NO131312B

NO131312B -

Info

Publication number: NO131312B
Application number: NO713168A
Authority: NO
Inventors: J M Kyffin-Hughes; B Harding; G A J Lake
Original assignee: Parkinson Cowan Appliances Ltd
Priority date: 1970-08-29
Filing date: 1971-08-26
Publication date: 1975-01-27
Also published as: NL7111652A; LU63799A1; DE2142734B2; US3809052A; FR2106158A5; CA940526A; BE771866A; DE2142734A1; NO131312C; JPS5027227B1

Description

Varmeapparat for tilføring av varme til et fluidum. Heater for supplying heat to a fluid.

Denne oppfinnelse angår et varmeapparat for tilføring av varme til et fluidum, omfattende et forbrenningskammer med innløp for brensel/luftblanding og utløp for forbrenningsprodukter. This invention relates to a heater for supplying heat to a fluid, comprising a combustion chamber with inlet for fuel/air mixture and outlet for combustion products.

Forskjellige varmeapparater for oppvarming av et omgivende» fluidum er tidligere kjent. Noen av slike apparater er utstyrt med varmeavgivende flater som oppvarmer omgivelsene direkte, mens andre apparater er innrettet til oppvarming av et transportvarmemedium som brukes til oppvarming av omgivelsene i avstand fra varmeapparatet ved hjelp av varmevekslere. I store varmeanordninger er det kjent at forbrenningskammere ved sin ene ende kan være utstyrt med en eller flere brennere som tilføres brensel og luft og ved sin annen en-de har et avløp for forbrenningsgasser. Denne oppfinnelse angår et apparat av forholdsvis mindre dimensjoner. I slike apparater har forbrenningskammeret vanligvis et innløp for brenselluftblanding i den ene ende og et avløp for forbrenningsprodukter i den andre ende. Forbrenningsvarmen overføres til varmekammerets vegg, mens forbren-ningsgassene passerer kammeret på veien mot utløpet. Varmeoverførings-forholdene forandrer seg gradvis fra innløpet mot utløpet slik at kammerets varmeoverføringsflate neppe kan utnyttes maksimalt. I et slikt forbrenningskammer danner det seg lett stillestående grensesjikt innved kammerets vegger og også inn i utløpskanalen som ved noen utførelser også utnyttes til avgivelse av varme til omgivelsene. Slike stillestående grensesjikt vil normalt dannes når varme gasser passerer langsetter en flate som skal bibringes varme. Disse sjikt består av gasser som strømmer over nevnte flate, men med meget redu-sert hastighet (reduksjonen forårsaket ved friksjon) i forhold til strømningshastigheten av resten av gassene som strømmer forbi flaten og denne reduserte hastighet tvinger det nevnte sjikt til å overføre temmelig raskt sin varme til den nevnte flate. Dette sjikt vil derfor bli forholdsvis kaldt i forhold til resten av de hete gasser. Dette kalde sjikt tjener som en varmeisolator mellom flaten og resten av hetgassene og reduserer derved vesentlig virkningsgraden for varmeoverføring til flaten. Hittil har man gjort forsøk med å redu-sere dannelsen av disse stillestående grensesjikt ved hjelp av kom-pliserte mekaniske spjeld eller sjalusianordninger eller ved utstøt-ning av hete gasser ved flaten i retning på tvers av flaten. Various heaters for heating an "ambient" fluid are previously known. Some of such appliances are equipped with heat-emitting surfaces that heat the surroundings directly, while other appliances are designed to heat a transport heating medium that is used to heat the surroundings at a distance from the heater by means of heat exchangers. In large heating devices, it is known that combustion chambers can be equipped at one end with one or more burners which are supplied with fuel and air and at the other end have a drain for combustion gases. This invention relates to an apparatus of relatively smaller dimensions. In such devices, the combustion chamber usually has an inlet for fuel-air mixture at one end and an outlet for combustion products at the other end. The heat of combustion is transferred to the wall of the heating chamber, while the combustion gases pass through the chamber on the way to the outlet. The heat transfer conditions gradually change from the inlet to the outlet so that the chamber's heat transfer surface can hardly be utilized to the maximum. In such a combustion chamber, a stagnant boundary layer is easily formed inside the walls of the chamber and also into the outlet channel, which in some designs is also used to release heat to the surroundings. Such stagnant boundary layers will normally form when hot gases pass along a surface that is to be heated. These layers consist of gases that flow over said surface, but at a very reduced speed (the reduction caused by friction) in relation to the flow speed of the rest of the gases that flow past the surface, and this reduced speed forces said layer to transfer rather quickly its heat to the said surface. This layer will therefore be relatively cold compared to the rest of the hot gases. This cold layer serves as a heat insulator between the surface and the rest of the hot gases and thereby significantly reduces the efficiency of heat transfer to the surface. Until now, attempts have been made to reduce the formation of these stagnant boundary layers by means of complicated mechanical dampers or shutter devices or by ejection of hot gases at the surface in a direction across the surface.

