NO138047B - Fyrkjel, fyrt med flytende eller gassformig brennstoff - Google Patents

Description

Ved igangsetting av en fyrkjel, fyrt med flytende

eller gassformig brennstoff, finner tenningen av den brennbare blanding med luft sted etter en viss forsinkelse, hvilket gir en eksplosjonsartet tenning i forbrenningskammeret. De trykk-bølger som dannes ved denne setter en grense for fyrkjelens størrelse, idet trykkbølger som er for sterke, vil kunne slukke start-flammen og gjøre det umulig å starte kjelen.

Man vet dessuten at varmeoverføringskoeffisienten fra

en varmeledningskanal inneholdende varme gasser og til vann som går gjennom fyrkjelen, er en funksjon av gassens turbulens i fyrkanalene. I fyrkjeier av kjent type er denne gassturbu-

lens relativt svak og økes i praksis bare ved innsetting av ledeskovler langs fyrkanalene (gasskanalene). For at gassens temperatur skal ligge ned mot 100 - 150°C når den føres til pipe må disse gasskanalenes lengde være relativt stor. Idet man forutsetter at fyrkjelenes pris i det vesentlige er propor-sjonal med vekten av fabrikasjonsmaterialet, vil man forstå

ønsket om å kunne øke ytelsen og redusere lengden på gasskana-

lene ved å øke varmeoverføringskoeffisenten.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å avhjelpe

disse ulemper, i det minste delvis, ved å øke ytelsen og varme-overf øringskoef f isienten. Ved hjelp av den beskrevne apparatur kan man nedsette fyrkjelens størrelse og vekt i forhold til kjente fyrkjel-er med samme ytelse.

Således angår oppfinnelsen en fyrkjel med flytende

eller gassformig brennstoff, omfattende et forbrenningskammer avgrenset av sidevegger, en bunn og et deksel forsynt med :brenneråpning, et vannsirkulasjons-kretsløp i kammeret, forbun-

det med en kilde for kaldt vann og en samlebeholder for varmt vann, samt minst én varmeoverføringskanal (gasskanal) i kontakt med vannkretsløpet, og som forbinder forbrenningskammeret med minst ett oppsamlingsorgan for avløpsgass. Denne fyrkjel karakteriseres ved at nevnte kammer står i forbindelse med varme1edningskånalen via en rekke innblåsningsåpninger.

Anordningen av en rekke innblåsningsåpninger mellom forbrenningskammeret og gasskanalene som forbinder kammeret med en eller flere gassoppsamlere for avløpsgass, har den ønskede hensikt, som det skal beskrives nøyere i det følgende. For det første skaper nevnte innblåsningsåpninger trykktap som gjør det mulig å dempe trykkbølgene i forbrenningskammeret og øke fyrkjelens ytelse uten å øke forbrenningskammerets stør-relse.

Innblåsningsåpningene vil akselerere gassen som føres inn i gasskanalene kraftigj produsere en betraktelig bevegel-sesmengde og en intens røring og hvirvling av gassen i kanalene. Takket være denne gassbevegelse, i det følgende kalt hvirvling, vil varmeoverføringskoeffisienten øke, og gasskanalenes lengde kan reduseres tilsvarende i henhold til oppfinnelsen.

Andre spesielle trekk og fordeler vil fremgå av beskrivelsen som følger. Beskrivelsen er knyttet til en fyrkjel av en spesiell type. Det er imidlertid allerede presisert at oppfinnelsen også kan anvendes på andre typer fyrkjeler, spe-sielt fyrkjeler forsynt med et klassisk deksel og som ikke nød-vendigvis omfatter et ekspansjonskammer som kan tas av kjelen.

Tegningen viser som eksempel en utførelse av en .fyrkjel- i henhold til oppfinnelsen, hvor:

Fig. 1 viser et snitt gjennom planet I på fig. 2.

Fig. 2 viser et snitt gjennom planet II-II på fig. 1. Fig. 3 er et snitt gjennom planet III-III på fig..1. Fig. k er et snitt gjennom planet IV-IV-på fig. 1.

Fig. 5 er et snitt gjennom planet V-V på fig. 2.

Fig. 6 er et snitt gjennom en gasskanal i.forstørret målestokk, hvor man har vist gassblandingens sekundærbevegelse.

