NL1012026C2 - Warmtewisselaar met een brander en een warmtewisselaareenheid. - Google Patents

Description

Warmtewisselaar met een brander en een warmtewisselaareen-heid.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar met een brander en een warmtewisse-laareenheid.

Gebruikelijk heeft een dergelijke warmtewisse-5 laar een ruimte die aan te sluiten is op de uitgang van een brander, bijvoorbeeld een voorzetbrander, en holle wanden voor het bevatten van koelmedium omgevende de ruimte. Door de brander wordt een mengsel van een brandstof en oxidatiemiddel, gebruikelijk een mengsel van een 10 gas of samenstel van gassen en lucht of zuurstof, in de ruimte ingebracht zodat het in de wanden bevindende koelmedium, bijvoorbeeld water, opgewarmd wordt en tegelijkertijd het verwarmde mengsel afgekoeld wordt.

Het is een doel van de uitvinding een warmtewis-15 selaar te verschaffen met een hoog rendement waarbij de brander een lage emissie, bijvoorbeeld een lage NOx emissie, heeft.

Het is een verder doel van de uitvinding een warmtewisselaar te verschaffen met een eenvoudige en goed-20 kope constructie.

Hiertoe wordt volgens de onderhavige uitvinding voorzien in een warmtewisselaar met een brander en een warmtewisselaareenheid, waarbij de brander voorzien is van een basisdeel met een bodem met een centrale boring, een ί o 1 2 0 26 2 zich van de omtrek van de bodem in een richting uitstrekkend hulsvormig deel, en een in de centrale opening geplaatste brandstofbuis voor het transporteren van een gasvormige brandstof, welke buis een ingangsopening en een 5 uitgangsopening heeft, waarbij de warmtewisselaareenheid voorzien is van een buisvormige wand waarvan een einde aangebracht is in het basisdeel en van een in lijn met de brandstofbuis opgestelde schroefvormige buis voor het bevatten van een koelmedium, welke buis binnen de buisvor-10 mige wand opgenomen is, op afstand van de uitgangsopening, waarbij binnen de schroefvormige buis een verdringingsli-chaam opgenomen is die een ringvormige ruimte met de schroefvormige buis bepaalt. Het ontstoken mengsel wordt door het verdringingslichaam, dat bij voorkeur een bol 15 eindvlak bezit, radiaal buitenwaarts gedwongen om in de -beperkte- ringvormige ruimte tussen de schroefvormige buis en het verdringingslichaam en buiten langs de schroefvormige buis te stromen. Het contact tussen het mengsel en de spiraalbuis wordt hierbij geoptimaliseerd. 20 Er worden hierbij geen gassen ongebruikt gelaten, zodat een hoge effectiviteit bereikt kan worden. De warmtewisselaar is daarbij zeer eenvoudig en compact.

Bij voorkeur is het verdringingslichaam ver vaardigd van een isolerend keramisch vezelmateriaal, dat 25 bij een verhoogde temperatuur, van bijvoorbeeld 800°C, gloeit, waardoor extra warmteoverdracht kan plaatsvinden.

Bij voorkeur is het buitenoppervlak van het verdringingslichaam voorzien van een schroefvormige groef waarvan de spoed bij voorkeur verschilt van de spoed van 30 de schroefvormige buis, zodat de warmteoverdracht over een groot oppervlak kan plaatsvinden.

Bij voorkeur heeft de schroefvormige buis voor het bevatten van een koelmedium een ellipsvormige doorsnede, met de lange as evenwijdig aan de richting van uit-35 strekking van het hulsvormige deel waardoor het rendement van de warmtewisselaar verder verbeterd wordt.

Per wikkeling wordt een uitermate hoge warmte- 1012026 3 overdracht verkregen indien de schroefvormige wikkelingen van de buis een diameter hebben gelegen in het bereik van ongeveer 80 mm tot ongeveer 100 mm. Bij voorkeur heeft de korte as van de ellipsvormige doorsnede een grootte gele-5 gen in het bereik van ongeveer 11 tot ongeveer 14 mm.

Het heeft daarbij de voorkeur dat de schroefvormige wikkelingen van de buis op een afstand van elkaar gelegen zijn in het bereik van ongeveer 4 tot ongeveer 6 mm.

