NL9101735A - Warmtewisselaar voor een condenserende ketel. - Google Patents

Description

Titel: Warmtewisselaar voor een condenserende ketel.

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar voor een condenserende ketel, in het bijzonder een hulpwarmte-wisselaar voor een dergelijke ketel.

Gangbare warmtewisselaars zijn voorzien van verticale platenbundels waartussen rookgassen kunnen worden geleid, waarbij de platen worden doorkruist door al dan niet volgens een serpentinetraject verlopende buizen waar een medium doorheen kan worden gelid voor het onttrekken van warmte aan de platen. Daarmee kunnen de rookgassen zover worden gekoeld dat waterdamp uit de rookgassen condenseert. Voor ditzelfde doel wordt ook gebruik gemaakt van vinpijpen. Bij een warmtewisselaar of hulp-warmtewisselaar van een ruimte-verwarmingsinrichting kunnen de buizen worden doorstroomd door retourwater dat daardoor wordt voorverwarmd alvorens aan de ketel te worden toegevoerd voor hernieuwde verwarming.

De uitvinding verschaft een warmtewisselaar welke bij compacte uitvoering een optimale warmtewisseling met betrekking tot condensatie heeft en waarbij een hydraulische stroming plaats heeft die een betere bescherming tegen corrosie mogelijk maakt en waarbij de weerstandsverliezen van het water en van de rookgassen in overeenstemming zijn met de beschikbare drukken bij een gasgestookte wandketel.

Volgens de uitvinding is een warmtewisselaar, in het bijzonder hulpwarmtewiselaar voor een condenserende verwarmingsketel, gekenmerkt doordat de hulpwarmtewisselaar is voorzien van meerdere identiek gevormde platte serpentines welke dakpansgewijze zijn gestapeld, de leidingen die de serpentines vormen bij hun uiteinden over een bocht van meer dan 180° zijn gebogen en deze worden gevoed met een primaire stroom uit één en dezelfde verdeler.

Verdere voordelen van de uitvinding en nadere uitwerkingen van de uitvinding blijken uit de figuurbeschrijving, resp. zijn weergegeven in de volgconclusies.

In de tekening zijn uitvoeringsvoorbeelden van de warmtewisselaar volgens de uitvinding weergegeven. Daarbij toont: fig.l een schematisch zijaanzicht van een dwarsdoorsnede van een eerste uitvoeringsvorm van de verwarmingsketel volgens de uitvinding en van het type met geforceerde .afvoer; fig. 2 een schematisch aanzicht overeenkomstig fig. 1, van een tweede uitvoeringsvorm van de verwarmingsketel, waarbij de afvoer via een schoorsteen plaatsvindt; fig. 3 een vooraanzicht van de hulpwarmtewisselaar volgens de uitvinding; fig. 4 een vooraanzicht van een andere uitvoeringsvorm van een hulpwarmtewisselaar volgens de uitvinding; fig. 5 een schematisch zijaanzicht in vertikale doorsnede van een verwarmingsketel, voorzien van een warmtewisselaar volgens fig. 1; en fig. 6 en 7 overeenkomstige aanzichten als fig. 4 en 5, van een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Volgens de tekening is de verwarmingsketel 10 volgens de uitvinding op bekende wijze voorzien van een brander 12, een warmtewisselaar 14, welke direct boven de brander is geplaatst, in de stromingsbaan van de verbrandingsgassen, een zuig-ventilator 16 en een afvoerleiding voor verbrandingsgassen 18. In het uitvoeringsvoorbeeld volgens fig. 1 wordt gebruik gemaakt van een verwarmingsketel met een luchtkoker 20, terwijl bij het tweede uitvoeringsvoorbeeld, weergegeven in fig. 2, gebruik wordt gemaakt van een verwarmingsketel met een schoorsteen 20'.

In beide gevallen is een tweede warmtewisselaar aangebracht voor het terugwinnen van calorieën uit de verbrandingsgassen (deze warmtewisselaar wordt in het algemeen aangegeven met "condensor"), welke warmtewisselaar is aangebracht in het achterdeel 22 van de verwarmingsketel, welk deel een expansie-vat 24 bevat buiten het actieve deel van de verwarmingsketel.

