NL8700641A - Ketelelement. - Google Patents

Description

-1- VO 9042 Ketelelement.

De uitvinding heeft betrekking op een uit lichtmetaal, eendelig vervaardigd warmte-uitwisselelement, in het bijzonder voor een CV-ketel, voorzien van een in hoofdzaak plat, doosvormig lijf, waarin een waterdoorgang zich volgens 5 een gebogen traject tussen een inlaat en een uitlaat, met variërende doorstroomdoorsnede uitstrekt, waarbij de platte zijwanden van het lijf zijn voorzien van uitsteeksels die zich uitstrekken in zich aan weerszijden van het lijf bevindende rookgasdoorgangen die in de gasstromingsrichting 10 een afnemende doorstroomdoorsnede hebben.

Bij een dergelijke, uit de ter inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage 7604830, die correspondeert met de Franse octrooiaanvrage 2.310.537, bekende waterverhitter, stromen rookgassen van een onder het ketelelement opgestelde 15 brander langs het lijf omhoog tussen de als verticale langs-ribben uitgevoerde uitsteeksels. Het te verwarmen water wordt aan de onderzijde van het ketelelement ingevoerd en stroomt in gelijkstroom met de rookgassen omhoog in een gebogen watergang waarvan de stromingsdoorsnede bij 20 3e wateruitlaat groter is dan bij de inlaat. Met het doel de stroomsnelheden van gas en water gelijk te houden zijn bij het bekende ketelelement de door afkoeling optredende krimp van de rookgassen en de door verwarming optredende uitzetting van het water gecompenseerd door op dit gestelde 25 doel, dus constante stroomsnelheden, gerichte variaties van de resp. doorstroomdoorsneden. Gezien de geringe uitzetting van water over het in de praktijk bij een CV-ketel tussen ongeveer 20° en ongeveer 85°C gelegen temperatuurtra-ject, betekent dit een nauwelijks waarneembare doorstroomdoor-30 snedevergroting die nodig is om de doorstroomsnelheid van het water constant te houden. De temperatuur van de rookgassen die bij conventionele atmosferische branders van b.v. 800° £ ·;- , --, t s' i -2- tot 150° daalt, vereist voor een gelijkblijvende gassnelheid een grotere vermindering van de doorstroomdoorsnede.

De uitvinding beoogt een warmte-uitwisselelement van de onderwerpelijke soort, bestemd voor een CV-ketel, 5 waarbij met minimaal gebruik van lichtmetaal een optimale capaciteit wordt verkregen.

Hiertoe is volgens de uitvinding, bij uitvoering van het warmte-uitwisselelement als tegenstroom-uitwisselele-ment, de waterdoorgang serpentine- of zig-zag-vormig gevormd 10 met een doorstroomdoorsnede die, regelmatig over de totale lengte van de waterdoorgang, van de inlaat in het lage gastemperatuurgebied tot de uitlaat in het hoge gastempera-tuurgebied, zo sterk afneemt (b.v. in de verhouding 2:1), dat de doorstroomsnelheid bij de uitlaat groter is dan 15 bij de inlaat.

De uitvinding berust op het inzicht dat in het hoge gastemperatuurgebied het temperatuurverschil met het verwarmde water ruim voldoende is om een goede en snelle warmteoverdracht te waarborgen. Het hete gas zal in de 20 eerste helft van het gastraject reeds het grootste deel van zijn warmte aan het warmte-uitwisselelement afstaan. Doordat in de tweede helft van het gastraject het gas in een warmte-uitwissêlend verband wordt gebracht met relatief langzaam stromend en bovendien relatief koud water, is 25 het mogelijk het gas zeer sterk af te koelen, zelfs op condensatieniveau te brengen.

