NL8005717A - Verwarmingsketel alsmede een werkwijze voor het regelen van de verbranding in een dergelijke ketel. - Google Patents

Description

* Λ .. * 80.5 Π 2/Rey/sme

Korte aanduiding: Verwarmingsketel alsmede een werkwijze voor het regelen van de verbranding in een dergelijke ketel.

De uitvinding heeft betrekking op een verwarmingsketel, omvattende een verbrandingskamer waarin een brander en een warmtewisselaar voor een te verwarmen medium is aangebracht, welke brander een mengkamer bevat, die is aangesloten op een brandstof-5 toevoer en een geforceerde luchttoevoer, welke mengkamer aan de uitstroomzijde is voorzien van een branderplaat.

Een dergelijke ketel, waarbij de brander werkt met 100$ primaire beluchting en de menging van de brandstof met lucht in de mengkamer van de brander plaatsvindt, is bekend uit de eer-10 dere niet vóórgepubliceerde Nederlandse octrooiaanvrage 7906458 van Aanvraagster. Bij deze bekende brander doet zich het nadeel voor dat het niet mogelijk is zowel een goede menging van de brandstof met lucht alsmede een gelijkmatig over de gehele branderplaat verdeelde uitstroming van het gevormde mengsel te ver-15 krijgen.

De uitvinding beoogt een verwarmingsketel te verschaffen, waarbij het bovengenoemde nadeel wordt vermeden en waarbij de brander zo compact mogelijk wordt gehouden. Deze oogmerken worden volgens de uitvinding bereikt, doordat de mengkamer van de 20 brander bestaat uit een convergerend inlaatdeel, dat via een keel overgaat in een zich verbredend uitstroomdeel, en het inlaatdeel is verbonden met een toevoerinrichting voor de lucht en de brandstof.

De brandstof en de lucht worden zodoende via de toe-25 voerinrichting in de mengkamer gebracht, waarbij in het convergerende inlaatdeel een intensieve menging plaatsvindt, terwijl de snelheid van het mengsel in het uitstroomdeel weer afneemt en vervolgens met een gelijkmatige snelheidsverdeling de mengkamer via de branderplaat verlaat.

8005717 * ** - 2 -

In een bij voor!<eur toegepaste uitvoeringsvorm van de uitvinding bestaat de toevoerinrichting uit een huis met twee van elkaar gescheiden kamers, waarvan de ene is verbonden met de luchttoevoer en de andere met de brandstoftoevoer en elke kamer via een 5 aantal gecalibreerde poorten met het inlaatdeel van de brander in verbinding staat. Op deze wijze stromen de brandstof en de lucht via afzonderlijke poorten in de mengkamer zodat de totale energie van beide stromingen kunnen worden gebruikt voor het mengen.

Volgens de uitvinding is het inlaatdeel van de meng-10 kamer voorzien van in de stromingsbaan van de intredende lucht en/of brandstof geplaatste verdeelmiddelen.

Bij voorkeur bestaan de verdeelmiddelen uit in de wand van het inlaatdeel aangebrachte holten. De binnentredende stralen, lucht en/of brandstof worden zodoende via de holten afgebogen 15 waardoor in het inlaatdeel van de mengkamer een intensieve menging optreedt. In een doelmatige uitvoering van de uitvinding vormen de holten een gemeenschappelijke wervelruimte, die zich tot aan de -toevoerinrichting uitstrekt.

In een doelmatige uitvoeringsvorm is de brander voor- 20 zien van een drukverschilschckelaar, die enerzijds is aangesloten op de mengkamer en anderzijds op de met de luchttoevoer verbonden kamer van de toevoerinrichting. Met behulp van de drukverschilscha- kelaar kan de stroming van het mengsel worden vastgesteld. Wanneer door het verstopt raken van de poorten een onveilige situatie zou 25 ontstaan, reageert de drukverschilschckelaar en wordt vervolgens de aastoevoer automatisch afgesloten.

Bij voorkeur is de drukverschilschakelaar in de mengkamer aangesloten in de wervelruimte nabij de van de poorten voorziene wand van de toevoerinrichting. De drukverschilschakelaar is 30 zodoende in de mengkamer aangesloten op een plaats waar ook ten opzichte van de buitenatmosfeer een onderdruk heerst. Op deze wijze wordt bereikt, dat ook bij het eventueel losschieten van de meng- 8005717 & ** * - 3 - kameraansluiting van de drukverschilschakelaar het drukverschil wordt verkleind en de gastoevoer naar de mengkamer wordt uitgeschakeld.

