NL8802695A - Warmtewisselaar samengesteld uit een aantal platen alsmede met die warmtewisselaar gecombineerde gasbrander. - Google Patents

Description

Titel: Warmtewisselaar samengesteld uit een aantal platen alsmede met die warmtewisselaar gecombineerde gasbrander

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar samengesteld uit een aantal platen, die door afstandselementen in een onderling in hoofdzaak evenwijdige stand op afstand van elkaar pakketgewijs bij elkaar worden gehouden, alsmede een met een dergelijke warmtewisselaar te combineren gasbrander.

Warmtewisselaars van het bovenbedoelde type worden bijvoorbeeld gebruikt bij regeneratieprocessen, waarbij de warmtewisselaar of secties daarvan achtereenvolgens worden doorstroomd door een warm, af te koelen fluïdum en een koel, op te warmen fluïdum.

Met de uitvinding wordt in eerste instantie beoogd een dergelijke warmtewisselaar geschikt te maken voor toepassing in een ketelinstallatie, waarbij een fluïdum, bijvoorbeeld water, met behulp van warmte afkomstig van een brander moet worden verhit. Om daartoe de warmtewisselaar afwisselend te laten doorstromen door water en door rookgassen is een om praktische redenen af te wijzen oplossing.

Het gestelde doel wordt overeenkomstig de uitvinding bereikt, doordat de afstandselementen bestaan uit in hoofdzaak dwars op de plaatoppervlakken gelegen, holle elementen met open doorgang, die seriegewijs in eikaars verlengde zijn gelegen en een aantal in hoofdzaak dwars op de plaatoppervlakken gelegen ononderbroken doorlopende fluïdumdoorgangen vormen. Door de aldus gecreëerde fluïdumdoorgangen kan continu water worden geleid, terwijl de rookgassen continu tussen de platen door en om de fluïdumdoorgangen heen kunnen worden geleid.

Bedoelde fluïdumdoorgangen zijn daarbij op relatief eenvoudige wijze te verkrijgen, als overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding de afstandselementen buisstompvormig uit de platen geperste delen zijn, die seriegewijs tot een aantal zich door de platen heen uitstrekkende leidingen zijn verbonden De verbinding tot ononderbroken doorlopende doorgangen is daarbij te realiseren door de vrije uiteinden van de buisstompvormige delen met de naastliggende plaat te verbinden. Overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt er evenwel een voorkeur voor uitgesproken, dat elk buisstompvormig deel een lengte groter dan de beoogde afstand tussen twee platen heeft alsmede een zodanige configuratie, dat bij het pakketgewijs samendrukken van de platen in lijn gelegen buisstompvormig delen tot een ononderbroken doorlopende leiding in elkaar worden geperst, waarmee de gewenste fluïdumdoorgangen op relatief eenvoudige wijze zijn te realiseren.

De fluïdumdoorgangen kunnen alle in dezelfde richting worden doorstroomd. In vele gevallen, in het bijzonder als een meer gelijkmatige uitgangstemperatuur van het fluïdum wordt gevraagd, zal het overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding de voorkeur verdienen, dat aan de ene zijde van de warmtewisselaar de fluïdumdoorgangen alle uitmonden in een verzamelkamer en aan de andere zijde deels in een eerste verzamelruimte en deels in een tweede middels een scheidingswand van de eerste onafhankelijke verzamelruimte, waarbij de scheidingswand tussen beide verzamelruimten zich uitstrekt van de ene afsluitende zijwand naar de andere en de ene verzamelruimte is voorzien van een fluïdumtoevoer en de andere van een fluïdumafvoer. Bij het nemen van deze maatregelen zal een meer gelijkmatige opwarming met beter rendement, alsmede een gelijkmatigere temperatuur van het de warmtewisselaar verlatende fluïdum worden verkregen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op het combineren van een dergelijke warmtewisselaar, die samengesteld is uit platen en voorzien is van ononderbroken doorlopende fluïdumdoorgangen, met een gasbrander.