Fyrkjelén vist på fig. 1 er en modulkjel som omfatter et hult deksel1 1, en bunn 2, tre mellomelementer 3 og et eks-pans jonskammer h festet til bunnen 2. Dekslet 1 er forsynt med en åpning 5 som opptar en brenner 6. Åpningen 5 står i forbin-deise med forbrenningskammeret 7 som omsluttes av dekslets innervegger og bunnen 2 samt av sentrale åpninger 8 som går gjennom meHomelementene 3. Innerveggen i dekslet 1 har en form hvis aerodynamiske egenskaper skal beskrives senere.

Bunnen i fyrkjelen som avslutter forbrenningskammeret 7 løper inn i seks kanaler 9 i form av ringformede segmenter som løper konsentrisk med kammerets 7 lengdeakse.

Før fyrkjelen beskrives mer detaljert kan det være

en fordel å omtale et mellomliggende element 3 ved hjelp av fig. 2. Dette elementet sett fra siden har generelt ringform. Man finner sentralåpningen 8 og kanalene 9 som går gjennom elementet 3 som strekker seg mellom to parallelle plan loddrett på aksen gjennom åpningen 8. Elementet er et hult støpe-stykke. Hulrommet 3a (fig. 1 og 5) i denne hul-støpedelen står i forbindelse med to åpninger 10 og 11 diametralt motstående i forhold til åpningen 8 og som går gjennom elementet 3 parallelt med aksen gjennom midtåpningen 8. Åpningen 10 er forbundet med fordelingskretsen for varmtvann. Seks radiale segmenter 12 er anordnet mellom kanalene 9 og forbinder elementene 3, dvs. partiet som ligger utenfor kanalene 9> med en indre ring 13 som omgir midtåpningen 8. De radiale segmenter 12 og ringen 13 er innvendig hule slik at de står i forbindelse med innerrommet 3a som omgir kanalene 9«

Som fig. 1 viser, går ringen 13 over hele bredden av mellomelementet 3 slik at ringene 13 ligger tett inntil hverandre. Dette gjelder ikke for de deler av elementet 3 som går ut til omkretsen av kanalene 9« I sistnevnte del av elementet går hulrommet ikke over hele elementets bredde, og resten av den ledige bredden opptas av tre ribber l6, 19 og 20, anordnet på hver av elementets to sider og som danner gasskanalene 17 og 18 mellom gasskanalene 9 og gassavløpet lk, resp. 15 diametralt motstående i forhold til aksen gjennom forbrenningskammeret 7. Disse kollektorer for avløpsgass er lukket med hetter hvorav bare hetten 15' er vist på fig. 1. Som det frem-går av figuren, alternerer gassledningene 17, 18 med de indre rom 3a i elementene 3.

Det vises på nytt til fig. 2 hvor man ser at virk-ningen av kanalene 17 og 18 oppnås ved hjelp av to spiralrib-ber 19 og 20 som er forskjøvet 180° i forhold til hverandre og

strekker seg omkring den sirkulære ribbe l6 som danner ytter-

veggen i kanalen 9. Hver av kanalene 9 er forbundet med led-

ningene 17 og 18 ved hjelp av to innblåsningsåpninger 21 som strekker seg over en del av kanalens lengde, som det vil for-

klares nøyere senere.

Man ser på fig. 1 og 3 en rekke åpninger 22 fordelt

langs samme sirkel, som dannes mellom dekslet 1 og den indre ringen 13 i modulelementet 3 som ligger inntil dekslet. Åp-

ningene 22 setter bakre del av kanalene 9 i forbindelse med forbrenningskammeret 7 og muliggjør en re-innblåsing av en viss mengde varme gasser og en bedre utjevning av trykket i kanalene 9. Forbrenningsgassenes temperatur blir på denne måten jevnere i kanalene og varmeoverføringen bedre fordelt. Nevnte re-innblåsing favoriserer en forbrenning med blå flamme som gir bedre varmeytelse og går stillere enn forbrenning med gul flam-

me .

Bunnen 2 i fyrkjelen er lilceledes forsynt med en

indre ring 23. Mellom denne ringen 23 og veggen 24 som lukker kammeret 7 dannes seks kanaler 9 som ringformede segmenter.

