EP0079980B1 - Warmwasser-, Heisswasser- oder Dampfkessel mit Gas- oder Ölfeuerung - Google Patents
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- EP0079980B1 EP0079980B1 EP81109856A EP81109856A EP0079980B1 EP 0079980 B1 EP0079980 B1 EP 0079980B1 EP 81109856 A EP81109856 A EP 81109856A EP 81109856 A EP81109856 A EP 81109856A EP 0079980 B1 EP0079980 B1 EP 0079980B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
- F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
- F24H1/40—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
Definitions
- the invention relates to a hot water, hot water or steam boiler with gas or oil firing, in particular for supplying heat to small and medium-sized consumers.
- the first, front part of the flame tube is subjected to a relatively low, the middle part to a larger and the rear part or the turning chamber to a much too high heat load.
- this excessive heat load on certain parts of the flame tube there is also the fact that precisely at such points no sufficiently intensive circulation is guaranteed, which results from the construction of the boiler.
- the requirements for the quality of the feed water also increase. Uniform heat dissipation is one of the most important operating conditions, which further increases the operating problems and costs.
- the flue gas pipe is the cheapest in terms of strength, although it is only exposed to convection and a relatively low thermal effect.
- its heat transfer factor is also more favorable than that of the structural parts with high thermal loads.
- the horizontal cylindrical boiler designs have the advantage that the combustion chamber has a cylindrical cross section, so that they are relatively well adapted to the radial heat radiation.
- the heat loads of the combustion chamber resulting from the convection can be distributed relatively evenly in the radial direction by the eccentric arrangement of the burner - by changing the amount of heat radiation.
- the boundary walls are known as membrane walls, i.e. H. formed from ring tubes connected by thin plates (see e.g. GB-A-2 023 780).
- membrane walls i.e. H. formed from ring tubes connected by thin plates (see e.g. GB-A-2 023 780).
- These boiler systems were also developed from the coal-fired boilers, but with significant changes.
- the advantage of the vertical tube boiler systems with membrane wall is that the strength relationships of the construction are not related to the increase in performance.
- the wall thickness of the surfaces exposed to the greatest heat load - and thus the strength and heat transfer conditions - is quite favorable.
- the proportion of heat-transferring and heat-emitting surfaces is 1.7 times as large as that of the horizontal cylindrical structures.
- the strength ratios of the steep tube boilers are 10 times cheaper than the flame tube boilers (i.e.
- the two boiler systems also have common disadvantages.
- the combustion chamber surfaces are unevenly loaded in both cases because the amount of heat emitted by radiation changes along the flame axis.
- the heat load on the combustion chamber surfaces is lowest due to the radiation in the vicinity of the burner and at the end of the flame, i. H. at the rear of the boiler, the largest.
- the flue gases generated during the combustion are formed in the foremost part of the flame in the least and in the middle in the greatest amount. Due to their convective heat transfer, the heat load on the rear combustion chamber surfaces increases even further.
- the unfavorable thermal conditions also affect the quality requirements of the feed water, which results in a significant increase in investment costs.
- the boilers can easily become defective, so that their service life is 40% to 50% shorter than that which can be achieved with a uniform thermal load.
- the built-in areas are only about 60% used for heat generation. The unnecessarily installed materials increase the manufacturing costs.
- the aim of the invention is to eliminate the disadvantages of the conventional designs while maintaining or increasing their advantages.
- the invention has for its object to provide a boiler with fully utilized heat transfer surfaces and long life, which ensures better operational safety and more economical heat production than the previous constructions and can be produced with modern manufacturing technology with a low material cost.
- the invention was developed using the latest test results of modern heating and heating technology, in particular the results of the measurements carried out with the aid of infrared technology in the combustion chamber. It was recognized that the cross section of the flame tube changed in accordance with the distribution and extent of the radiant heat energy and the convective heat transfer should be, whereby a uniform heat load on the combustion chamber surfaces can be guaranteed. According to a further finding, a uniform heat transport and thus a further increase in the service life can be achieved by a water-side circulation which is designed in accordance with the heat transfer.
- the flame tube of the boiler is designed as a rotating body with a cross section which changes in accordance with the degree of heat radiation, and from the outside by a convective shape which is adapted to its shape and is also designed as a membrane wall Heat transfer surface forming a flue gas channel is surrounded, the ring tubes of the membrane wall of the flame tube being offset relative to the ring tubes of the membrane wall of the convective heat transfer surface, are expediently arranged in each case half the distance between the ring tubes of the other membrane wall.
