NO141867B - Apparat for forbrenning av hoeyverdig brensel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for forbrenning av en blanding

av høyverdige brensler med et oxydasjonsmiddel i en innretning,

f.eks. en kjele, som er fyllt med et strålingsmateriale for flamme-

lås, ikke-katalytisk forbrenning av blandingen. Ved uttrykket "høyverdig brensel" skal forstås gasser og flytende brensler.

Oppfinnelsen skal anvendes i forbindelse med innretninger

(kjeler) hvor denne type av forbrenning anvendes, for hovedsakelig ved stråling å avgi varmen som dannes ved forbrenningen, til varmeutvekslingsflater som avgir varmen til det medium som skal oppvarmes og som står i direkte berøring med disse varmeutvekslingsflater.

Det foreliggende apparat er fremfor alt bestemt for oppvarming av væsker, men det kan også etter egnet tilpasning anvendes for oppvarming av gasser.

Det er allerede kjent en rekke fremgangsmåter og apparater

for flammeløs, ikke-katalytisk forbrenning av høyverdig brensel,

og oppfinnelsen angår ikke en flammeløs forbrenning som sådan.

Dessuten er også strålingskjeier som hovedsakelig virker ved strål-

ing, kjente. De kjente fremgangsmåter og apparater er imidlertid beheftet med visse mangler, og det er formålet med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et slikt apparat under unngåelse av av disse mangler.

Det er allerede kjent en kjele som er forsynt med et for-brenn ingskammer og hvori en blanding av gass og luft forbrennes

og som på sin ene side er stengt med en sinterplate som er for-

synt med et system av parallelle kanaler.

Etter oppvarmingen til å begynne med av den ene

side av denne plate presses forbrenningsreaksjonen inn i platelegemet som derved får en sterkt forhøyet temperatur.

Selv om det også for denne kjele nås en meget høy tempera-

tur som er forutsetningen for en varmeavgivelse ved strå-

ling, dreier det seg her ikke om en strålingskjeie i ordets egentlige betydning da bare en forholdsvis liten varmeandel avgis ved stråling fordi, rommet bak platen er tomt og de varme forbrenningsprodukter ledes gjennom dette rom for vi-

dere anvendelse uten å ha avgitt sin varme ved stråling.

Dessuten er en rekke kjeler kjente som anvendes

for flammeløs forbrenning og hvor en rist og over denne et forbrenningskammer er anordnet, idet forbrenningskammeret oventil er stengt med en ytterligere rist, f.eks. en rør-

rist, som bærer en fylling bestående av en keramisk masse.

Den brennende gassblanding ledes fra forbrenningskammeret gjennom risten og inn i den keramiske fylling hvor forbrenningen avsluttes. Heller ikke denne kjele kan betegnes som en strålingskjeie i ordets egentlige betydning da bare en del av varmen avgis ved stråling, mens derimot en betrakte-

lig del av varmen avgis til det medium som skal oppvarmes,

ved konveksjon i den del av innretningen som befinner seg bak kjelens reaksjonskammer. Det har vist seg i praksis at strålingskjelene som er forsynt med et forbrenningskammer,

har forholdsvis lav virkningsgrad.

En ytterligere kjele er kjent hvor en gass/luft-blanding ledes i ikke forvarmet og i ikke antent tilstand i en gassgjennomslippbar strålingsmaterialefylling med en hastighet som er høyere enn den fremadskridende hastighet for flammeutbredelsen, idet strålingsmaterialet ved høye temperaturer når en varmetilstand hvor den samlede varmeenergi som frigjøres på strålingsmaterialets overflate, avgis til varmeutvekslingsflater i det vesentlige ved stråling. Denne kjele er særpreget ved at den har en meget høy virknings-

grad da forbrenningsreaksjonen finner sted i en forholdsmes-

sig smal sone av strålingsmaterialet og hvorfra i det vesentlige den samlede varmeenergi avgis ved stråling, slik at forbrenningsproduktene etter denne sone allerede er sterkt av-kjølt og det ikke er nødvendig med ytterligere varmevekslings-flater for en etteravkjøling, som tilfellet er for de oven-

for beskrevne kjeler.

