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Heizkessel mit Wassermantel
Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel mit Wassermantel, bei dem in Zugrichtung zwischen dem Feuerraum und den eigentlichen Berührungsheizflächen eine von wasserführenden Wänden begrenzte Kammer eingeschaltet ist, die vom Feuerraum durch eine wasserführende, mit einer Anzahl von Durchtrittsöffnungen für die Feuergase versehene Zwischenwand abgeteilt ist.
Als wesentlichstes Merkmal der bekannten, als Flammrohrkessel ausgebildeten Heizkessel muss der grosse Verbrennungs- bzw. Feuerraum angesehen werden, an den sich in Richtung des Kesselzuges in zweiter Stufe ein Heizrohraggregat anschliesst.
Es ist hinreichend bekannt, dass die Wärmeübertragung in Heizkesseln vom Feuerraum zum Heizmedium grundsätzlich auf zwei verschiedenen physikalischen Vorgängen beruht. Der eine Vorgang wird allgemein als Mitführung oder Konvektion bezeichnet, der andere als Strahlung.
Von den technisch wichtigen Gasen haben Kohlensäure und Wasserdampf breite Wellenlängenbereiche, in denen sie Strahlung aussenden. Bei höheren Temperaturen wird der Anteil dieser Eigenstrahlung der Gase an der Wärmeübertragung beträchtlich und bei sehr hohen Temperaturen überwiegt sogar die Wärmeabgabe des Gases durch Strahlung die durch Konvektion.
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und den Wärmetransport beeinflussenden Grössen zusammenfasst. Die Wärmeübergangszahl cx ist nicht nur durch spezifische physikalische Eigenschaften des strömenden Mediums bedingt, sondern auch durch den Quotienten einer Potenz der Strömungsgeschwindigkeit und einer Potenz des Rohrdurchmessers, mit andem Worten, je grösser die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und je kleiner der Rohrdurchmesser um so grö- sser die Wärmeübergangszahl.
Der Wärmeübergang durch Strahlung ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Medium und Begrenzungswand und von einem Betrag, der sich durch die Multiplikation des Teildruckes des Gases mit der sogenannten Schichtdicke des Gases ergibt. Je grösser das Produkt aus den beiden letztgenannten Grö- ssen wird, umso grösser ist der Wärmeübergang durch Strahlung.
Der Teildruck des strahlenden Gases ist durch die Verbrennung bestimmt ; die sogenannte Schichtdicke des Gases ausschliesslich durch die geometrischen Grössenverhältnisse des Raumes, wobei diese Schicht-' dicke im wesentlichen als lineare Funktion des Rohrdurchmessers ermittelt wird.
Aus den vorhergehenden Betrachtungen, die aus der Theorie abgeleitet und durch die Erfahrung mehrfach bestätigt sind, ergibt sich'die bemerkenswerte Tatsache, dass sich nämlich die Massnahme zur Erhöhung der Wärmeübertragung durch Konvektion nachteilig für den Wärmeübergang durch Gasstrahlung auswirkt. Dies besonders im ersten Berührungszug, in welchem die Rauchgastemperatur relativ hoch ist.
Diesem Umstand wurde bei der Planung und beim Bau der bisher bekannten Heizkessel keine Rechnung getragen. Bei Kesseln mit sehr grossem Feuerraum tritt eine unvollständige Verbrennung ein, da die Flammen zu stark abgekühlt werden. Können jedoch durch besondere Massnahmen die Temperaturen im Verbrennungsraum sehr hoch getrieben werden, so strömen durch den ersten Berührungszug sehr heisse Rauchgase. Hier liegt dann allerdings wegen der ungünstigen geometrischen Verhältnisse (geringe Schichtdicke des Gases) der Wärmeübergang durch Strahlung sehr tief, was einer unwirtschaftlichen Wärmeausnutzung gleichkommt.