10 De warmtewisselaar volgens de uitvinding wordt nog verder verbeterd, indien een busvormig deel met een uiteinde geplaatst is op het bodemvlak van de bodem en met het andere uiteinde zich op de eerste afstand bevindt van het bodemvlak en de brandstofbuis omgeeft, waarbij een 15 ringvormige ruimte bepaald is door het basisdeel, het busvormige deel en een ringvormig sluitelement, waarbij het basisdeel voorzien is van een toevoeropening voor het aan de ringruimte toevoeren van oxidatiemiddel, en waarbij het busvormige deel voorzien is van één of meerdere door-20 gaande openingen voor het doorvoeren van oxidatiemiddel van de ruimte naar het inwendige van het busvormige deel, waarbij de doorgaande openingen voor het doorvoeren van oxidatiemiddel zodanig in het busvormige deel zijn aangebracht dat toegevoerd oxidatiemiddel nagenoeg tangentiaal 25 aan de binnenwand van het busvormige deel het inwendige van het busvormige deel binnentreedt. Bij voorkeur zijn meerdere doorgaande openingen, in omtreksrichting verdeeld, aangebracht.

Hierdoor ontstaat in het inwendige van het 3 0 busvormige deel en in de boring van het sluitelement een werveling van het oxidatiemiddel, waardoor een goede menging met de gasvormige brandstof verkregen wordt.

In een verdere uitvoering van een warmtewisselaar volgens de uitvinding wordt de uitgangsopening omge-3 5 ven door een ringvormig element met een van een centraal gat voorziene schijf van hoogwaardig isolatiemateriaal, waarbij bij voorkeur de dikte van de schijf van het een- 10 1 2 0 26 4 trale gat naar buiten toe toeneemt. De schijf van hoogwaardig isolatiemateriaal neemt warmte op van het ontstoken mengsel van gasvormige brandstof en oxidatiemiddel, zodat dit mengsel op die plaats gekoeld wordt, hetgeen 5 resulteert in een lage emissie van rookgassen, in het bijzonder NOx. Aangezien de schijf van isolatiemateriaal is, wordt de opgenomen warmte uitgestraald naar de schroefvormige buis, zodat het koelmedium verder opgewarmd kan worden.

10 Aan een verdere lage emissie van in het bijzon der NOx wordt bijgedragen doordat het einde van de buisvormige wand, dat aangebracht is in het basisdeel, van hoogwaardig isolatiemateriaal vervaardigd is.

De uitvinding zal hierna bij wijze van voorbeeld 15 aan de hand van enige uitvoeringsvoorbeelden onder verwijzing naar de bijgaande tekening beschreven worden. In de tekening toont:

Figuur 1 schematisch in doorsnede een warmtewisselaar volgens de uitvinding, 20 Figuur 2 schematisch in doorsnede een basisdeel te gebruiken in een warmtewisselaar volgens de onderhavige uitvinding, en

Figuur 3A en figuur 3B schematisch in zij-respectievelijk bovenaanzicht een busvormig deel te ge-25 bruiken in een warmtewisselaar volgens de onderhavige uitvinding.

In figuur 1 wordt schematisch in doorsnede een warmtewisselaar met een brander en een warmtewisselaareen-heid volgens de onderhavige uitvinding getoond. De brander 30 van de warmtewisselaar volgens de onderhavige uitvinding is voorzien van een basisdeel 1 met een ronde bodem 2 en een zich van de omtrek van de bodem 2 in een richting uit-strekkend hulsvormig deel 3. Het hulsvormige deel 3 heeft een hoogte, die in afhankelijkheid van onder meer het 35 gewenste vermogen gekozen kan worden.

De bodem 2 bevat een bodemvlak 10, een centrale boring 4 en een centrale verhoging 5. De verhoging 5 ÏO 1 2 0 2 6 5 strekt zich in dezelfde richting uit als het hulsvormige deel 3. Inwendig is het hulsvormige deel 3 voorzien van een trapvormige versmalling, zodat een schouder 6 gevormd wordt. Deze schouder 6 bevindt zich op een eerste afstand 5 van het bodemvlak 10.

In de centrale opening (4, zie figuur 2) is een buis 7 voor het transporteren van een gasvormige brandstof geplaatst. De buis 7 heeft een ingangsopening 8 en een uitgangsopening 9, welke uitgangsopening op een tweede af-10 stand, die groter is dan de eerste afstand, gelegen is van het bodemvlak 10. In een alternatieve uitvoering kan de buis 7 voorzien zijn van doorgaande openingen in de wand, voor het radiaal doen uitstromen van gasvormige brandstof.