Som de andre ringene 13 står ringen 23 på den ene side i forbindelse med åpningen 10' og på den annen side med en åpning 11'. Åpningene befinner seg i forlengelsen av åpningene 10,

resp. 11, og danner på denne måten en fordelingsledning for kaldtvann, resp. en fordeling for varmtvann.

Bunnen 2 har dessuten en ringformet vegg 25 som løper omkring veggen 24 og setter åpningene 10' og 11' i forbindelse med hverandre.

Denne ringformede vegg 25 er beregnet for feste av ekspansjonskammeret 4. Ekspansjonskammeret 4 har en vegg 26

forsynt med en liten åpning 27 og festet gasstett til enden av den ringformede veggen 25 som på denne måten danner, bort-

sett fra åpningen 27, et lukket rom mellom veggene 24 og 26. Ekspansjonskammeret har dessuten en membran 28 hvor kanten er

klemt mellom kanten av veggen 26 og kanten av beholderen 29.

Disse tre deler er satt sammen på den ringformede veggen 25

ved hjelp av en festekrave 30. En ledering 31 er festet på

baksiden av veggen 26, konsentrisk med sideveggen.i beholderen 29, og danner en understøttelse når membranen 28 tvinges mot veggen 26. Ekspansjonskammeret 4 er dessuten forsynt med en

åpning 32 som går gjennom veggen i beholderen 29 og som tjener til innføring av et medium mellom membranen 28 og beholderen for å utøve et visst trykk mot membranen 28.

Brenneren 6 er montert koaksialt i kammeret 7. Bren-nerelementet omfatter en spiral-innløpskasse 36 festet i åpningen 5 på dekslet 1. Kassen 36 er forsynt med ledeskovler 37 som gir luftstrømmen og den resirkulerte gass som går inn i kammeret 7 en ~for-rotasjon. Innløpskassen er forbundet med re-sirkulasjonsanlegget for forbrenningsgass (ikke vist) og går til en av gassutløps-kanalene lk og 15.

Under -drift går forbrenningsgassene som dannes i kammeret 7 gjennom de seks kanalene 9 i form av ringformede segmenter og strømmer i retning mot dekslet 1. Etter hvert som gassen går fremover i kanalene 9 trenger forbrenningsgassen inn i spiralledningene 17 og 18 gjennom innblåsningsåpningene 21 gjennom de sirkulære ribber l6. Spiralkanalene 17 og 18 fø-rer f orbrenningsgassen mot avløpskanalene lk og 15, resp. En av avløpskanalene er forbundet til pipe mens den annen er forbundet med brenneren via en resirkulasjonskrets (ikke vist). Som tidligere angitt står bakre del av kanalene 9 i forbindelse med forbrenningskammeret 7 via åpningene 22. På denne måten blir en del av forbrenningsgassen reinnblåst i forbrenningskammeret gjennom åpningene 22. Denne re-innblåsing og resir-kulasjon av gassen i brenneren sikrer en forbrenning med blå flamme.

Forskjellige undersøkelser har vist fordelene ved krumning av en kanal med en viss lengde på strømningen av et medium i kanalen. Slik krjmning bevirker at det i strømningen dannes sekundærbevegelser i et plan loddrett på gassen eller væskens løpsretning. Pilene som er inntegnet i en slik kanal, vist i større målestokk på fig. 6, viser disse sekundærbevegelser skjematisk. Sekundærbevegelsene vil i sterk grad bedre varmeoverføringen mellom gassen og kanalveggene. Dette oppnås ved sentrifugalvirkningen av krumningen, som imidlertid ikke er av betydning før Dean-tallet for strømningen er over en viss grense. Denne grense er funksjon av mediets (gassens) Prandtl-tall (Pr), som er gitt ved forholdet mellom mediets kinematiske viskositet og dens termiske diffusivitet. Dean-tallet er definert ved formelen:

hvor Re betegner strømningens Reynolds-tall, ri er kanalens hydrauliske diameter, Rc er kanalens krumningsradius.

Som eksempel kan det nevnes at for en gass eller gass-blanding hvor Pr er av størrelsesorden 0,7» er det minste Dean-tall som må foreligge for at det skal dannes vesentlige sekundærbevegel ser,. av størrel sesorden 10,. Hvis Pr er .omkring 5 (for vann), er De min.~5, og hvis Pr = 30 (for lett olje, De min.^acl.