Volgens de uitvinding is de mengkamer van de brander 5 voorzien van een afgescheiden compartiment, dat zich van de toe-voerinrichtina uitstrekt tot de branderplaat, en bevat de toevoer-inrichting een afzonderlijk alleen met dit compartiment in verbinding staande ruimte, welke ruimte is aangesloten op een eigen brandstoftoevoer. Met behulp van dit compartiment kan zodoende een 10 gedeelte van de branderplaat worden ontstoken, zodat een aansteek-vlam wordt verkregen, die geheel in de brander is geïntegreerd.

De uitvinding is tevens belichaamd in een werkwijze voor het regelen van een verwarmingsketel, welke werkwijze zich onderscheidt doordat de temperatuur van de branderplaat wordt ge-15 meten en de lucht-brandstofverhouding in de brander wordt gestuurd afhankelijk van de gemeten waarde.

Proefondervindelijk is namelijk gebleken dat bij een bepaalde belasting van de ketel de temperatuur van de branderplaat een maat is voor het percentage CO2 in de verbrandingsgassen. Aan 20 de hand van dit (^--sehalte kan weer worden vastgesteld of de verbranding plaatsvindt met de juiste lucht-brandstofverhouding. Bij een hoog COg-Q^elte kan het gevaarlijke CO worden gevormd, terwijl bij een te laag COg-gehalte het rendement van de verbranding afneemt. Door de lucht-brandstofverhouding te regelen, afhankelijk 25 van de temperatuur van het branderdek, kan zodoende voortdurend de optimale mengverhoudina worden verkregen.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening.

Fig. 1 toont schematisch een verticale doorsnede van 30 een verbrandingskamer van een verwarmingsketel volgens de uitvinding.

Fig. 2 toont op vergrote schaal een dwarsdoorsnede 8005717 i i - 4 - van de brander met de toevoerinrichting.

Fig. 3 toont een perspectievisch aanzicht van de toevoerinrichting met de restrictieplaat.

Fig. 4 toont een aanzicht van het inlaatdeel van de 5 brander.

Fig. 5 toont een langsdoorsnede van de brander volgens * de lijn V-V in fig. 4.

Zoals blijkt uit fig. 1 bestaat de verbrandingskamer van de verwarmingsketel volgens de uitvinding uit een huis, dat in 10 zijn geheel met het verwijzingscijfer 1 is aangegeven. Het huis 1 wordt gevormd door een buitenmantel 2, waarbinnen op een afstand hiervan een inwendige wand 3 is aangebracht. De bodem van de verbrandingskamer bestaat uit een enkele plaat 4, die is voorzien van een condensuitlaat 5. De bovenzijde van de verbrandingskamer bevat 15 een afvoer 6 voor de verbrandingsgassen.

In een zijwand van de verbrandingskamer is een brander 7 aangebracht, die een mengkamer 8 bevat die enerzijds is aangesloten op een toevoerinrichting 9 voor de lucht en de brandstof en die aan de uitstroomzijde is voorzien van een branderplaat 10.

20 De brander heeft een langwerpige vorm en strekt zich loodrecht op het vlak van de tekening nagenoeg over de gehele breedte van de verbrandingskamer uit. De mengkamer 8 heeft over de gehele lengte van de brander een gelijkblijvende dwarsdoorsnede.

Binnen de verbrandingskaner is vervolgens een warmte-25 wisselaar aangebracht, die bestaat uit een aantal van lamellen voorziene buizen 11, welke buizen buiten de verbrandingskaner met elkaar zijn verbonden door verbindingsstukken die in fig. 1 met streeplijnen zijn aangegeven. Door de buizen 11 stroomt het te verwarmen medium. De warmtewisselaar is verdeeld in twee secties, 30 waarvan één sectie in een cirkelboog om de branderplaat is gelegen en de tweede sectie nabij de bodemplaat 4 is aangebracht. De beide secties zijn omgeven door geleidingsschotten 12, 13 en 14, die 8005717 - 5 -

V

dienen voor het geleiden van zowel de rookgassen als van het gevormde condensaat.

