NO149292B - Fremgangsmaate og anordning til drift av et varmekjeleanlegg - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte.til.drift av et varme-, ■. kjeleanlegg med en varmeveksler etterkoblet fyrrommet, samt en anordning til gjennomførelse, av...fremgangsmåten .

I tradisjonelle varmekjeleanlegg anvender man i stor ut-strekning pljebrennere. Konvensjonelle oljebrennere for. midlere effekt forstøver da brenselol.jen ved. hjelp av ,en dyse og for-brenner den med luftoverskudd for å holde sotdannelsen liten. Forstøvningsbrennerens effekt kan imidlertid bare meget vanskelig

og bare innen snevre, grenser styres kontinuerlig. Av den grunn blir f orstøvningsbrennere.. for varmek jeleanlegg drevet intermit-terende så effektens middelverdi tilsvarer varmeeffektbehovet.

Som følge av driften med intervaller varierer imidlertid kjelevannets og også gassens temperatur.i fyrrommet, i varmeveksleren, i. aygassledningen og/eller i skorstenen, noe som er meget uheldig. For større svingninger i avgasstemperatur er noe man bør unngå, særlig fordi der ved høy temperatur opp-

trer ikke uanseelige energitap, og fordi der ved lave tempera-

turer er fare for at syreduggpunktet blir underskredet så der opptrer korrosjonsfenomener.

Oppfinnelsens oppgave er å gi anvisning.på en slik ut-formning av et varmekjeleanlegg av, den innledningsvis angit.te art,

at det kan drives kontinuerlig, samtidig som varmekjelens avgasstemperatur selv ved variabelt varmeeffektbehov og behovs-proporsjonal brennereffekt L- overholder enj på forhånd gitt verdi.

Dette blir ifølge-oppfinnelsen oppnådd ved at der benyttes

en kontinuerldg regulerbar brenner og.den effektive varmevekslerflate tilpasses brennereffekten.

Behovet for..varmeeffekt, f.eks. til et bolighus, avhenger likedan som temperaturen på.varmtvannet i fremløpet tilnærmelses-, vis lineært.ay uteluftens temperatur. Denne, sammenheng ér an-skueliggjort skjematisk på fig..1..Av denne figur kan man utlede at effektbehovet varierer.omtrent, mellom.15 og 100 % av nominell brenneref f ekt .(ut.el.uf ttemperatur +15 til -15°C) ..Da den overførte varmeeffekt ved en varmeveksler er en funksjon ay temperatur-differanse og varmevekslerareal, blir det.effektive varmevekslerareal ved fremgangsmåten ifølge, oppfinnelsen derfor regulert på grunnlag av. en lastavhengig funksjon. På den måte blir avgasstemperaturen ved en..varmekjeie som drives med kontinuerlig ' regulerbar.brenner,.holdt konstant uavhengig av den last-proporsjonale brennereffekt, dvs. at avgasstemperaturen ved utgangen fra varmekjeleanlegget innen bestemte grenser holder en på forhånd gitt verdi.

Ved uttrykket "effektivt varmevekslerareal" skal i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse forstås den del av det varmeutvekslende areal hvor varmeovergangen ved en bestemt driftstilstand i det vesentlige skjer. Da dette i alminnelighet er arealer som står i berøring med strømmende avgass så det. i det vesentlige dreier seg om de såkalte etterkoblede etterflater, skjer ifølge oppfinnelsen tilpas-

ningen av det effektive varmevekslerareal til brennereffekten fordelaktig på den måte at det antall enkelte elementer av varmeveksleren som gjennomstrømmes av avgassen, er en funksjon som tiltar monotont med brennereffekten.

Ved konstant differanse mellom avgass- og kjelevannstemperatur blir følgen at antallet av de enkeltelementer av varmeveksleren som gjennomstrømmes av avgassen, tiltar lineært med brennereffekten, med andre ord at der foreligger propor-sjonalitet. Men hvis varmekjelen drives med liten kjelevannstemperatur, så der ved liten brennereffekt holdes lav kjelevannstemperatur og tilsvarende stor differanse mellom avgass-

og kjelevannstemperatur, så stiger antallet av de enkeltelementer av varmeveksleren som gjennomstrømmes av avgassen, sterkere enn lineært med brennereffekten. Der foreligger således en monotont stigende funksjon. Et anslag gir n omtrent lik Q/l-Q, hvor n er antall varmevekslerenkeltelementer gjennomstrømmet av avgassen, og Q brennereffekten.

Ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan der f.eks. anvendes fordampningsbrennere som kan ha form av såkalte skålbrennere. Fortrinnsvis blir der imidlertid ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen benyttet en forgasningsbrenner til drift av varmekjeleanlegget. En slik kontinuerlig regulerbar brenner er kjent f.eks. fra DE-AS 28 11 273.

Den kjente brenner har følgende vesentlige strukturelle komponenter: - et forkammer til blanding av et i det minste delvis fordampet flytende brensel med primærluft, - en katalysatorinnretning som slutter seg til forkammeret og tjener til å omdanne damp-luftblandingen til en brenngass,

- et blanderom som grenser til katalysatorinnretningen og

tjener til å blande brenngass med sekundærluft,

- et ringkammer som omgir forkammeret, katalysatorinnretningen

og blandekammeret konsentrisk og er skilt fra forkammeret ved

en vegg,

- et brennkammer som vider seg ut konisk og er avsluttet med en perforert brennerplate av porøst materiale, og som kan

få brenngass-luftblandingen tilført fra blandekammeret, samt

- et tennkammer som er anordnet mellom brennkammeret og blandekammeret og er skilt tilbakeslagsfritt fra blandekammeret.

I tillegg kan forgasningsbrenneren som anvendes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, fordelaktig også være videre utformet på den måte at ringkammeret også omslutter tennkammeret og det konisk ekspanderende brennkammer ringformet og strekker seg hen til i nærheten av brennerplaten, og at der der munner ut en primærluft-tilførselsstuss i tennkammeret (jfr. i den forbindelse BRD patentsøknad P 28 41 105.4). Videre kan tennkammerets og brennkammerets sidevegger bestå av metall og bære en keramikkforing. Ennvidere kan tennkammeret være skilt fra brennkammeret ved en perforert vegg på den måte at brennerplatens perforerte areal er større enn denne veggs perforerte areal.

I den forbindelse kan der på kapselen være anbragt en flamme-overvåkningsinnretning rettet mot den perforerte vegg.

Den kjente forgasningsbrenner beror på prinsippet totrinns-forbrenning. I første trinn blir brenselolje forgasset i en katalytisk reaktor ved partiell oksydasjon med luft ved lufttall mellom 0,05 og 0,2, fortrinnsvis ved ca. 0,1. Den produktgass som dermed fås, den såkalte brenngass, blir så i annet trinn forbrent støkiometrisk med den resterende luft, og der nås høye brenntemperaturer.

En fordelaktig innretning til gjennomførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at der er etterkoblet varmekjelens fyrrom en varmeveksler av typen med rørknippe. Der fås derved et varmekjeleanlegg med en regulerbar varme-

veksler hvis effektive varmevekslerareal på enkel måte ved passende endring av en kontinuerlig brenners varmeeffekt, som kan varieres omtrent mellom 10 og 100 % av maksimalt varmeeffektbehov, på en slik måte at avgass temperaturen overholder en på forhånd gitt verdi. Den nødvendige tilpasning av effektiv varmevekslerareal til variabel brennereffekt skjer ved trinnvis innkobling av rørknippe-varmeveksleren som følger etter fyrrommet, og det på den måte at antall åpne rør hos varmeveksleren er en monotont

stigende funksjon av brennereffekten.

Ved anvendelse av en forgasningsbrenner av den ovennevnte art som drives støkiometrisk, dvs. uten vesentlig luftoverskudd, er antall åpne varmevekslerrør - f.eks. ved konstant kjelevannstemperatur - samtidig proporsjonalt med avgassmengden, da denne er direkte proporsjonal med brennereffekten. På den annen side betyr det imidlertid også at avgassen ved utgangen fra kjelen ved drift av et varmekjeleanlegg i samsvar med.oppfinnelsen med konstant kjelevannstemperatur - under samtlige drifts-betingelser - ikke bare har konstant temperatur, men også konstant strømningshastighet.

