FI103833B - Lämmönvaraaja - Google Patents

Description

103833

LÄMMÖNVARAAJA

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty lämmönvaraaja.

Etenkin Keski-Euroopassa käytetään paljon 5 erilaisia kamiinoita sekä varsinaisina lämmittiminä että lisälämmönlähteinä. Kamiinan hyvänä puolena on sen nopea lämpiäminen eli kamiinan ulkopinta on nopeasti kuuma, jolloin se myös nopeasti lämmittää sitä ympäröivää tilaa.

10 Epäkohtana kamiinassa on kuitenkin sen pieni lämmönvarauskyky. Näin kamiina jäähtyy suhteellisen nopeasti sen jälkeen, kun tuli on sammunut kamiinan tulipesässä. Toisaalta kamiinan DIN-normien mukainen käyttö edellyttää, että puita poltetaan niin, että pa-15 lamislämpötila on välillä 700-800 °C. Tällöin kamii nasta tulevien savukaasujen lämpötila on noin 500°C. Kamiinan nykyinen normaalikäyttö on sitä, että vähäistä puumäärää poltetaan kituen eli pienellä ilmamäärällä niin, että puut juuri palavat ja täten palaminen 20 kestää kauan.

Edellä kuvatussa lämmitystavassa on kuitenkin ongelmia. Kun puuta poltetaan hitaasti, palaminen ei ole täydellistä. Näin savukaasupäästöt ovat moninkertaiset täydelliseen ja puhtaaseen palamiseen verrattu-25 na ja palamisessa syntyvä lämpötila on vain osa siitä, mikä täydellisessä palamisessa voisi syntyä. Näiden ongelmien poistamiseksi kamiinoiden yhteydessä on alettu käyttää erillisiä lämmönvaraajia, joissa lämpöä varaavana massana käytetään samottia. Varaajan muodos-30 taa samotista valettu kappale, jonka sisällä on U- muotoinen virtauskanava, jolloin kamiinan yläpäästä : savukaasut johdetaan viereen asetetun lämmönvaraajan yläpäähän, virtauskanavan toiseen haaraan ja savukaasut kulkevat virtauskanavan läpi ja edelleen toisen 35 haaran pään kautta savuhormiin. Lämmönvaraajaan vir- taavat kaasut ovat lämpötilaltaan välillä 400-500 °C, jolloin osa kaasujen lämmöstä varautuu samottimassaan 2 103833 ja savukaasut jäähtyvät alueelle 200 °C ennen virtaamistaan savuhormiin.

Koska samotti varaa lämpöä suhteellisen hitaasti ja vähän, siitä ei saada todellista hyötyä ka-5 miinan yhteydessä. Mikäli puita tai muuta polttoainetta poltettaisiin kamiinassa tehokkaasti ja nopeasti esimerkiksi yli 1000 °C lämpötilassa, varaaja ei pystyisi varaamaan käytännöllisesti katsoen yhtään enempää lämpöä, vaan hormiin virtaavat savukaasut jäisivät 10 ylikuumiksi (400-600 °C) ja hyödyksi saatu energia olisi 40-50%.

Näiden ongelmien poistamiseksi lämmönvaraajan lämmönvarauskykyä on pyritty parantamaan. Kuitenkin on huomattu, että jos samotti korvataan nykyisessä läm-15 mönvaraajarakenteessa vuolukivellä, varaaja ei toimi ja toimimattomuuden syynä on vuolukiven nopea lämmönvarauskyky ja suuri lämmönvarauskapasiteetti samottiin verrattuna. Koska savukaasut sisältävät runsaasti kosteutta, nykyisen muotoisessa, mutta vuolukivestä teh-20 dyssä lämmönvaraajassa savukaasut jäähtyvät nopeasti ja liikaa, jolloin savukaasujen sisältämä vesihöyry kondensoituu ja tiivistyy virtauskanavaan. Näin lämmönvaraajan virtauskanavan pohjalle alkaa kerääntyä vettä. Vesi aiheuttaa savukaasujen jäähtymisprosessin, 25 jonka johdosta luonnonvetoisen savukaasun nopeus hi-.* dastuu ja aiheuttaa palamisen heikkenemisen kamiinas sa. Tämän takia savun lämpötila ja nopeus ovat alhaiset ja veden kondensoituminen lisääntyy. Näin palaminen hiipuu ja lopulta jopa sammuu kamiinan jatkona 30 olevan lämmönvaraajan toiminnan johdosta.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat. Erityisesti keksinnön tarkoitukse- Λ na on tuoda esiin rakenteellisesti uudenlainen kamiinoiden yhteydessä käytettävä lämmönvaraaja, jossa voi-35 daan tehokkaasti hyödyntää vuolukiven nopeaa lämmönvarauskykyä ja suurta lämmönvarauskapasiteettia. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on mahdollistaa kamiinoiden 3 103833 lämpötiloiltaan korkeampi ja tehokkaampi palotapahtu-ma, parempi lämmön talteenotto sekä puhtaammat savukaasut .