Anordningen av innblåsningshuss 21 anbrakt langs innersiden av de spiralformede gasskanaler, (varmeoverførings-kanaler), har til hensikt å forsterke disse sekundærbevegelser lokalt med en faktor som er en funksjon av forskjellen mellom den hastighet som skyldes krumningen, alt etter krumningsra-dien, og innblåsningshastigheten. Man kan si at hvis man gjennom åpningene som går inn til den krumme kanalen (se fig. 6) blåser inn en gassmengde med en hastighet som er tyve ganger større enn den sekundære hastighet som skyldes krumningen, er forsterkningsfaktoren som skyldes krumningsvirkningen av stør-relsesorden 2, som er en betydelig økning.

Nevnte sekundærbevegelser fordeler effektivt den inn-blåste gassen og gjør temperaturen omkring spiralkanalen jevnere. Resultatet blir en større varmeoverføring og nedsatt varmespenning i metallet.

Tverrsnittsåpningen for de forskjellige innblåsningsåpninger 21 er synkende fra åpning til åpning, forfra og bakover, gjennom varmeledningskanalene 17 og 18. Dette trekk skyldes trykktapet man får forfra og bakover i kanalene og gjør det mulig å oppnå jevn levering gjennom alle innblåsningsåpningene.

Uavhengig av krumningen på de varmeoverførende kanaler byr blåseåpningene på flere fordeler, særlig at man oppnår en utjevning av den gassmengden som går gjennom de forskjellige elementer 3» slik at siste element får omtrent samme gassmengde som første, videre at man oppnår en kraftig turbulens i gasskanalene som øker varmeoverføringen, og endelig at man opererer med re-innblåsing av varme gasser i en allerede avkjølt gass, hvilket øker gassens middeltemperatur og følge-lig varmestrømmen fra gass til vann.

Man vil dessuten se at åpningene er anordnet med like stor vinkelavstand fra hverandre i forhold til lengdeaksen gjennom forbrenningskammeret 7» hvilket fordeler varmepunktene i metallet på jevn måte og følgelig også de følgende temperatur spenninger .

På-fig. 5 vil man forøvrig se at tverrsnittet gjennom gasskanalene synker fra åpningen 21 og til neste og utvides igjen kraftig overfor h<y>er åpning. Dette tverrsnittsforløp er valgt slik at, av-hensyn til det minkende gassvolum, den økende avkjøling og de nye tilstander etter hver irinblåsing. Tverrsnittet er sålede-s beregnet slik at man oppnår en vesentlig konstant strømningshastighet for gassen gjennom gasskanalene.

Forbrenningsgassen går i spiralformet strømning i to separate strømmer mellom hvert element 3, mens vannstrømmen foregår inne i disse elementer, fra åpning 10 til åpning 11. En del av det kalde vannet som går inn i rommet 3a i mellom-elementene 3 går inn i ringen 13 gjennom de radiale segmenter 12 som forbinder elementet 3 med denne ringen.

Når fyrkjelen er i drift, påsettes et visst trykk i ekspansjonskammeret k mellom beholderen 29 og membranen 28 med innføring av trykkgass gjennom åpningen 32 som derpå lukkes hermetisk. Når vannet går inn, vil trykket inne i ekspansjonsr kammeret h utjevnes gjennom åpningen 27. Denne anordning av ekspansjonskammeret er fordelaktig fordi den kan formes som en del med fyrkjelen og gir en mer kompakt installasjon.

I løpet av beskrivelsen er det allerede nevnt noen fordeler ved foreliggende fyrkjele i henhold til oppfinnelsen. Man kan. fremheve andre fordeler som løser problemer som er knyttet til de kjente markedsførte typer av fyrkjeler.

Blant disse fordeler nevnes først at strømningen av forbrenningsgass mellom kanalene 9 og fordelerne lk og 15 er anordnet ved gasskanaler .17, 18, forgrenet parallelt med kanalene 9» Denne anordning av varmeoverførende kanaler i parallell er meget viktig idet tverrsnittet gjennom forbrenningsgass-kanalene da kan avpasses til fyrkjelen.

