NL1007623C2 - Inrichting voor het verwarmen van fluïdum. - Google Patents

Description

INRICHTING VOOR HET VERWARMEN VAN FLUÏDUM

De onderhavige uitvinding betreft een verwar-mingsinrichting, in het bijzonder met vermogens van 0,5 -15 MW, bijv. voor toepassing in de tuinbouw. Bestaande verwarmingsketels op dit toepassingsgebied dienen op een 5 vrachtauto over de weg transporteerbaar te zijn, waardoor de afmetingen daarvan beperkt zijn. Mede om die reden zijn dergelijke verwarmingsinrichtingen veelal als drie-treksketels uitgevoerd, waarbij het thermisch rendement, alsmede de drukval ongunstig wordt beïnvloedt; de vuur-10 gang is veelal nauw.

Een dergelijke meertreksketel is bijv. bekend uit het Duitse Offenlegungsschrift DE-A-44 06 030.

Voorts is uit het Duitse Gebrauchsmuster DE-U-86 09 170 een staande gasverwarmingsketel bekend, waarbij 15 pijpen van een warmtewisselaar gedeeltelijk zijn ingebed in aan een wand daarvan aangebracht isolatiemateriaal, opdat zich geen condensaat aan die binnenwand zal vormen. Dit isolatiemateriaal maakt deze bekende inrichting qua constructie gecompliceerd, terwijl de staande opstelling 20 het niet mogelijk maakt een dergelijke inrichting met voldoende vermogen voor de tuinbouw te transporteren.

Het is een doel van de onderhavige uitvinding bestaande verwarmingsinrichtingen te verbeteren en bovengenoemde problemen te vermijden en een verwarmingsketel 25 te verschaffen met een hoog thermisch rendement en een lage drukval. Voorts is het een doel van de onderhavige uitvinding een verwarmingsinrichting te verschaffen, die gemakkelijk opschaalbaar is, een minimaal aantal bij voorkeur gestandaardiseerde onderdelen van plaatstaal 30 omvat, die gemakkelijk te onderhouden is en die storingsvrij kan functioneren. Voor verbranding met een laag ΝΟχ-gehalte en CO-gehalte, dient de temperatuur van het 1007623 2 rookgas, in het bijzonder in de vuurhaard, te worden geoptimaliseerd. Condensatie tegen de wanden van het rookgasgedeelte wordt zoveel mogelijk uitgesloten.

De onderhavige uitvinding verschaft een inrich-5 ting voor het verwarmen van fluïdum, omvattende: - een eerste sectie voor het verwarmen van het fluïdum, waarin brandstof en lucht worden gemengd en verbrand; - een tweede sectie voor het verwarmen van het 10 fluïdum, die in hoofdzaak is opgesteld in het verlengde van de verbrandingssectie en waarin zich een aantal pijpen voor het fluïdum in hoofdzaak dwars op de stro-mingsrichting van de verbrandingsgassen uitstrekt; en - een derde sectie voor het verwarmen van het 15 fluïdum, die in hoofdzaak is opgesteld in het verlengde van de tweede verwarmingssectie, en waarin zich een aantal buizen voor het fluïdum in hoofdzaak dwars op de stromingsrichting van de verbrandingsgassen uitstrekt, waarbij tenminste een aantal van de buizen in de derde 20 sectie is voorzien van de warmte-overdracht bevorderende ribben of vinnen.

De onderhavige uitvinding verschaft derhalve een zogeheten eentreksketel, die dankzij de dwarse opstelling van de pijpen niet veel langer behoeft te zijn 25 dan bovengenoemde drietreksketel. De vuurgang kan ruim worden uitgevoerd, waardoor deze geschikt is voor branders met lage Ν0χ uitstoot.

Alhoewel de pijpen in rijen achter elkaar kunnen zijn opgesteld, hetgeen constructief het eenvou-30 digst is, is het tevens mogelijk dat de pijpen versprongen of gekruist achter elkaar in het tweede en/of derde verwarmingscircuit zijn opgesteld. Dit vergroot de warmte -overdracht , alsmede bij gekruist opgestelde rijen verwarmingsbuizen, een symmetrische aanstroming en verwar-35 ming van het fluïdum.

In een voorkeursuitvoeringsvorm bevinden zich keerschotten met stromingsdoorgangen rond de vuurgang, teneinde de constructie te verstevigen en de stroming van 1007623 3 het te verwarmen fluïdum in een ringvormige ruimte rondom de vuurgang te bevorderen. Tevens wordt hierdoor de vuurgang beter gekoeld.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm zijn de 5 pijpen uit de tweede en derde sectie ongeveer blokvormig en schuin in de in hoofdzaak cilindrische buitenwand geplaatst, zodat een zogeheten header wordt gevormd, waardoor stroming door de pijpen gelijkmatig plaatsvindt.

