DE962801C

DE962801C - Abhitzekessel

Info

Publication number: DE962801C
Application number: DEL21696A
Authority: DE
Inventors: George Patrick Eadie
Original assignee: Laidlaw Drew and Co Ltd; Ruston and Hornsby Ltd
Current assignee: Laidlaw Drew and Co Ltd; Ruston and Hornsby Ltd
Priority date: 1954-04-09
Filing date: 1955-04-10
Publication date: 1957-04-25

Description

Abhitzekessel Die Erfindung betrifft einen Abhitzekessel, der mit Zusatzfeuerung für die Ausnutzung heißer, sauerstoffhaltiger Abgase von Brennkraftmaschinen versehen ist.
Die Abgase beispielsweise einer Gasturbine mit Arbeitsverfahren im offenen Kreislaüf sind nach Volumen und Temperatur für die Verwendung in einem Abhitzekessel gut geeignet. Es ist aber klar, daß man nur geringe Kontrolle über das Volumen oder die Temperatur der Abgase hat, da die erste Aufgabe der Treibstoffverbrennung in der Maschine der Antrieb der Maschine unter den dort herrschenden Bedingungen ist, während die Dampferzeugung oder andere Aufgaben des Abhitzekessels eine sekundäre und durchaus untergeordnete Frage bedeuten. So möchte man bekanntlich gern die Lieferung von Wärme aus den Abgasen willkürlich ergänzen können, indem man aus einer besonderen Brennstoffvorrichtung Wärme zusetzt.
Man kennt Abhitzekessel, in denen eine zusätzliche Erhitzung der Abgase dadurch gewonnen wird, daß Treibstoff in den Abgasstrom unmittelbar neben der Wärmeübergangsfläche eingeblasen oder eingespritzt wird. Im Fall einer Gasturbine kann es sein, daß durch die Verbrennung in der Turbine der Sauerstoffgehalt sich nur um etwa a5 % vermindert hat, so daß noch reichlich freier Sauerstoff verfügbar ist, um den zusätzlichen Treibstoff damit zu verbrennen. Wenn man aber auf diesem Wege Wärme zufügt, so wirkt ein beträchtlicher Teil der Abgase als Temperaturverdünner auf die zusätzlichen Verbrennungsgase, sehr zum Nachteil des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung.
Weiterhin sind Abwärme- oder Abhitzekessel bekanntgeworden, bei denen die Abgase nach Wärmeabgabe an den ersten Kesselteil durch Einführung von Brennstoff ohne oder mit Luftüberschuß eine Zwischenaufheizung erfahren, wobei der in den Abgasen überschüssige Sauerstoff praktisch ganz durch die Verbrennung des eingeführten Brennstoffes aufgebraucht wird. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Temperaturen im ersten Teil des Kessels ebenfalls noch zu niedrig liegen, so daß der Gesamtwirkungsgrad des Kessels nicht sehr gut wird.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung dieser bekannten Anordnungen durch Erzeugung von Gasen hoher Temperatur und deren Verwendung mit erhöhtem Wirkungsgrad des Wärmeüberganges.
Mit der Blickrichtung auf dieses Ziel umfaßt ein erfindungsgemäßer Abhitzekessel die folgenden Kombinationsmerkmale: a) einen I-Jauptkanal für die Aufnahme eines Teiles der sauerstoffhaltigen Abgase aus einer Brennkraftmaschine; b) einen Hilfs- oder Sekundärkanal für die Aufnahme eines anderen Teiles dieser Abgase; c) eine Vorrichtung zum Einführen von Brennstoff in den Hilfskanal, um ihn mit dem Sauerstoff in den darin befindlichen Gasen zu verbrennen und heißere Gase zu gewinnen; d) einen Wärmetauscher für das zu erhitzende Medium, der so angeordnet ist, daß er den heißeren Gasen Wärme entnimmt; e) einen weiteren Wärmetauscher für das Medium, der so angeordnet ist, daß er die Wärme aus den Gasen, die den zuerst genannten Wärmetauscher passiert haben, und aus Gasen nimmt, die den Hauptkanal durchströmen.
Vorzugsweise soll der Hauptkanal so beschaffen sein, daß er den größeren Teil der Abgase aufnimmt, während der Hilfskanal den verbleibenden Rest übernimmt.
Ferner sieht man vorzugsweise einen Kanal oder eine Kammer vor, um die Gase, die aus dem oben unter d) erwähnten ersten Wärmetauscher kommen, und die Gase aus dem Hauptkanal aufzunehmen und zu vermischen, und man legt den anderen Wärmetauscher so, daß er Wärme aus den miteinander vermischten Gasen entnimmt.
Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend beschrieben und durch die Zeichnungen veranschaulicht.