Keksinnölle tunnusomaisten seikkojen osalta 5 viitataan vaatimusosaan.

Keksinnön mukaiseen lämmönvaraajaan kamiinan savukaasujen lämmön talteen ottamiseksi kuuluu lämpöä varaavaa massaa sekä massan läpi ulottuva savukaasujen virtauskanava. Virtauskanavan toisessa päässä on si-10 säänvirtausaukko savukaasujen johtamiseksi siihen ja toisessa päässä ulosvirtausaukko, jonka kautta savukaasut pääsevät virtaamaan pois lämmönvaraajasta ja edelleen esimerkiksi savuhormiin. Keksinnön mukaisesti lämpöä varaavana massana käytetään vuolukiveä ja mas-15 san läpi ulottuva virtauskanava on olennaisesti koko lämpöä varaavalla alueella nouseva sisäänvirtausaukos-ta ulosvirtausaukkoon päin.

Virtauskanava on edullisesti nouseva koko vuolukivirakenteen alueella, mutta on myös mahdollis-20 ta, että virtauskanava on nouseva koko virtauskanavan alueella sisäänvirtausaukon ja ulosvirtausaukon välissä. Samoin on mahdollista, että virtauskanava on koko matkallaan aidosti nouseva eli siihen kuuluu ainoastaan joko pystysuoraan tai viistosti ylöspäin suuntau-25 tuvia osuuksia. Kuitenkin on myös mahdollista, että virtauskanava on vain nouseva eli ei-laskeva, mikä tarkoittaa, että siinä voi olla osittain myös vaakasuoria osuuksia. Olennaista ja tärkeää keksinnössä on, että savukaasujen sisältämän vesihöyryn mahdolli-30 nen kondensoitumisalue on aina nousevassa virtauskana-vassa, jolloin kondensoitunut vesi ei pääse kerääntymään virtauskanavaan. Täten virtauskanava ei sisällä sellaisia alaspäin suuntautuvia virtausosuuksia, joissa savukaasut alaspäin kulkiessaan ja jäähtyessään 35 voisivat kondensoitua.

Edullisesti virtauskanavan sisävaippa kokonaisuudessaan tai ainakin suurimmalta osin koostuu 4 103833 vuolukivestä, jonka lustosuunta eli kiderakenteen suunta on järjestetty samansuuntaiseksi lämmön siirty-missuunnan kanssa. Näin vuolukivirakenne imee tehokkaasti lämpöä kuumista savukaasuista ja jäähdyttää sa-5 vukaasut virtauskanavassa riittävän alhaiselle tasolle .

Virtauskanavia voi lämmönvaraajassa olla yksi tai useampia riippuen varaajan koosta. Samoin varaajan korkeus voi vaihdella alle yhdestä metristä yli kah-10 denkin metrin. Virtauskanavien määrä ja varaajan korkeus ja leveys voivat vaihdella ja ne voidaan mitoittaa käytettävän kamiinan tehon mukaan.

Ulkovaippana keksinnön mukaisessa lämmönvaraajassa voidaan käyttää myös vuolukiveä, jossa edul-15 lisesti kiderakenne on järjestetty kohtisuoraan lämmön siirtymissuuntaa vastaan, jolloin lämmön luovutus ympäröivään tilaan tapahtuu lämmön varautumista selvästi hitaammin. Myös on mahdollista, että vuolukivisen ulkovaipan päälle tai sen sijaan käytetään esimerkiksi 20 teräksistä tai valurautaista ulkokuorta.