De eerste, tweede en derde sectie zijn bij 10 voorkeur aan elkaar bevestigd, alsmede aan een voor- en achterfront. Door het verwijderen van een rondlas aan het voor- en achterfront, kan het gehele binnenwerk uit de in hoofdzaak cilindrische buitenwand worden getrokken.

Verdere voordelen, kenmerken en details van de 15 onderhavige uitvinding zullen worden verduidelijkt aan de hand van de navolgende beschrijving van voorkeursuitvoeringsvormen daarvan, met verwijzing naar de bijgevoegde tekening, waarin tonen: fig. 1 een gedeeltelijk weggebroken aanzicht in 20 perspectief van een eerste voorkeursuitvoeringsvorm van een verwarmingsinrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2 een gedeeltelijk opengewerkt aanzicht in perspectief van een gedeelte van de uitvoeringsvorm uit 25 fig. 1; fig. 3 een gedeeltelijk opengewerkt aanzicht in perspectief van een gedeelte van de in fig. 1 getoonde inrichting; fig. 4 een schematisch aanzicht van een gedeel-30 te van een alternatieve uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 5 een schematisch aanzicht van een gedeelte van een alternatieve voorkeursuitvoeringsvorm van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding; 35 fig. 6 een gedeeltelijk opengewerkt aanzicht in perspectief van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding; 1007623 4 fig. 7, 8 en 9 aanzichten in doorsnede van detail VII, VIII resp. IX uit fig. 6; en fig. 10 resp. 11 gedeeltelijk weggebroken aanzicht in perspectief van detail X resp. XI uit fig. 6; 5 en

Een inrichting 1 (fig. 1) volgens de onderhavige uitvinding omvat in een eerste gedeelte 2 een ruime vuurgang, waarin door een brander 3 aangevoerde brandstof en lucht wordt ontstoken bij een temperatuur van 1600 a 10 1800°C en wordt vervolgens gekoeld tot bijv. 1000 a 1100°C. De binnenwand van de vuurgang 3 wordt gekoeld door water dat in de ringvormige ruimte tussen de binnen-mantel en buitenmantel 4 wordt af- en aangevoerd via leidingen 6 resp. 7.

15 In het verlengde van het gedeelte 2 is een tweede warmtewisselaar 8 opgesteld, waarin de verbrandingsgassen van bijv. ongeveer 1000 a 1100°C worden gekoeld tot 300 a 400°C. In fig. 1 zijn bij deze warmtewisselaar een aantal aftapleidingen 9 getoond voor het 20 doen van metingen aan de experimentele opstelling.

In het verlengde van de tweede warmtewisselaar 8 is een derde warmtewisselaar 10 opgesteld, waarop eveneens aftapleidingen 11 zijn aangesloten voor het doen van metingen. In de warmtewisselaar 10 worden de verbran-25 dingsgassen bijv. verder gekoeld van 300 a 400°C tot bijv. 110°C, dat wil zeggen tot boven het dauwpunt. In fig. 1 is op warmtewisselaar 10 een afvoerleiding 12 voor afvoer van de verbrandingsgassen aangesloten. In een andere, niet getoonde voorkeursuitvoeringsvorm zou hierop 30 ook een condensatie-apparaat, bijv. van roestvrij staal, zijn aangesloten voor het verder koelen van de verbrandingsgassen tot onder het dauwpunt.

Zoals in fig. 2 is getoond, wordt het te verwarmen water naar warmtewisselaar 8 aangevoerd via lei-35 ding 27 tot in een ruimte 26, waarop een aantal staande pijpen 25 uitmonden, die anderzijds uitmonden in een ruimte 24, waarop een tweede laag pijpen 23 aansluit, die anderzijds uitmonden in ruimte 22, waarop vervolgens 1007623 5 pijpen 21 aansluiten tot in ruimte 20, die via de pijpen 13 met ruimte 19 in verbinding staan. Ruimte 19 staat via pijpen 18 met ruimte 17 in verbinding en tenslotte via pijpen 16 met ruimte 15. De stroming van het water is 5 aangegeven met behulp van pijlen. De van een gladde buitenwand voorziene pijpen in warmtewisselaar 8 strekken zich in hoofdzaak dwars uit op de stromingsrichting van de verbrandingsgassen, terwijl het in een niet getoonde uitvoeringsvorm eveneens denkbaar is, dat de pijpen van 10 een rij dwars staan ten opzichte van de voorgaande rij pijpen.

In de boven beschreven uitvoeringsvorm zijn de pijpen versprongen achter elkaar opgesteld. Het is tevens denkbaar de pijpen in serie achter elkaar op te stellen.