Daartoe wordt overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding voorgesteld, dat elke plaat is voorzien van een geheel door plaatmateriaal omgeven uitsparing, welke uitsparingen tezamen een zich door de warmtewisselaar uitstrekkende ruimte vormen, die aan zijn open uiteinden is afgesloten door telkens een eindplaat, die niet van een uitsparing is voorzien, doch wel van doorbrekingen ter plaatse van de fluïdumdoorgangen, waarbij verder de warmtewisselaar aan zijn buitenzijde in twee tegenover elkaar gelegen gebieden is voorzien van afsluitende zijwanden en tussen die zijwanden enerzijds is voorzien van een toevoer voor een gaslucht -mengsel en anderszijds van een afvoer voor rookgassen. Door deze maatregelen is op verrassende wijze een bijzonder compacte, samengestelde constructie van warmtewisselaar en brander verkregen, waarbij op inventieve wijze gebruik is gemaakt van de plaatconstructie van de warmtewisselaar om te komen tot een branderoppervlak.

Teneinde voor een optimale branderwerking de afstanden tussen de platen rondom de uitsparingen steeds zo nauwkeurig mogelijk op de gewenste waarde te houden, verdient het overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding de voorkeur, dat rondom de uitsparingen in de platen fluïdumdoorgangen zijn gesitueerd. Daar de, de fluïdumdoorgangen vormende delen tevens de afstandselementen tussen de platen vormen, is door deze maatregel de gewenste platenconfiguratie ook langs de randen van de uitsparingen optimaal gewaarborgd, terwijl de fluïdumdoorgangen onder het branderoppervlak dat oppervlak koelen en een optimale uitbranding waarborgen.

Een optimale vorm van zowel de verbrandingskamer als van het branderoppervlak wordt verkregen, als alle uitsparingen eenzelfde, rechthoekige doorsnede hebben, waarbij verder de gelijkmatigheid van de watertemperatuur is te bevorderen, als de scheidingswand zich evenwijdig aan een zijde van de uitsparingen uitstrekt.

Om de temperatuurbelasting van de warmtewisselaar nog verder te optimaliseren, verdient het overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding de voorkeur, dat ten minste alle rondom de uitsparingen in de platen gesitueerde fluïdumdoorgangen in dezelfde verzamelruimte uitmonden. Alsdan is een eerste groep doorgangen verkregen, die tussen de uitsparingen en de gas-lucht-mengsel-toevoer is gelegen en een tweede groep doorgangen, die tussen de uitsparingen en de tegengesteld doorstroomde doorgangen is gelegen. Daarbij verdient het dan verder de voorkeur, dat er restrictiemiddelen aanwezig zijn, die de fluïdumstroming door die groep doorgangen, die enerzijds begrensd wordt door de uitsparingen en anderzijds door de tegengesteld gevoede groep doorgangen, groter doet zijn dan de fluïdumstroming door de aan de andere zijde van de uitsparingen gelegen groep doorgangen. Aldus 3 wordt bewerkstelligd, dat ter plaatse van de hoogste rookgastemperaturen de warmtewisselaar door een grotere hoeveelheid water per tijdseenheid wordt doorstroomd, hetgeen de warmtewisselaar ook minder gevoelig maakt voor stoomvorming in de fluïdumdoorgangen. Dergelijke restrictiemiddelen zijn op velerlei wijzen te realiseren. Een eenvoudige doch effectieve en nauwkeurig bepaalbare oplossing is te verkrijgen, als de restrictiemiddelen bestaan uit een geperforeerde plaat opgesteld in de verzamelkamer in het verlengde van de uitsparingen en ter hoogte daarvan. Een dergelijke plaat is gemakkelijk te plaatsen zonder het moeten treffen van maatregelen aan of in de fluïdumdoorgangen zelf, terwijl de mate van restrictie bepaald wordt door het aantal perforaties alsmede de afmetingen en het patroon daarvan.