Strålingskjeler er overveiende bestemt for fullstendig eller i det minste delvis automatisert drift, f.eks. for oppvarming av eneboliger, boligblokker eller rekkehus etc, hvor kjelen ikke er under stadig oppsikt. En av de grunnleggende betingelser er derfor at kjelen skal være så

godt sikret som mulig mot ødeleggelse på grunn av svikt i en av hjelpeinnretningene, f.eks. ved avbrudd av gasstilførselen, strømutfall eller svikt i væskepumpen etc. Den farligste av disse forstyrrelser som kan føre til en fullstendig ødeleggelse av kjelen, er en kortvarig avbrytelse av gasstilførse-len som stopper forbrenningen av blandingen i kjelen i en viss tid, hvorpå når gasstilførselen igjen er opprettet, den uantente gass oppsamles i kjelen og kan forårsake en eksplosjon. En lignende fare kan også oppstå dersom gassblandin-

gen bare forbrennes i en del av kjelens aktive tverrsnitt,

slik at den uantente gass kan ansamles i de øvrige deler og sette kjelens sikkerhet i fare.

Det er derfor nødvendig å sikre kjelen mot slike tilstander som fører til at kjelen ødelegges, og fremfor alt mot farer som kan oppstå ved avbrytelse av gasstilførselen og/eller ved strømutfall. En slik sikring kan oppnås ved at det i forbrenningskammeret hvori gassen forbrennes før den kommer inn i kjelen, anordnes én eller flere følere som reagerer på en åpen flamme og i hvis strømkrets en ventil er innkoplet som stenger av gasstilførselen når flammen slukker eller ved strømutfall. Disse følere er i og for seg kjente og utgjør ingen gjenstand av den foreliggende oppfinnelse.

Slike følere kan imidlertid bare anvendes i forbindelse med slike kjeler som har en rist foran forbrenningskammeret. For en kjele hvor en uantent og ikke-forvarmet blanding tilføres til fyllingen som er lagret på en rist,

kan disse følere ikke anvendes. Dersom slike følere skulle kunne anvendes for slike kjeler, måtte blandingen antennes før den kom inn i fyllingen, men derved ville denne kjele synke til nivået for de kjente kjeler som er forsynt med et forbrenningskammer og som gir en langt lavere virkningsgrad.

Uten denne forholdsregel vil imidlertid en slik kjele ikke

by på den nødvendige sikkerhet mot eksplosjon. Det dreier seg derfor her om to helt motstridende krav.

Det taes ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe

en slik kombinasjon av forholdsregler som vil tilfredsstille begge disse krav, dvs. at den ifølge oppfinnelsen tilveie-

bragte kjele på den ene side skal ha en meget høy virknings-

grad og på den annen side skal være sikret mot eksplosjon eller annen ødeleggelse.

Oppfinnelsen er basert på et kjent apparat, hvor en flammeløs, ikke-katalytisk forbrenning gjennomføres på overflaten av korn av et keramisk strålingsmateriale. For en kjele ifølge oppfinnelsen ér varmeutvekslingsflater på den ene side anordnet langs omkretsen av strålingsmaterialefyllingen og rager på den annen side gjennom fyllingens indre og står i berøring med det medium som skal oppvarmes og som kan være både en væske og en gass.

Som nevnt angår oppfinnelsen forbrenning både"av gass-formige og flytende brensler. - De sistnevnte må imidlertid først overføres til dampform for å kunne viderebehandles på lignende

måte som. en gass. I den nedenstående beskrivelse anvendes derfor uttrykket "gassfbrmig brensel",.hvorved skal forstas at...

dette uttrykk også gjelder et flytende brensel som er blitt over-ført, til dampform.