Fig. i ist ein senkrechter Längsschnitt durch einen Kessel nach der einen Ausführungsform der Erfindung; Fig. a ist ein senkrechter Schnitt nach der Linie Il ... II von Fig. 3 durch einen Kessel der anderen Ausführungsform; Fig.3 ist ein waagerechter Schnitt durch den Kessel aus Fig.2, wobei aus Gründen der Deutlichkeit einzelne Teile weggelassen sind. Der Abhitzedampfkessel nach Fig. i ist dem Dampfkessel nach Art der Flammrohr-Rauchrohrkessel ähnlich: der Kesselmantel i enthält ein Flammrohr 2 und ein Bündel enger Rauchrohre 3. Das Flammrohr 2 hat einen Ölbrenner .4 an seinem vorderen Ende und mündet an seinem hinteren Ende in eine Kammer 5. Die Rauchrohre 3 verbinden die hinten liegende Kammer 5 mit dem Schornstein oder einem anderen Rauchkanal 6. Verglichen mit dem gewöhnlichen Flammrohr-Rauchrohrkessel ist bei dem hier beschriebenen Kessel der Querschnitt des Rauchrohrbündels 3 im Verhältnis zu dem Querschnitt des Flammrohrs 2 erheblich größer.
Der Hauptstrom der Abgase aus einer Brennkraftturbine tritt in die Kammer 5 ein. und geht durch das Rauchrohrbündel3 in den Schornstein, wie es die Pfeile A andeuten.
Ein Hilfsstrom von Abgasen wird an einer Stelle vor der Kammer 5 (in Strömungsrichtung oberhalb davon) abgezweigt; ein Gebläse 7 in einem Kanal 8 treibt ihn mit erhöhtem Druck in das vordere Ende des Flammrohrs 2, wo er mit einer durch den Brenner q. zugeführten Zusatzmenge Treiböl verbrannt wird. Dieser Hilfsstrom, der durch das Flammrohr 2 geht, steht im Wärmeaustausch mit dem Wasser im Kesselmantel, während er noch eine sehr hohe Temperatur hat; erst beim Erreichen der Kammer 5 wird er, wie der Pfeil B zeigt, mit dem Hauptstrom vermischt und durch ihn verdünnt.
So kann der Hauptstrom der Abgase eine Temperatur von etwas über ¢0o° C haben, während die Temperatur am vorderen Ende des Flammrohrs 2 20000 C betragen kann, also annähernd so viel, wie man in einer normalen Ölverbrennung mit künstlichem Zug erreichen kann. Die Verluste, die man erwarten muß wegen der Tatsache, daß die Turbinengase zu etwa :25010 verbraucht sind, werden ausgeglichen durch den Umstand, daß sie dem Brenner mit einer Temperatur von mehr als 4oo° C zugeführt werden. Wenn dann der Hilfsstrom bei seiner Rückkehr in den Hauptstrom am hinteren Ende des Flammrohrs eine Temperatur hat, die nicht viel über der des Hauptstroms liegt, was tatsächlich möglich ist, so bedeutet das nichts anderes, als daß der zusätzliche Treibstoff mit annähernd ioo% Wirkungsgrad verbrannt worden ist. Die normale Praxis zeigt, daß die Temperatur am Abgasende eines Flammrohr-Rauchrohrkessels in der Größenordnung von 6oo° liegen kann.
Was die in der Einrichtung vorherrschenden Drücke anbelangt, so kann der Druck im Hauptstrom etwa ioo mm WS betragen, während das Druckerhöhungsgebläse den Druck von ioo auf etwa 125 mm WS erhöhen kann.
Geeignete (nicht gezeichnete) Steuerungen dienen dazu, die Drücke und die Brennstoffzufuhr zu regeln; die Gasverteilung zwischen Haupt- und Hilfsstrom wird durch Klappen 9 in der Kammer 5 geregelt.
In der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 enthält ein Wasserrohrkessel eine obere und eine untere Trommel io, ii, die durch ein Bündel von Rohren 12 verbunden sind. Die Trommeln io, i i sind in einen Mantel 13 eingebaut, und die Rohre 12 sind in einer Kammer 15 eingeschlossen, die durch eine Seitenwand des Kesselmantels 13 und eine Trennwand 14 begrenzt wird, die sich von der Vorderwand des Kesselmantels bis zu einer Linie kurz vor der hinteren Endwand erstreckt, wie aus Fig. 3 deutlich zu erkennen ist. Weitere Wasserrohre 16 verbinden die Trommeln io und i i ; sie liegen in einem Verbrennungsraum 17 im Kesselmantel auf der Seite der Trennwand, die der Kammer 15 gegenüberliegt.