Teneinde het toegevoerde gasmengsel snel en op de juiste plaats tot ontbranding te kunnen brengen, is er bij voorkeur verder in voorzien, dat een ontsteekmechanisme voor een toegèvoerd gas-lucht-mengsel reikt tot in de door de uitsparingen gevormde, zich door de warmtewisselaar uitstrekkende ruimte.

Onder verwijzing naar een in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld zal de warmtewisselaar met geïntegreerde brander volgens de uitvinding thans nader worden besproken en toegelicht. Daarbij toont: fig. 1 in dwarsdoorsnede en op schematische wijze een warmtewisselaar met geïntegreerde brander volgens de uitvinding; fig. 2 detail A in fig. 1 op vergrote schaal; en fig. 3 in perspectief de warmtewisselaar volgens fig 1, waarbij een aantal delen zijn weggelaten en weggesneden.

De in fig. 1 weergegeven warmtewisselaar is voorzien van een pakket evenwijdig aan elkaar opgestelde platen 1, waar zich een aantal fluïdumdoorgangen 2 doorheen uitstrekken. In elke plaat 1 is verder een rechthoekige, geheel door plaatmateriaal omgeven uitsparing 3 aangebracht, welke uitsparingen zich op corresponderende plaatsen in de platen 1 bevinden en zodoende tezamen een verbrandingskamer 4 vormen. Aan zijn uiteinden wordt het pakket platen begrensd door eindplaten 5, respectievelijk 6, die wel van doorgangen doch niet van een uitsparing zijn voorzien en zodoende de verbrandingskamer 4 aan zijn uiteinden afsluiten.

Op de eindplaat 5 sluiten twee open bakvormige delen 7 en 8 aan, waarvan de open zijden door de eindplaat 5 worden afgesloten, waardoor twee omsloten ruimten 9 en 10 worden gevormd, die elk in verbinding staan met een groep fluïdumdoorgangen 2. In de ruimte 9, omgeven door de bak 7 en de eindplaat 5, mondt een fluïdumtoevoerleiding 11 uit; in de ruimte 10, omgeven door de bak 8 en de eindplaat 5, een fluïdumafvoerleiding 12. Op de eindplaat 6 sluit een open bakvormig deel 13 aan, waarvan de open zijde door de eindplaat 6 wordt afgesloten, waardoor een omsloten kamer 14 wordt gevormd, waarin al de fluïdumdoorgangen 2 uitmonden. De kamer 14 zorgt zodoende voor het doorleiden van fluïdum afkomstig uit de doorgangen, die in verbinding staan met de ruimte 9 en de toevoer 11, naar de doorgangen leidend naar de ruimte 10 en de afvoer 12. In de kamer 14 is ter hoogte van de verbrandingskamer 4 een geperforeerde plaat 15 opgesteld, die de mate waarin de fluïdumdoorgangen boven en onder de verbrandingskamer 4 ten opzichte van elkaar met fluïdum worden doorstroomd, beïnvloedt.

De wijze waarop de fluïdumdoorgangen 2 in de platen 1 zijn gevormd, zal thans onder verwijzing naar fig. 2, die detail A uit fig. 1 op vergrote schaal weergeeft, nader worden toegelicht. Elke plaat 1 is ter plaatse waar een fluïdumdoorgang moet worden gevormd, voorzien van een doorbreking door het uitponsen van een stuk plaatmateriaal en het om die opening gelegen plaatmateriaal uit te persen tot een buisstompvormige kraag la met afgeknot conische vorm. De lengte van elke kraag la is daarbij groter dan de gewenste afstand tussen twee platen 1 in gemonteerde toestand in de warmtewisselaar, die vervolgens is te vormen door het gewenste aantal aldus voorbereide platen op elkaar te leggen met de buisstompvormige kragen la nestend in elkaar en dit pakket samen te drukken tot de platen 1 zich op de gewenste onderlinge afstanden bevinden, waarbij dan de kragen zodanig zijn bemeten, dat deze een ononderbroken doorlopende en ten opzichte van de spleten tussen de platen afgedichte fluïdumdoorgang gaan vormen.