Oppfinnelsen angår således et. apparat for forbrenning, av høyverdig brensel for oppvarming av et flytende eller gassformig medium hovedsakelig ved flammeløs, ikke-katalytisk forbrenning av en brenselblanding i en fylling av et strålingsmateriale som er gjennomslippbart for gasser, og apparatet er særpreget ved at det til tilførselsanordningen for brenselblandingen er forbundet en antennelses- "og indikasjonsspalte som er forsynt med minst én føler som reagerer på en åpen flamme og hvor antennelses- og indikasjonsspalten nedentil er be-

grenset av et fritt, øvre nivå for fyllingen av strålingsmaterialet gjennom hvilken varmeutvekslingsrørelementer er ført som gjennomstrømmes av det medium som skal oppvarmes, og hvor varmeutvekslingsrørelementenes varmeutvekslingsoverflate er større i den nedre del av fyllingen enn i den øvre del.

Ifølge en foretrukken utførelsesform omfatter apparatet ifølge oppfinnelsen en sammenhengende omkretsmantel som i det minste delvis er dannet av rør med akser som er parallelle i forhold til strømningsretningen av gassblandingen i mantelen som inneholder fyllingen av strålingsmaterialet, og hvor omkretsmantelens øvre hette danner den øvre begrensning for antennelses- og indikasjonsspalten, og i det minste noen rør-elementer deler seg i minst to grener i den nedre del av fyllingen med deres nedre ender forbundet med en felles oppsamlingsanordning.

Fyllingen av strålingsmaterialet består fortrinnsvis

av to eller flere skikt som er granulometrisk og/eller kvalitativt . forskjellige fra hverandre, idet skiktet i sonen med den høyeste temperatur består av et materiale på basis av korundum og i sonene med de lavere temperaturer av et mindre verdifullt materiale.

Denne anordning er meget fordelaktig da ved forandring

av avstanden mellom yarmeutvekslingsflåtene størrelsen av disses overflater og ved en egnet føring av arbeidsprogrammet for kjelen høyden hhv. stillingen for sonen med de høyeste temperaturer kan fikseres i det skikt som består av et høykvalitets-matériaie, mens det ér tilstrekkelig med et mindre kostbart materiale i de mindre belastede soner.

Et rørsystem som er tilkoblet til tilførselén for brenselblanding, munner ut i antennelses- og indikasjonsspalten over det frie øvre nivå for fyllingen av strålingsmaterialet.

For å øke sikkerheten kan omkretsmantelens rør og rør-elementene som er ført gjennom fyllingen, være tilkoblet til til-førselsledningen for den væske som skal oppvarmes, og denne til-førselsledning ér på den ene side koblet til en væskepumpe og på den annen side til en sikkerhetsbeholder so er anordnet over apparatet, hvorved de ledninger som fører fra sikkerhetsbeholderen,

er tilkoblet til væskeinnløpet for kjelen og til væskeutløpet fra kjelen. Stengeventiler er innført i disse ledninger, og ventilene kan utgjøres av elektromagnetiske ventiler eller av en annen type av ventiler.

Ved denne anordning oppnås det at når væsketilfør-

selen til kjelen svikter på grunn av strømutfall og hvorved pumpen blir stående, kobler sikkerhetsbeholderen seg av seg selv inn i kjelens varmekrets, slik at den ansamlede varme i væsken i kjelens fylling avgis til sikkerhetskretsløpet,

hvori væsken strømmer under innvirkning av tyngden. Ved strømutfall stanges samtidig gasstilførselen, og nærmere be-

stemt ved at følerne som er anordnet i antennelses- og indi-kas jonsspalten, blir strømløse og reagerer på denne tilstand ved å sperre gassventilen.