- the flame tube is designed as a truncated cone which extends from the end wall holding the burner to the rear wall of the combustion chamber.
- a further flue gas duct is formed between the heat-insulating jacket of the boiler and the convective heat transfer surface.
- the two embodiments are of the same or similar construction in their most important details, and they also have a similar mode of operation. For this reason, the same reference numbers have been used for the same details in both embodiments. From the figures it can be seen that there is a major difference between the two embodiments essentially only with regard to the direction of the flue gas duct.
- the combustion chamber of the boiler according to the invention is delimited all around by a truncated cone-shaped flame tube 1, which widens towards the rear, towards the rear combustion chamber boundary wall 6, the shape of which changes along the flame of a gas attached to the end face 8 of the boiler - Or oil burner 10 corresponds to the given radiation energy.
- this shape can also be a sphere or another rotating body with a change in cross section, depending on how the distribution of the heat radiation along the flame axis, which is dependent on the size and temperature of the flame and on the length of the infrared waves.
- the flame tube 1 is designed as a membrane wall, ie the jacket of the flame tube 1 is formed by ring tubes 11 receiving the heated medium and relatively thin plate sections connecting them. This solution, which is known per se, enables good heat transfer on the one hand and material savings while ensuring the necessary strength on the other.
- the end wall 8 holding the burner 10 is designed as an annular membrane wall.
- the rear end of the flame tube 1 is formed by circular water tubes, between which the flue gas passes into the turning chamber 7 delimited by the rear combustion chamber boundary wall 6 and from here into the flue gas duct 3 designed as a second train.
- the flue gas duct 3 forming the second train is bounded on one side by the outer jacket of the flame tube 1 and on the other side by a convective heat transfer flank 2.
- Both the combustion chamber boundary wall 6 of the turning chamber 7 and the convective heat transfer surface 2 are designed as a membrane wall.
- An important feature of the invention is that the ring tubes 12 of the membrane wall of the convective heat transfer surface 2 are offset from the ring tubes 11 of the membrane wall of the flame tube 1, expediently offset by half a distance between the adjacent ring tubes of the other membrane wall. So the flue gases flow between these ring tubes 11 and 12 in the longitudinal direction, in an annular, corrugated spiral line, whereby the convective heat transfer is significantly improved after the flue gas speeds increase along the wall surfaces.
- the flue gases turn into a further flue gas duct 4, which is designed as a third train and is delimited from the inside by the outer jacket of the convective heat transfer surface 2 and from the outside by a heat-insulating casing 5.
- the flue gases also give off their residual heat to the convective heat transfer surface 2, so that the heat utilization of the built-in heat transfer surfaces is now 100 percent compared to the previous 50 to 60%.
- the convective heat transfer surface 2 is similar to the shape of the flame tube 1, the size of the convective heat transfer surface 2 is proportional to the size of the heat energy that can be transferred by convection. This means that the hottest flue gases act on the largest heat transfer surfaces, ie the heat transport is adapted to the extent of the heat load.
- the flue gases leave the boiler via the smoke chamber 15 and via a flue gas nozzle 9 formed in the end wall of the boiler.
- the ring tubes of all membrane walls converge at the bottom and top in a lower distribution chamber 13 and an upper collecting chamber 14.
- the connecting piece of the return line or the downcomer is formed and in the upper collecting chamber 14, the connecting piece of the forward line or the riser is formed, through which the boiler is connected to the heat absorption system or, in the case of a steam boiler, the drum.
- FIGS. 5 and 6 which has a so-called sack-shaped combustion chamber, differs from the first embodiment only in that the combustion chamber is sealed gas-tight at the rear by a combustion chamber boundary wall 6 designed as an annular membrane wall, so that the flue gases as second train flow back to the front part of the boiler, where they pass through corresponding openings in a third train designed as a third train, which is delimited from the outside by a convective heat transfer surface 2.
- the flue gases are finally discharged through the smoke chamber 15 and the smoke nozzle 9 at the end of the boiler, the end wall 17 of the boiler also being designed as a membrane wall.
- the circulation circuits on the water side are designed in such a way that the heat transport is ensured either by natural or forced flow or circulation.
