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Verfahren und Einrichtung zum Aufheizen eines strömenden Mediums Das Patent betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines strömenden Mediums, insbesondere Heizöles, durch ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium auf eine gewünschte Endtemperatur.
Im Laufe der nachfolgenden Betrachtungen wird auf das Aufheizen von mittelschweren und schweren Heizölen nach dem erfindungsgemässen Verfahren direkt Bezug genommen, da dieses rein beispielsweise ausgewählte Anwendungsgebiet zur Erläuterung des Zweckes und des Wesens des Verfahrens nach der Erfindung besonders geeignet ist.
Die mittelschweren und besonders die schweren Heizöle sind hochviscose Flüssigkeiten, die nicht ohne weiteres ihrer Bestimmung zugeführt werden können. Im Interesse eines hohen Ausnutzungsgrades bei der Verbrennung solcher Öle müssen diese mit der Verbrennungsluft in einem bestimmten Mischungsverhältnis in intensive. Berührung gebracht werden.
Dies erfordert das Zerstäuben des Heizöles in den Brennern, was freilich erst nach Herabsetzen der Viscosität durch Aufheizen des Öles möglich ist. Für die dabei zu erzielenden Temperaturen sind genau festgelegte Richtlinien bekannt. Die im Brenner herrschenden Temperaturen von z. B. schweren Heizölen können die beträchtliche Höhe von 130 C erreichen, und es ist einleuchtend, dass das Zubereiten des Heizöles unter diesen Umständen mit grossen Schwierigkeiten behaftet ist. Erschwerend wirkt dabei freilich nicht nur die bedeutende Temperatursteigerung, vielmehr auch die ausserordentlich schlechte Wärmeleitfähigkeit des Heizöles selber. Die Art der Rufheizung des Heizöles wird ausser durch die bereits erwähnten Faktoren noch durch wirtschaftliche Anforderungen bestimmt.
Für die Niederhaltung der Kosten der Heizölvorwärmung ist hierzu das heizungseigene Medium, das heisst Heisswasser oder Dampf, zu verwenden. Zum Erfüllen der gestellten Anforderungen und zur überwindung der genannten Schwierigkeiten bei der Zubereitung der Heizöle für die Zerstäubung und Verbrennung mittels Brenners sind bereits Einrichtungen vorgeschlagen worden, u. a. die sogenannten Durchlauferhitzer. Bei diesen im Strömungsweg des Heizöles vom Vorratsbehälter zum Brenner angeordneten Einrichtungen handelt es sich bekanntlich um ein durch eine Dampf- oder Heisswasserschlange be- heiztes Strömungsgefäss.
Bei der ausserordentlich gro- ssen dynamischen Zähigkeit des Heizöles. der genannten Sorten herrscht in dem beheizten Ölbad - wie die bekannten Durchlauferhitzer bezeichnet werden können - lediglich eine laminare Strömung, und die Heizflächen werden nur äusserst mangelhaft bestrichen. Um nun die durch die Brennerleistung bestimmte Durchflussmenge aufzuwärmen, sind unter den gegebenen Umständen sehr grosse Wärrneaus- tauschflächen und folglich grossdimensionierte Durchlauferhitzer notwendig.
Diese sind in der Herstellung und im Betrieb sehr kostspielig, sind mit einer nicht zu übersehenden Störungsanfälligkeit behaftet und erfordern zu ihrem Betrieb besondere Einrichtungen in Form von durch Thermostaten gesteuerten Temperaturreglern. Wird dadurch zunächst die Störungsanfälligkeit erhöht und die Wirtschaftlichkeit herabgesetzt, so können die Thermostaten die Öl- temperatur keinesfalls konstant halten, höchstens innerhalb bestimmter relativ weiter Grenzen regeln, wie dies bei der in einem derartigen sehr umfangreichen Durchlauferhitzer enthaltenen Heizölmenge selbstverständlich ist.
Die Temperaturschwankungen des zum Brenner gelangenden Heizöles - auch bei kontinuierlichem Betrieb - beeinflussen durch Änderung der Viskosität den Zerstäubungsgrad und damit das. Mischungsverhältnis mit der Verbrennungsluft, so dass starke Rauchentwicklung und Verbrennung in
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unerwünscht starkem Luftüberschuss sich in abwechselnder Reihenfolge ablösen. Dieser Mangel des thermostatgesteuerten Betriebes wurde noch durch das für Schweröle charakteristische Entstehen von Wärmeschichtungen und damit von grösseren Temperaturunterschieden zwischen den einzelnen Bereichen eines Durchlauferhitzers verstärkt.
