NL8102695A - Hoogrendementsketel zonder ventilator. - Google Patents

Description

r ’/ VO 1997 -1-

Hoogrendementsketel zonder ventilator.

De uitvinding heeft betrekking op een hoogrendementsketel met een capaciteit tot ca. 35kW, die voorzien is van een brander, een warmtewisselaar en middelen voor het toevoeren van lucht en het afvoeren van rookgassen.

5 Onder een hoogrendementsketel wordt blj gasgestodkte ketels een ketel verstaan/ waarvan het gemeten gebruiksrendement tenminste 88%, betrokken op calorische bovenwaarde, bedraagt, dit in tegenstelling tot normale ketels, waarbij dit rendement in de orde van grootte van 70-75% . . ligt. Gekeurde ketels, die aan bovenbedoeld criterium voldoen zijn ge-10 rechtigd een zogenaamd H.R.-label te dragen. Het hoge rendement heeft evenwel tot gevolg, dat de temperatuur van de rookgassen zodanig daalt, dat bij een hoogrendementsketel ten opzichte van een normale ketel bij-zondere maatregelen moeten worden getroffen om een gewaarborgde afvoer van de rookgassen te realiseren. Bij een normale, op een schoorsteen-15 kanaal aangesloten ketel kan de daarin opgewekte trek worden gebruikt voor het overwinnen van de weerstand over de warmtewisselaar en kan door de relatief hoge tenperatuur van de afgevoerde rookgassen voldoende trek . opgewekt worden in het schoorsteenkanaal. De ketel- en schoorsteentrek zijn daarbij veelal onderling losgekoppeld door een trekonderbreker, die 20 bij ketels die hun lucht uit de opstellingsruimte betrekken is voorge-schreven. Bij de bekende hoogrendementsketels, waarbij door een vergroot warmteuitwisseloppervlak meer warmte aan de rookgassen wordt onttrokken, hetgeen veelal resulteert in een vergrote weerstand en een verlaagde rookgastsmperatuur, is evenwel de opgewekte trek in de schoorsteen onvol-25 doende.«Derhalve is bij bekende hoogrendementsketels, waarbij veelal de warmtewisselaar bestaat uit twee in hoofdzaak naast elkaar geplaatste, door een gebogen rookgaskanaaldeel verbonden warmtewisselaardelen een ventilator, in het lucht-rodkgassysteem aangebracht. Het opnemen van een ventilator in het systeem brengt evenwel een aantal nadelen met zich 30 mee. Naast het feit, dat het toepassen van een ventilator het moeten toevoeren van extra - electrische - energie betekent, zijn er tevens extra regelingen en beveiligingen noodzakelijk, die kostenverhogend werken en daarerboven een vergrote kans op bedrijfsstoringen met zich meebrengen.

8102695 • -2- V »

Met de uitvinding wordt een hoogrendementsketel beoogd, waar-bij het afvoeren van de rookgassen op betrouwbare wijze is te ver-wezenlijken zonder gebruik te hoeven maken van een ventilator; derhalve onder eliminering Van de met een ventilator verbonden. nadelen.

5 Dit wordt overeenkomstig de uitvinding bij een hoogrendements ketel van .de in de aanhef genoemde soort bereikt, als de toe- en afvoer-middelen een gesloten systeem vormen en een direkt op de brander aan-sluitende heetgaskolom omvatten, waarvan de daarmee opgewekte thermische trek tenminste de weerstand over de warmtewisselaar kan overwinnen, 10 waarbij voorzieningen zijn getroffen om warmteafgifte door de heetgaskolom te beperken. Door deze maatregelen wordt in de hoogrendementsketel een relatief grote> thermische motor in de vorm van een heetgaskolom gecreeerd, waarbij door het toepassen van een gesloten systeem voor toe-en afvoer - dat wil zeggen toe- en afvoer bevinden zich in hoofdzaak 15 in elkaars nabijheid buiten de opstellingsruimte van de ketel, derhalve veelal in de buitenlucht, terwijl tussen warmtewisselaar en rookgaskanaal geen trekonderbreker is aangebracht - zodanige aanvullende condities worden geschapen, dat zonder exteme hulpmiddelen met de daaraan inherente nadelen een gewaarborgde rookgasafvoer wordt verkregen. Op verrassende 20 wijze blijkt derhalve dat ook bij een hoogrendementsketel laatstgenoemd effekt te verwezenlijken is, en wel door op optimale wijze gebruik te maken van zuiver natuurlijke fenomenen. Het daarbij door het gesloten systeem, ook genaamd "balanced flue"-systeem, geleverde bijzonder voordeel biedende effekt is , dat eventuele drukverschi'lvariaties in het lucht-25 rookgassysteem worden geelimineerd, zodat de werking van. de heetgaskolom niet door dergelijke drukverschilvariaties kan worden beinvloed.