Zoals duidelijk blijkt uit fig. 2 bestaat de mengkamer 8 van de brander uit een convergerend inlaatdeel 15, dat via 5 een keel 16 overgaat in een zich verbredend uitstroomdeel 17. Het huis 9 van de toevoerinrichting bevat in hoofdzaak twee kamers 18, 19 die van elkaar zijn gescheiden door middel van een tussenwand 20. De kamer 18 is via een luchtleiding 21 aangesloten op een ventilator 22, terwijl de kamer 19 is voorzien van een gastoevoer 23.

T0 Tussen het huis 9 van' de toevoerinrichting en de brander 7 is een restrictieplaat 24 aangebracht, die twee rijen poorten 25, 26 bevat, welke rijen zich over de gehele lengte van de mengkamer uitstrekken. Elke rij poorten stelt één van de kamers van de toevoerinrichting in verbinding met het inlaatdeel van de mengkamer, zodat 15 de lucht en de brandstof in afzonderlijke naast elkaar gelegen stralen de mengkamer binnentreden.

De kamer 19 van de toevoerinrichting is voorzien van een tussenwand 27, die een afzonderlijke kleine ruimte 19* afscheidt welke ruimte is voorzien van een eigen gastoevoer 28.

20 Fig. 5 toont een langsdoorsnede van de brander 7, waaruit blijkt dat in de mengruimte 8 een tussenwand 29 is aangebracht, die in gemonteerde toestand in het verlengde ligt van de wand 27 van de toevoerinrichting en welke wand een afzonderlijk mengcompartiment 8' bepaalt. Dit mengcompartiment bestaat eveneens 25 uit een convergerend inlaatdeel 15‘, een keel 16' en een zich verbredend uitstroomdeel 17* en heeft via de ruimte 19’ een eigen gastoevoer alsmede een eigen luchttoevoer. Door middel van dit compartiment kan dus alleen het op de uitstroomruimte 17" aansluitende deel van de branderplaat worden ontstoken, welk deel zodoen- aan 30 de kan fungeren alg^sfeekvlam voor de brander. De aansteekvlam vormt zodoende één geïntegreerd geheel met de brander.

Zoals duidelijk zichtbaar is in fig. 2 is het op de 8005717 * - 6 - restrictieplaat 24 van de toevoerinrichting aansluitende gedeelte 30 van de bovenste wand van het inlaatdeel 15 voorzien van een grotere hellingshoek, zodat het inlaatdeel plaatselijk is verbreed met een wervelruimte 31. De poorten 25 van de op de luchttoevoer 5 21, 22 aangesloten kamer 18 monden in deze wervelruimte uit, zodat de binnentredende luchtstralen tegen de steilere wand 30 botsen en door deze wand worden afgebogen en over het inlaatdeel 15 worden verdeeld. De poorten 26 van de met de brandstoftoevoer in verbinding staande kamer 19 monden daarentegen boven de centrale 10 hartlijn 7a van de brander nabij de tussenwand 20 in het inlaatdeel uit. De brandstofstralen komen zodoende in contact met de door de wand 30 afgebogen luchtstralen, zodat een goede menging wordt verkregen.

De brander volgens de uitvinding is tevens voorzien 15 van een (niet weergegeven) drukverschilschakelaar, die enerzijds de druk in de mengkamer en anderzijds de druk in de op de luchttoevoer aangesloten kamer 18 meet. Met behulp van deze drukverschilschakelaar kan de stroming van het mengsel door de brander worden vastgesteld. Wanneer door het verstopt raken van de poorten een 20 onveilige situatie zou ontstaan, wordt dit door de drukverschilschakelaar geconstateerd en kan de gastoevoer automatisch worden afgesloten. De drukverschilschakelaar is doelmatig in de wervelruimte ter hoogte van het punt A en in de kamer 18 ter hoogte van het punt B aangesloten (fig. 2). Ten gevolge van de de wervelka-25 mer binnentredende luchtstralen heerst in het punt A een onderdruk ten opzichte van de buitenatmosfeer. Dit geeft het voordeel dat de drukverschilschakelaar ook reageert indien de aansluiting van de drukverschilschakelaar met de wervelruimte los is, en de gastoevoer ook in dit geval wordt afgesloten.

30 Teneinde een over de gehele branderplaat 10 een ge lijkmatige verbranding te verkrijgen, is het van belang dat de brandstofstralen in een loodrecht op de restrictieplaat 24 staande 8005717 - 7 - richting het inloatdeel binnentreden. De brandstof stroomt echter vanaf de toevoer 23 in zijwaartse richting door de kamer 19, zodat de uit de poorten 26 komende brandstofstralen een zijwaartse (in fig. 2 loodrecht óp het vlak van de tekening staande) snelheids-5 component hebben. Dit heeft tot gevolg, dat de brandstof niet gelijkmatig over de gehele lengte van de mengkamer wordt verdeeld.

