NL9401317A - Warmteuitwisselaar voor een lage-temperatuurketel. - Google Patents

Description

Betr.: Warmteuitwisselaar voor een lage-temperatuurketel.

De uitvinding heeft betrekking op een warmteuitwisselin-richting voor een lage-temperatuurketel.

Bij een dergelijke ketel vindt warmteuitwisseling plaats tussen een gasmilieu verwarmd in de vuurhaard en een vloeistofmilieu. In het midden van de vuurhaard bevindt zich een brander voor gas of olie, welke warme gasstromen produceert, veroorzaakt door verbranding. Deze gassen passeren dan door een warmteuitwisselaar waar deze de calorieën afgeven aan het vloeistofmilieu, in het algemeen water.

In een ketel voor lage temperatuur blijft het water op een iets verhoogd niveau. Er ontstaan dan problemen met betrekking tot condensatie binnen de warmteuitwisselaar aan de gaszijde. De gas-stroom geproduceerd door de brander, bevat waterdamp, kooldioxyde, doch ook stikstofoxyde of zwavel. In de omstandigheden welke heersen aai de zijde van de brander condenseert de waterdamp als gevolg van de temperatuur welke zakt onder ongeveer 55°C. Bij het condenseren mengt het water zich met zwavel en stikstofoxyde en vormt dan zeer corrosieve zwavelzuur en salpeterzuur. Het water in de lage-temperatuurketel kan een temperatuur hebben lager dan 55°C waardoor het gevaar bestaat dat de wanden van de warmteuitwisselaar aan de gaszijde een nog lagere temperatuur dan 55°C bereiken. In dat geval vormen zich zuren.

Het vormen van zwavel- en salpeterzuur moet worden vermeden. Om dit te vermijden en een temperatuur te behouden welke lager is, kan de temperatuursgradiënt tussen de wand van de warmtewisselaar aan de gaszijde en het water verhoogd worden. Daartoe moet de warmtestroom door de warmteuitwisselaar vergroot worden.

De warmteuitwisselcoëfficiënt is laag aan de gaszijde en relatief hoog aan de waterzijde waarbij de oplossing bestaat uit het vergroten van het uitwisselvlak aan de gaszijde. Het is bekend daartoe de warmteuitwisselaar te voorzien van schoepen aan de gaszijde.

Bij bekende ketels voor lage temperatuur voorzien van een droogkamer, d.w.z. zij bevatten een aan één zijde gesloten cilindrische vuurhaard omgeven door de warmteuitwisselaar, waarbij de schoepen evenwijdig aan de as van de vuurhaard verlopen. Deze schoepen vormen dan evenwijdige kanalen aan de as van de vuurhaard en strekken zich over de gehele lengte van de warmteuitwisselaar uit en waartussen de gassen geleverd door verbranding zich verplaatsen.

Het nadeel van bekende warmteuitwisselaars is dat aan de poort van de kanalen gevormd door de schoepen, gassen zeer heet zijn en de warmtestroom naar het water wordt dan opgevoerd al naar gelang het gas voortschrijdt in het kanaal, koelt dit af en aan de uitgang van het kanaal is de warmtestroom van het gas naar het water laag.

Een ander nadeel van de bekende uitwisselaars moet worden gezien in het feit, dat de gasstroom in de kanalen laminair is.

De warmteuitwisseling kan worden bevorderd door een turbulente stroom. Het is bekend stalen organen - turbulateurs genoemd -aan te brengen welke oorzaak zijn van turbulenties in de kern van de kanalen, doch deze organen zijn duur aangezien zij onderhevig zijn aan hoge thermische spanningen en moeten dus bestaan uit roest- 4 vrij staal. De wrijving van de gassen over de turbulateurs zijn ongewenst aangezien deze laatste geen uitwisseloppervlak vormen.

Het doel van de uitvinding is te voorzien in een warmteuitwisselaar voor een ketel voor lage temperatuur van het type met droogkamer waarbij een turbulente stroom van de gassen mogelijk is en waarbij de warmtestroom tussen de invoerzone van de gassen en de afvoer nagenoeg constant is.

De voorgestelde inrichting is een warmteuitwisselaar voor een ketel voor lage temperatuur van het type met droogkamer, bestemd om een aan één zijde gesloten vuurhaard voor de ketel te omgeven, begrensd door een omtreksvlak waarbij de warmteuitwisselaar tussen de warme gassen geproduceerd door een brander in het midden van de vuurhaard en het water dat om deze inrichting circuleert mogelijk is en schoepen aanwezig zijn gelegen aan de zijde van de vuurhaard. Het kenmerk is dat de schoepen niet evenwijdig aan de as van de vuurhaard lopen.