Hensikten med oppfinnelsen er å utnytte maksimalt forbren-ningskammerets volum for best mulig forbrenning av brenslet og å sik-re best mulig varmeoverføring i apparatets utløpsparti og å unngå The purpose of the invention is to make maximum use of the volume of the combustion chamber for the best possible combustion of the fuel and to ensure the best possible heat transfer in the outlet part of the appliance and to avoid

den nevnte dannelse av stillestående grensesjikt i forbrenningskammeret og avløpet. En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveie-bringe et varmeapparat som er utført slik at det ikke er nødvendig å tilføre forbrenningskammeret sekundærluft for oppnåelse av fullsten-dig forbrenning. Enda en hensikt med oppfinnelsen er å utføre appa-~ ratet slik at flammene aldri får anledning til å forplante seg ut-over selve apparatet. the aforementioned formation of a stagnant boundary layer in the combustion chamber and the drain. Another purpose of the invention is to provide a heater which is designed so that it is not necessary to supply the combustion chamber with secondary air to achieve complete combustion. Another purpose of the invention is to design the apparatus so that the flames never have the opportunity to propagate beyond the apparatus itself.

Apparatet ifølge oppfinnelsen utmerker seg i det vesentli-ge ved at det er utført med et antall innløpsåpninger for innstrøm-ning av brensel/luftblanding i forbrenningskammeret og et antall ut-løpspassasjer for utstrømning av forbrenningsprodukter fra forbrenningskammeret, hvor antall utløpspassasjer svarer til antall innløps-åpninger, og hvor hver innløpsåpning er avgrenset ved to materialpartier som er innbyrdes adskilt med en avstand lik avstanden mellom tilsvarende materialpartier som begrenser hver utløpspassasje, hvilket forbrenningskammer og hvilke utløpspassasjer er i sin helhet dannet ved en kjerne av varmeledende materiale som under drift bestrykes av fluidet som skal oppvarmes, hvor innløpsåpningene er anordnet slik i forhold til utløpspassasjene at forbrenningsflammene vil holdes i stillinger ut fra hvilke den største del av forbrenningsvarmen vil ledes gjennom nevnte kjerne til fluidet. The device according to the invention essentially differs in that it is designed with a number of inlet openings for the inflow of fuel/air mixture into the combustion chamber and a number of outlet passages for the outflow of combustion products from the combustion chamber, where the number of outlet passages corresponds to the number of inlet openings, and where each inlet opening is delimited by two material sections that are separated from each other by a distance equal to the distance between corresponding material sections that limit each outlet passage, which combustion chamber and which outlet passages are formed in their entirety by a core of heat-conducting material which is coated by the fluid during operation which is to be heated, where the inlet openings are arranged in such a way in relation to the outlet passages that the combustion flames will be held in positions from which the largest part of the combustion heat will be conducted through said core to the fluid.