15 Voor beide configuraties geldt volgens de literatuur de onderstaande algemene relatie voor warmte-overdrachtsco-ëfficient, waarin C en m de configuratie afhankelijke factoren zijn.

20 a = icRe;.„„xPr0·36 25

Het Reynoldsgetal ReD ^ is hierin gebaseerd op de maximale snelheid V .

max 3 0 Voor de drukval Δρ geldt de volgende formule: ίψ-Νχξξν^

35 Z

waarin: N het aantal pijpen 1007623 6 ξ de wrijvingsfactor =/(Sy/Sx , ReDmax) χ de steekverhoudingsfactor = ƒ (Sy/D , ReD max) is, waarbij geldt dat χ in het lagere Reynoldgebied ReD max <

20.000 nagenoeg constant en gelijk aan 1 is. De wrij-5 vingsfactor ξ is op een complexe manier gerelateerd aan het Reynoldsgetal en de verhouding tussen de steek van de pijpen in de richting evenwijdig aan de gasstroom en de diameter van de buis D. De waarde hiervan varieert binnen het ontwerpgebied met een factor van ongeveer 2. Uitgaan-10 de van een gelijkblijvende intredetemperatuur blijven uiteindelijk drie onafhankelijke grootheden over, die de druk vooral bepalen, namelijk het aantal pijpen N, het Reynoldsgetal Re„ en de maximale snelheid V

Volgens bovenstaande formules kan een serie van 15 verwarmingsinrichtingen worden ontworpen in een vermo- gensgebied van 0,5 - 15 MW, waarbij zelfs bij het hoogste vermogen de totale lengte van de tweede en derde warmtewisselaar tezamen niet groter is dan 1,5 m.

Zoals in fig. 1 en 3 is getoond, staat de 20 ruimte 26 via pijpen 27 in verbinding met de derde warmtewisselaar 10, waarbij op gelijkaardige wijze de ruimtes 28, 29, 30 en 31 in verbinding staan met de ruimtes 32, 33 en 34, terwijl zich tussen die ruimtes telkens geribde buizen 35 uitstrekken. Vanwege het aanzienlijk kleinere 25 temperatuurverschil in de derde warmtewisselaar zijn de buizen hiervan voorzien van vinnen, teneinde het warmte uitwisselende oppervlak te vergroten. De waterstroom is opnieuw aangegeven met behulp van de pijlen.

In fig. 4 is een alternatieve opstelling ge-30 toond van een warmtewisselaar 48, waarin gladde pijpen 49 zijn opgesteld, onder een hoek ten opzichte van de horizon, ter bevordering van de afvoer van eventueel gevormd condens.

In fig. 5 is de configuratie zichtbaar gemaakt 35 waarbij buizenpakketten in een warmtewisselaar 58 kruislings achter elkaar beide onder een hoek van 45° zijn opgesteld. Deze opstelling heeft het verder voordeel dat de volumestroom door de diverse buizen gelijk is, hetgeen 1007623 7 van belang is voor de minimalisatie van thermische spanningen in het ontwerp en een meer gelijkmatige verdeling van de hydraulische en mechanische krachten tegen de wanden.

5 Bij een verdere voorkeursuitvoeringsvorm 61 (fig. 6-11) wordt door een binnenmantel 62 een ruime vuurgang 63 gecreëerd. Aan de binnenmantel 62 zijn ringen 64, 65 en 66 bevestigd, waarbij in elk van de ringen uitsparingen zijn aangebracht, die bij voorkeur niet in 10 lijn zijn opgesteld. De ringen zijn vrij gehouden van een buitenmantel 67 (zie ook fig. 9) teneinde thermische spanningen te voorkomen. De ringen 64, 65 en 66 dienen voor versteviging van de constructie, alsmede als keer-schotten voor de waterstroming tussen binnenmantel en 15 buitenmantel.

Gezien in de stromingsrichting van de verbrandingsgassen zijn achter een verder keerschot 84, dat voorzien is van openingen 68, twee pakketten warmtewis-selingspijpen 69 resp. 70 aangebracht, waarbij het eerste 20 pakket 69 bestaat uit kruislings opgestelde warmtewisse-lingspijpen met gladde buitenwand, terwijl de kruislings opgestelde pijpen in het pakket 70 zijn voorzien van ribben. De sectie 69 is werkzaam voor het koelen van de verbrandingsgassen in het gebied van ongeveer 1.000°C tot 25 ongeveer 300°C, terwijl de pijpen in het pakket 70 bedoeld zijn voor koeling van ongeveer 300°C tot ongeveer 1100C, dat wil zeggen vlak boven het dauwpunt. Het te verwarmen medium, in het onderhavige geval water, wordt aangevoerd via aansluitstomp 71 aan de buitenmantel 67, 30 terwijl het wordt afgevoerd via aansluitstomp 72 aan de buitenmantel 67.