- the lower distribution chamber 13 and the upper collecting chamber 14 serve this task.
- the uniform heat transport is ensured by the corresponding arrangement and size of the falling and rising lines connecting the boiler to the drum, which are connected to the above-mentioned chambers 13 and 14.
- the piping system contains little resistance, as a result the resistance of the circulation system is low. An intensive flow can thus be guaranteed.
- the fundamental improvement in the strength relationships is the result of the use of membrane walls; as a result, only a fraction of the previous wall thickness is required.
- the smaller wall thickness enables significantly cheaper heat transfer, significant material savings, lower thermal inertia, more economical production, as well as less space and lower investment costs.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Warmwasser-, Heißwasser- oder Dampfkessel mit Gas- oder Ölfeuerung, insbesondere zur Wärmeversorgung von kleineren und mittleren Verbrauchern.
- Die Konstruktion der zur Zeit hergestellten, zur Wärmeversorgung von Heizzentralen, kommunalen Gebäuden, Wohnhäusern usw. dienenden gas- und ölbefeuerten Kessel wurde eigentlich durch die Umgestaltung der kohlebefeuerten Kessel, aus herkömmlichen Konstruktionen entwickelt. Die herkömmlichen Kesselkonstruktionen sind ausgesprochen den Anforderungen der Kohlefeuerung entsprechend aufgebaut. Mit der Verbreitung der Gas- und Ölfeuerung waren die Herstellerfirmen bestrebt, ihre bestehenden Konstruktionen möglichst mit einer minimalen Umgestaltung zur Gas- und Ölfeuerung geeignet zu machen. Dies hatte zur Folge, daß die gas-und ölbefeuerten Kessel zur Zeit in vieler Hinsicht den Anforderungen der modernen Heizungstechnik noch nicht entsprechen. Während des Umwandlungsvorganges der Kessel wurden zuerst solche Konstruktionen entwickelt, bei denen die Wärmeübertragung in erster Linie durch Konvektion erfolgte. Die Ausnutzung der Wärmestrahlung begann erst später, und dieser Entwicklungsweg ist noch nicht abgeschlossen. Aus dem Gesagten geht es deutlich hervor, warum die meisten Kesseltypen von den Konstruktionen für die Kohlefeuerung kaum abweichen.
- Es können zwei grundsätzliche Typen der Industriekessel unterschieden werden: der zylinderförmige liegende Kessel und der sogenannte Steilrohrkessel mit eckigem Feuerraum. Die ersteren bilden die Basis der Heizsysteme mit niedrigerer Leistung, während die letzteren insbesondere bei Großverbrauchern eingesetzt werden.
- Bei den zylinderförmigen liegenden Kesseln kann man feststellen, daß die Umgestaltung auf Gas- und Ölfeuerung nur aus der Entfernung des Feuerrostes und aus einer geringfügigen Abänderung des Querschnittes der Rauchzüge besteht. Das Maß dieser Umgestaltung läßt es vermuten, daß mit diesen Maßnahmen bei der Umstellung der für Kohlefeuerung gefertigten Kessel auf Gas- und Ölfeuerung keine guten Ergebnisse erzielt werden konnten. Aus den obengenannten Umgestaltungen ergab sich aber eine Reihe von Nachteilen, von denen der wichtigste darin besteht, daß die Konstruktion des herkömmlichen Flammrohres nicht mehr die Anforderungen der modernen Heiz- und Wärmetechnik befriedigen kann. Bei den früheren Kesselkonstruktionen für Kohlefeuerung gab es ganz andere Wärmebelastungs- und innere Druckverhältnisse. Man konnte durch geringfügige Ausnützung der Strahlungsenergie, insbesondere aber durch Konvektion bei einem geringen Betriebsdampfdruck (und damit im Zusammenhang bei geringeren Festigkeitsbeanspruchungen und geringerer Wanddicke) eine günstige Wärmeübertragung erreichen.