Keksinnön mukaisella lämmönvaraajalla on merkittäviä etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna. Koska joka tapauksessa tehokkaassa savukaasujen lämmön talteenotossa tapahtuu kondensoitumista, keksinnön mu-25 kaisella lämmönvaraajarakenteella kondensoitumisesta aiheutuvat ongelmat on saatu poistetuksi. Lämmönvaraa-ja mahdollistaa olemassa olevien kamiinoiden tehokkaan lämmityskäytön, savukaasujen haitallisten päästöjen alentumisen 70-80 % sekä palamisessa saatavan lämmön 30 tehokkaamman hyödyntämisen. Lisäksi tehokas savukaasujen lämmön talteenotto mahdollistaa ja tekee kannatta-: vaksi kamiinoiden kehittämisen entistä tehokkaammiksi ja puhtaammin palaviksi. Lisäksi tehokkuudesta huolimatta keksintö mahdollistaa myös pienikokoiset lämmön-35 varaajat, joiden käyttö jo olemassa olevienkin kamiinoiden yhteydessä ei vaadi suuria lisäjärjestelyjä.

5 103833

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää osittain auki leikattuna ja 5 sivulta katsottuna erästä keksinnön mukaista lämmönva-raajaa kamiinaan liitettynä, kuva 2 esittää kuvan 1 lämmönvaraajaa päältä katsottuna ja auki leikattuna ja kuva 3 esittää toista keksinnön mukaista läm-10 mönvaraaj aa.

Kuvissa 1 ja 2 esitetty lämmönvaraaja koostuu olennaisesti kokonaan lämpöä tehokkaasti varaavista vuolukivikappaleista 1. Olennaisesti suorakulmaisen suuntaissärmiön muotoisessa lämmönvaraajassa on vuolu-15 kivinen ulkovaippa 6, jossa kiderakenne on järjestetty kohtisuoraan lämmön siirtymissuuntaa vastaan. Ulkovaipan sisäpuolella on sisävaippa 5, jota ulkovaippa ympäröi ja jossa vuolukiven lustosuunta eli kiderakenteen suunta on saman suuntainen lämmön siirtymissuun-20 nan kanssa. Lisäksi sisävaippaan voidaan lukea pohja-laatta 10. Sisävaipan sisäpuolelle muodostuu savukaasujen virtaustila, johon savukaasut virtaavat lämmön-varaajan alaosassa olevasta sisäänvirtausaukosta 3 ja josta savukaasut poistuvat lämmönvaraajan yläosan kan-25 nessa olevan ulosvirtausaukon 4 kautta.

Lämmönvaraajan sisään kuuluu väliseinä 11, joka jakaa sisävaipan 5 sisäpuolisen tilan kahdeksi kapeaksi alhaalta ylös ulottuvaksi virtauskanavaksi 2. Väliseinä 11 on vuolukiveä ja siinä lustosuunta on sa-30 ma kuin sisävaipassa 5 eli se mahdollisimman tehokkaasti ja nopeasti varaa itseensä lämpöä.

: Molemmissa virtauskanavissa 2 on vuolukivinen virtauksen jakaja 12, joka ulottuu pystysuunnassa noin 1/3 virtauskanavan koko korkeudesta ja ulottuu olen-35 naisesti virtauskanavan puolivälistä alaspäin. Virtauksen jakaja jakaa virtauskanavan kahteen osaan eli etukanavaksi 13 ja takakanavaksi 14. Virtauksen jaka- 6 103833 jän 12 etualareuna 15 on järjestetty sopivalle korkeudelle pohjalaatasta 10 niin, että virtausvastukset ovat olennaisesti yhtä suuret etukanavaan ja takakana-vaan, jolloin saadaan tasaiset savukaasuvirtaukset ja 5 tehokas lämmön varautuminen.

Sisäänvirtausaukkoon 3 on liitetty lämpöeristeellä 7 varustettu savukanava 8, jolla kamiina 16 on yhdistetty lämmönvaraajaan. Lämmönvaraajan ulosvir-tausaukko 4 kaventuu lämmönvaraajän päällä poistohor-10 miksi 17 ja kavennuskohtaan on järjestetty nuohous-luukku 9, joka on siten sijoitettu lämmönvaraajan päälle, että siitä on hyvä nuohousyhteys lämmönvaraa-jan virtauskanavan 2 kaikkiin osiin.