Endringen av varmevekslerarealet ved til- og frakobling

av rørknippe-elementer kan med varmekjeleanlegget ifølge oppfinnelsen skje på den måte at der innenfor de enkelte elementer, altså i rørene eller ved utgangen fra rørknippet (i enkelt-elementene) er anbragt strupeventiler. Fordelaktig kan der også være anordnet en trinnblender ved inngangen til rørknippet, altså i nærheten av fyrrommet.

Tilpasningen av rørknippe-varmevekslerens varmevekslerflate til brennereffekten skjer fortrinnsvis ved hjelp av et dreiespjeld anordnet ved utgangen fra rørknippet. Til å betjene dreiespjeldet kan der f.eks. være anordnet en servomotor, men også en ekspansjonstermostat ved varmevekslerens utgang kan komme på tale. Reguleringen ved utgangen fra varmeveksleren har den fordel at det er en relativt kold avgass som skal reguleres, noe som er enklere å realisere mekanisk. Dertil kommer at utgangen fra rørknippet også er lettere tilgjengelig.

Styringen av dreiespjeldet resp. trinnblenderen eller strupningsspjeldene skjer i avhengighet av lasten, altså av brennereffekten. Til dette formål kan man f.eks. gjøre bruk av volumhastigheten av brenseloljen som tilføres brenneren. Ved en støkiometrisk drevet forgasningsbrenner ( lufttall X = 1,0)

er det imidlertid også mulig å gjøre bruk av luftmassestrømmen som tilføres brenneren.

Ved varmekjeleanlegget ifølge oppfinnelsen kan der ennvidere være anbragt en termoføler i avgassledningen. Denne termoføler kan .i tillegg være anordnet for å styre dreiespjeld, etc.

For ved hjelp av termofølere i avgassledningen er det mulig å ta hensyn til temperaturavvik som forekommer i avgassen og f.eks. inntrér ved endring av det anvendte primærbrensels varmeverdi.

Ved et varmekjeleanlegg ligger som allerede nevnt den minimale brennereffekt (under overgangsperioden) omtrent ved 10 til 15 % av maksimal effekt. For eksempel må en 15. kW-brenner kunne reguleres ned til ca. 2 kW. Under hensyntagen til brennerens reguleringsområde og den tillatelige avgasstemperatur vil der derfor uten forholdsreglene ifølge oppfinnelsen inntre følgende: Ved en dimensjonering av varmekjelen for de nedre grenser av avgasstemperatur og brennereffekt ville avgasstemperaturen ved maksimal brennereffekt øke sterkt og systemets virkningsgrad derved synke. Skulle man derfor under hensyntagen til maksimalt tillatelig avgasstemperatur dimensjonere kjelen for øvre grense for brennereffekten, ville der ved deilast likevel ikke fås noe tap i virkningsgrad, men til gjengjeld et sterkt fall i avgasstemperaturen med de uheldige følger det kan ha.

De nevnte ulemper foreligger ikke ved varmekjeleanlegget ifølge oppfinnelsen, siden der her takket være de ovennevnte forholdsregler er sikret en konstant avgasstemperatur. Ved dette varmekjeleanlegg blir det dessuten tilstrebet at varmevekslerens variable del svarer til reguleringsområdet og den konstante del til den nedre effektgrense for brenneren. Basert på de ovennevnte data svarer derfor fyrrommets uforanderlige varmevekslerareal inklusive varmevekslerarealet av et til stadighet åpent rør i varmeveksler-rørknippet ved varmekjeleanlegget ifølge oppfinnelsen fordelaktig til ca. 10 % av maksimal brennereffekt, mens arealet av den varmeveksler som er etterkoblet fyrrommet, blir regulert slik at avgasstemperaturen forblir konstant ved en økning av brenneffekten fra 10 til 100 %.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli belyst nærmere ved utførelseseksempler og under henvisning til tegningen.

Fig. 1 viser som allerede nevnt et varmekjeleanleggs kjelevannstemperatur og varmeeffekt som funksjon av uteluftens temperatur.