Een busvormig deel 11 is met een uiteinde ge-15 plaatst op het bodemvlak 10. Het andere uiteinde van het busvormige deel 11 bevindt zich op de eerste afstand van het bodemvlak 10. Het busvormige deel 11 omgeeft de centrale verhoging 5 en ligt daar tegenaan.

Een ringvormig sluitelement 12 steunt met een 2 0 eerste vlak 13 op de schouder 6 en op het andere uiteinde van het busvormige deel 11. Het sluitelement 12 bevat een centrale opening 15, waarin de uitgangsopening 9 van de buis 7 zich bevindt. De dikte van het sluitelement 12 plus de eerste afstand is kleiner dan de hoogte van het huls-25 vormige deel 3. Hierbij is de inwendige diameter van de centrale opening 15 groter dan de uitwendige diameter van de buis 7 zodat er voldoende ruimte om de buis 7 heen is voor het doorlaten van oxidatiemiddel, bijvoorbeeld lucht.

Door het basisdeel 1, het busvormige deel 11 en 30 het sluitelement 12, wordt een ringvormige ruimte 16 bepaald. Aan de ruimte 16 wordt oxidatiemiddel toegevoerd door middel van een in het basisdeel 1 aangebrachte toe-voeropening 17. De toevoeropening kan zoals figuur 1 laat zien, door de bodem 2 van het basisdeel 1 heengaan of 35 zoals figuur 2 laat zien door het hulsvormige deel 3. Voor het doorvoeren van het oxidatiemiddel van de ruimte 16 naar het inwendige van het busvormige deel 11 is het JO 1 2 0 26 6 busvormige deel 11 voorzien van doorgaande openingen 18, die beter te zien zijn in figuren 3A en 3B.

Wanneer gasvormige brandstof door de buis 7 heengaat, en oxidatiemiddel door de toevoeropening 17 en 5 de doorvoeropeningen 18 stroomt, ontstaat er bij de uit-gangsopening 9 van de buis 7 een menging van de brandstof en het oxidatiemiddel. Op deze plaats zijn, op zich bekende niet weergegeven, ontstekingsmiddelen aangebracht voor het ontsteken van het mengsel.

10 Een uiterst uniforme en voldoende menging van de brandstof en het oxidatiemiddel wordt verkregen door een werveling van het oxidatiemiddel in het inwendige van het busvormige deel 11 op te wekken. Dit geschiedt volgens de uitvinding doordat de doorgaande openingen 18 voor het 15 doorvoeren van oxidatiemiddel zodanig in het busvormige deel 11 zijn aangebracht dat toegevoerd oxidatiemiddel nagenoeg tangentiaal aan de binnenwand van het busvormige deel 11 het inwendige van het busvormige deel 11 binnentreedt. Een voorbeeld hiervan is duidelijk weergegeven in 20 figuur 3B.

Wanneer op het tweede vlak 14 van het sluitele-ment 12 een schijf 21 van hoogwaardig isolatiemateriaal is aangebracht, waarbij de schijf 21 een centraal gat heeft met dezelfde of een grotere diameter dan de centrale 25 opening 15 van het sluitelement 12 en waarbij de dikte van de schijf 21 van het centrale gat naar buiten toe toeneemt, wordt deze schijf 21 door het ontstoken mengsel van gasvormige brandstof en oxidatiemiddel verwarmd, zodat het mengsel op die plaats gekoeld wordt, hetgeen resulteert in 30 een lage emissie van rookgassen, in het bijzonder NOx. Verder straalt de verwarmde schijf warmte af naar een schroefvormige buis en verwarmd een daarin stromend koelmedium.

De warmtewisselaareenheid van de warmtewisselaar 35 volgens de onderhavige uitvinding bevat een buisvormige wand 19 waarvan een einde 22 aangebracht is in het basisdeel 1. Verder is een schroefvormige buis 20 voor het 10 1 2026 7 bevatten van een koelmedium, binnen de buisvormige wand 19 opgenomen.

Het door het ontstoken mengsel van brandstof en oxidatiemiddel ontwikkelde warmte wordt overgedragen aan 5 het koelmedium dat zich aldus opwarmt.

Teneinde overdracht van warmte naar het koelmedium te verbeteren, is het einde 22 van de buisvormige wand 19 dat aangebracht is in het basisdeel 1 van hoogwaardig isolatiemateriaal vervaardigd.