- Die heutigen modernen Gas- und Ölbrenner ermöglichen eine viel effektivere Ausnutzung der Strahlungsenergie. Etwa 70 bis 80% der in den Feuerraum eingetragenen Energie wird durch Strahlung, durch eine erhebliche Wärmebelastung der den Feuerraum begrenzenden Flächen nutzbar gemacht. Der Anteil der konvektiven Wärmeabgabe geht von 60 bis 70% auf 10 bis 20% zurück. Der Wirkungsgrad ist besser geworden, und man kann statt 60 bis 70% schon 80 bis 95% erreichen. Die Folge dieser entscheidenden Änderungen besteht darin, daß die Wärmebelastung der Feuerraumbegrenzungsflächen erheblich größer geworden und die Wärmeverteilung ungleichmäßiger geworden ist. Die Strahlungsenergie kann entlang der Flammenachse, vom Brenner aus in Richtung der Verbrennung in Abhängigkeit von den feuerungstechnischen Bedingungen sogar um Größenordnungen zunehmen. Gleichzeitig bedeutet die konvektive Wärmeübertragung sowohl in Achsrichtung als auch auf die horizontalen bzw. vertikalen Ebenen jeweils eine andere Wärmebeanspruchung.
- Im allgemeinen unterliegt der erste, vordere Teil des Flammrohres einer relativ niedrigen, der mittlere Teil einer größeren und der hintere Teil oder die Wendekammer einer viel zu hohen Wärmebelastung. Zu dieser sowieso zu hohen Wärmebelastung gewisser Teile des Flammrohres kommt es noch hinzu, daß gerade an solchen Stellen keine genügend intensive Zirkulation gewährleistet ist, was sich aus dem Aufbau des Kessels ergibt. Demzufolge steigen auch die ge genüber der Qualität des Speisewassers zu stellenden Anforderungen. Die gleichmäßige Wärmeableitung ist eine der wichtigsten Betriebsbedingungen, die die Betriebsprobleme und -ko sten weiter erhöht.
- Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen, zylinderförmigen, liegenden Kessel besteht darin, daß zusammen mit der Leistung auch die Abmessungen der Konstruktionen und ihre Wanddicke erhöht werden müssen. Die viel zu großen Wanddicken schränken die Möglichkeit der Leistungserhöhung ein. Dieser Zusammenhang bestimmt auch den Leistungsbereich dieser Konstruktionen. Aus diesem Grunde ist der Betrieb und die Herstellung solcher Kesselkonstruktionen bei höheren Leistungen nicht mehr wirtschaftlich.
- Ein weiterer Nachteil dieser Konstruktionen besteht darin, daß der Wärmeübertragungsfaktor der der größten Wärmewirkung ausgesetzten Flächen, d. h. des Flammrohrendes, der Wendekammer und der Flammrohrwand, ungünstig ist.
- Im Gegensatz zum Erwünschten ist gerade das Rauchgasrohr hinsichtlich der Festigkeit am günstigsten ausgebildet, obwohl es nur der Kon vektion und einer relativ geringen Wärmewirkung ausgesetzt ist. Dazu ist auch noch sein Wärmeübertragungsfaktor günstiger als derjenige der Konstruktionsteile hoher Wärmebelastung.
- Die viel zu große Wärmebelastung der bestrahlten Flächen, ihre ungünstige Kühlung und hohe Oberflächentemperatur sowie ihr ungünstiger Wärmeübertragungsfaktor wirken sich auch auf die Festigkeit dieser Konstruktionsteile aus. Dieser Umstand verringert bedeutend die Lebensdauer dieser Kesselkonstruktionen. Die Lebensdauer der ursprünglichen Konstruktionen (für Kohlefeuerung) betrug etwa 50 Jahre, während die der heutigen Konstruktionen lediglich 15 Jahre beträgt. Diese bedeutende Verkürzung der Lebensdauer ergibt sich aus den kesseltechnologischen Nachteilen dieses Systems, d. h. aus der fehlenden Anpassung der Konstruktion an die neuen Betriebsbedingungen.
- Infolge der erwähnten Nachteile der liegenden, zylinderförmigen Kesselkonstruktion wird für eine relativ geringe Leistung eine viel zu große Einrichtung gebaut, wobei die überflüssig eingebauten Materialien in jeder Hinsicht einen Nachteil bedeuten. Lediglich 50% der eingebauten Flächen ist für die Wärmeübertragung ausgenutzt. Die Herstellung dieses Kesseltypes ist teuer, der Transport und die Unterbringung solcher Einrichtungen ist recht umständlich, da sie einen großen Platzbedarf aufweisen.