De condenserende hulpwarmtewisselaar 28 is aangebracht in een luchtdicht kanaal 26, welk kanaal bij voorkeur U-vormig is en is vervaardigd uit een niet-oxyderend staal. Het kanaal strekt zich uit tussen de afvoer voor verbrandingsgassen naar buiten, 20 of 20' en de uitgang 18 van de ventilator 16. De warmtewisselaar 28 is vertikaal aangebracht in het luchtdichte kanaal 26 en bestaat uit een groep van vertikale ribben waardoorheen zich een waterbuis 30, voor de terugvoer van warmte naar de hoofdwarmtewisselaar 14 uitstrekt. Bij de ingang 32 van de ribbengroep van de hulpwarmtewisselaar 28, is de buis 32 verbonden met de terugvoer van de verwarmingsinstallatie (radiatoren van de centrale verwarming), waarbij de gedwongen circulatie van het water wordt opgewekt door een pomp 34. In het onderste deel is het luchtdichte kanaal 26 voorzien van een condensafvoerbuis 36 die is afgesloten door een vlotter (niet weergegeven in de tekening).

Het ondereinde van elke ribbe heeft bij voorkeur een puntvorm, zodanig, dat de stroming van condensatiewater wordt bevorderd en de doorgang tussen de ribben wordt vrijgemaakt voor de verbrandingsprodukten.

In het uitvoeringsvoorbeeld volgens fig. 1 is te zien dat verse lucht tot de verwarmingsketel wordt toegelaten via een leiding 38, de verbrandingsgassen de hoofdwarmtewisselaar 14 doorstromen en door de ventilator 16 door leiding 18 worden gestuwd en verder worden geleid om vervolgens de hulpwarmtewisselaar 28 te doorlopen, alvorens naar buiten te worden geleid door de luchtkoker 20. De verbrandingsgassen staan hun calorieën af aan de warmtewisselaar 14 en verwarmen daarbij het water dat door de warmtewisselaar middels buizen 33 wordt geleid. De verbrandingsgassen, met een nog steeds hoge temperatuur, bereiken vervolgens de warmtewisselaar 28, en staan daarbij hun laatste calorieën, door condensatie, af aan het water, dat circuleert door de hulpwarmtewisselaar 28. Het water dat de hulpwarmtewisselaar 28 binnentreedt is afkomstig van de ver- warmingsterugvoer en wordt naar de hulpwamtewisselaar 14 geleid door middel van de buizen 30, 33 en het herverwarmde water wordt door de buizen 31 naar de radiatoren van de centrale verwarming geleid. Hierdoor wordt een maximaal rendement verkregen, aangezien de verbrandingsgassen met een zeer lage temperatuur aan de buitenlucht worden afgegeven.

Het op de hulpwamtewisselaar gecondenseerde water wordt verzameld onderin het luchtdichte kanaal 26, vanwaar het wordt verwijderd door middel van de buisleiding 36. Zoals hieronder nader zal worden verduidelijkt, is een vlotter aangebracht, waarmee het uitstromen van verbrandingsgassen door de buis 36 wordt verhinderd, terwijl condensatiewater wel wordt doorgelaten, waarbij de vlotter dienst doet als terugslagklep.

Volgens de uitvinding is het luchtdichte kanaal 26 in het bovendeel voorzien van een opening, welke opening op luchtdichte wijze wordt afgesloten door een klep 39 (fig. 3). Hierdoor kan op zeer eenvoudige wijze, in het geval dat het noodzakelijk zou zijn, de hulpwamtewisselaar 28 worden gedemonteerd.

Bij de andere uitvoeringsvom volgens fig.2 wordt een schoorsteen gebruikt als uitlaat voor de verwarmingsketel. Bij die verwarmingsketel heeft de aanvoer van verse lucht direkt in het onderstel van de verwarmingsketel plaats. Overigens is deze verwarmingsketel geheel identiek aan de verwarmingsketel volgens fig. l.