Voor het verkrijgen van een optimale warmte-overdracht over de gehele lengte van de rookgasdoorgangen met daarin reikende, het verwarmde oppervlak vergrotende uitsteeksels 30 met afnemende hoogte, kunnen volgens de uitvinding de uitsteeksels zijn uitgevoerd als nokken die volgens een patroon van zijdelings versprongen rijen zijn gerangschikt, waarbij de onderlinge afstand van de nokken van het hoge naar het lage gastemperatuurgebied geleidelijk afneemt, b.v. in 35 totaal in de verhouding 2,5:1.

In het hoge gastemperatuurgebied is de warmte-over- 1*" »·" ^♦ ’ » x.' i * ts·· $ b -3- dracht per tijdseenheid hoog omdat het temperatuurverschil ten opzichte van het in het aangrenzende deel van de waterdoorgang stromende water groot is en in het lage gastempera-tuurgebied is weliswaar het verwarmde oppervlak kleiner 5 dan in het hoge gastemperatuurgebied, echter door de dichter bij elkaar staande nokken wordt een intensief contact met het lage temperatuurrookgas gewaarborgd en wordt het nadelige effekt van het lagere temperatuurverschil op de warmteoverdracht tussen rookgas en water althans gedeeltelijk gecompen-10 seerd.

De uitvinding betreft tevens een water-verwarmingske-tel voorzien van een warmte-uitwisselelement volgens de uitvinding en een brander, waarbij volgens de uitvinding het ketelelement aan weerszijden passend is omsloten door 15 een in hoofdzaak U-vormig kanaal voor het toevoeren van een brandbaar gas/luchtmengsel aan de bovenzijde van een geperforeerde branderplaat, welke is aangebracht in een boven het ketelelement aanwezige branderkamer, waarvan de onderzijde in open verbinding staat met de door het 20 lijf van het ketelelement en de binnenwand van het gas/lucht-kanaal ingesloten rookgasdoorgangen.

Een dergelijke CV-ketel kan, indien uitgerust met een ketelelement met buitenafmetingen in de orde van grootte van 25 x 15 x 20 (Η x B x D), een waterdoorgang die stapsge-25 wijs van ca. 10 cm2 bij de inlaat naar ca. 5 cm2 bij de uitlaat in doorsnede afneemt en aan weerszijden nokken die bij een doorsnede van gemiddeld 1 cm2 in het hoge gastemperatuurgebied een lengte van 23 mm en een onderlinge afstand van 7 mm en in het lage temperatuurgebied een lengte van 30 15 mm en een onderlinge afstand van 5 mm hebben, per kg aluminium een nuttig vermogen leveren van ongeveer 3 KW, hetgeen zeer hoog is voor een dergelijke kleine en lichte ketel. Bij voorkeur wordt daarbij gebruik gemaakt van een hitte bestendige brander, nl. een brander met een b.v.

35 van keramisch materiaal vervaardigde, geperforeerde plaat, waaraan aan de achterzijde het gas/luchtmengsel «r , —:-i -4- ί i onder druk wordt toegevoerd en die aan de voorzijde als branderbed functioneert. Hiermee is nl. een rookgastempe-ratuur van hoger dan 1200°C haalbaar.

Ter verduidelijking van de uitvinding zal, onder 5 verwijzing naar de tekening, een uitvoeringsvoorbeeld van het ketelelement worden beschreven.

Pig. 1 is een verticaal doorsnede-aanzicht van een ketel, uitgerust met het ketelelement volgens de uitvinding; 10 fig. 2 is een zijaanzicht van de ketel volgens de pijl II-II in fig. 1; fig. 3 is een langsdoorsnede volgens de lijn III-III in fig. 1; en fig. 4 is een eindaanzicht van de ketel volgens 15 de pijlen IV-IV in fig. 3.

Volgens de tekening heeft het ketelelement, dat uit één stuk is gegoten uit lichtmetaal zoals aluminium of een aluminiumlegering, een plat doosvormig lijf 1 met een waterinlaatstomp 2 en een waterafvoerstomp 3 in één 20 van de kopwanden. In de tegenover liggende kopwand zijn afsluitbare stompen 4 gevormd welke dienen om de gietkern te verwijderen.