Cfeï dit probleem te vermijden, is volgens de uitvinding voorgesteld om in de kamer 19 loodrecht op de restrictieplaat staande (niet in de tekening weergegeven) geleidingsschotten aan te brengen, die 10 telkens tussen de poorten 26 zijn geplaatst.

Doordat in de mengkamer van de brander een intensieve menging plaatsvindt, kan de brander relatief klein zijn uitgevoerd, hetgeen bijdraagt tot een compacte constructie van de gehele verwarmingsketel. De geringe uitstroomsnelheid van het mengsel alsme-15 de de volledige voormenging van de brandstof met de lucht resulteert bij de verbranding in een geringe vlamhoogte van ongeveer 15 mm. De buizen 11 van de warmtewisselaar kunnen zodoende op een afstand van ongeveer 20 mm van de branderplaat 10 worden aangebracht.

20 De in een cirkelboog om de branderplaat gelegen eerste sectie van de warmtewisselaar is omgeven door de schotten 12 en 13 waarin openingen zijn vrijgelaten via v/elke openingen de rookgassen volgens de pijlen 32 naar de onder in de verbrandingskamer gelegen tweede sectie stromen (fig. 1). In deze tweede sectie worden de 25 rookgassen tot onder hun condensatietemperatuur afgekoeld. Aan de onderkant van de tweede sectie is het van openingen 33 voorziene schot 14 aangebracht. Het gevormde condensaat valt via de openingen 33 op de bodemplaat 4 en wordt via de afvoer 5 verwijderd. De afgekoelde rookgassen stromen vervolgens tussen het door de binnen-30 wand 3 en het schot 12 gevormde kanaal naar boven en verlaten de verbrandingskamer via de afvoeropening 6 (pijlen 34).

Nabij het aansteekvlamgedeelte van de branderplaat is 8005717 - 8 - een electronische aansteker 35 aangebracht, terwijl nabij het resterende gedeelte van de branderplaat een voeler 36 is geplaatst voor het waarnemen van de verbranding. In de zijwand van de ver-brandingskaner is nog een kijkglas 37 aangebracht voor het visueel 5 inspecteren van de brander. De gehele brander met de toevoerin-richting is zodanig aangebracht, dat deze gemakkelijk kan worden verwijderd voor schoonmaakdoeleinden.

Proefnemingen hebben uitgewezen dat bij een bepaalde belasting van de ketel de temperatuur van de branderplaat een maat 10 is voor de hoeveelheid CO^ in de verbrandingsgassen. Aan de hand van het C02“Sehalte kan weer worden vastgesteld of de brander met de juiste mensverhouding lucht-brandstof werkt. Bij een te lage luchttoevoer neemt het (X^-gehalte toe en kan CO ontstaan, terwijl bij een te grote luchttoevoer het Q^-gehalte afneemt, waardoor 15 het rendement van de verbranding afneemt. Teneinde een zo hoog mogelijk rendement van de ketel te verkrijgen, moet het C02~gehalte dus binnen bepaalde grenzen worden gehouden. Bij het normale aardgas bedraagt het optimale G^-gehalte 11,7$. In de praktijk ligt men hier veelal een paar procenten onder en is het C02-gehalte on-20 geveer 9 a 10$. Proefondervindelijk is komen vast te staan, dat een afwijking van 1% in het COg-gehalte overeenkomt met een temperatuurverschil van de branderplaat van ongeveer 50° C. Aan de hand hiervan kan dus een zeer nauwkeurige regeling van de verbranding in de ketel worden verkregen.

25 De verwarmingsketel volgens de uitvinding vormt op de ze wijze een zeer compact geheel en werkt met een zeer hoog rendement dat boven de vereiste 90$ op bovenwaarde ligt.

Daar de lucht en de brandstof afzonderlijk via de restrictieplaat 24 in de mengkamer worden gevoerd, kan de capa-30 citeit van de brander gemakkelijk worden gewijzigd door het verwisselen van de restrictieplaat. De in de luchttoevoer opgenomen ventilator zorgt enerzijds voor de geforceerde trek in de ver-brandingskamer maar levert ook de benodigde energie voor het mengen.