Aldus vormen de schoepen obstakels bij de doorgang van warme gassen en bevorderen het ontstaan van turbulenties, welke een betere warmteuitwisselaar mogelijk maken tussen het gas enerzijds en het water anderzijds.

Bij voorkeur staan de schoepen loodrecht op de as van de vuurhaard. Deze stand maakt een maximale turbulentie mogelijk.

Om te voorkomen dat tussen de schoepen, ondanks de stand loodrecht op de as van de vuurhaard, kanalen ontstaan evenwijdig aan Ie as van de vuurhaard waarin de stroming laminair zal zijn, strekt elke schoep zich uit over een gedeelte van de omtrek van de vuurhaard en de schoepen gelegen in een zelfde vlak liggen in groepen van vijf ten opzichte van die gelegen in een naburig axiaal verzetvlak.

Volgens een eerste uitvoeringsvorm is de afstand, welke twee naburige vlakken met schoepen scheidt constant over de gehele lengte van de vuurhaard.

Teneinde de stand van de schoepen aan te passen aan de temperatuur van de hete gassen en aldus over de gehele lengte een nagenoeg constante warmtestroom naar het water te waarborgen, neemt de afstand welke twee naburige vlakken met schoepen af in de richting van de gasstroom.

De schoepen liggen dichter bij elkaar in de zone waar de gassen het minste heet zijn. Het uitwisselvlak in deze zone is dus groter. Ondanks de minder hoge temperatuur van het gas is het mogelijk achter de uitgang van de warmteuitwisselaar een warmtestroom naar het water te verkrijgen, welke vergelijkbaar is met de warmtestroom aan de invoer van de uitwisselaar.

Teneinde schoepen van dezelfde afmeting te verkrijgen voor een zelfde type ketel, is de hoogte van de schoepen over de gehele lengte van de vuurhaard gelijk.

Om dezelfde reden als boven vermeld is het eveneens mogelijk de hoogte van de schoepen te variëren. D.w.z. zij nemen in de richting van de gasstroom toe. Men verkrijgt aldus achter de warmte-uitwisselaar hogere schoepen en dus een veel groter warmteuit-wisselingsvlak dan aan de ingang van de warmteuitwisselaar.

Teneinde de beschreven vorm door de toppen van de schoepen aan te passen aan de vuurhaard van de ketel is deze in plaats van cilindrisch iets conisch.

Tijdens de werking van de ketel zijn de schoepen warmer aan de zijde van de vuurhaard dan aan de waterzijde. Zij zijn onderworpen aan een verschil in uitzetting, hetgeen leidt tot spanningen. Om deze spanningen te minimaliseren bevatten de schoepen radiale sleuven, welke uitmonden in de toppen welke naar de vuurhaard zijn gekeerd.

Deze sleuven begunstigen eveneens de turbulentie. Zij lopen in hoofdzaak evenwijdig aan de as van de vuurhaard en een kleine onderdruk heerst tussen twee vlakken van de schoepen. De warme gassen hebben dan de neiging door de sleuven te passeren en aangezien deze nauw zijn,ontstaan in de stroming turbulenties.

De uitvinding betreft tevens schoepen welke realiseren van een dergelijke warmteuitwisselaar mogelijk maken. Deze schoepen hebben de vorm van een ringsegment met radiale sleuven uitmondend aan de zijde corresponderend met de binnenzijde van de ring.

Dergelijke schoepen kunnen worden gelast b.v. op de wand van de uitwisselaar aan de gaszijde.

Het is ook mogelijk verschillende schoepen op een zelfde deel te bevestigen. In dat geval verkrijgt men een ronde krans welke volgens de uitvinding massieve delen bevat, welke de schoepen vormen en holle gedeeltes welke een doorgang tussen de schoepen vormen.

De uitvinding wordt toegelicht met behulp van een beschrijving, welke gericht is op de schematische tekeningen, waarin bij wijze van voorbeeld en niet beperkend verschillende uitvoeringsvormen zijn weergegeven van een warmteuitwisselaar volgens de uitvinding.

Figuur 1 is een perspectivisch aanzicht van een ketel gedeeltelijk in doorsnede met een warmteuitwisselaar volgens de uitvinding; figuur 2 is een langsdoorsnede door een ketel volgens figuur 1; figuren 3 en 4 zijn langsdoorsneden van twee verschillende uitvoeringsvormen van een warmteuitwisselaar volgens de uitvinding; figuur 5 is een bovenaanzicht van een schoep; figuur 6 is een bovenaanzicht van een krans met schoepen.

Figuur 1 toont een ketel 1 van het lage temperatuurtype met een droogkamer. Deze bevat een vuurhaard 2, een warmteuitwisselaar 3, en een omhulling 4 uit water welke de inrichting omgeeft. In het midden van de vuurhaard 2 bevindt zich een brander 5 welke wordt gestookt met gas of olie en een de brandstof onderhoudend middel.