Tussen de waterinlaat 2 en de uitlaat 3 strekt zich serpentinevormig een waterdoorgang 5 uit, waarvan 25 de doorstroomdoorsnede stapsgewijze afneemt tot in een verhouding 2:1, zie fig. 1 en 3.

Aan weerszijden van het lijf 1 strekken zich van de zijwanden la en lb vingervormige uitsteeksels 6 uit, die in de afgeheelde uitvoering de vorm hebben van vierzijdige 30 nokken die terwille van het lossen uit de gietvorm enigszins taps toelopen. De nokken 6 zijn gerangschikt volgens een patroon van zijdelings versprongen horizontale rijen (zie fig. 2) die aan de onderzijde dichter bij elkaar staan dan aan de bovenzijde. Zoals blijkt uit fig. 1 zijn de 35 nokken 6 aan de onderzijde van het lijf 1 ook korter dan aan de bovenzijde.

• ft i -5-

Tegen de toppen van de nokken 6 ligt de binnenwand 7 van een in hoofdzaak U-vormig gas/luchtkanaal 8. De wand 7 sluit met de zijwanden la en lb van het lijf 1 rookgasdoorgangen 9 in.

5 Boven het lijf 1 bevindt zich een kamer 10 waarin een geperforeerde branderplaat B is aangebracht. In fig. 4 zijn een gastoevoer 11 en een ventilator 12 aangegeven voor het via het U-vormige kanaal 8 geforceerd toevoeren van een brandbaar gas/luchtmengsel aan de bovenzijde van 10 de branderkamer 10.

Tijdens bedrijf worden in de branderkamer 10 rookgassen van zeer hoge temperatuur, ca. 1200°C, gegenereerd die geforceerd door de rookgasdoorgangen 9 omlaag worden bewogen en via de onderzijde van het ketelelement, afgekoeld 15 op 70-80°C of lager, worden afgevoerd. Tijdens hun doorgang in het labyrinthtraject tussen de nokken 6 staan zij warmte af, direkt aan het lijf 1 en indirekt via de nokken 6 waar zij door opgewerkte wervelingen in innig contact mee worden gebracht. Via het lijf 1 wordt de opgenomen warmte overgedra-20 gen op het in de doorgang 5 stromende water. De warmte-over-gang of thermische geleiding per eenheid van oppervlak wordt bepaald door het temperatuurverschil en de tijd.

Door het ontwerp van het ketelelement stroomt het koude water in het onderste, lage temperatuurgebied van 25 het ketelelement veel langzamer dan in het bovenste, hoge gastemperatuurgebied. In het onderste, lage gastemperatuurgebied is door vernauwing van de rookgasdoorgangen 9 weliswaar het verwarmde oppervlak aan de gaszijde verkleind, echter doordat de nokken dichter bij elkaar staan wordt het rookgas, 30 waarvan het volume door temperatuurdaling is gereduceerd, in de nauwe passages tussen de nokken 6 in een intensieve werveling en daardoor innig contact met de nokzijden en met de tussen de nokken 6 gelegen delen van de lijfwanden la en lb gebracht, zodat de rookgassen in staat worden 35 gesteld hun warmte optimaal af te staan.

Voor de werking van het ketelelement is het ontwerp ' \ _____ j -6- r van de waterdoorgang 5 uiterst belangrijk. Door middel van keerschotten 13-17 is in de holle binnenruimte van het lijf 1 een serpentine- of zig-zag-traject 5 gevormd dat bij iedere ombuiging nauwer wordt en in de afgeheelde 5 uitvoering in vijf stappen wordt gehalveerd, zodat, bij gelijkblijvend debiet de uitstroomsnelheid bij 3 ongeveer het dubbele bedraagt van de instroomsnelheid bij 2. Doordat het water tijdens het doorstromen van het lijf 1 ook nog wordt verhit en daarbij uitzet, zal bij de uitlaat 3 de 10 snelheid meer dan het dubbele bedragen van de snelheid bij de inlaat 2.