8005717

Claims (16)

1. Verwarmingsketel, omvattende een verbrandingskamer waarin een brander en een v/armtewisseiaar voor een te verwarmen medium is aangebracht, welke brander een mengkamer bevat, die is aangesloten op een brandstoftoevoer en een geforceerde luchttoe- 5 voer, welke mengkamer aan de uitstroomzijde is voorzien van een branderplaat, met het kenmerk, dat de mengkamer van de brander bestaat uit een convergerend inlaatdeel dat via een keel overgaat in een zich verbredend uitstroomdeel, en het inlaatdeel is verbonden met een toevoerinrichting voor de lucht en de 10 brandstof.

2. Verwarmingsketel volgens conclusie 1, me t het kenmerk, dat de toevoerinrichting bestaat uit een huis met twee van elkaar gescheiden kcsners, waarvan de ene is verbonden met de luchttoevoer en de andere met de brandstoftoevoer, en elke ka- 15 mer via een aantal gecalibreerde poorten met het inlaatdeel van de brander in verbinding staat.

3. Verwarmingsketel volgens conclusie 1 of 2, me t het kenmerk, dat het inlaatdeel van de mengkamer is voorzien van in de stromingsbaan van de intredende lucht en/of brand- 20 stof geplaatste verdeelmiddelen.

4. Verwarmingsketel volgens conclusie 3, m e t het kenmerk, dat de verdeelmiddelen worden gevormd door de wand van het inlaatdeel van de mengkamer.

5. Verwarmingsketel volgens conclusie 3 of 4, m e t 25 het kenmerk, dat de verdeelmiddelen bestaan uit in de wand van het inlaatdeel aangebrachte holten. 8005717 Λ - 10 -

6. Verwarmingsketel volgens conclusie 5, m e t het kenmerk, dat de holten een gemeenschappelijke wervelruimte vormen, die zich tot aan de toevoerinrichting uitstrekt.

7. Verwarmingsketel volgens conclusie 6, m e t het 5 kenmerk, dat de brander is voorzien van een drukverschil- schakelaar, die enerzijds is aangesloten op de mengkamer en anderzijds op de met de luchttoevoer verbonden kamer van de toevoerinrichting.

8. Verwarmingsketel volgens conclusie 7, m e t het 10 kenmerk, dat de drukverschilschakelaar in de mengkamer is aangesloten nabij de van de poorten voorziene wand van de toevoerinrichting.

9. Verwarmingsketel volgens conclusie 8, m e t het kenmerk, dat de drukverschilschakelaar is aangesloten in de 15 wervelruimte.

10. Verwarmingsketel volgens dén der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de mengkamer van de brander is voorzien van een afgescheiden compartiment dat zich van de toevoerinrichting uitstrekt tot de branderplaat, en de toevoerinrich- 20 ting een afzonderlijke alleen met dit compartiment in verbinding staande ruimte bevat, welke ruimte is aangesloten op een eigen brands to ftoevoer.

11. Verwarmingsketel volgens één van de voorafgaande conclusies 4-7, met het kenmerk, dat de poorten van de met 25 de luchttoevoer in verbinding staande kamer van de toevoerinrichting in de wervelruimte uitmonden, en de poorten van de met de gastoevoer in verbinding staande kamer ter hoogte van de keel van het 8005717 - 11 - inlaatdeel zijn aangebracht.

12. Verwarmingsketel volgens één der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat tussen de poorten van de op de gastoevoer aangesloten kamer van de toevoerinrichting lood-5 recht op de wand van de poorten staande geleidingsschotten zijn aangebracht.

13. Verwarmingsketel volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de brander een langwerpige vorm heeft en de mengkamer over de gehele lengte een ge- 10 lijkblijvende dwarsdoorsnede heeft.

14. Verwarmingsketel volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de brander in een zijwand van de verbrandingskamer is aangebracht, en de stroming door de mengkamer in hoofdzaak horizontaal is gericht.

15. Verwarmingsketel volgens één van de voorafgaande con clusies 2-13, met het kenmerk, dat de poorten van de . beide kamers van de toevoerinrichting in twee evenwijdige rijen in de lengterichting van de brander zijn aangebracht.

16. Werkwijze voor het regelen van een verwarmingsketel 20 volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de temperatuur van de branderplaat wordt gemeten en de lucht-brandstofverhouding in de brander wordt gestuurd afhankelijk van de gemeten waarde. 8005717