Door de voorzieningen voor het beperken van de warmteaf gif te door de heetgaskolom wordt de werking van de thermische motor geoptimali-seerd. Dit in tegenstelling tot bekende ketels, waarbij in het wandge-30 deelte van de ketel boven de brander veelal middelen aanwezig zijn om aldaar bewust warmte te onttrekken, zij het uiteraard met het doel om die warmte op effectieve wijze te benutten, bijvoorbeeld ten behoeve van het opwarmen van het warmtetransporterende medium bij de modeme zogenaamde "natte-voef-ketels. Teneinde te komen tot het onderhavige, inventieve 35 systeem voor een hoogrendementsketel dient derhalve te worden gebroken met dit tegenwoordig veelvuldig toegepaste principe, dat op zich welis- 81 02 6 95 Ψ 0i -3- * waar voordeel biedend is, doch in de hoogrendementsketel de natuurlijke afvoer van de rookgassen teniet kan doen gaan.

Als overeenkomstig een voorkeursuitvoeringsvorm van de uit-vinding in een gasgestookte hoogrendementsketel het temperatuursverloop 5 in de heetgaskolom een in hoofdzaak niet sterk afnemend karakter heeft over een capaciteitsafhankelijk traject, dat bij een normale ketel-capaciteit van 8kW een hoogte heeft van ongeveer 20 cm of meer en bij een maximale ketelcapaciteit van 35kW van ongeveer 35 cm of meer, kan een hoogrendementsketel warden verkregen, die wat zijn afmetingen in 10 verticale richting betreft nauwelijks afwijkt van de bekende ketels.

Dit is in het bijzonder het geval, als overeenkomstig een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding de stromingsrichting van toe- en afvoer voor lucht en rookgassen zich in hoofdzaak verticaal uitstrekt, daar hierdoor een minimalisering van de stromingsweerstand en zodoende 15 van de heetgaskolom te verwezenlijken is. Een dergelijke uitvoering van de hoogrendementsketel kan overeenkomstig een verdere voorkeursuitvoerings* vorm van de uitvinding aanmerkelijk worden bevorderd, als de ommanteling van de heetgaskolom zodanig is uitgevoerd, dat de som van de warmte-overdracht door straling en door convectie in het minimale gebied ligt, 20 doordat warmteafgifte aan de ommanteling alsdan ontwerptechnisch reeds is geminimaliseerd. Verdere verbetering van de beperking van de warmteafgifte door de heetgaskolom is te realiseren, als de ommanteling van*de heetgaskolom een isolator of een slechte geleider omvat.

Ingeval, zoals bij bekende ketels gebruikelijk is, althans 25 een deel van de warmtewissselaar in hoofdzaak verticaal boven de brander is geplaatst, zijn de afmetingen vein de hoogrendementsketel volgens de uitvinding onder verkrijging van een optimaal effekt minimaal te houden, als de aan de onderzijde door de brander begrensde heetgaskolom aan de bovenzijde door de warmtewisselaar is begrensd.

30 Oaamaast is het binnen het kader van de uitvinding ook mogelijk de hoogrendementsketel zodanig uit te voeren, dat de warmtewisselaar bestaat uit een zich in hoofdzaak in verticale richting uit-strekkende, dubbelwandige buis met iedere geschikte dwarsdoorsnede en de brander aan het onderuiteinde van de buis is opgesteld.

35 Onder verwijzing naar in de tekening op uiterst schematische 8102695 V '*► -4- wijze weergegeven uitvoeringsvoorbeelden zal de hoogrendementsketel volgens de uitvinding thans nader worden besproken en toegelicht.