En særlig fordelaktig utførelse av apparatet går ut på at innløpsåpningene og utløpspassasjene er anordnet innenfor en enhet dannet av to identiske ekstruderte blokker av varmeledende materiale, hvor hver blokk har et antall spor, slik at med blokkene anordnet si-de mot side danner sporene i hver blokk sammen innløpsåpningene og utløpspassasjene. Forbrenningskammeret er fortrinnsvis dannet ved at materialet er fjernet fra hver blokk for utforming av en uttagning hvis dybde er større en sporenes dybde. Ved en utførelse av oppfinnelsen er utløpspassasjene og innløpsåpningene anordnet i flukt med hverandre. A particularly advantageous embodiment of the device is that the inlet openings and the outlet passages are arranged within a unit formed by two identical extruded blocks of heat-conducting material, where each block has a number of grooves, so that with the blocks arranged side by side, the grooves in each form block together the inlet openings and outlet passages. The combustion chamber is preferably formed by the material being removed from each block to form a recess whose depth is greater than the depth of the grooves. In one embodiment of the invention, the outlet passages and the inlet openings are arranged flush with each other.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av eksempler under henvisning til tegningen som viser et apparat (med delene tatt fra hverandre) utført i samsvar med oppfinnelsen. The invention shall be explained in more detail by means of examples with reference to the drawing showing an apparatus (with the parts taken apart) made in accordance with the invention.

På tegningen er vist et varmeapparat omfattende en kjerne 10 som er dannet ved at to blokker 11,12 av varmeledende materiale er klemt sammen. Materialet har fortrinnsvis stor varmelednings-evne, såsom f.eks. aluminium,og blokkene er anbragt side mot side. Hver blokk 11,12 er opprinnelig ekstrudert eller sprøytestøpt på- en slik måte at den har flere i avstand fra hverandre beliggende spor som er anordnet i en av blokkens flater og som strekker seg mellom blokkens to motsatte kanter. Hver blokk bearbeides så i maskiner, såsom i en slipema-skin for å fjerne materiale fra nevnte side av blokken, slik at det dannes en avlang forsenkning 13. Forsenkningens lengdeakse forløper perpendikulært på sporenes lengdeakser og denne forsenkning deler sporene i to sett spor og er samtidig i forbindelse med tilstøtende ender av de to sett med spor. Videre er forsenkningens 13 dybde gjort større enn sporenes dybde. The drawing shows a heater comprising a core 10 which is formed by two blocks 11,12 of heat-conducting material being clamped together. The material preferably has high thermal conductivity, such as e.g. aluminium, and the blocks are placed side by side. Each block 11, 12 is originally extruded or injection molded in such a way that it has several spaced apart grooves which are arranged in one of the block's surfaces and which extend between the block's two opposite edges. Each block is then machined, such as in a grinding machine, to remove material from said side of the block, so that an oblong recess 13 is formed. The longitudinal axis of the recess runs perpendicular to the longitudinal axes of the grooves and this recess divides the grooves into two sets of grooves and is simultaneously in conjunction with adjacent ends of the two sets of tracks. Furthermore, the depth of the recess 13 is made greater than the depth of the grooves.

De to blokker 11 og 12 formes identiske og festes der-etter til hverandre med sidene i anlegg med hverandre. Hvert spor i hvert sett i en av blokkene 11,12 er da i forbindelse med et tilsvarende spor i den annen blokk 12,11. Således danner de to for-senkninger 13 i de to blokker et forbrenningskammer 14. Et av settene med spor i blokken og det tilsvarende sett med spor i den annen blokk 12 begrenser eller danner innløpsåpningene 15 til brenneren, mens det annet sett med spor i den annen blokk 12 danner flere utløpspassasjer 16 for forbrenningsproduktene. Den del av kjernen som begrenser disse utløpspassasjer, danner i det minste en del av en varmeutveksler. Man vil derfor forstå at forbrenningskammeret 13 på den ene side er i forbindelse med innløpsåpningene 15 og på den motsatte side med utløpspassasjene 16. Videre er dimensjonene for hver brennerinnløpsåpning målt i en retning rettvinklet på innstrømningsretningen for brensel/luft-blandingen som strømmer inn i disse åpninger, lik dimensjonene for hver utløps-passasje målt rettvinklet på forbrenningsproduktenes strømnings-retning. The two blocks 11 and 12 are shaped identically and then attached to each other with the sides in contact with each other. Each track in each set in one of the blocks 11,12 is then in connection with a corresponding track in the other block 12,11. Thus, the two recesses 13 in the two blocks form a combustion chamber 14. One of the sets of grooves in the block and the corresponding set of grooves in the other block 12 limit or form the inlet openings 15 to the burner, while the other set of grooves in the another block 12 forms several outlet passages 16 for the combustion products. The part of the core which limits these outlet passages forms at least part of a heat exchanger. It will therefore be understood that the combustion chamber 13 is on one side in connection with the inlet openings 15 and on the opposite side with the outlet passages 16. Furthermore, the dimensions for each burner inlet opening are measured in a direction at right angles to the inflow direction of the fuel/air mixture that flows into these openings, equal to the dimensions of each outlet passage measured at right angles to the flow direction of the combustion products.