Aus diesen Gründen konnten die bekannten Durchlauferhitzer nicht restlos befriedigen. Zweck des Verfahrens nach der Erfindung ist nun das Herabsetzen der Viskosität von mittleren und schweren Heizölen und von anderen zähflüssigen Medien durch Temperaturerhöhung.
Dies wird gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass das aufzuheizende Medium in einem geschlossenen Kanal mit der höchstmöglichen noch eine laminare Strömung zulassenden Geschwindigkeit der Einwirkung des höchstens um 5 C über die Endtemperatur des aufzuheizenden Mediums erhitzten Heizmediums ausgesetzt wird.
Das Patent betrifft auch eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens. Diese ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch mindestens eine Heizkammer, in welcher mindestens einen geschlossenen Kanal bildende Führungsmittel zum Führen des aufzuheizenden Mediums und Ver- teilmittel zum Inberührungbringen des Heizmediums mit den Führungsmitteln angeordnet sind.
Anhand der Zeichnung, in welcher als Ausführungsbeispiel einer solchen erfindungsgemässen Einrichtung ein Durchlauferhitzer für Heizöle dargestellt ist, wird das erfindungsgemässe Verfahren nachfolgend rein beispielsweise erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Durchlauferhitzer, Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie 11-II der Fig. 1 und Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine Heizkammer. Beide Enden eines Isoliermantels, der im Querschnitt die Form eines flachen Ovals hat, sind durch zueinander parallele Flansche 2 verschlossen, welche runde Bohrungen 3 mit abgesetzter Wandung aufweisen,
wobei jeweils eine Bohrung des einen Flansches mit einer Bohrung des anderen Flansches gleichachsig angeordnet ist. Längs der gemeinsamen Achse je zweier Bohrungen 3 erstrecken sich kreiszylindri- sche Mäntel 4 zwischen den Flanschen 2 und sind an ihren Enden, welche in die Bohrungen 3 eingreifen, mit den Flanschen 2 dichtend verbunden. In dieser Weise bilden die Mäntel 4 voneinander getrennte Heizkammern 5, deren Enden durch Deckel 6 und 7 verschlossen sind, welche unter Zwischenschaltung von Dichtungen 8 auf die Flansche 2 aufgesetzt und dort mittels Schrauben 9 befestigt sind.
In den Heiz- kammern 5 sind koaxial zu den Mänteln 4 liegende Sprührohre 10 vorgesehen, welche aussen am einen Deckel 7 angelötet sind, wobei deren innere, das heisst in den Heizkammern 5 liegende Enden verschlossen sind. Die Sprührohre sind in axialen Abständen mit Gruppen von radialen Bohrungen 11 versehen und kommunizieren miteinander über ein an ihren äusseren Enden aufgesetztes Verteilerrohr 12, an welchem die nicht dargestellte Speiseleitung des Heizmediums angeschlossen ist. In dem Verteilerrohr 12 befindet sich noch ein Wärmefühler 13. In den Fig. 2 und 3 ist es ersichtlich, dass die Mäntel 5 mit Ablassstutzen 14 ausgerüstet sind.
Der Deckel 6 weist im Bereiche einer jeden Heiz- kammer 5 zwei nicht näher bezeichnete Bohrungen auf, durch welche jeweils die Enden einer aus zwei koaxial ineinandergewundenen und in Reihe geschalteten, schraubenlinienförmig gewundenen Rohren 15 und 16 bestehenden Heizschlange geführt sind, welche die Sprührohre 10 in den Heizkammern 5 umgeben. Mittels kurzen, in die vorerwähnten Bohrungen des Deckels 6 eingelöteten Verbindungsstutzen 17 münden die freien Enden der Rohrschlangen 15 in ein Sammelrohr 18 und die der Rohrschlangen 16 in ein Verteilerrohr 19.
Beide, das Verteilerrohr 19 und das Sammelrohr 18, sind an den Verbindungsstutzen 17 befestigt; am Verteilerrohr 19 ist die nicht dargestellte Speiseleitung des Heizöles angeschlossen, während das Sammelrohr 18 der ebenfalls nicht dargestellten Brennerleitung vorgeschaltet ist. Isolierhauben 20 sind über beide Enden des Durchlauferhitzers gestülpt, um die Anschlussteile abzuschirmen und zu schützen.