Wezenlijk voor de uitvinding is dat in het deel van de warmte-uitwisselaar, waar reeds grotendeels afgekoelde rookgassen hun (rest-)warmte moeten afdragen aan koud instro-15 mend water, het water met een relatief lage snelheid wordt doorgeleid en de rookgassen worden gedwongen veelvuldig en intensief contact te maken met het verwarmde oppervlak, terwijl in het hoge gastemperatuurgebied aan de instromende gassen met zeer hoge temperatuur, een groot contactoppervlak 20 wordt aangeboden. Het grote temperatuurverschil (orde van grootte 1100°C) maakt een snelle warmteoverdracht aan het water mogelijk zodat dit relatief snel kan worden afgevoerd.

fv 7 A P A l ** Ά / V ·' V \· !

Claims (7)

1. Uit lichtmetaal, eendelig vervaardigd warmte-uitwisselelement, in het bijzonder voor een CV-ketel, voorzien van een in hoofdzaak plat, doosvormig lijf (1) waarin een waterdoorgang (5) zich volgens een gebogen traject tussen 5 een inlaat (2) en een uitlaat (3), met een variërende door-stroomdoorsnede uitstrekt, waarbij de platte zijwanden (la, lb) van het lijf (1) zijn voorzien van uitsteeksels (6) die zich uitstrekken in zich aan weerszijden van het lijf (1) bevindende rookgasdoorgangen (9), die in de gasstro- 10 mingsrichting een afnemende doorstroomdoorsnede hebben, met het kenmerk, dat bij uitvoering van het warmte-uit-wisselelement als tegenstroom-uitwisselelement, de waterdoorgang (5) serpentine- of zig-zag-vormig is gevormd met een doorstroomdoorsnede die van de inlaat (2) in het lage gastem- 15 peratuurgebied tot de uitlaat (3) in het hoge gastempe-ratuurgebied, zo sterk afneemt dat de stroomsnelheid bij de uitlaat (3) groter is dan bij de inlaat (2).

2. Warmte-uitwisselelement volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de doorstroomdoorsnede bij de inlaat (2) 20 ongeveer tweemaal zo groot is als bij de uitlaat (3).

3. Warmte-uitwisselelement volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat voor het vormen van het serpentine-of zig-zag-vormige watertraject, in het ketelelement (1) keerschotten (13-17) zijn aangebracht waarvan de onderlinge 25 afstand en de lengte zodanig zijn dat de doorstroomdoorsnede bij iedere omkering van de stromingsrichting wordt verkleind.

4. Warmte-uitwisselelement met over de gehele lengte van de rookgasdoorgangèn (9) aangebrachte, daarin reikende, het verwarmde oppervlak vergrotende uitsteeksels (6) met 30 in gasstromingsrichting afnemende hoogte, met het kenmerk, dat de uitsteeksels zijn uitgevoerd als nokken C6) die volgens een patroon van zijdelings versprongen rijen zijn gerangschikt, waarbij de onderlinge afstand van de nokken (6) van het hoge naar het lage gastemperatuurgebied geleide- 't ____ _J i -8- lijk afneemt.

5. Warmte-uitwisselelement volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de onderlinge afstand van de nokken (6) in het hoge gastemperatuurgebied 2,5 maal zo groot is als 5 in het lage-gastemperatuurgebied.

6. Waterverwarmingsketel, voorzien van een warmte-uitwisselelement volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het ketelelement aan weerszijden passend is omsloten door een in hoofdzaak U-vormig kanaal (8) voor 10 het toevoeren van een brandbaar gas/luchtmengsel aan de bovenzijde van een geperforeerde branderplaat (B), welke is aangebracht in een boven het ketelelement aanwezige branderkamer (10), waarvan de onderzijde in open verbinding staat met de door het lijf van het ketelelement en de binnen-15 wand (7) van het gas/luchtkanaal (8) ingesloten rookgasdoorgangen (9).

7. Ketel volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de branderplaat (B) van keramisch materiaal is vervaardigd. 4% *