Rørene som gjennomstrømmes av den oppvarmede væske,

er utsatt for høye temperaturer, spesielt i glødesonen hvor de står i direkte berøring med det sterkt oppvarmede strålingsmateriale. De må derfor avkjøles sterkt. Selv om rørene gjennomstrømmes av væsken, kan det forekomme at en laminær strøm av dampblærer dannes langs rørveggen og at støv dannes i kjelen ved kondensasjon av dampen. For å hindre dette kan skrueformige lede- og blandeflater, f.eks. i form av propellskovler etc., være innført i rørene, hvorved sikres en per-fekt besprøytning av veggene med væsken i rørene og en unn-

gåelse av dannelse av. en laminær strøm.

Apparatet (kjelen) ifølge oppfinnelsen byr på en rekke fordeler sammenlignet med de hittil kjente kjeler. På grunn, av at varmeutvekslingsflåtenes størrelse og også størrelsen av gjennomstrømningstvérrsnittet for gassene langs kjelen for-andres som følge av anordningen av rørelementer som utvider seg nedad eller av forgrenede røreiementer, og på grunn av at varme-avgi.vel.sen i kjelen kan kontrolleres ved et egnet valg av strålingsmaterialets granulometri og kvalitet, er det mulig å oppnå optimale parametre for kjelen. Dette er også .forklaringen på kjelens meget høye virkningsgrad.

Kjelen kan dessuten tilpasses til de krav som stilles til forbrenningsproduktenes temperatur, og nærmere bestemt ved å anordne kjelen på taket av en bygning (hvor det gjelder bestemte forskrifter angående denne temperatur) eller i et fyrrom eller i kjellerrom hvor en høyere temperatur for forbrenningsproduktene er ønsket. I motsetning til en rekke kjente kjeler som må startes opp i to faser, dvs. at først må den keramiske masse oppvarmes til en bestemt temperatur, hvorpå kjelen først kan bringes opp til sin fulle ytelse, er det for kjelen ifølge oppfinnelsen ikke nødvendig å starte denne opp i to faser fordi kjelen straks kan kjøres opp til sin fulle ytelse. Oppstartingen av kjelen forløper hurtig, og den fulle ytelse nås i løpet av meget kort tid.

Det er en ytterligere stor fordel ved oppfinnelsen at kjelen ikke behøver å være forsynt med en rist da den brennende blanding i strålingsmaterialefyllingen kommer inn ovenfra og mot det frie øvre nivå for fyllingen. Som kjent utgjør en rist en forholdsvis ømfintlig og lett skadbar be-standdel i kjeler som er forsynt med en rist, slik at ute-latelsen av risten innebærer en betydelig fordel.

Dersom det dreier seg om et apparat beregnet for lave ytelser, kan konstruksjonen forenkles ved at rørelementet som er ført gjennom fyllingen av strålingsmaterialet, utgjøres av et enkelt rør.

Ved bruk av kjelen har det vist seg at den arbei-der.nesten lydløst, og dette er av miljøvernhensyn også fordelaktig..

På tegningene er vist et utførelseseksempel på apparatet ifølge oppfinnelsen i form av en kjele for oppvarming av rom..

Av tegningene viser

fig.:1 et skjematisk aksialsnitt gjennom kjelen,

fig. 2 et snitt langs linjen II - II ifølge fig.l,

fig. 3 et snitt gjennom kjelen langs linjen III - . III ifølge fig. 1,

fig. 4 et snitt langs linjen IV - IV ifølge fig. 1

og

fig. 5 innkoblingen av kjelen i et oppvarmings-

system.

Kjelen inneholder en sammenhengende omkretsmantel

1 som består av rør 2 med akser som er parallelle i forhold til gassblandingens strømningsretning. Rørene 2 kan stå i direkte berøring med hverandre eller vinger 3 kan være an-

ordnet mellom rørene og som enten består av adskilte deler eller av vingerør forsynt med sidevinger. Ved den nedre ende av kjelen munner en tilførselsledning 4 for den kalde væske ut i kjelen, og ved kjelens øvre ende er en avløpsled-

ning 5 for den oppvarmede væske anordnet. Kjelemantelen 1

er oventil stengt med en dobbelthette 6, og ved dens nedre ende er en sikt 7 anordnet med en underliggende stuss 8 for fjernelse av forbrenningsproduktene. Blandingen av brensel og luft innføres via ledningen 9 inn i et rom 10 som utgjø-

res av en antennelses- og indikasjonsspalte som ligger under dobbelthetten 6.