Het belangrijkste voordeel van dergelijke ketels is, dat het op eenvoudige wijze mogelijk is om uit een conventionele verwarmingsketel een condensatieverwamingsketel te maken.

Anderzijds is de ventilator 16 van de verwarmingsketel niet onderhevig aan corrosie, aangezien deze niet is gesitueerd in een gebied, dat blootstaat aan condensaat, hetgeen niet het geval is bij de bekende condensatieverwamingsketels, waarbij de ventilator in de meeste gevallen is geplaatst na de conden-sat iewamtewisselaar.

De variant van de uitvinding, zoals weergegeven in de figuren 5-7, verschilt van de uitvoeringsvormen, zoals hierboven beschreven, door het ontwerp van de hulpwarmtewisselaar.

Bij deze variant bestaat de hulpwarmtewisselaar 28 uit vier serpentinebuizen 46 (dit aantal dient niet als beperking te worden gezien), die in evenwijdige vlakken zijn gemonteerd, zoals te zien is in de figuren, volgens een "streng-"configuratie, d.w.z. de hartlijnen van de verschillende buizen die de serpentines vormen, onderling zijn versprongen. De serpentines zijn op één en dezelfde verdeler 32 aangesloten, waarin ook het water uitstroomt, dat herverwarmd dient te worden en dat afkomstig is uit het verwarmingscircuit, dat gevoed wordt door de verwarmingsketel 10.

Het serpentinesamenstel van de warmtewisselaar 28 is geplaatst in een blokvormige doos, die een luchtdicht kanaal 26 vormt en een uitlaat 36 voor condensaat in het onderste deel heeft terwijl de doos de verbrandingsgassen van boven naar beneden leidt. De verbrandingsgassen, afkomstig van de verwarmingsketel 10, die na doorstroming door de hoofdwarmtewisselaar (niet weergegeven in de figuren 4-7), waarmee de verwarmingsketel, zoals boven beschreven is uitgerust, worden door de ventilator 16, via leiding 18, in het vat 26 gestuwd.

De verbrandingsgassen, die de hulpwarmtewisselaar 28 bereiken hebben nog steeds een vrij hoge temperatuur en staan hun laatste calorieën, met name door condensatie, af aan het water dat door de serpentines van de warmtewisselaar 28 stroomt. Het water, dat de verdeler 32 bereikt, en afkomstig is van de waterterugvoer, wordt hierdoor in de serpentines van de warmtewisselaar 28 opgewarmd en wordt vervolgens via de leiding 30 door de hoofdwarmtewisselaar van de verwarmingsketel 10 geleid.

Om de hierna te beschrijven hulpwarmtewisselaar aan te passen aan de verschillende gebruiksomstandigheden (met name: vermogen, beschikbare ruimte, druk, etc.) is de mogelijkheid van twee circulatiebanen voor verbrandingsprodukten in het ontwerp opgenomen.

Bij het uitvoeringsvoorbeeld volgens de figuren 4 en 5, is het samenstel van serpentines 46 aangebracht in de doos 26 en de warmtewisselaar wordt hierbij niet doorlopen door verbrandingsgas, afkomstig van de verwarmingsketel 10, terwijl bij het uitvoeringsvoorbeeld volgens de figuren 6 en 7, een tussenschot 42 zodanig in de doos 26' is aangebracht, dat een deel 44 van de bundel van serpentines in de uitlaatleiding 20" voor verbrandingsgassen ligt.

In deze uitvoeringsvorm van de uitvinding is de hulp-warmtewisselaar compact, is de warmtewisseling door condensatie optimaal en is er een hydraulische stroming die een betere bescherming tegen corrosie mogelijk maakt alsmede dat de weerstandsverliezen van het water en van het verbrandingsgas in overeenstemming zijn met de beschikbare drukken bij een gasgestookte wandketel.

Van de voordelen en technische effecten, die met de uitvinding worden verkregen, kunnen worden genoemd: A - Het grote gemak waarmee deze toepasbaar is.

