammer
9 nach oben fließt, oben umgekehrt und fließt durch die
Verbrennungsgasabstiegskammer 3, wobei während dieses
Przesses eine Flüssigkeit innerhalb der äußeren und
inneren
Wasserkammern 6 und 7 adäquat mit Wärme versorgt
wird, so daß die absteigende Fließfähigkeit verbessert
und die Verbrennungsleistung erhöht wird, was eine
unvollständige Verbrennung verhindert und die
Wärmeaustauschrate zwischen dem Verbrennungsgas und der
Flüssigkeit erhöht, wobei die Temperatur der Flüssigkeit schnell
erhöht wird.
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In dieser Ausführungsform erstreckt sich eine äußere Wand
der äußeren Trommel 1 nach unten, um darin eine
Rauchsammelkammer 14 mittels einer ausgedehnten peripheren Wand
17 auszubilden. Rauchaustrittsöffnungen 15 und 16 sind in
der peripheren Wand 17 und in der Bodenwand 18 der
Rauchsammelkammer 14 angeordnet und Rauchzüge 11 und 13 sind
abnehmbar auf den Rauchaustrittsöffnungen 15 und 16
montiert. Es sollte angemerkt werden, daß die periphere Wand
als ein von der äußeren Trommel getrennter Körper
ausgeformt sein kann und daß sie an der äußeren Trommel 1
befestigt werden kann, und daß eine der
Rauchaustrittsöffnungen 15 und 16 weggelassen werden kann. Bei einer
solchen Konstruktion ist das Querschnittsgebiet D der
Rauchsammelkammer 14 größer als das Querschnittsgebiet d der
Austrittsöffnung 10, und die Ergebnisse eines Experiments
zeigen, daß die Beziehung zwischen ihnen vorzugsweise in
einem Bereich liegen sollten, der durch die Gleichung D ≥
1,5 x d ausgedrückt wird. Bei einer solchen Vorrichtung
wird, wenn das Verbrennungsgas mit einer hohen
Geschwindigkeit g durch die Verbrennungsgasabstiegskammer 3 nach
unten fließt und durch die Auslaßöffnung 10 in die
Rauchsammelkammer 14 entlassen wird, die Fließgeschwindigkeit
g auf g' vermindert, die kleiner als g ist, da die
Querschnittsfläche der Rauchsammelkammer 14 größer ist als
die der Austrittsöffnung 10, und der dynamische Druck
wird durch diesen Unterschied in einen statischen Druck
geändert, der einen Abgabedruck an der Austrittsöffnung
10 aufrecht erhält. Darüberhinaus wird, wenn eine äußere
Störung, die eine Fließgeschwindigkeit V hat, von der
Austrittsöffnung des Rauchzugs 13 in die
Rauchsammelkammer 14 gelangt, die Fließgeschwindigkeit V auf eine
Fließgeschwindigkeit v vermindert, die kleiner als V ist,
und die ußere Störung wird zerstreut und abgeschwächt.
Somit kann in der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, ein Verbrennungsgas
glatt fließen, ohne, wenn es abgegeben wird, einen großen
Austrittswiderstand zu erzeugen, und äußere Störungen
können kaum von der Austrittsöffnung in den Rauchzug
gelangen, sogar wenn die Querschnittsgebiete der
Austrittsöffnung und des Rauchzuges nicht vergrößert werden. Somit
gelangen irgendwelche äußere Störungen weder in die
Verbrennungsgasabstiegskammer noch in die
Verbrennungskammer, was verhindert, daß Energie verschleudert wird und
sich die Betriebskosten erhöhen, und es verhindert
ebenfalls die Unterbrechung der Verbrennung im Vergasungs
brenner, die durch unstabile Verbrennungsbedingungen in
der Vorrichtung verursacht wird, wodurch nicht nur die
Erzeugung einer oszillierenden Verbrennung sondern auch
das Erzeugen von Lärm verhindert wird.