10 Het is na uitvoerige experimenten gebleken dat een hoge warmteoverdracht en dus een hoog rendement voor de warmtewisselaar verkregen wordt, wanneer de schroefvormige buis 20 een ellipsvormige doorsnede heeft, waarbij de lange as evenwijdig is aan de richting van uitstrekking 15 van het hulsvormige deel 3.

De warmteoverdracht blijkt verder geoptimaliseerd te kunnen worden door de inwendige diameter van de schroefvormige wikkelingen van de buis 2 0 te kiezen in het bereik van ongeveer 60 mm tot ongeveer 500 mm, bij voor-2 0 keur ongeveer 80 mm tot ongeveer 10 0 mm. Bij voorkeur heeft de korte as van de ellipsvormige doorsnede een grootte gelegen in het bereik van 10 mm tot ongeveer 20 mm, meer de voorkeur hebbend van ongeveer 11 tot ongeveer 14 mm, waarbij bij voorkeur de schroefvormige wikkelingen 25 van de buis 20 op een afstand van elkaar gelegen zijn in het bereik van ongeveer 3 mm tot ongeveer 20 mm, meer de voorkeur hebbend van ongeveer 4 tot ongeveer 6 mm.

Een verdringingslichaam 30 is binnen in de ruimte gevormd door de schroefvormige buis opgenomen, in 30 lijn met de buis 7, waarbij een ringvormige spleetruimte tussen de buis 20 en het lichaam 3 0 over is gelaten. Volgens de uitvinding is dit verdringingslichaam vervaardigd van isolerend keramisch vezelmateriaal, zodat de buitenkant daarvan kan gloeien bij een verhoogde temperatuur, 35 van bijvoorbeeld ongeveer 800°C. Hierdoor wordt de warmte nuttiger gebruikt. Verder is gebleken dat er een betere warmteoverdracht plaatsvindt, wanneer het buitenoppervlak 10 1 2 0 26 8 van het verdringingslichaam voorzien is van een schroefvormige groef 31, bij voorkeur met een andere spoed dan de spoed van de wikkelingen van de buis.

Hoewel aan de hand van figuur 1 de indruk zou 5 kunnen ontstaan dat het basisdeel 1, de buis 7, het bus-vormige deel 11, het ringvormig sluitelement 12, de schijf 21, de buisvormige wand 19, en het einde 22 van de buisvormige wand 19, uitsluitend afzonderlijke elementen zijn, is het tevens mogelijk dat één of meer van deze elementen 10 één geïntegreerd geheel vormen.

10 1 2 0 26

Claims (15)

1. Warmtewisselaar met een brander en een warm-tewisselaareenheid, waarbij de brander voorzien is van een basisdeel (1) met een -bij voorkeur ronde- bodem (2) met een centrale boring (4) , een zich van de omtrek van de 5 bodem (2) in een richting uitstrekkend hulsvormig deel (3) , en een in de centrale opening (4) geplaatste brandstof buis (7) voor het transporteren van een gasvormige brandstof, welke buis (7) een ingangsopening (8) en een uitgangsopening (9) heeft, waarbij de warmtewisselaareen-10 heid voorzien is van een buisvormige wand (19) waarvan een einde aangebracht is in het basisdeel (1) en van een in lijn met de brandstofbuis (7) opgestelde schroefvormige buis (20) voor het bevatten van een koelmedium, welke buis (20) binnen de buisvormige wand (19) opgenomen is, op 15 afstand van de uitgangsopening (9) , waarbij binnen de schroefvormige buis (20) een verdringingslichaam (30) opgenomen is die een ringvormige ruimte met de schroefvormige buis (20) bepaalt.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarbij 20 het verdringingslichaam (30) vervaardigd is van een isolerend keramisch vezelmateriaal, dat bij een verhoogde temperatuur, van bijvoorbeeld 800°C, gloeit.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, waarbij het buitenoppervlak van het verdringingslichaam 25 (30) voorzien is van een schroefvormige groef (31), waar bij bij voorkeur de spoed van de schroefvormige groef (31) verschilt van de spoed van de schroefvormige buis. 4. warmtewisselaar volgens een der conclusies 1-3, waarbij het verdringingslichaam (3 0) een bol axiaal 30 eind heeft dat tegenover de uitgangsopening (9) gelegen is. 10 1 2 0 2 6

5. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, waarin de schroefvormige buis (20) voor het bevatten van een koelmedium een ellipsvormige doorsnede heeft, met de lange as evenwijdig aan de richting van uitstrekking 5 van het hulsvormige deel (3).