Kjernens 10 ytre er forsynt med varmeutstrålende flater The outer 10 of the core is provided with heat-radiating surfaces

i form av flere finner 17 som er innrettet til å overføre varme til et fluidum (såsom luft) som tvinges til å strømme langsetter finnene eller ribbene 17. in the form of several fins 17 which are arranged to transfer heat to a fluid (such as air) which is forced to flow along the fins or ribs 17.

De to blokker 11 og 12 er klemt sammen ved hjelp av av-lange plater 18 og 19 som hver har stort sett U-formet tverrsnitt. Hver plate 18,19 har to parallelle flenser 20,21 forbundet med et steg 22. Flensenes frie kanter er forsynt med tilspissede partier 23 som kommer i inngrep med tilspissede partier 24 av blokkene 11 og 12. Partiene 23 holdes i inngrep med partiene 24 ved hjelp av stort sett U-formede bøyler 25 forsynt med ytre skruegjenger ved endene. Bøylene er i anlegg med den ytre flate av platen 18 og bøylearmenes gjengede ender er ført gjennom åpninger 26 i en plate 27 som er i anlegg med platens 19 ytre flate. Bøylearmenes ender er forsynt med muttere 28 for sammenskruing av blokkene 11,12 og platene 18,19. The two blocks 11 and 12 are clamped together by means of oblong plates 18 and 19, each of which has a largely U-shaped cross-section. Each plate 18,19 has two parallel flanges 20,21 connected by a step 22. The free edges of the flanges are provided with pointed parts 23 which come into engagement with pointed parts 24 of the blocks 11 and 12. The parts 23 are held in engagement with the parts 24 by using mostly U-shaped hoops 25 provided with external screw threads at the ends. The hoops are in contact with the outer surface of the plate 18 and the threaded ends of the hoop arms are led through openings 26 in a plate 27 which is in contact with the outer surface of the plate 19. The ends of the hoop arms are provided with nuts 28 for screwing together the blocks 11,12 and the plates 18,19.

Platen 19 danner et fordelingskammer for luft/brensel-blandingen og er i forbindelse med innløpsåpningene 15. På tilsvarende måte tjener platen 18 som samlekammer og er i forbindelse med utløpspassasjene 16, og om ønskelig kan forbrenningsproduktene utspees eller fortynnes i dette utløpssamlekammer. To endeplater The plate 19 forms a distribution chamber for the air/fuel mixture and is in connection with the inlet openings 15. In a similar way, the plate 18 serves as a collection chamber and is in connection with the outlet passages 16, and if desired, the combustion products can be expelled or diluted in this outlet collection chamber. Two end plates