Zoals reeds vermeld wordt het pakket platen 1 aan zijn uiteinden begrensd door eindplaten 5 en 6, die niet zijn voorzien van een uitsparing 3. Voor het overige kan de eindplaat 6 op dezelfde wijze als de platen 1 zijn voorzien van buisstompvormige kragen la. In de eindplaat 5 zijn daarentegen bij voorkeur slechts uitgeponste openingen aangebracht, zoals uitsparing 16 in fig. 2. Een en ander is daarbij liefst zodanig bemeten, dat de buisstompvormige kraag la van de naastgelegen plaat 1 tot in, maar niet voorbij die uitsparing 16 reikt. Alsdan heeft de ) warmtewisselaar ook aan die zijde een vlakke zijwand. Teneinde de fluïdumdoorgangen 2 niet in verbinding te. laten staan met de spleet tussen de eindplaat 5 en de naast gelegen plaat 1 is rond de kraag la van die plaat, welke kraag tot in de uitsparing 16 reikt een afdichting 17 tussen de eindplaat 5 en de naast gelegen plaat 1 aangebracht.

De aldus verkregen warmtewisselaar met geïntegreerde brander is in fig. 3 in perspectief weergegeven. Daarbij zijn uit duidelijkheidsoverwegingen de beide eindplaten 5 en 6 en daarop geplaatste bakken 7, 8 en 13 weggelaten. Tussen telkens twee platen 1 zijn in twee tegenover elkaar gelegen zijwandgebieden afdichtende afstandelementen 20 aangebracht, welke een zodanige breedte hebben, dat deze telkens met de platen 1 zijwanden voor enerzijds de verbandingsruimte 4 en anderzijds de warmtewisselaar zelf vormen. In fig. 3 is verder nog een van een aantal bouten met moeren weergegeven, die het pakket op de juiste wijze samengeperst bij elkaar houden. Bedoelde bout en moer zijn aangeduid met verwijzingscijfer 18, respectievelijk 19, waarbij de bout zich uitstrekt door een zonder bout weergegeven openingenreeks 21 in de platen 1 en de afstandelementen 20.

Voor het bedrijven van de weergegeven warmtewisselaar met geïntegreerde brander wordt als volgt te werk gegaan.

Een voorgemengd gas-lucht-mengsel wordt volgens pijl 22 in fig. 3 bijvoorbeeld middels de hulp van een ventilator aan de bovenzijde van de warmtewisselaar in de spleten tussen de platen 1 geblazen. Het uit de spleten in de verbrandingskamer 4 tredende gas-lucht-mengsel wordt door een ontsteekmechanisme 23 tot ontbranding gebracht. De spleetconfiguratie ter plaatse van het uittreden van het gas-lucht-mengsel uit het pakket platen vormt daarbij een oppervlaktebrander, waarbij de vlammen volgens pijl 24 zijn gericht. De rookgassen stromen volgens de richting van de pijl 24 aan de andere zijde van de verbrandingskamer 4 in de spleten tussen de platen 1 en verlaten deze weer volgens pijl 25.

Het te verhitten fluïdum, bijvoorbeeld water, wordt in de richting van pijl 26 toegevoerd aan de doorgangen 2, dat wil zeggen middels de in fig. 1 getoonde ruimte 9. Tijdens het door de doorgangen 2 stromen van het fluïdum wordt dit verhit door warmteuitwisseling met de rond de doorgangen stromende hete rookgassen. In dit verband zij nog opgemerkt, dat de doorgangen in stromingsrichting van de rookgassen versprongen ten opzichte van elkaar zijn opgesteld, zodat ook de stralingswarmte van de vlammen in de verbrandingsruimte wordt opgevangen en zijn bijdrage levert aan het verhitten van het fluïdum.