Der Hauptstrom der Abgase aus einer Brennkraftturbine tritt am hinteren Ende des Kesselmantels 13 in die Irammer 15 ein und verläßt sie am vorderen Ende durch den Schornstein 18, wie die Pfeile C angeben. Ein Hilf sstrim von Abgasen ist an einer Stelle vor der Kammer 15 vom Hauptstrom abgezweigt und wird nach Druckerhöhung durch ein Gebläse ig in einem Kanal 2o in die Verbrennungskammer 17 gedrückt, wo er mit einer durch einen Brenner 21 zugeführten Zusatzmenge Treiböl verbrannt wird. Der Hilfsstrom geht durch die Verbrennungskammer 17 und steht in Wärmeaustausch mit dem Wasser in den Rohren 16, während er noch eine hohe Temperatur hat, wie oben beschrieben wurde. Er verläßt die Kammer 17 durch den Raum zwischen der Hinterwand des Kesselmantels 13 und der Trennwand 14. und wird mit dem Hauptstrom gemischt und verdünnt, wie der Pfeil D zeigt.
Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform sind (nicht gezeichnete) Steuerungen vorgesehen, um die Drücke und die Brennstoffzufuhr zu regeln, und Klappen 22 dienen dazu, den Fluß der Gase auf den Haupt- und Hilfsstrom zu verteilen.
Wegen des normalen Charakters der zusätzlichen COlfeuerung kann man die Einrichtung sicher und wirtschaftlich auch dann betreiben, wenn die Kraftmaschine nicht läuft: die Feuerung ergibt dann die Hauptheizung und nicht bloß eine Hilfsheizung. Dementsprechend kann in beiden Bauarten eine Vorkehrung getroffen werden, um an Stelle des Hilfsstroms von Abgasen oder zusätzlich zu diesem atmosphärische Luft einzuführen, die den zusätzlichen Brennstoff zu verbrennen hat. Regelklappen, bei beiden Darstellungen mit 23 bezeichnet, sind in den Kanälen 8 und 2o angebracht, um den Durchgang des Hilfsstroms von Abgasen zu dem Treibstoffbrenner zu öffnen, zu schließen oder zu regeln.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Abhitzekessel, insbesondere Flammrohr-Rauchrohrkessel, der mit Zusatzfeuerung für die Ausnutzung heißer, sauerstoffhaltiger Abgase von Brennkraftmaschinen versehen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Kombinationsmerkmale: einen Hauptkanal (5) zur Aufnahme eines Teils der sauerstoffhaltigen Abgase einer Brennkraftmaschine; einen Hilfskanal (8) zur Aufnahme eines weiteren Teils dieser Abgase; einen Brenner (q.) innerhalb des Hilfskanals zur Zusatzfeuerung; einen Wärmetauscher (2), vorzugsweise in Form eines Flammrohrs (2), der die Wärme der Gase des Hilfskanals an das Wässer überträgt; und einen weiteren Wärmetauscher (3), vorzugsweise in Form eines Bündels von Rauchrohren (3), der die Wärme der Gase beider Kanäle an das Wasser überträgt.
2. Abhitzekessel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (5) oder eine Kammer (15) vorgesehen ist, um die Gase, die den zuerst erwähnten Wärmetauscher (2) durchströmt haben, und die Gase aus dem Hauptkanal (5) aufzunehmen und zu vermischen, und daß der erwähnte zweite Wärmetauscher (3) so angeordnet ist, daß er die Wärme aus den vermischten Gasen aufnimmt.
3. Abhitzekessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase in dem Hilfskanal (8) durch ein Gebläse (7) auf einen höheren Druck gespannt werden, als die Gase in dem Hauptkanal (5) unterliegen. q..
Abhitzekessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskanal (8) dazu eingerichtet ist, bei Abwesenheit von Abgasen eine Luftmenge zu fördern.
5. Abhitzekessel, insbesondere Wasserrohrkessel, der mit Zusatzfeuerung für die Ausnutzung heißer, sauerstoffhaltiger Abgase von Brennkraftmaschinen versehen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Kombinationsmerkmale: einen Hauptkanal zur Aufnahme eines Teils der sauerstoffhaltigen Abgase; einen Hilfskanal (20) zur Aufnahme eines weiteren Teils dieser Abgase; einen Brenner (21) innerhalb des Hilfskanals; eine Kammer (15) innerhalb des Kesselmantels (13) zwischen dem Hauptkanal und dem Kesselschornstein (18) ; eine zweite Kammer (17) innerhalb des. Kesselmantels, die mit der ersterwähnten. Kammer (15) und dem Hilfskanal (20) in Verbindung steht; und zwei Sätze von Wasserrohren (12, 16), die die obere und untere Kesseltrommel (io, i i) miteinander verbinden und von denen jeweils ein Satz Wasserrohre in jeder der beiden Kammern (15, 17) angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldung H8839Ia(13g.