De vuurhaard 2 heeft de vorm van een cilindrische buis. Deze is aan de zijde van de brander open en bevat een bodem 6 aan de overliggende zijde. De warme of hete gassen geproduceerd door de brander 5 worden gestuwd naar de bodem 6 van de vuurhaard en keren terug naar de brander over de cilindrische wand 7 van de vuurhaard (figuur 2). Zij verlaten dan de vuurhaard 2 en komen in de warmteuitwisselinrichting 3 waar zij door heen lopen en de warmte afgeven via de wand van de warmteuitwisselaar aan het water in de omhulling 4. Vervolgens komen zij in de leiding 8, welke leidt naar een schoorsteen.

De bodem 6 van de vuurhaard 2 en de wand waar zich de brander 5 bevindt zijn vuurvast en isolerend. De warmteuitwisselaar vindt niet plaats op het niveau van deze wanden doch slechts op het niveau van de warmteuitwisselaar teneinde het rendement van de ketel 1 te verbeteren.

De warmteuitwisselaar 3 bestaat uit een cilindrische buis 9 uit metaal op het binnenvlak waarvan schoepen 10 zijn bevestigd.

Deze ligt concentrisch om de vuurhaard 2 van de ketel. De schoepen 10 bevinden zich dus tussen de cilindrische buis 9 en de vuurhaard 2.

Er bestaan verschillende middelen om de schoepen 10 vast te zetten: zij kunnen b.v. worden ingekrompen indien zij uit gietijzer bestaan danwel worden gelast op de buis 9.

De schoepen 10 staan loodrecht op de as van de vuurhaard 2 en dus op de as van de cilindrische buis 9. Zij hebben de vorm van een ringsegment waarvan de buitendiameter kleiner is dan de binnendiameter van de buis en de binnendiameter is iets kleiner dan de buitendiameter van de vuurhaard 2.

De schoepen 10 liggen in een vlak dat loodrecht op de as van de vuurhaard 2 staat. Tussen twee schoepen in een zelfde vlak maakt een ruimte de doorgang van gassen mogelijk, welke zich in hoofdzaak bewegen in de richting van de as van de vuurhaard. In fig. 1 en 2 zijn de vlakken met de schoepen 10 regelmatig verdeeld over de lengte van de as van de vuurhaard. Elk van deze vlakken bevat een aantal schoepen 10, doch de schoepen 10 van twee naburige vlakken liggen niet tegenover elkaar doch zijn daarentegen in groepen van vijf geplaatst zodanig dat de gassen axiaal worden verzet en gaan door twee schoepen van een vlak dat zich bevindt tegenover een volgend vlak met schoepen.

Aan de zijde van de schoepen welke gekeerd zijn naar de vuurhaard 2 zijn radiale sleuven 11 aangebracht. Deze sleuven 11 hebben twee functies. De eerste functie wordt eveneens vervuld door sleuven aangebracht in de schoepen van bekende warmteuitwisselaars.

Het gedeelte van de schoep 10, gelegen aan de zijde van de vuurhaard, worden tijdens de werking van de ketel veel warmer dan die gelegen aan de zijde van de wateromhulling 4, waarbij mechanische spanningen als gevolg van verschil in uitzetting, optreden.

De sleuven 11 dienen voor het verminderen van de spanningen waarbij het warme gedeelte minder sterk uitzet dan het koude gedeelte.

Sleuven 11 vormen b.v. doorgangen voor de warme gassen. Doordat een verschil in druk heerst tussen twee vlakken van een schoep hebben de warme gassen de neiging door de sleuven 11 te treden. Deze laatste zijn betrekkelijk nauw, waardoor de stroming turbulent is, hetgeen een betere warmteuitwisseling begunstigt.

Figuur 3 toont een warmteuitwisselaar 3, gelijk aan die volgens fig. 1 en 2, doch waar de ruimte tussen twee naburige vlakken met schoepen 10 variabel is. Aan de zijde van de brander 5 waar de gassen het heetst zijn, is de afstand tussen twee vlakken betrekkelijk groot terwijl daarentegen daar waar de gassen minder warm zijn, omdat reeds een gedeelte van de warmte aan het water is afgegeven, de schoepen dichter bij elkaar liggen. Deze maatregel maakt het mogelijk een warmtestroom voor de gassen naar het water te verkrijgen, welke in hoofdzaak constant is over de gehele lengte van de weg van het gas.