Het aan de andere zijde van de warmtewisselaar uit de doorgangen tredende fluïdum komt terecht in de in fig. 1 getoonde kamer 14, die voor een omkering van de stromingsrichting overeenkomstig pijl 27 zorgt en het fluïdum door de rond de verbrandingskamer 4 gesitueerde doorgangen 2 stuurt. Als getoond in fig. 1 kan in de kamer 14 een geperforeerde plaat 15 aanwezig zijn, die door zijn stromingsrestrictie tot gevolg heeft dat de hoeveelheid terug geleid fluïdum aan de ene zijde van de plaat groter zal zijn dan de hoeveelheid terug geleid fluïdum aan de andere zijde. Door het opstellen van de geperforeerde plaat 15 ter hoogte van de verbrandingskamer zal dit in het onderhavige geval tot gevolg hebben, dat een groter debiet fluïdum, dat wil zeggen fluïdum met verhoogde stromingssnelheid, door de het meest intensief verhitte doorgangen wordt geleid. Dit heeft het voordeel, dat de warmtewisselaar minder gevoelig wordt voor stoomvorming. Het aan de andere zijde van de verbrandingskamer door de warmtewisselaar geleide fluïdum (met lager debiet) zorgt voor een dusdanig op de juiste temperatuur houden van de platen 1, dat de oppervlaktebrander gevormd door die platen optimaal met een juiste uitbranding blijft functioneren.

Het vervolgens in de richting van pijl 28 uit de doorgangen 2 tredende fluïdum komt terecht in de in fig. 1 getoonde ruimte 10 en wordt van daar uit afgevoerd middels de afvoer 12.

Het spreekt vanzelf, dat er binnen het kader van de uitvinding nog vele wijzigingen en varianten op het boven besproken en in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld mogelijk zijn. Zo kan de warmtewisselaar met geïntegreerde brander ook omgekeerd worden opgesteld en gebruikt, dat wil zeggen de toevoer van het gas-lucht-mengsel heeft plaats vanaf de onderzijde, zoals dat overigens gebruikelijker is voor een brander. Een der voordelen van de in de tekening weergegeven opstelling is, dat bij het ontstaan van condens op de warmtewisselaar dit condens aan de onderzijde van de warmtewisselaar omlaag kan druppelen, dat wil zeggen zonder de werking van de brander nadelig te beïnvloeden. Dit is in het bijzonder van voordeel als de warmtewisselaar wordt gebruikt in een hoogrendementketel, waar de rookgassen tot onder de > condensatietemperatuur worden afgekoeld, of bij een ketel met relatief lage temperatuur van het toegevoerde, te verhitten fluïdum, zoals dat veelal bij een vloerverwarmingssysteem het geval is, in welk geval van een normaal vereiste begrenzing van de temperatuur van het retourwater kan worden afgezien.

Daarenboven heeft de uitvinding ook betrekking op een warmtewisselaar zonder geïntegreerde brander. Het zal duidelijk zijn, dat bij weglating van de uitsparingen 3 in de platen 1 geen verbrandingskamer 4, die overigens door een andere vorm van de uitsparingen ook elke andere gewenste vorm kan hebben, wordt verkregen. De warmtewisselaar is dan zoals gebruikelijk aansluitend op een aparte brander te plaatsen.

In het uitvoeringsvoorbeeld wordt de brander in twee tegengestelde richtingen door het fluïdum doorstroomd. Dit kan uiteraard elk ander gewenst aantal richtingen zijn door het dienovereenkomstig aanpassen van de vorm en aantal bakken, die uiteraard ook weer slechts als mogelijke uitvoeringsvorm zijn weergegeven. Als stromingsrestrictie is in het uitvoeringsvoorbeeld een geperforeerde plaat 15 in de kamer 14 getoond. Een stromingsrestrictie kan ook op andere wijzen worden gerealiseerd, bijvoorbeeld door in de doorgangen of bij de inlaat daar van aangebrachte voorzieningen.