Keksinnön mukainen lämmönvaraaja toimii seu-15 raavasti. Kun kamiinassa 16 poltetaan esimerkiksi puita, niitä voidaan polttaa tehokkaasti, jolloin pala-mislämpötila on välillä 1000-1200 °C. Tällöin kamiinasta savukanavaan 8 virtaavien savukaasujen lämpötila on suuruusluokkaa 700 °C. Koska savukanava on lämpö-20 eristetty, savukaasut ovat olennaisesti samassa lämpötilassa virratessaan sisäänvirtausaukosta 3 lämmönvaraajaan. Lämmönvaraajassa puolet savukaasuvirtauksesta virtaa vaakasuunnassa kohti takakanavaa 14 ja puolet nousee etukanavaan 13. Virtaukset jakaantuvat myös si-25 vuttaissuunnassa kahteen eri virtauskanavaan 2 eli sa-vukaasuvirtaus jakaantuu neljään eri ylöspäin nousevaan virtauskanavaan. Kaikkia neljää virtauskanavaa ympäröivien vuolukivien lustosuunnista johtuen savukaasujen sisältämä lämpö varautuu nopeasti ja tehok-30 kaasti vuolukivirakenteisiin ja savukaasut jäähtyvät nopeasti varsinkin alkulämmityksessä. Nopea ja voima-: kas jäähtyminen aiheuttaa savukaasuissa kondensoitu mista, jolloin vesi pyrkii tiivistymään ja kerääntymään virtauskanavien pinnoille.

35 Kondensoitunut vesi ei kuitenkaan aiheuta tässä lämmönvaraajarakenteessa ongelmia. Koska kaikki neljä virtauskanavaa ovat kokonaisuudessaan ylöspäin 7 103833 suuntautuvia, lämpötila on jokaisessa virtauskanavassa ylöspäin laskeva. Näin kondensoitunut vesi ei pääse missään vaiheessa virtaamaan alaspäin kylmempään tilaan ja kerääntymään virtauskanavaan, vaan mikäli kon-5 densoitunutta vettä virtaa alaspäin, se virtaa aina korkeampia lämpötiloja kohti. Näin etenkin alkulämmi-tyksessä vesi höyrystyy ja nousee ylöspäin ja poistuu ulosvirtausaukon 4 kautta savuhormiin 17.

Koska kondensoitunut vesi ei aiheuta ongelmia 10 keksinnön mukaisessa lämmönvaraajassa, voidaan savukaasujen lämpö ottaa talteen vuolukivimassaan mahdollisimman nopeasti ja tarkasti heti kamiinan sytytyksenkin jälkeen. Kun lämmönvaraajan sisärakenteet ja sisävaippa 5 kamiinan 16 käytön aikana nopeasti läm-15 piävät ja varaavat paljon lämpöä, ulkovaippa 6 lusto-suunnasta johtuen ottaa tätä lämpöä vastaan hitaammin ja samoin luovuttaa sitä ympäröivään tilaan hitaammin. Näin kamiinalla voidaan nopeasti ja tehokkaasti polttaa tietty määrä puita ja puista saatava lämpöenergia 20 lämmittää ympäröivää tilaa pitkään ja tasaisesti. Tällä tavoin kamiinoiden yhteydessä käytettävästä lämmönvaraa jasta saadaan se hyöty, jota jo samottivaraajilla on tavoiteltu, mutta mitä samotin alhaisemmasta lämmönvarauskyvystä, noin 1/10 vuolukivestä, johtuen ei 25 tunnetuilla rakenteilla ole pystytty saavuttamaan.

Kuvassa 3 on esitetty keksinnön toinen sovellus, jossa itse varaaja on samanlainen kuin kuvassa 1. Sen sijaan varaaja on liitetty kamiinaan 16 eri tavalla. Sisäänvirtausaukon 3 ulkopuolelle on rakennettu 30 liitoskappale 18 eli vuolukivirakenne, jolla virtaus-tie, johon savukanava 8 liitetään, on käännetty pys-" : tysuuntaiseksi. Liitoskappaleeseen 18 on sitten pysty suunnassa liitetty kamiinasta tuleva savukanava 8. Savukanava 8 on eristämätön metalliputki, joten sen tar-35 koituksena on myös toimia nopeana lämmönlähteenä tulen palaessa kamiinassa. Vuolukivinen liitoskappale toimii osittain myös lämpöä varaavana elementtinä, mutta se 8 103833 on mitoitettu siten, että sen alueella savukaasut pysyvät vielä niin kuumina, että kondensoitumista ei pääse sen alueella tapahtumaan. Näin vesihöyryn tiivistyminen on mahdollista vasta sisäänvirtausaukon 3 5 jälkeen varaajan ylöspäin nousevassa virtauskanavassa. Kuvan 3 sovelluksesta myös nähdään, että varaajan korkeus ei ole sidottu kamiinan korkeuteen, vaan se voi olla jopa huomattavastikin kamiinaa korkeampi.