De warmtestroom is evenredig aan het verschil in temperatuur tussen het gas en het water enerzijds en het uitwisselvlak anderzijds. De temperatuur van het water varieert iets wanneer de gassen minder warm zijn en vormt dan een constante warmtestroom, en wordt ook het warmteuitwisselend vlak vergroot. In dat geval wordt het warmte uitwisselend vlak vergroot door het aantal schoepen op te voeren.

Het is eveneens mogelijk het uitwisselend vlak te vergroten door aan de uitgang van de warmteuitwisselaar 3 schoepen 10 te plaatsen welke groter zijn dan die aan de ingang.

Figuur 4 combineert deze oplossing met de voorgaande oplossing. Aan de gaszijde zijn meer schoepen 10 aanwezig en deze schoepen 10 zijn ook groter. In dat geval is de vuurhaard 2 niet cilindrisch doch iets conisch.

Behalve te voorzien in een constante warmtestroom heeft de inrichting het voordeel zeer geluidsarm te zijn. Daartoe stroomt het gas door keerschotten en de stand van de schoepen maken het dan mogelijk geluid te dempen op dezelfde wijze als het geluid wordt gedempt in een knalpot.

Figuur 5 toont een schoep 10 als boven omschreven. Een dergelijke schoep 10 kan op het binnenvlak van de cilindrische buis 9 worden bevestigd en kan worden aangepast zowel wanneer de vuurhaard 2 cilindrisch danwel kegelvormig is uitgevoerd.

Figuur 6 toont een krans 12 met massieve delen, welke schoepen 10 vormen en holle gedeeltes welke een doorgang tussen de schoepen vrijhouden. Door verschillende kransen met de schoepen 10 verzet van een krans 12 t.o.v de schoepen 10 van een naburige krans 12 verkrijgt men een warmteuitwisselinrichting volgens de uitvinding.

Het is duidelijk dat de uitvinding niet beperkt is tot de weergegeven en boven omschreven uitvoeringsvoorbeelden bij wijze van voorbeeld; de uitvinding omvat daarentegen alle variaties.

De schoepen behoeven b.v. niet nauwkeurig haaks op de as van de vuurhaard te staan. Het is voldoende wanneer deze een hoek daarmee vormen opdat turbulenties ontstaan en aldus het rendement van de warmteuitwisselaar wordt verbeterd.

Claims (10)

1. Warmteuitwisselaar (3) voor een ketel (1) voor lage temperatuur met een droogkamer, bestemd om een cilindrische aan één zijde afgesloten vuurhaard (2) van de ketel te vormen, begrensd door een omtreksvlak en waarbij een constante warmteuitwisseling plaatsvindt tussen warme of hete gassen geproduceerd door een brander (5) in het midden van de vuurhaard en water dat om de inichting circuleert en voorzien van schoepen (10) gelegen aan de zijde van de vuurhaard, en is gekenmerkt doordat de schoepen (10) niet evenwijdig aan de as van de vuurhaard verlopen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de schoepen (10) loodrecht op de as van de vuurhaard staan.

3. Inrichting volgens een van de conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat elke schoep (10) zich uitstrekt langs de omtrek van de vuurhaard en dat de schoepen (10) gelegen in een zelfde vlak, in groepen van vijf zijn geplaatst t.o.v. die gelegen in een axiaal verzet naburig vlak.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de af stand, welke twee naburige vlakken met schoepen (4) scheidt, constant is over de gehele lengte van de vuurhaard.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de afstand, welke twee naburige van schoepen (10) voorziene vlakken scheidt, afneemt in de verplaatsingpzin van de gassen.

6. Inrichting volgens een van de conclusies 1 tot 5, met het kenmerk, dat de hoogte van de schoepen (10) constant is over de gehele lengte van de vuurhaard.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de hoogte van de schoepen (10) tonend in de vormingsrichting van de gassen en dat de vuurhaard (2) van de ketel niet cilindrisch is, doch iets conisch, aangepast aan de vorm beschreven door de toppen van de schoepen (10).

8. Inrichting volgens een van de conclusies 1 tot 7, met het kenmerk, dat de schoepen (10) radiale sleuven (11) bevatten, welke uitmonden in de randen welke naar de vuurhaard zijn toegekeerd.

9. Schoep (10) dienend om te worden bevestigd aan de binnenwand van de warmteuitwisselaar volgens de conclusies 1 tot 8, met het kenmerk, dat deze de vorm hebben van een ringsegment, met radiale sleuven (11) welke uitmonden aan die zijde, welke correspondeert met de binnenkant van de ring.

10. Ronde krans (12) voor een warmteuitwisselaar volgens een van de conclusies 1 tot 8, met het kenmerk, dat deze massieve delen heeft, welke de schoepen (10) vormen en holle gedeeltes, welke een doorgang tussen de schoepen (10) vrijlaten.