Een ketelvoorfront 73 is met behulp van twee rondlassen 74 resp. 75 (zie fig. 7 en 8) aan de buitenwand 67 resp. een toevoer 76 voor het te verbranden 35 medium vastgelast. Een schot 78, dat de sectie 69 van de sectie 70 scheidt, is vrijgehouden van de buitenwand 67.

Zoals vooral uit fig. 6 en fig. 11 blijkt, wordt door de opstelling van in hoofdzaak vierkante 1007623 8 pijpensecties 69 en 70 elk met kruislingse pijpen, waarvan in fig. 11 pijpen 80 en 81 zijn getoond, die zijn aangebracht in pijpplaten 82 resp. 83, een zogenoemde header- of kopsectie gevormd, waardoor de stroming vanaf 5 aansluitstomp 71 gelijkmatig plaatsvindt en de constructie wordt vereenvoudigd.

In de bovenstaande voorkeursuitvoeringsvormen vindt ca. 30 - 40% van de warmte-overdracht plaats in het gedeelte rondom de ruime vuurgang.

10 De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de boven beschreven voorkeursuitvoeringsvorm daarvan; de gevraagde rechten worden bepaald door de inhoud van de navolgende conclusies, binnen de strekking waarvan velerlei modificaties denkbaar zijn.

15 Een niet beperkende modificatie, betreft bijv.

een uitvoering waarbij condensatie optreedt in de ketel, waarbij de tweede en derde warmtewisselaar enigszins in V-vorm achter elkaar zijn opgesteld, zodat in de punt van de V het condenswater kan worden afgetapt.

1007623

Claims (12)

1. Inrichting voor het verwarmen van fluïdum, omvattende: - een eerste sectie voor het verwarmen van het fluïdum, waarin brandstof en lucht worden gemengd en 5 verbrand; - een tweede sectie voor het verwarmen van het fluïdum, die in hoofdzaak is opgesteld in het verlengde van de verbrandingssectie en waarin zich een aantal pijpen voor het fluïdum in hoofdzaak dwars op de stro- 10 mingsrichting van de verbrandingsgassen uitstrekt; en - een derde sectie voor het verwarmen van het fluïdum, die in hoofdzaak is opgesteld in het verlengde van de tweede verwarmingssectie, en waarin zich een aantal buizen voor het fluïdum in hoofdzaak dwars op de 15 stromingsrichting van de verbrandingsgassen uitstrekt, waarbij tenminste een aantal van de buizen in de derde sectie is voorzien van de warmte-overdracht bevorderende ribben of vinnen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de 20 pijpen in de tweede en derde sectie in rijen achter elkaar zijn opgesteld, en waarbij een pijp uit een rij versprongen is ten opzichte van een pijp uit de voorgaande rij .

3. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij 25 tenminste een gedeelte van de pijpen in de tweede en/of de derde sectie gekruist is opgesteld ten opzichte van een ander gedeelte van de pijpen.

4. Inrichting volgens conclusie 2 en/of 3, waarbij ten minste een gedeelte van de pijpen zich 30 schuin, bij voorkeur onder een hoek van ongeveer 45° ten opzichte van de horizontaal uitstrekt.

5. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij in tenminste een gedeelte van het TOO7623 eerste aantal pijpen één of meer retardeerorganen inwendig daarin zijn aangebracht.

6. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de eerste sectie een ringvormige 5 ruimte omvat, waarin het fluïdum wordt verwarmd.

7. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij in de ringvormige ruimte versterkingsmiddelen voor het versterken van de constructie zijn aangebracht.

8. Inrichting volgens conclusie 7, waarbij de 10 versterkingsmiddelen worden gevormd door van een stro- mingsdoorgang voorziene keerschotten.

9. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij een buitenwand daarvan in hoofdzaak cilindervormig is, en de tweede en derde sectie een 15 ongeveer vierkante vorm hebben, die schuin ten opzichte van de horizontaal in de in hoofdzaak cilindervormige ruimte is opgesteld.

10. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de eerste, tweede en derde sectie aan 20 elkaar zijn bevestigd en alleen via een voorfront en achterfront aan een in hoofdzaak cilindrische buitenwand zijn bevestigd.

11. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij het voorfront en achterfront met behulp van een rondlas 25 aan de cilindrische buitenmantel zijn bevestigd.

12. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de eerste, tweede en derde sectie zich in hoofdzaak liggend uitstrekken. 1007623