29 og 30 er så festet til den nettopp omtalte montering ved hjelp 29 and 30 are then attached to the assembly just mentioned using

av bolter som er ført gjennom åpninger i endeplatene og går inn i åpninger som er forsynt med gjenger og er utformet i blokkene 11 of bolts passed through openings in the end plates and entering threaded openings formed in the blocks 11

og 12 og også i to gjengeåpninger i stort sett U-formede festede-ler 31 som er anbragt glidbare i spor 32 utformet i de ytre flater and 12 and also in two threaded openings in largely U-shaped fastening parts 31 which are slidably arranged in grooves 32 formed in the outer surfaces

av platene 18 og 19. Platen 30 er forsynt med en åpning 33 som er of the plates 18 and 19. The plate 30 is provided with an opening 33 which is

i forbindelse med innløpsfordelingskammeret og som har innført en ledning (ikke vist) for tilførsel av brensel/luft-blandingen. Denne plate 30 er også forsynt med en annen åpning 34 som er i forbindelse med forbrenningskammeret 14 og som er utstyrt med en i denne innført og tett anbragt, hensiktsmessig høyspenningstenner 35. Platen 29 er forsynt med en åpning 36 som er i forbindelse med ut-løpskammeret og som har innført en utløpskanal (ikke vist). in connection with the inlet distribution chamber and which has introduced a line (not shown) for supplying the fuel/air mixture. This plate 30 is also provided with another opening 34 which is in connection with the combustion chamber 14 and which is equipped with a suitable high-voltage igniter 35 inserted in it and closely arranged. The plate 29 is provided with an opening 36 which is in connection with the the running chamber and which has introduced an outlet channel (not shown).

Når apparatet er i bruk, tilføres en brensel/luft-blanding, fortrinnsvis i form av en gass/luft-blanding,til apparatets fordelingskammer, hvor blandingen føres gjennom innløpsåpningene 15 til forbrenningskammeret 14. Blandingen antennes i kammeret 14 ved hjelp av en gnist fra høyspenningstenneren 35. Flammene vil holdes til steder hvor brennerinnløpsåpningene 15 er i forbindelse med forbrenningskammeret 14 forutsatt at forholdene er tilrette-lagt slik at flammens forplantningshastighet i gass/luft-blandingen er mindre enn strømningshastigheten gjennom innløpsåpningene 15 og større enn strømningshastigheten i forbrenningskammeret. Disse flammer vil da i sin helhet holdes inne i varmeapparatet. Det meste av varmen frembragt ved forbrenning vil derfor overføres til det materiale som omgir utløpspassasjene og vil så overføres gjennom dette materiale i kjernen 10 til ribbene 17 og videre til luf-ten som passerer forbi ribbene. Man vil forstå at kjernen 10 er When the device is in use, a fuel/air mixture, preferably in the form of a gas/air mixture, is supplied to the device's distribution chamber, where the mixture is fed through the inlet openings 15 to the combustion chamber 14. The mixture is ignited in the chamber 14 by means of a spark from the high-voltage igniter 35. The flames will be held to places where the burner inlet openings 15 are in connection with the combustion chamber 14, provided that the conditions are arranged so that the flame propagation speed in the gas/air mixture is less than the flow speed through the inlet openings 15 and greater than the flow speed in the combustion chamber. These flames will then be completely contained within the heater. Most of the heat produced by combustion will therefore be transferred to the material that surrounds the outlet passages and will then be transferred through this material in the core 10 to the ribs 17 and further to the air that passes past the ribs. One will understand that the core 10 is

en forseglet enhet og at ingen sekundærluft tilføres forbrenningskammeret. Brensel/luft-blandingen som gjennom innløpsåpningene 15 kommer inn i forbrenningskammeret 14, inneholder derfor i det minste hele den luft som trenges til forbrenning. a sealed unit and that no secondary air is supplied to the combustion chamber. The fuel/air mixture that enters the combustion chamber 14 through the inlet openings 15 therefore contains at least all the air required for combustion.

Apparatet ifølge denne utførelse kan benyttes i sentral-varmesystemer til husholdningsbruk, men kan også brukes til andre formål. Hvis man sløyfer ribbene 17 og utfører blokkene 11 og 12 med større tykkelse, kan disse blokker forsynes med åpninger for inn-føring av ledninger som fører en væske, såsom vann, som skal oppvarmes . The device according to this embodiment can be used in central heating systems for household use, but can also be used for other purposes. If the ribs 17 are looped and the blocks 11 and 12 are made with greater thickness, these blocks can be provided with openings for the introduction of lines which carry a liquid, such as water, to be heated.