Het ontwerp en de wijze van aanbrenging van met name de serpentines geeft in de beschikbare ruimte een optimale kromtestraal, die het buigen van de buizen vergemakkelijkt. Het feit dat alle serpentines identiek zijn, maakt het mogelijk, dat het vormen van de buizen vrijwel volledig automatisch kan plaatsvinden, zonder dat daarvoor ingewikkelde machinerieën noodzakelijk zijn en maakt bovendien het gébruik van numeriek gestuurde buigbanken mogelijk.

De geometrische karakteristieken van de serpentines (diameter, kromtestraal ....) zijn zodanig, dat de warmtewisselaar kan worden vervaardigd uit verschillende metalen, zoals koper, niet-oxyderend staal of aluminium.

Met de warmtewisselprocessen is optimaal rekening gehouden zodat is verzekerd dat de warmtewisselaar een goed rendement, onafhankelijk van het gebruikte metaal, levert.

B - Een optimalisatie van de warmtewisseling.

De afwezigheid van elke vorm van ribbe verlaagt de thermische weerstand tussen water en verbrandingsgassen en maakt het mogelijk, dat bij het gehele uitwisseloppervlak een belangrijke partiële drukgradiënt van waterdamp wordt verkregen zodat een uitstekende condenserende warmtewisseling onder condensatie mogelijk is.

Ondanks de geringe stroomsnelheid van de verbrandingsgassen verhoogt de montage van de serpentines in "strengen" de turbulentie zodat de plaatselijke warmteuitwisselings-coëfficiënten door convectie groter zijn dan bij een laminaire stroming.

De stroming van verbrandingsgassen in de richting van het condensaat, alsmede de gladde oppervlakken van de buizen, verzekeren een snelle afvoer van condensaat.

De dikte van de waterlaag op de wand van de buis, welke steeds gering is, heeft geen nadelige invloed op de warmtewisseling en maakt het mogelijk dat een vorm van condensatie optreedt die condensatie "in druppelvom" benadert.

C - Een uitstekende weerstand tegen corrosie.

Aangezien nergens in de stroming plaatselijke concentratie van condensaat als gevolg van drogen in dode hoeken of langs uitstekende randen behoeft te worden verwacht (zoals optreedt bij warmtewisselaars met ribben), geeft het ontwerp van de warmtewisselaar zelf reeds een voldoende zekerheid dat deze voldoende bestendig is tegen in de loop der tijd optredende roest.

Met name de ruimte tussen de bochten van de serpentines maakt een natuurlijke stroming van het condensaat naar beneden mogelijk en vermindert de kans op afzetting van corrosieve produkten, die worden geproduceerd op plaatsen waar het condensaat stagneert en vervolgens weer verdampt vóórdat een nieuwe condensatiedruppel wordt gevormd tijdens de opeenvolgende verwarming-condensatieafvoer-cycli.

Claims (5)

1. Warmtewisselaar, in het bijzonder hulpwarmtewiselaar voor een condenserende verwarmingsketel, met het kenmerk, dat de hulpwarmtewisselaar is voorzien van meerdere identiek gevormde platte serpentines (46) welke dakpansgewijze zijn gestapeld, de leidingen die de serpentines vormen bij hun uiteinden over een bocht van meer dan 180° zijn gebogen en deze worden gevoed met een primaire stroom uit één en dezelfde verdeler (32) .

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hulpwarmtewisselaar is voorzien van vier serpentines.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het samenstel van serpentines (46) in een blokvormige doos is ondergebracht, welke doos een luchtdicht kanaal vormt waar doorheen van boven naar beneden verbrandingsgassen, afkomstig uit de verbrandingsketel (10) worden geleid en welke doos in het onderste deel is voorzien van een uitlaatleiding (36) voor condensaat, waarbij het condensaat in de doos in dezelfde zin circuleert als de verbrandingsgassen.

4. Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat één van de tussenschotten (42) van de doos (26) met de serpentines op zodanige wijze is aangebracht dat deze de bundel serpentines onderverdeelt en één deel (44) zich bevindt in de uitlaatleiding (20") voor de verbrandingsgassen.

5. Condenserende verwarmingsketel volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de serpentines zijn vervaardigd uit gladde buizen zonder ribben.