Daarbij toont:

Pig. 1 een eerste uitvoeringsvorm; en 5 fig. 2 een tweede uitvoeringsvorm.

In fig. 1 is een gasgestookte hoogrendementsketel 1 weergegeven, die voorzien is van een brander 2, een warmtewisselaar 3, en een daarboven aanwezige rookgasverzamelruimte 4 uitlopend in een rookgas-afvoerkanaal 5. Tussen de brander 2 en de warmtewisselaar 3, die voorzien 10 is van een watertoevoer 6 en een waterafvoer 7, bevindt zich een ruimte 8 met een hoogte, waarvan de afmeting voldoende is om afhankelijk van de capaciteit van de ketel 1 een thermische motor in de vorm van een heetgas-kolom volgens de uitvinding te vormen. Daartoe dient die afstand bij een kleine ketel met een maximale capaciteit van ca. 8kW ongeveer 15 20 cm of meer te bedragen en big een grote ketel met een maximale capaciteit van ca. 35 kW ongeveer 35 cm of meer.

In deze heetgaskolom is de temperatuur nabij de brander 2 het hoogst, welke temperatuur bij niet of nauwelijks verstoren van de heetgaskolom daalt volgens eenlijn met een exponentieel verloop. Daar 20 het vermogen van de thermische motor bepaald wordt door de temperatuur en de hoogte van de heetgaskolom dient de temperatuursdaling in de kolom, en derhalve de warmteafgifte door de kolom, gering te worden gehouden. Dit kan worden bereikt door de ketelmantel ter plaatse van de heetgaskolom afhankelijk van de gebruikte brander zodanig uit te voeren, 25 dat de som van de warmteoverdracht door straling en door convectie in het minimale gebied ligt, daarbij rekening houdende met het afnemen van de warmteoverdracht door convectie en het · toenemen van die door straling bij het uit elkaar brengen van de ketelwanden, welke wijze van minimali-seren van de gesommeerde warmteoverdracht het toepassen van een 30 waterommanteling niet hoeft uit te sluiten. Daarnaast is het uiteraard ook mogelijk de ketelmantel uit te rusten met een isolator of een slechte geleider.

Verder is de ketel 1 voorzien van een gesloten toe- en afvoer-systeem voor lucht en rookgassen. Daartoe is een luchttoevoerleiding 9 35 aanwezig, die zijn inlaat heeft in de nabijheid van de normaliter in de buitenlucht uitmondende uitlaat van het rookgaskanaal 5 en zich evenals 81 0 2 6 9 5 ......

- rf5* 0 -5- dit laatste uitstrekt door een omhulling 10 heen van de ruimte waar-binnen de ketel 1 is opgesteld. Door deze opstelling van de luchttoe-voerleiding 9 is de ketel 1 volledig afgedicht ten opzichte van de ruimte waarbinnen deze is geplaatst. Een dergelijke uitvoering staat 5 bekend onder de naam "balanced-flue"-systeem, dat in samenwerking met de thermische motor het mogelijk maakt bij een hoogrendementsketel een gewaarborgde afvoer van de rookgassen te verwezenlijken zonder daartoe gebruik te moeten maken van extra hulpmiddelen, zoals een ventilator.

Daar het “baJknce3-flue"-systeem drukverschilvariaties tussen aan- en 10 afvoer elimineert, kan een trekonderbreker, die bij open systemen is voorgeschreven, achterwege blijven. Hierdoor kan de als thermische motor werkzame heetgaskolom voldoende trek leveren voor een afdoende aan- en afvoer van lucht en rookgassen en zodoende het onderhavige systeem een gewaarborgde werking verschaffen.

15 In fig. 2 is een altematieve uitvoeringsvorm van de uit- vinding weergegeven in de vorm van een hoogrendementsketel 11 met een brander 12. Een warmtewisselaar 13 is aanwezig in de vorm van een dubbelwandige buis, die op enige afstand boven de brander 12 een toe-lop ende ruimte 14 vormt, die zich voortzet in een met een rookgasaf-20 voerkanaal vergelijkbaar kanaal 15 met een constante doorlaat. De als warmtewisselaar 13 dienst doende dubbelwandige buis wordt door water doorstroomd en is daartoe voorzien van een watertoevoer 16 en een water-afvoer 17; De ruimte 14 alsmede het kanaal 15 kunnen velerlei vormen hebben teneinde de warmteoverdracht tussen rookgassen en water op zo 25 optimaal mogelijke wijze te laten plaatsvinden.