Edellä keksintöä on selostettu esimerkinomai-10 sesti oheisten piirustusten avulla keksinnön eri sovellusten ollessa mahdollisia patenttivaatimusten rajaaman keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (17)

1. Lämmönvaraaja kamiinan savukaasujen lämmön talteen ottamiseksi, johon lämmönvaraajaan kuuluu - lämpöä varaava massa (1), 5. massan läpi ulottuva savukaasujen virtauskanava (2) , - sisäänvirtausaukko (3) savukaasujen johtamiseksi virtauskanavaan sekä - ulosvirtausaukko (4) savukaasujen johtamiseksi 10 pois virtauskanavasta, tunnettu siitä, että - lämpöä varaavana massana (1) on vuolukivi ja - virtauskanava (2) on olennaisesti koko lämpöä varaavalla alueella nouseva sisäänvirtausaukosta (3) 15 ulosvirtausaukkoon (4) päin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönva- raaja, tunnettu siitä, että virtauskanava (2) on nouseva koko vuolukivirakenteen alueella.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönva- 20 raaja, tunnettu siitä, että virtauskanava (2) on nouseva koko sisäänvirtausaukon (3) ja ulosvir-tausaukon (4) välisellä alueella.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönva- raaja, tunnettu siitä, että virtauskanavaan (2) 25 kuuluu pystysuoria ja viistosti ylöspäin ulottuvia osuuksia.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönva- raaja, tunnettu siitä, että virtauskanavaan (2) kuuluu vaakasuoria osuuksia.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että virtauskana-van (2) sisävaippa (5) koostuu vuolukivestä, jossa vuolukiven lustosuunta eli kiderakenteen suunta on saman suuntainen lämmönsiirtymissuunnan kanssa.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-S mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että lämpöä varaa- 10 103833 vaan massaan kuuluu vuolukivinen ulkovaippa (6), jonka kiderakenne on kohtisuorassa lämmönsiirtymissuuntaan.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että lämpöä varaa- 5 van massan ympärillä on metallinen ulkokuori.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että lämmönvaraa-jan ja kamiinan välille kuuluu edullisesti lämpöeristeellä (7) varustettu savukanava (8) savukaasujen joh- 10 tamiseksi lämmönvaraajaan.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että savukanava (8) on järjestetty johtamaan kuumat savukaasut kamiinan yläosasta lämmönvaraajan alaosaan.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen lämmönva raaja, tunnettu siitä, että lämpöeriste (7) ulottuu sisäänvirtausaukkoon (3) ja/tai varaavaan vuoluki-vimassaan (1) saakka.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönva-20 raaja, tunnettu siitä, että ulosvirtausaukon (4) yhteyteen kuuluu nuohousluukku (9) virtauskanavan nuo- hoamiseksi.

13. Jonkin patenttivaatimuksista 1-12 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että virtaus- 25 kanava (2) jakautuu useiksi nouseviksi virtausteiksi varaavan vuolukivimassan sisällä sisään- ja ulosvir- tausaukkojen välillä.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että virtauskanavan (2) 30 yhteyteen kuuluu säätölaite savukaasujen ohjaamiseksi vaihtoehtoisesti yhteen tai useampaan virtaustiehen sa-: manaikaisesti.

15. Jonkin patenttivaatimuksista 1-14 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että virtaus- 35 kanavaan (2) kuuluu virtauksenjakaja (12), jonka korkeus virtauskanavan kokonaiskorkeudesta on M - edulli- u 103833 sesti noin 1/3, savukaasuvirtauksen jakamiseksi tasaisesti virtauskanavan koko lämpöä varaavalle alueelle.

16. Jonkin patenttivaatimuksista 9-15 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että lämmönva- 5 raajan eteen ennen sisäänvirtausaukkoa (3) kuuluu vuolukivinen liitoskappale (18) , jonka välityksellä savu-kanava (8) on yhdistetty lämmönvaraajaan.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että liitoskappale (18) on 10 pituudeltaan/lämmönvarauskyvyltään mitoitettu siten, että mahdollinen savukaasujen vesihöyryn kondensoituminen tapahtuu sisäänvirtausaukon (3) jälkeen. 12 103833