6. Warmtewisselaar volgens conclusie 5, waarin de schroefvormige wikkelingen van de buis (20) een diameter hebben gelegen in het bereik van ongeveer 8 0 mm tot ongeveer 100 mm.

7. Warmtewisselaar volgens conclusie 5 of 6, waarin korte as van de ellipsvormige doorsnede een grootte heeft gelegen in het bereik van ongeveer 11 tot ongeveer 14 mm.

8. Warmtewisselaar volgens conclusie 5, 6 of 7, 15 waarin de schroefvormige wikkelingen van de buis (20) op een afstand van elkaar gelegen zijn in het bereik van ongeveer 4 tot ongeveer 6 mm.

9. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de uitgangsopening (9) omgeven wordt 2. door een ringvormig element (12,21) met een van een centraal gat voorziene schijf (21) van hoogwaardig isolatiemateriaal .

10. Warmtewisselaar volgens conclusie 9, waarbij de dikte van de schijf (21) van het centrale gat naar 25 buiten toe toeneemt.

11. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het einde van de buisvormige wand (19) dat aangebracht is in het basisdeel (1) van hoogwaardig isolatiemateriaal vervaardigd is.

12. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij een busvormig deel (11) met een uiteinde geplaatst is op het bodemvlak (10) van de bodem (2) en met het andere uiteinde zich op de eerste afstand bevindt van het bodemvlak (10) en de brandstofbuis (7) 35 omgeeft, waarbij een ringvormige ruimte (16) bepaald is door het basisdeel (1) , het busvormige deel (11) en een ringvormig sluitelement (12), waarbij het basisdeel (1) 10 1 2 026 voorzien is van een toevoeropening (17) voor het aan de ringruimte (16) toevoeren van oxidatiemiddel, en waarbij het busvormige deel (11) voorzien is van één of meerdere doorgaande openingen (18) voor het doorvoeren van oxida-5 tiemiddel van de ruimte (16) naar het inwendige van het busvormige deel (11), waarbij de doorgaande openingen (18) voor het doorvoeren van oxidatiemiddel zodanig in het busvormige deel (11) zijn aangebracht dat toegevoerd oxidatiemiddel nagenoeg tangentiaal aan de binnenwand van 10 het busvormige deel (11) het inwendige van het busvormige deel (11) binnentreedt.

13. Warmtewisselaar volgens conclusie 12, waarbij meerdere doorgaande openingen, in omtreksrichting verdeeld, aangebracht zijn.

14. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het hulsvormige deel (3) een hoogte heeft, waarbij de bodem (2) voorzien is van een bodemvlak (10) , een centrale boring (4) en een centrale verhoging (5) , waarbij een busvormig deel (11) met een uiteinde ge-20 plaatst is op het bodemvlak (10) van de bodem (2) en daar de centrale verhoging (5) omgeeft en daar tegen aan ligt en met het andere uiteinde zich op de eerste afstand bevindt van het bodemvlak (10) en de brands tof buis (7) omgeeft, waarbij het hulsvormige deel (3) inwendig voor-25 zien is van een trapvormige versmalling voor het vormen van een schouder (6) , welke schouder zich op een eerste afstand van het bodemvlak (10) bevindt, waarbij de uit-gangsopening (9) op een tweede afstand, die groter is dan de eerste afstand, gelegen is van het bodemvlak (10) , 30 waarbij een ringvormig sluitelement (12) dat een dikte, een eerste vlak (13) en een tweede vlak (14) bezit met zijn eerste vlak (13) steunt op de schouder (6) en op het andere uiteinde van het busvormige deel (11), waarbij het sluitelement (12) voorzien is van een centrale opening 35 (15) en de uitgangsopening (9) van de buis (7) zich in de centrale opening (15) bevindt, waarbij de dikte van het sluitelement (12) plus de eerste afstand kleiner is dan de M01 2 o 2 6 hoogte van het hulsvormige deel (3) , en waarbij de inwendige diameter van de centrale opening (15) groter is dan de uitwendige diameter van de buis (7).

14. Warmtewisselaar volgens conclusie 13, waar-5 bij op het tweede vlak (14) van het sluitelement (12) een schijf (21) geplaatst is, die een centraal gat heeft met dezelfde of een grotere diameter dan de centrale opening (15) van het sluitelement (12),

15. Warmtewisselaar omvattend een of meer van de 10 in de beschrijving omschreven en/of in de tekeningen weergegeven kenmerkende maatregelen. -o-o-o-o-o-o-o-o- 10 1 2026