- Neben den erwähnten Nachteilen haben die liegenden zylindrischen Kesselkonstruktionen allerdings den Vorteil, daß der Feuerraum einen zylinderförmigen Querschnitt aufweist, so daß sie verhältnismäßig gut an die radiale Wärmestrahlung angepaßt sind. Die sich aus der Konvektion ergebenden Wärmebelastungen des Feuerraumes können durch die exzentrische Anordnung des Brenners - durch die Abänderung der Wärmestrahlungsmenge - in radialer Richtung relativ gleichmäßig verteilt werden.
- Bei den modernen Steilrohrkesseln mit eckigem Feuerraum sind die Begrenzungswände als sogenannte Membranwände, d. h. aus miteinander durch dünne Platten verbundenen Ringrohren ausgebildet (siehe z. B. GB-A-2 023 780). Diese Kesselsysteme sind ebenfalls aus den kohlebefeuerten Kesseln entwickelt worden, jedoch mit wesentlichen Änderungen. Der Vorteil der Steilrohrkesselsysteme mit Membranwand besteht darin, daß die Festigkeitsverhältnisse der Konstruktion mit der Erhöhung der Leistung in keinem Zusammenhang stehen. So ist die Wanddicke der der größten Wärmebelastung ausgesetzten Flächen - und somit die Festigkeits- und Wärmeübertragungsverhältnisse - recht günstig. Der Anteil der wärmeübertragenden und wärmeabgebenden Flächen ist 1,7mal so groß wie bei den liegenden, zylindrischen Konstruktionen. Die Festigkeitsverhältnisse der Steilrohrkessel sind bei gleicher Leistung 10mal günstiger, als bei den Flammrohrkesseln (d. h. bei den liegenden, zylindrischen Kesseln). Aus dem Gesichtspunkt der modernen heizungs- und wärmetechnischen Anforderungen sind jedoch noch zahlreiche Probleme übriggeblieben, die aus der »herkömmlichen« Konstruktion abgeleitet werden können. Ein bedeutender Nachteil dieses Kesseltypes besteht zum Beispiel darin, daß seine Lebensdauer bei einer Umstellung auf Gas-oder Ölheizung um 30 bis 40% abnimmt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Intensität der radialgerichteten Strahlung in den Ecken am kleinsten und in der Linie der in den senkrechten und horizontalen Achsrichtungen liegenden Ebenen am größten ist, wobei die größte konvektive Wärmebelastung ebenfalls die Deckflächen am stärksten trifft.
- Die beiden Kesselsysteme haben auch gemeinsame Nachteile. Die Feuerraumflächen sind in beiden Fällen ungleichmäßig belastet, weil sich die durch Strahlung abgegebene Wärmemenge entlang der Flammenachse ändert. Die Wärmebelastung der Feuerraumflächen ist infolge der Strahlung in der Nähe des Brenners am geringsten und am Ende der Flamme, d. h. am hinteren Teil des Kessels, am größten.
- Die während der Verbrennung entstehenden Rauchgase bilden sich am vordersten Teil der Flamme in der geringsten und in der Mitte in der größten Menge. Durch ihre konvektive Wärmeübertragung erhöht sich noch weiter die Wärmebelastung der hinteren Feuerraumflächen.
- Diesen sich ändernden Wärmebelastungen ist weder der Naturumlauf noch der Druckumlauf angepaßt, und sie können wegen technischer Schwierigkeiten nicht befriedigend eingestellt werden. Die Oberflächentemperatur der den kritischen Wärmebelastungen ausgesetzten Bestandteile ist auf diese Weise wesentlich höher als erwünscht.
- Die ungünstigen wärmetechnischen Verhältnisse wirken auch auf die Qualitätsanforderungen des Speisewassers aus, was eine wesentliche Erhöhung der Investitionskosten zur Folge hat. Bei der obenerwähnten Betriebsweise können die Kessel leicht fehlerhaft werden, so daß ihre Lebensdauer um 40% bis 50% geringer ist, als die, die bei einer gleichmäßigen Wärmebelastung erreicht werden kann. Die eingebauten Flächen sind für die Wärmeerzeugung nur etwa zu 60% ausgenutzt. Die überflüssig eingebauten Materialien erhöhen die Herstellungskosten.
- Das Ziel der Erfindung ist die Behebung der Nachteile der herkömmlichen Konstruktionen unter Behaltung bzw. Erhöhung ihrer Vorteile.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kessel mit vollkommen ausgenutzten Wärmeübertragungsflächen und langer Lebensdauer zu schaffen, der bei einem geringen Materialaufwand eine bessere Betriebssicherheit und eine wirtschaftlichere Wärmeproduktion gewährleistet als die bisherigen Konstruktionen und mit einer modernen Fertigungstechnologie hergestellt werden kann.