Ved den ovenfor omtalte utførelse vil flammen eller de en-kelte flammer være "forankret" på steder hvor flammens forplantningshastighet i angjeldende brensel/luft-blanding under de spesielle forhold er mindre enn hastigheten av brensel/luft-blandingen på disse steder. På denne måte vil varmen dannes på steder hvor det meste av varmen kan overføres ved ledning i materialet som begrenser utløps-passasjene for forbrenningsproduktene og derfra til fluidet som oppvarmes, samt ved konveksjon fra den materialflate som er i kontakt med fluidet. Dessuten unngås eller reduseres vesentlig dannelsen av stående grensesjikt ved flaten som oppvarmes med den følge at man oppnår en betydelig økning av varmeoverføringens virkningsgrad fra forbrenningsproduktene til det materiale som begrenser utløpspassa-sjene. Effektiviteten vil også forbedres ved turbulensen i forbren-ningssonene og samtidig vil man oppnå størst mulig fordel av flamme-strålingen. Man vil også merke seg at brensel/luft-blandingen som tilføres brenneren, inneholder all den luft som trenges til forbrenning og at ingen sekundærluft tilføres. Videre er utførelsen av brenneren i forhold til forbrenningskammeret slik at flammene fra forbrenningen i sin helhet vil forbli inne i apparatet. In the above-mentioned embodiment, the flame or individual flames will be "anchored" in places where the flame propagation speed in the relevant fuel/air mixture under the particular conditions is less than the speed of the fuel/air mixture in these places. In this way, the heat will be generated in places where most of the heat can be transferred by conduction in the material that limits the outlet passages for the combustion products and from there to the fluid that is heated, as well as by convection from the material surface that is in contact with the fluid. In addition, the formation of a standing boundary layer at the surface that is heated is avoided or significantly reduced, with the result that a significant increase in the heat transfer efficiency from the combustion products to the material that limits the outlet passages is achieved. Efficiency will also be improved by the turbulence in the combustion zones and at the same time the greatest possible benefit from the flame radiation will be achieved. It will also be noted that the fuel/air mixture supplied to the burner contains all the air needed for combustion and that no secondary air is supplied. Furthermore, the design of the burner in relation to the combustion chamber is such that the flames from the combustion in their entirety will remain inside the appliance.

Claims

1. Heater for supplying heat to a fluid, comprising a combustion chamber with inlet for fuel/air mixture and outlet for combustion products, characterized in that the device is designed with a number of inlet openings (15) for inflow of fuel/air mixture into the combustion chamber (14 ) and a number of outlet passages (16) for the outflow of combustion products from the combustion chamber, where the number of outlet passages (16) corresponds to the number of inlet openings (15), and where each inlet opening (15) is delimited by two material parts which are mutually separated by a distance equal to the distance between corresponding parts of material that limit each outlet passage (16), which combustion chamber (14) and which outlet passages (16) are formed in their entirety by a core of heat-conducting material which during operation is coated by the fluid to be heated, where the inlet openings are arranged in this way in relation to the outlet passages that the combustion flames will be held in positions from

in which the largest part of the combustion heat will be conducted through said core to the fluid. 2. Heater according to claim 1, characterized in that • the inlet openings (15) and the outlet passages (16) are arranged within a unit formed by two identical extruded blocks (11 and 12) of heat-conducting material, where each block has a number of grooves, so that with the blocks arranged side by side, the grooves in each block together form the inlet openings and outlet passages.

3. Heater according to claim 2, characterized in that the combustion chamber (14) is formed by material being removed from each block to form a recess (13) which has a depth greater than the depth of the grooves.

4; Heater according to one or more of the preceding claims, characterized in that the dimensions of each of the inlet openings (15) measured at right angles to the flow direction of the fuel/air mixture are equal to the dimensions of each of the outlet passages (16) measured in a direction at right angles to the flow of the combustion products -ning direction.

5. Heater according to one or more of the preceding claims, characterized in that each outlet passage (16) lies flush with an inlet opening (15).