Tussen de brander 12 en de toelopende ruimte 14 bevindt zich een ruimte 18 met constante doorlaat en een hoogte voldoende voor het afhankelijk van de capaciteit van de ketel 11 waarborgen van een thermische motor in de vorm van een heetgaskolom volgens de uitvinding.

30 Door de bijzondere vorm van de warmtewisselaar 13 is bij deze uitvoeringsvorm reeds voorzien in een zodanige omhulling voor de heetgaskolom, dat de warmteafgifte daarvan op de gewenste, gunstige wijze wordt beperkt. Diteraard kan ook bij deze uitvoeringsvorm de ketel-mantel zodanig zijn uitgevoerd, dat wederom de som van de warmteover-35 dracht door straling en door convectie in het minimale gebied ligt.

81 02 6 95 K.

-6-

Teneinde ook bij deze uitvoeringsvorm de rookgasafvoer te waarborgen zonder gebruik te hoeven maken van exteme hulpmiddelen is er verder voorzien in een luchttoevoerleiding 19, die buiten de op-stellingsruimte vande ketel 11 nabij de uitiaat van het kanaal 15 zijn 5 inlaat heeft voor het vormen van een gesloten toe- en afvoersysteem. Daartoe reikt de luchttoevoerleiding 19, evenals het concentrisch ten opzichte daarvan opgestelde kanaal 15, tot buiten een omhulling 20.

Het spreekt vanzelf, dat er binnen het kader van de uitvinding vele wijzigingen en varianten mogelijk zijn, en dat de weergegeven uit-10 voeringsvoorbeelden het onderhavige uitvindingsprincipe op generlei wijze beperken.

81 02 6 95

Claims (7)

1. Hoogrendementsketel met een capaciteit tot ca. 35kW, die voor-zien is van een brander, een warmtewisselaar en middelen voor het toe-voeren van lucht en het afvoeren van rookgassen, met het kenmerk, dat de toe- en afvoermiddelen een gesloten systeem vormen en een direkt op de 5 brander aansluitende heetgaskolom omvatten, waarvan de daarmee opgewekte thermische trek tentninste de weerstand over de warmtewisselaar kan overwinnen, waarbij voorzieningen zijn getroffen om warmteafgifte door de heetgaskolom te beperken.

2. Hoogrendementsketel volgens conclusie 1, ingericht om met gas 10 als brandstof te kunnen werken, met het kenmerk, dat het temperatuurs- verloop in de heetgaskolom een in hoofdzaak niet sterk afnemend karakter heeft over een capaciteitsafhankelijk traject, dat bij een maximale ketelcapaciteit van 8kW een hoogte heeft van ongeveer 20 cm of meer en bij een maximale ketelcapaciteit van 35kW van ongeveer 35 cm of meer.

3. Hoogrendementsketel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de stromingsrichting van toe- en afvoer voor lucht en rookgassen zich in hoofdzaak verticaal uitstrekt.

4. Hoogrendementsketel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de ommanteling van de heetgaskolom zodanig is uit- 20 gevoerd, dat de som van de warmteoverdracht door straling en door convec-tie in het minimale gebied ligt.

5. Hoogrendementsketel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de ommanteling van de heetgaskolom een isolator of een slechte geleider omvat.

6. Hoogrendementsketel volgens een der voorgaande conclusies, waarbij althans een deel van de warmtewisselaar in hoofdzaak verticaal boven de brander is geplaatst, met het kenmerk, dat de.-aan de onderzijde door de brander begrensde heetgaskolom aan de bovenzijde door de warmtewisselaar is begrensd.

7. Hoogrendementsketel volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de warmtewisselaar bestaat uit een zich in hoofdzaak in verticale richting uitstrekkende dubbelwandige buis met iedere geschikte dwarsdoorsnede en de brander aan het onderuiteinde van de buis is opge-steld. 8102695