Das hochviskose Heizöl strömt durch das Verteilerrohr 19 zwecks Vorwärmung in die äussere Rohrschlange 16 und anschliessend zwecks Endaufheizung in die innere Rohrschlange 15 jeder Heizschlange. Die beiden Rohrschlangen 15 und 16 werden mit relativ grosser Strömungsgeschwindigkeit durchflossen, und das Heizöl gelangt anschliessend durch das Sammel- rohr 18 in den Brenner. Gleichzeitig wird durch das Verteilerrohr 12 den Sprührohren 10 Heizmedium, namentlich Dampf oder Heisswasser, zugeführt, welches durch die radialen Bohrungen 11 in der Form von Sprühstrahlen austritt.
Die Sprühstrahlen treffen mit grosser Geschwindigkeit auf die Wandungen der Rohrschlangen 15 und 16, wo sie zerstäuben und die Heizschlangen schliesslich unter starker Wirbelung von allen Seiten umspülen. Das Heizmedium verlässt die Heizkammern 5 durch die Ablassstutzen 14, um erneut dem Kreislauf der Heizung zugeführt zu werden. Es ist einleuchtend, dass in dieser Weise den Heizkammern 5 in der Zeiteinheit eine beträchtliche Wärmemenge zugeführt werden kann, oder - mit anderen Worten - dass trotz Übernahme und Abführen von Wärme durch das. Heizöl die Temperatur in den Heizkammern 5 konstant auf der erwünschten Höhe gehalten werden kann.
Es ist gleichermassen einleuchtend, dass der Wärmeübergang vom Heiz- medium auf das Heizöl besonders intensiv ist, da das Heizmedium über eine grosse Wärmeaustauschfläche auf das Heizöl einwirkt, ein Umstand, welcher an sich schon einen grossen Wärmedurchsatz begründet. Im Interesse einer möglichst grossen Wärmeaustauschfläche zwischen den beiden Medien wurde der Durchflussquerschnitt in den Rohrschlangen 15 und 16
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so niedrig und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Heizöles so hoch gewählt, dass die Reynoldsche Zahl gerade unter dem kritischen Wert liegt und die Strömung des Heizöles in den Heizschlangen 15, 16 gerade noch laminar ist.
Dadurch muss die grosse Wärmeaustauschfläche nicht durch erhöhte Strömungswiderstände erkauft werden. Das stark turbulente Strömen des Heiz- mediums sorgt anderseits dafür, dass sich die die Heizschlangen 15, 16 berührenden Partikelchen desselben in ununterbrochener Reihenfolge abwechseln, wobei noch eine grosse Wärmemenge aufweisende Partikel- chen jene von den Wärmeaustauschflächen verdrängen, welche dort bereits Wärme abgegeben haben. Während des schnellen Durchflusses des Heizöles durch die Heizschlangen gelangt jedes Ölpartikelchen unter die Einwirkung einer beträchtlichen Anzahl warmer Partikeln des Heizmediums.
Die Länge der Heizschlangen und der Durchsatz des Heizmediums wird so gewählt, dass das in das Sammelrohr 18 gelangende Heizöl die erwünschte Endtemperatur aufweist. Durch den - wie beschrieben - sehr intensiven Wärmeaustausch im Durchlauferhitzer genügt es, die Temperatur des Heizmediums zum vollständigen Aufheizen des Heizöles um einige Grade - maximum um 5 C - über die Endtempera- tur des Heizöles zu halten, und die Einhaltung dieser konstanten Temperatur erfolgt z. B. bei Dampfheizung durch Reduktion des Dampfdruckes auf das notwendige Mass. Bei Heisswasser kann zu diesem Zwecke eine Mischstation verwendet werden.
Der geringe Temperaturunterschied zwischen dem Heiz- medium und dem Heizöl zusammen mit den erwähnten, die Austrittstemperatur des Heizöles bestimmenden konstanten Faktoren macht die Verwendung von Reguliereinrichtungen überflüssig. Dies im Gegensatz zu bekannten Durchlauferhitzern, welche mit einem weit über seine Endtemperatur aufgeheizten Heizmedium arbeiten müssen und für das Einhalten einer wenigstens bestimmte Grenzen nicht über- bzw.
unterschreitenden Öltemperatur während des Brennerbetriebes und um im intermittierenden Betrieb beim Ausschalten des Brenners ein überhitzen des Heizöles im Durchlauferhitzer zu verhüten, auf die Verwendung einer durch Thermostaten gesteuerten Regulierung der Wärmezufuhr nicht verzichten können. Beim erfindungsgemässen Durchlauferhitzer weist das aus der Heizschlange strömende Heizöl stets die gewünschte Endtemperatur auf.