- Die Erfindung wurde unter Verwendung der neuesten Untersuchungsergebnisse der modernen Heizungs- und Wärmetechnik, insbesondere der Ergebnisse der mit Hilfe der Infrarottechnik im Feuerraum durchgeführten Messungen erarbeitet. Es wurde erkannt, daß der Querschnitt des Flammrohres entsprechend der Verteilung und dem Maß der Strahlungswärmeenergie und der konvektiven Wärmeübertragung geändert werden soll, wodurch eine gleichmäßige Wärmebelastung der Feuerraumflächen gewährleistet werden kann. Nach einer weiteren Erkenntnis kann durch eine der Wärmeübertragung entsprechend ausgebildete, wasserseitige Zirkulation ein gleichmäßiger Wärmetransport und dadurch eine weitere Erhöhung der Lebensdauer erzielt werden.
- Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Flammrohr des Kessels, dessen Flächen als Membranwand ausgebildet sind, als ein Drehkörper mit einem sich dem Maß der Wärmestrahlung entsprechend verändernden Querschnitt ausgebildet ist und von außen durch eine seiner Form angepaßte, ebenfalls als Membranwand ausgebildete konvektive Wärmeübertragungsfläche einen Rauchgaskanal bildend, umgeben ist, wobei die Ringrohre der Membranwand des Flammrohres gegenüber den Ringrohren der Membranwand der konvektiven Wärmeübertragungsfläche versetzt, zweckmäßigerweise jeweils zum halben Abstand zwischen den Ringrohren der anderen Membranwand angeordnet sind.
- Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Flammrohr als ein sich von der den Brenner haltenden Stirnwand zur hinteren Feuerraumbegrenzungswand hin verbreitender Kegelstumpf ausgebildet.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der wärmeisolierenden Umhüllung des Kessels und der konvektiven Wärmeübertragungsfläche ein weiterer Rauchgaskanal ausgebildet.
- Die Erfindung wird ausführlicher anhand der Zeichnung erläutert, in welcher zwei beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kessels dargestellt sind. Es zeigt
- Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kessel mit einem herkömmlichen (offenen) Feuerraum,
- Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 1,
- Fig. 3 einen horizontalen Längsschnitt des in Fig. 1 gezeigten Kessels,
- Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie B-B in Fig. 1,
- Fig. 5 einen horizontalen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kessel mit einem sogenannten sackförmigen (hinten geschlossenen) Feuerraum,
- Fig. 6 einen Querschnitt nach der Linie C-C in Fig. 5.
- Wie es aus der Zeichnung zu entnehmen ist, sind die beiden Ausführungsformen in ihren wichtigsten Einzelheiten gleich oder ähnlich aufgebaut, und sie haben auch eine ähnliche Wirkungsweise. Aus diesem Grunde wurden für die gleichen Einzelheiten bei beiden Ausführungsformen die gleichen Bezugsnummern verwendet. Aus den Figuren ist es ersichtlich, daß zwischen den beiden Ausführungsformen im wesentlichen nur bezüglich der Richtung der Rauchgasführung ein größerer Unterschied besteht.
- Das Wesen des erfindungsgemäßen Kessels wird anhand der in Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform erläutert.
- Wie es den Figuren entnommen werden kann, ist der Feuerraum des erfindungsgemäßen Kessels ringsherum durch ein kegelstumpfförmiges, sich nach hinten, zum hinteren Feuerraumbegrenzungswand 6 hin erweiterndes Flammrohr 1 begrenzt, dessen Form der Änderung der entlang der Flamme eines an der Stirnseite 8 des Kessels befestigten Gas- oder Ölbrenners 10 ab gegebenen Strahlungsenergie entspricht. Diese Form kann aber gegebenenfalls auch eine Kugel oder ein anderer Drehkörper mit sich verändern dem Querschnitt sein, je nachdem, wie die Verteilung der von der Größe und Temperatur der Flamme sowie von der Länge der Infrarotwellen abhängigen Wärmestrahlung entlang der Flammenachse ist. Durch diesen sich verändernden Querschnitt wird es erreicht, daß sich die größten Wärmeübertragungsflächen gerade an den der größten Wärmebelastung ausgesetzten Stellen befinden, wodurch einerseits eine besse re Energieausnutzung und andererseits die Schonung der Einrichtung, d. h. die Erhöhung ihrer Lebensdauer ermöglicht wird.