Hvert modulelement er forsynt med to gassledninger 17, 18 som er forbundet med to gassavløp lk og 15, slik at man kan resirkulere avløpsgassen fra en av de to fordelere. Som man vil se særlig godt av snittene gjennom fyrkjelen, er kjelens geometriske oppbygning symmetrisk både når det gjelder tilfør-sels- og utløpskanaler for vann og gasskanaler og gassutløp. Denne symmetri gir en særlig jevnt fordelt temperaturbelast-ning slik at man unngår sterke temperaturspenninger i støpe-godset.

Man ser også av de samme tverrsnitt av fyrkjelen at den andre halvdel.av hver gasskanal, beliggende bak åpningene 21 som munner ut i kanalene, får et synkende tverrsnitt etter hvert som kanalen nærmer seg avløpsforgreningene lk og 15. Avkjølingen av gassen fører til et mindre spesifikt volum idet det absolutte trykket er i det vesentlige konstant og man oppnår ved dette minskende tverrsnitt å utjevne hastigheten av gassen som igjen medvirker til en god varmeoverføring. Man kan eventuelt innsette turbulensgeneratorer i kanalene (ikke vist). Dette er imidlertid valgfritt.

Claims (6)

1. Fyrkjel, fyrt med flytende eller gassformig brennstoff, omfattende et forbrenningskammer (7) avgrenset av sidevegger, en bunn (2) og et deksel (l) forsynt med en brenneråpning (5) for en brenner (6), en vannsirkulasjonskrets som omgir nevnte kammer og er forbundet med en kilde for kaldt vann og en fordeler av varmt vann, samt minst en varmeover-førende gasskanal (l7> 18) i kontakt med nevnte vannkretsløp, og som forbinder forbrenningskammeret med minst en fordeler for avløpsgass ( lk, 15), karakterisert ved at forbrenningskammeret (7) står i forbindelse med gasskanalene (l7, 18) gjennom en rekke innblåsningsåpninger (2l).

2. Fyrkjel som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte gasskanal (l7> 18) omgir forbrenningskammeret (7) og at innblåsningsåpningene (2l) munner ut i gasskanalen gjennom den veggen som ligger inntil forbrenningskammeret.

3. Fyrkjel som angitt i krav 1, sammensatt av modulele-menter (3) med hule vegger, hvilke elementer omfatter et tverrsnitt i kammeret og innvendig er forbundet med en første (lO) og en andre (li) kanal til respektivt kilden for kaldt vann og fordeleren for varmt vann, hvilke ledninger er anordnet på begge sider av de~t respektive element idet de tilstøtende sider av elementene (3) er forsynt med like ribber (l6, 19, 20 ) under dannelse av en gasskanal, karakterisert ved at en av ribbene (l6) på hver side er i det vesentlige sirkulær og omgir forbrenningskammeret mens minst en annen ribbe (19» 20), ut fra førstnevnte ribbe og omkring denne, danner en spiral, og slik-at nevnte innblåsningshull (2l) går gjennom den første ribben (l6) og munner ut i midten av kanalen (l7> 18) som dannes mellom ribbene. k.

Fyrkjel som angitt i krav 1 - 3» karakterisert ved at nevnte åpninger (2l) er fordelt i like stor vinkelavstand omkring kammerets (7) midtakse.

5. Fyrkjel som angitt i krav 3, karakterisert ved at det for hvert modulelement (3), regnet fra dekslet (l), er anordnet en hul ring (13) som går omkring elementets innervegg og er festet til denne veggen med hule armer (12) som setter ringens indre i forbindelse med de tilsvarende armer fra naboelementene etc., slik at rommet begrenset av ringenes vegger og armene og modulelementenes (3) innervegg danner parallelle kanaler (9) som går langs kammeret (7)» og ved at kanalene (9) på den ene side står i forbindelse med kammeret (7) i nærheten av bunnen og står i forbindelse med gassledningen gjennom nevnte åpninger (2l).

6. Fyrkjel som angitt i krav 3» karakter! sert ved at hver av de nevnte tilstøtende flater på elementene er forsynt med to spiralforløpende ribber (19» 20) som er forskjøvet 180° i forhold til hverandre omkring névnte sirkulære ribbe (l6) og således mellom elementene danner gasskanaler (l7i 18) som munner ut i separate gass-avløpsfordelere ( lk, 15)» hvorav en slik fordeler er forbundet med et organ for resirkulering av gassen.