På fig. 2 ses skjematisk lengdesnitt av en utførelsesform for varmekjeleanlegget ifølge oppfinnelsen.

Fig. 3 viser snitt etter linjen III-III på fig. 2.

Fig. 4 viser sammenhengen mellom brennereffekt og varmevekslerareal ved konstant temperatur.

Som vist på fig. 2 er varmekjeleanlegget 10 forsynt med et fremløpsrør 11 og et tilbakeløpsrør 12 for varmtvannet. I fyrrommet 13, som er omgitt av en varmeveksler 14 av rørknippetype, rager

der inn en regulerbar brenner 15. Varmekjeleanleggets fyrrom 13

er utført synlindrisk, og varmevekslerén 14 er anordnet koaksialt til det. Ved et varmekjeleanlegg med maksimal varmeeffekt 15 kW

har fyrrommet f.eks. en innvendig diameter av 195 mm pg en lengde av 350 mm.

Ved utgangen fra varmeveksleren 14 sitter en fast avgass-sperrevegg 16 og et dreiespjeld 17. Spjeldet 17 manøvreres i avhengighet av brenneffekten ved hjelp av en servomotor 18 og frigir derved suksessivt munningene av rørene 19 hos varme-

veksleren 14. Gjennom de åpne rør 19, som er anordnet i jevne avstander omkring fyrrommet 13, strømmer avgassen ut i avgass-

ledningen 20 og kommer derfra inn i skorstenen. Dreieområdet for dreiespjeldet 17 er innstilt slik at fyrrommet 13 alltid via minst ett rør 19 hos varmeveksleren 14 står i forbindelse med avgassledningen 20, altså at et av, rørene 19 alltid er åpent.

Et varmekjeleanlegg som kan reguleres kontinuerlig omtrent

mellom 2 og 12 kW, har f.eks. 29 avgassrør som kan innkobles suksessivt. Ved 4, 6, 8 og 10 kW varmeeffekt fås følgende sammen-setning av avgassen: Sottall 0, 13,5 % C02, 0,5 % CO og 0,3 til 0,7 % O2. En konstant avgasstemperatur på ca. 100°C kan som vist på fig. 4 i den forbindelse oppnås ved lastproporsjonal til-

kobling av avgassrør fra og med omtrent 5 kW. Avgasstemperaturen blir dermed holdt på en verdi av ca. 100°C for å holde tilstrekkelig avstand fra syreduggpunktet, som ligger ved ca. 85°C (anvendelse av en brenselolje med svovelinnhold av 0,3 til 0,55 vektprosent). Tilsvarende ville gjelde for en avgasstemperatur av 120°C som

avmerket stiplet på fig. 4.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte til drift av et varmekjeleanlegg med en varmeveksler etterkoblet fyrrommet, karakterisert ved at der anvendes en kontinuerlig regulerbar brenner, og at det effektive varmevekslerareal tilpasses brennereffekten.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at tilpasningen av effektivt varmevekslerareal til brennereffekten skjer på den måte at antallet av enkeltelementer av varmeveksleren gjennomstrømmet av avgassen er en monotont stigende funksjon av brennereffekten.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved anvendelsen av en forgasningsbrenner.

4. Innretning til gjennomførelse av en fremgangsmåte som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at der er etterkoblet varmekjelens fyrrom (13) en varmeveksler (14) av rørknippetype .■

5. Innretning som angitt i krav 4, karakterisert ved at der ved utgangen fra rørknippet er anordnet et dreiespjeld (17).

6. Innretning som angitt i krav 4, karakterisert ved at der ved inngangen til rørknippet er anordnet en trinnblender.

7. Innretning som angitt i krav 4, karakterisert ved at der ved utgangen fra hvert rør (19) hos rørknippe-varmeveksleren (14) er anbragt en strupeventil.

8. Innretning som angitt i et av kravene 4-7, karakterisert ved at"der i avgassledningen (20) er anordnet en termoføler.

9. Innretning som angitt i et av kravene 4-8, karakterisert ved at fyrrommets (13) varmevekslerareal omtrent tilsvarer 10 % av maksimal brennereffekt.