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Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil dadurch, dass das Volumen der Kammer zirka 1/4 bis 1/3 des Feuerraumvolumens beträgt, wobei sämtliche die Kammer begrenzenden Wände wasserführend ausgebildet sind und die Kammer durch ein ebenes, zur Zugrichtung des Kessels annähernd senkrecht stehendes Wasserrohrbündel in Zugrichtung zu den Berührungsflächen begrenzt ist.
Nach einem bekannten Vorschlag weist ein mit einem Feuerraum ausgestatteter Kessel eine darüber liegende Wasserkammer auf, der eine Verbrennungskammer mit anschliessender Wasserkammer folgt. Der letztgenannten Kammer ist eine Rauchkammer und eine darüberliegende Wasserkammer angeschlossen.
Die Verbrennungsgase ziehen vom Feuerraum über Stützröhren und zur Rauchkammer und von dort zum Kamin.
Wenn auch nicht in Frage gestellt wird, dass oberhalb des Feuerraumes eine Kammer vorgesehen ist, in der die Gasstrahlung als solche zu wirken vermag, so muss doch festgehalten werden, dass diese Kammer der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Grösse nicht entspricht, ja sie vielmehr sogar etwas grösser ist als der Feuerraum selbst. Abgesehen davon, sind die seitlichen Kesselwände nicht wassergekühlt, so dass diese Flächen nicht als Heizflächen für die Wärmeübertragung durch Gasstrahlung angesehen werden können. Wassergekühlte Begrenzungswände sind jedoch wesentlich und wichtig, denn der Wärmeübergang durch Strahlung wird auch von der Temperatur der Wände bestimmt. Das gleiche gilt auch für die Wandungen der darüberliegenden Rauchkammer.
Ein weiterer Nachteil besteht in der waagrechten Anordnung der Wasserkammern ; dadurch kann das erhitzte Kesselwasser über die Wasserrohre nur schwer in den höchsten Wasserraum gelangen.
Des weiteren besteht dadurch die Gefahr von Lufteinschlüssen im Kessel, was bekanntlich zu starken Schlägen und zum Klopfen während des Betriebes führt. Aus diesem Grunde wurde auch die wassergekühlte Zwischenwand des erfindungsgemässen Gegenstandes leicht steigend ausgeführt, um den Wasserumlauf zu sichern. Ferner sind die umgebenden Flächen des Gasstrahlungsraumes alle wassergekühlt, was bei der bekannten Ausführung nicht der Fall ist, weil nur der Effekt der Wärmeübertragung durch Konvektion ins Auge gefasst war.
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem bekannten Kessel besteht darin, dass der Gasstrahlungsraum an seiner hinteren Seite von einem Wasserrohrbündel abgeschlossen wird, wodurch ein zweiter Gasraum unmittelbar hinter dem Wasserrohrbündel entsteht. Der Vorteil dieser Anordnung besteht vor allem darin, dass der Gasstrahlungsanteil in dem vor dem Wasserrohrbündelliegenden Raume auf das Wasserrohrbündel wesentlich höher ist, als dies bei den Rauchrohren der Fall ist. Es darf aber auch darauf hingewiesen werden, dass sich das Wasserrohrbündel bezüglich der Gasstrahlung in dem dahinterliegenden zweiten Gasraum günstiger verhält als ein Rauchrohr-System.
Erst wenn die Temperatur des Gases nicht mehr als zirka 6000C beträgt, überwiegt bei gleicher Heizflächengrösse der Konvektionsanteil, was durch das anschliessende System von Rauchrohren als Berührungsheizfläche gegeben ist.
Während beim Wärmeübergang durch Konvektion die hohe Geschwindigkeit des Gases einegrosse Rolle spielt, d. h. die Konvektion dadurch vergrössert wird, ist die hohe Gasgeschwindigkeit beim Wärmeübergang durch Gasstrahlung im Gasstrahlungsraum von Nachteil. Dies ergibt sich dadurch, dass bei hoher Gasgeschwindigkeit der Druck in der Gasschicht abnimmt und die sogenannte Aufenthaltszeit kürzer wird.