Claims (12)

1. Warmtewisselaar samengesteld uit een aantal platen, die door afstandselementen in een onderling in hoofdzaak evenwijdige stand op afstand van elkaar pakketgewijs bij elkaar worden gehouden, met het kenmerk, dat de afstandselementen bestaan uit in hoofdzaak dwars op de plaatoppervlakken gelegen, holle elementen met open doorgang, dié seriegewijs in eikaars verlengde zijn gelegen en een aantal in hoofdzaak dwars op de plaatoppervlakken gelegen ononderbroken doorlopende fluïdumdoorgangen vormen.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de afstandselementen buisstompvormig uit de platen geperste delen zijn, die seriegewijs tot een aantal zich door de platen heen uitstrekkende leidingen zijn verbonden.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat elk buisstompvormig deel een lengte groter dan de beoogde afstand tussen twee platen heeft alsmede een zodanige configuratie, dat bij het pakketgewijs samendrukken van de platen in lijn gelegen buisstompvormig delen tot een ononderbroken doorlopende leiding in elkaar worden geperst.

4. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat dat aan de ene zijde van de warmtewisselaar de fluïdumdoorgangen alle uitmonden in een verzamelkamer en aan de andere zijde deels in een eerste verzamelruimte en deels in een tweede middels een scheidingswand van de eerste onafhankelijke verzamelruimte, waarbij de scheidingswand tussen beide verzamelruimten zich uitstrekt van de ene afsluitendezijwand naar de andere en de ene verzamelruimte is voorzien van een fluïdumtoevoer en de andere van een fluïdumafvoer.

5. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat elke plaat is voorzien van een geheel door plaatmateriaal omgeven uitsparing, welke uitsparingen tezamen een zich door de warmtewisselaar uitstrekkende ruimte vormen, die aan zijn open uiteinden is afgesloten door telkens een eindplaat, die niet van een uitsparing is voorzien, doch wel van doorbrekingen ter plaatse van de fluïdumdoorgangen, waarbij verder de warmtewisselaar aan zijn buitenzijde in twee tegenover elkaar gelegen gebieden is voorzien van afsluitende zijwanden en tussen die zijwanden enerzijds is voorzien van een toevoer voor een gaslucht -mengsel en anderszijds van een afvoer voor rookgassen. i

6. Warmtewisselaar volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat rondom de uitsparingen in de platen fluïdumdoorgangen zijn gesitueerd.

7. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 5 of 6, met het kenmerk, dat alle uitsparingen eenzelfde, rechthoekige doorsnede hebben.

8. Warmtewisselaar volgens conclusie 4 en 7, met het kenmerk, dat de scheidingswand zich evenwijdig aan een zijde van de uitsparingen uitstrekt.

9. Warmtewisselaar volgens conclusie 4 of 8, met het kenmerk, dat ten minste alle rondom de uitsparingen in de platen gesitueerde fluïdumdoorgangen in dezelfde verzamelruimte uitmonden.

10. Warmtewisselaar volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat er restrictiemiddelen aanwezig zijn, die de fluïdumstroming door die groep doorgangen, die enerzijds begrensd wordt door de uitsparingen en anderzijds door de tegengesteld gevoede groep doorgangen, groter doet zijn dan de fluïdumstroming door de aan de andere zijde van de uitsparingen gelegen groep doorgangen.

11. Warmtewisselaar volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de restrictiemiddelen bestaan uit een geperforeerde plaat opgesteld in de verzamelkamer in het verlengde van de uitsparingen en ter hoogte daarvan.

12. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 5-11, met het kenmerk, dat een ontsteekmechanisme voor een toegevoerd gas-lucht-mengsel reikt tot in de door de uitsparingen gevormde, zich door de warmtewisselaar uitstrekkende ruimte.