Rørelementer er anordnet i kjelemantelen 1 og er

på tegningen generelt betegnet med 11. Hvert rørelement 11 består av to deler, og nærmere bestemt av en øvre del 12 som er delt i to grener 13 med nedre ender som er koblet til en felles oppsamlin<g>sanordning 14. Oppsamlingsanordningen 14 er koblet til den felles tilførselsledning 4 for den kalde væske og som tilfører væsken også til omkretsmantelen 5. Rørelemen-

tenes 11 øvre deler 12 står i forbindelse med en øvre oppsamlingsanordning 15 som munner ut i den felles avløpsledning 5 hvori også væsken føres bort fra mantelen 1.

Dobbelthetten 6 består av en kappe 16 og en plate

17 som utgjør den øvre begrensning for antennelses- og indikasjonsspalten 10. Den brennbare blanding tilføres til spal-

ten 10 fra rørledningen 9 via et system av fordelingsrør 18 som samtidig tjener for forvarming av blandingen.

Mantelens 1 innerrom inneholder en strålingsmaterialefylling 19 som med fordel består av to hhv. flere skikt 20, 21. Disse skikt består av materialer som er granulome-

trisk og/eller kvalitativt forskjellige. Således anvendes f.eks. i sonen med høyeste temperatur et skikt 20 av et høy-

verdig materiale på basis av korundum, mens skiktet 21 kan bestå av et mindre kostbart materiale.

Antennelses- og indikasjonsspalten 10 er også oven-

til avgrenset av platen 17 og nedentil av strålingsmateria-

lets 20 frie nivå 22. Betegnelsen "frie øvre nivå" innebærer at blandingen faller på dette nivå uten å anvende en rist.

En antennelsesinnretning 23 munner ut i spalten 10

og kan utgjøres av en innretning for antennelse ved hjelp av

en elektrisk gnist eller av en hjelpegassbrenner etc, og på den motsatte side er én eller flere følere 24 anordnet som reagerer på en åpen flamme.

En sikkerhetsbeholder 26 (fig. 5) er innkoblet i væskesystemet 25 for samme apparat tett nær kjelen og over

denne. Denne beholder 26 er via en elektromagnetisk ventil ved hjelp av en oppadrettet forbindelsesledning 28 koblet til avløpsledningen 5 for den oppvarmede væske og ved hjelp av en nedadrettet forbindelsesledning 29 og via en elektromagnetisk ventil 30 tilbakekoblet til tilførselsledningen 4

for den kalde væske. Istedenfor elektromagnetiske ventiler

kan også andre typer av ventiler anvendes.

En forskriftsmessig ekspansjonsbeholder 31 er inn-

koblet i systemet 25.

Kjelen ifølge oppfinnelsen anvendes som følger:

Den brennbare blanding innføres når antennelses-

innretningen 23 er antent, i kjelen som er innkoblet i systemet 25 for en varmekrets, og den brennbare blanding antennes i spalten 10 og føres mot det frie øvre nivå 22 for strålingsmaterialet 20. Når blandingen passerer gjennom strålingsmaterialet, øker blandingshastigheten, og det dan-

nes en glødesone i strålingsmaterialet. Som nevnt befinner denne sone seg i skiktet 20 av et høyverdig materiale. I

denne sone avgis den hovedsakelige varmemengde til varmeut-vekslingsflåtene ved stråling. Etter hvert som blandingen trenger videre gjennom fyllingen 19 av strålingsmaterialet,

synker blandingens temperatur, og i skiktet 21 av strålingsmaterialet avgis resten av varmen til den økede overflate av varmeutvekslingsflaten, og samtidig forbedres varmeovergan-

gen på grunn av en forskjellig granulometrisk sammensetning av strålingsmaterialet 21.