Da aber die Gasstrahlung abhängig ist von dem Produkt p. s (Druck mal Schichtdicke), ist bei der Ausbildung des Gasstrahlungsraumes darauf Rücksicht genommen.
Der Wärmeübergang durch Gasstrahlung bei Kohlensäure, bei Wasserdampf und bei Schwefeldioxyd ist in erster Linie von der Temperatur des Gases und der Temperatur der Wand sowie von einem Betrag (p. s) abhängig, der sich durch die Multiplikation des Teildruckes des Gases (p) mit der sogenannten Schichtdicke des Gases (s) ergibt. Je grösser also der Temperaturunterschied zwischen Gastemperatur und Wandtemperatur und je grösser der Betrag (p. s), umso grösser ist der Wärmeübergang durch Gasstrahlung.
Der Teildruck der strahlenden Gase im Rauchgas ist bestimmt durch die Verbrennung. Beträgt z. B. bei einer Feuerung mit 1 ata Gesamtdruck der CO-Gehalt im Rauchgas 12, 50/0 und der Wasserdampfge-
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Bei einem unendlich langen Zylinder mit Strahlung auf den Mantel (als solchen kann man dieRauchrohre annehmen, bei denen d klein im Verhältnis zur Länge ist) beträgt s = d bis 0, 9. d, während bei ei-
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trägt.
Bei einem unendlichen Rohrbündel mit Rohrachsen auf gleichseitigen Dreiecken, wobei der Rohrdurchmesser gleich ist dem lichten Abstand der Rohre, beträgt s = 3, 4. d bis 2, 8. d ; desgleichen wird bei Rohrachsen auf Quadraten s = ; : 4, 1. d bis 3, 5. d.
Man kann demnach leicht folgende Diskrepanz der Wärmeübertragungen feststellen :
Bei vorgegebener Rauchgastemperatur und Rauchgaszusammensetzung wirken sich die Massnahmen zur Erhöhung der Wärmeübertragung durch Konvektion nachteilig für den Wärmeübergang durch Gasstrahlung aus, was insbesondere im ersten Berührungs-Zug (Berührungsheizfläche in Form von Rauchrohren oder Wasserrohren hinter dem Feuerraum) gilt, in welchem die Rauchgastemperatur relativ hoch ist.
Durch den erfindungsgemässen Vorschlag wird dieser Nachteil vermieden, wobei das angegebene Verhältnis von Gasstrahlungsraum zu Feuerraum nicht nur theoretisch ermittelt, sondern auch praktisch erprobt worden ist, wobei eben für das angegebene Verhältnis optimale Werte hinsichtlich Wärmeübergang und Wirkungsgrad erzielt worden sind.
Es ist also durch rein konstruktive Massnahmen möglich, den Gesamtwärmeübergang zu erhöhen, indem man das Rauchgas mit einer Temperatur von zirka 10000C nicht unmittelbar in die Berührungsheizfläche strömen lässt, sondern bei möglichst gleichmässiger Verteilung in einen sogenannten Gasstrahlungsraum einleitet, wo das relativ heisse Gas bei entsprechender Schichtdicke s hauptsächlich durch Gasstrahlung abgekühlt wird.
Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, ohne sie dadurch auf diese Ausführungsform einzuschränken.
Fig. l zeigt einen Kessel mit Ölfeuerung für eine Warmwasserheizung von der Seite, Fig. 2 ist ein
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l, Fig. 3Innenmantel 2. Der Ölbrenner 3 ist an der Kesseltüre montiert. Sein Flammenkegel 4 nimmt einen gro- ssen Teil des Feuer- oder Verbrennungsraumes 5 ein. Im Feuerraum 5 wird die Wärme auf die Heizflächen 2 und 7 durch Flammen- und Gas-Strahlung sowie durch Konvektion übertragen. Die Schamottierung 6 schützt einerseits die Heizflächen-Rückwand vor der Flamme, anderseits verhindert sie eine zu starke Abkühlung der Flamme, durch welche die Verbrennung gestört würde.