- Das Flammrohr 1 ist als Membranwand ausgebildet, d. h. der Mantel des Flammrohres 1 ist durch das geheizte Medium aufnehmende Ringrohre 11 und diese verbindende, relativ dünne Plattenabschnitte gebildet. Diese an sich schon bekannte Lösung ermöglicht einerseits eine gute Wärmeübertragung und andererseits eine Materialersparnis unter Gewährleistung der notwendigen Festigkeit. Die den Brenner 10 haltende Stirnwand 8 ist als eine Kreisringmembranwand ausgebildet. Das hintere Ende des Flammrohres 1 ist durch kreisringförmige Wasserrohre gebildet, zwischen die hindurch das Rauchgas in die durch die hintere Feuerraumbegrenzungswand 6 begrenzte Wendekammer 7 und von hier in den als zweiter Zug ausgebildeten Rauchgaskanal 3 gelangt. Der den zweiten Zug bildende Rauchgaskanal 3 ist von einer Seite durch den Außenmantel des Flammrohres 1 und von der anderen Seite durch eine konvektive Wärmeübertragungsflanke 2 begrenzt. Sowohl die Feuerraumbegrenzungswand 6 der Wendekammer 7 als auch die konvektive Wärmeübertragungsfläche 2 ist als Membranwand ausgebildet. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Ringrohre 12 der Membranwand der konvektiven Wärmeübertragungsfläche 2 gegenüber den Ringrohren 11 der Membranwand des Flammrohres 1 versetzt, zweckmäßigerweise um einen halben Abstand zwischen den benachbarten Ringrohren der anderen Membranwand versetzt, angeordnet sind. So strömen die Rauchgase zwischen diesen Ringrohren 11 und 12 in Längsrichtung, in einer ringförmigen, gewellten Spirallinie, wodurch die konvektive Wärmeübertragung wesentlich verbessert wird, nachdem die Rauchgasgeschwindigkeiten entlang der Wandflächen zunehmen. Am Ende des den zweiten Zug bildenden Rauchgaskanals 3 (d. h. am vorderen Teil des Kessels) wenden sich die Rauchgase in einen weiteren, als dritten Zug ausgebildeten Rauchgaskanal 4, der von innen durch den Außenmantel der konvektiven Wärmeübertragungsfläche 2 und von außen durch eine wärmeisolierende Umhüllung 5 begrenzt ist. In diesem Zug geben die Rauchgase auch ihre restliche Wärme an die konvektive Wärmeübertragungsfläche 2 ab, so daß die Wärmeausnutzung der eingebauten Wärmeübertragungsflächen gegenüber den bisherigen 50 bis 60% nun hundertprozentig ist. Nachdem die konvektive Wärmeübertragungsfläche 2 der Form des Flammrohres 1 ähnlich ausgebildet ist, ist die Größe der konvektiven Wärmeübertragungsfläche 2 proportional der Größe der durch Konvektion übertragbaren Wärmeenergie. Das bedeutet, daß gerade die heißesten Rauchgase auf die größten Wärmeübertragungsflächen wirken, d. h. der Wärmetransport dem Maß der Wärmebelastung angepaßt ist.
- Die Rauchgase verlassen übrigens den Kessel über die Rauchkammer 15 und über einen in der Abschlußwand des Kessels ausgebildeten Rauchgasstutzen 9.
- Was die Wasserseite des Kessels betrifft, laufen die Ringrohre sämtlicher Membranwände unten und oben in einer unteren Verteilungskammer 13 und einer oberen Sammelkammer 14 zusammen. In der unteren Verteilungskammer 13 ist der Anschlußstutzen der Rücklaufleitung bzw. des Fallstranges und in der oberen Sammelkammer 14 der Anschlußstutzen der Vorlaufleitung bzw. des Steigestranges ausgebildet, durch welche der Kessel dem Wärmeabnahmesystem oder im Falle eines Dampfkessels der Trommel angeschlossen ist.