Denne økning av varmeutvekslingsflåtenes overflate

er vist på fig. 3 og 4. På fig. 3 er vist et tverrsnitt gjennom glødesonen hvori antallet rør er mindre, mens et snitt gjennom strålingsmaterialskiktet 21 er vist på fig. 4

og hvori antallet rør er større.

Antennelses- og indikasjonsapalten 10 er dannet av

et rom med minimal størrelse.og som ikke er større enn det;

som uunngåelig er nødvendig for antennelse av blandingen og indikasjon av flammen. Dette rom kan ikke på noen måte be-traktes som et forbrenningskammer da blandingens strømnings-hastighet er så høy at det ikke kan komme til forbrenning av blandingen i denne spalte.

Skrueformige lede- og blandeflater, f.eks. i form

av propeI1skovler 32, er ført inn i rørene.og hindrer dannel-sen av en laminær strøm av dampblærer ved at de bevirker en blanding, av. væsken som strømmer gjennom rørene.

Ved én forstyrrelse av gasstilførselen eller ved

strømutfall reagerer følerne 24 p°. den måte at de stenger den ">'" i gasstilførselsledningen 9 anordnede, ikke viste, ventil.

• Ved strømutfall åpner samtidig også de to elektromagnetiske ventiler 27 , 30 seg;, slik at sikkerhetsbeholderen 26 innkobles i ..kjele, kretsløpet og "væsken -begynner å strømme under innvirkning av tyngdekraften gjennom dette kretsløp og tar opp den akkumulerte varme fra strålirigsmateria-:-lefyllingen 19.

Claims (5)

1. Apparat for forbrenning av høyverdig brensel for-oppvarming av et flytende eller gassformig medium hovedsakelig ved flammeløs, ikke-katalytisk forbrenning av en brenselblanding i en fylling av et strålingsmateriale som er gjennomslippbart for gasser, karakterisert ved at det til tilførselsanordningen (9) for brenselblandingen er forbundet en antennelses- og indikasjonsspalte (10) som er forsynt med minst én føler (24) som reagerer på en åpen flamme og hvor antennelses- og indikasjonsspalten (10) nedentil er begrenset av et fritt, øvre nivå (22) for fyllingen (19) av strålingsmaterialet gjennom hvilken varmeutvekslingsrør-elementer (11) er ført som gjennomstrømmes av det medium som skal oppvarmes, og hvor varmeutvekslingsrørelementenes (11) varmeutvekslingsoverflate er større i den nedre del av fyllingen (19) enn i den øvre del.

2. Apparat ifølge krav 1,karakterisert ved at det er forsynt med en sammenhengende omkretsmantel (1) som i det minste delvis består av rør (2) med akser som er parallelle i forhold til gassblandingens strømningsretning i mantelen (1) som inneholder fyllingen (19) av strålingsmaterialet og som har en øvre hette (17) som utgjør den øvre begrensning for antennelses-og indikasjonsspalten (10), og hvor i det minste noen rørelementer (11) i den nedre del av fyllingen (19) av strålingsmaterialet deler seg i minst to grener (13) hvis nedre ender står i forbindelse med en felles oppsamlingsanordning (14) .

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2,karakterisert v e d at fyllingen (19) av strålingsmaterialet består av to eller flere granulometrisk og/eller kvalitativt forskjellige skikt, hvor skiktet (20) i sonen for de høyeste temperaturer består av et materiale på basis av korundum og i sonene med lavere temperaturer av et mindre kostbart materiale.

4. Apparat ifølge krav 1,karakterisert ved at et rørsystem (18) som står i forbindelse med tilførsels-anordningen (9) for brenselblandingen, munner ut i antennelses-og indikasjonsspaltén (10) over det frie øvre nivå (22) for fyllingen (19) av strålingsmaterialet.

5. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at for lave ytelser har rørelementet (11) form av et enkelt rør.