Die Rauchgase ziehen durch mehrere Gasdurchtrittsöffnungen 9 ab und gelangen gleichmässig verteilt in die zweite Kammer 10 (Gasstrahlungsraum), wo der Wärmeübergang auf den oberen Teil des Innenmantels 2 und die Heizfläche 8 in der beschriebenen Weise durch Gasstrahlung und durch Konvektion stattfindet. Die Anordnung ermöglicht ferner noch eine zusätzliche Strahlung aus der Feuerkammer 5 in den vorderen Teil der Gasstrahlungskammer 10 durch die Öffnungen 9. Man kann diese Strahlung als eine Hohlraumstrahlung auffassen, wobei statt der Strahlungszahl für den schwarzen Körper eine kleinere Strahlungszahl C in die bekannte Formel für das Stefan-Boltzmannsche Gesetz eingesetzt wird.
Jedenfalls ist dieser Strahlungsanteil so gross, dass er keinesfalls vernachlässigt werden kann, wenn auch von dem Gesamtbetrag dieser Strahlung die nicht unerhebliche Absorption der dazwischenliegenden Gasmassen abgezogen werden muss.
Die Rauchgase haben sich im vorderen Teil des Gasstrahlungsraumes 10 so weit abgekühlt, dass nun die Wärmeübertragung durch Konvektion und die Gasstrahlung gleich gross sind ; daher ist es nun zweckmässig, wenn sie an den Wasserrohren 11 als Berührungsheizfläche vorbeiziehen. Selbstverständlich entsteht auch hier ein Wärmeübergang durch Gasstrahlung auf die Wasserrohre 11, doch ist der Strahlungsanteil auf Grund der kleineren Rauchgastemperatur nicht mehr so gross und der Konvektionsanteil überwiegt.
Am Beginn der Verbrennung können die Rauchgase bei geöffneter Abgasklappe 13 durch den Kurzschlusskanal 12 zum Schornstein abziehen. Nach Erwärmung des Schornsteines und des Reglers 14 schliesst dieser die Abgasklappe 13 und die Rauchgase müssen nun zur Gänze durch die Heizrohre 15 in den Abgasraum 16 und von dort durch die Abgasleitung 17 zum Schornstein abziehen. In den Heizrohren 15 ist der Anteil der Wärmeübertragung durch Konvektion wesentlich grösser als der Anteil der Gasstrahlung. Um den Strahlungsanteil zu erhöhen, steckt man in die Heizrohre 15 einfache Blechstreifen 28, die die Temperatur der Rauchgase annehmen und nun als sogenannte Sekundärstrahler auf die Rohr-Heizfläche strahlen. Dieser Strahlungsanteil ist zwar ebenfalls meist kleiner als der durch Konvektion, doch sollte von dieser einfachen Anordnung ebenfalls Gebrauch gemacht werden.
Fig. 4 zeigt einen Kessel mit Holz- späne- und Staubfeuerung für Warmwasser-Heizung. Statt des Ölbrenners ist hier ein Staubbrenner 3 ein-
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gebaut. Die Holzspäne und Abfallholz werden über einen wassergekühlten Füllschacht 29 nach Öffnen des Verschlussdeckels 30 zugegeben und böschen sich auf dem Treppenrost 31 ab. Auf dem Ausbrennrost 32 können die grösseren Brennstoffteile gut ausbrennen, während der Staub mit den feineren Spänen über den Brenner 3 in den Feuerraum 5 geblasen wird. In üblicher Weise sind Schürtüre 33 und Aschentüre mit Luftklappe 34 vorgesehen. Die übrigen Bezeichnungen gleichen denen in Fig. 1.