- Die in Fig. 5 und 6 dargestellte andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kessels, die einen sogenannten sackförmigen Feuerraum aufweist, unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich darin, daß der Feuerraum hinten durch eine als Kreisringmembranwand ausgebildete Feuerraumbegrenzungswand 6 gasdicht abgeschlossen ist, so daß die Rauchgase als zweiter Zug zum vorderen Teil des Kessels zurückströmen, wo sie über entsprechende Öffnungen in einen als dritter Zug ausgebildeten, von außen durch eine konvektive Wärmeübertragungsfläche 2 begrenzten Rauchgaskanal 3 gelangen. Die Rauchgase werden schließlich über die Rauchkammer 15 und den Rauchstutzen 9 am Ende des Kessels abgeführt, wobei die Abschlußwand 17 des Kessels ebenfalls als Membranwand ausgebildet ist.
- Beim erfindungsgemäßen Kessel sind die wasserseitigen Umlaufkreise so ausgebildet, daß der Wärmetransport entweder durch natürliche oder gezwungene Strömung bzw. Zirkulation gesichert ist. Die untere Verteilungskammer 13 und die obere Sammelkammer 14 dienen dieser Aufgabe. Im Falle eines Dampfkessels wird der gleichmäßige Wärmetransport durch die entsprechende Anordnung und Größe der den Kessel mit der Trommel verbindenden Fall- und Steigestränge gesichert, die an die obenerwähnten Kammern 13 bzw. 14 angeschlossen sind.
- Das Rohrleitungssystem enthält wenig Widerstand, infolgedessen ist der Widerstand des Umlaufsystems gering. Somit kann eine intensive Strömung gewährleistet werden.
- Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemäßen Kessels sind zusammenfassend die folgenden:
- - Die eingebauten Wärmeübertragungsflächen sind hundertprozentig ausgenutzt, während dies bei den herkömmlichen Konstruktionen nur zu 50 bis 60% der Fall ist.
- - Infolge der gleichmäßigen Wärmezustände und Wärmeströme sind die Anforderungen gegenüber der Qualität des Speisewassers nicht mehr so hoch, und die Kesselkonstruktion kann die Wärmeentzugsänderungen günstiger vertragen.
- - Die Festigkeitsverhältnisse des erfindungsgemäßen Kessels sind nicht von der Leistung des Kessels abhängig, d. h. die Leistung kann erhöht werden, ohne daß seine Festigkeitsparameter oder der damit im Zusammenhang stehende Wärmeentzugsfaktor abnehmen. Die Konstruktion des Kessels begrenzt also nicht die Wärmeleistung, sondern sie gewährleistet eine effektive Wärmeübertragung, einen Kreuzstrom der Rauchgase und die hundertprozentige Ausnutzung der Heizflächen.
- Die grundsätzliche Verbesserung der Festigkeitsverhältnisse ist das Ergebnis der Anwendung von Membranwänden; infolgedessen wird nur ein Bruchteil der bisherigen Wanddicken benötigt. Die geringere Wanddicke ermöglicht eine wesentlich günstigere Wärmeübertragung, eine bedeutende Materialersparnis, eine kleinere Wärmeträgheit, eine wirtschaftlichere Herstellung sowie einen geringeren Platzbedarf und geringere Investitionskosten.
- Durch den erfindungsgemäßen Kessel werden die Vorteile der bisherigen Kesselkonstruktionen nicht nur vereinigt, sondern weiter gesteigert, sowohl in Hinsicht der Festigkeit als auch der Wärmeübertragung, der Zirkulation und der Wärmeausnutzung.
Claims (4)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
AT81109856T ATE12827T1 (de) | 1981-11-24 | 1981-11-24 | Warmwasser-, heisswasser- oder dampfkessel mit gas- oder oelfeuerung. |
DE8181109856T DE3170035D1 (en) | 1981-11-24 | 1981-11-24 | Gas or oil fired water-heating or steam-generating boiler |
EP81109856A EP0079980B1 (de) | 1981-11-24 | 1981-11-24 | Warmwasser-, Heisswasser- oder Dampfkessel mit Gas- oder Ölfeuerung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP81109856A EP0079980B1 (de) | 1981-11-24 | 1981-11-24 | Warmwasser-, Heisswasser- oder Dampfkessel mit Gas- oder Ölfeuerung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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EP0079980A1 EP0079980A1 (de) | 1983-06-01 |
EP0079980B1 true EP0079980B1 (de) | 1985-04-17 |
Family
ID=8188029
Family Applications (1)
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