Ausser dem Fortfall einer Vorrichtung zum Regulieren der Wärmezufuhr zusammen mit den anhaftenden funktionellen und wirtschaftlichen Nachteilen weist der erfindungsgemässe Durchlauferhitzer noch weitere Vorteile auf. Wenn der Brenner beim inter- mittierenden Betrieb abstellt und dabei das Strömen des Heizöles durch den Durchlauferhitzer stoppt,
übernimmt die in den Heizschlangen enthaltene Heiz- ölmenge nach kurzer Zeit die Temperatur des Heiz- mediums. Im Durchlauferhitzer wird dadurch ein höchstens um 5 C über die gewünschte Endtemperatur vorgewärmter Heizölvorrat geschaffen und für das folgende Inbetriebsetzen des Brenners bereitgehalten. Das Vorhandensein eines solchen Vorrats, das heisst eines Vorrats mit erhöhter Zündwilligkeit - so wesentlich dies für sich schon sein mag - ist freilich lediglich die Folge des nicht minder wichtigen Umstandes,
dass der Durchlauferhitzer auch während eines Unterbruches des Brennerbetriebes nicht nur in Betriebsbereitschaft, vielmehr in unvermindertem Betriebszustand gehalten wird. Beim erneuten Starten des Brennerbetriebes wird dann das. höchstens um 5 C über die gewünschte Endtemperatur vorgewärmte Vorratsöl bei Verdrängen des im Brenner erkalteten Heizöles den Brenner leicht und rasch vorspülen, die ausgekühlten Brennerteile schnell vorwärmen und ergibt bei korrektem Zerstäubungsgrad sicheres Zünden bei der erwähnten Endtemperatur.
Auch nach einem längeren Unterbruch des Heizungsbetriebes gestatten die relativ kleinen Ölmengen in den Heizschlangen, deren hohe Durchflüssgeschwin- digkeit und der kontinuierliche Durchfluss des Heiz- mediums - Faktoren, die an sich schon jegliche Schwankungen rasch ausgleichen würden - das sehr schnelle Erreichen des normalen Betriebszustandes.
In diesem Zusammenhang ist der Wärmefühler 13 zu erwähnen, welcher beim Eintreffen des Heiz- mediums im Verteilerrohr 12 den Betrieb des. Brenners freigibt, so dass der Brenner unverzüglich anlaufen kann. Das Erteilen des Startkommandos für den Brenner unmittelbar beim Einführen des Heiz- mediums in den Durchlauferhitzer demonstriert klar die Vorteile des erfindungsgemässen Durchlauferhitzers, entfallen doch dabei die Wartezeiten zwischen Einführen des Heizmediums in den Durchlauferhitzer und dem Start des Brennerbetriebes, welche bei bekannten Durchlauferhitzern bis zu 6 Stunden betragen können.
Nachdem der Durchsatz einer Heizschlange mit der Wahl der Strömungsgeschwindigkeit des Heizöles nach den erwähnten Gesichtspunkten festgelegt ist, geschieht die Anpassung der Leistungsfähigkeit des Durchlauferhitzers an die Brennerleistung durch Parallelschalten der jeweils entsprechenden Zahl Heiz- kammern.
Die Zufuhr des hochviskosen Heizöles an den Durchlauferhitzer besorgt die nicht dargestellte Bren- nerpumpe selber. Folglich stehen die vom Heizöl durchflossenen Leitungen des Durchlauferhitzers unter dem relativ hohen Druck dieser Pumpe, was durch die erwähnten Merkmale der konstruktiven Ausbildung der Einrichtung ohne weiteres möglich ist. Das Heizöl gelangt in die Brennerpumpe mit einer niederen Temperatur bei guter Schmierfähigkeit, wodurch der Verschleiss herabgesetzt und Störungen weitgehend eliminiert werden.
Die hohe Durchfluss- geschwindigkeit des Öles verhindert das Entstehen von Verkokung in den Heizschlangen, um so mehr als die Wandungen der Rohrschlangen kaum über die
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Endtemperatur des Öles geheizt werden müssen, im Gegensatz zu bekannten Durchlauferhitzern, bei denen das Aufheizen des Öles überhaupt ein starkes Temperaturgefälle in den Wärmeaustauschflächen voraussetzt. Es sei noch erwähnt, dass eventuelle Wassereinschlüsse im Heizöl unter dem hohen Druck im Durchlauferhitzer nicht zur Dampfblasenbildung führen können.
Verglichen mit bekannten Durchlauferhitzern zeichnen sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren betriebene Durchlauferhitzer durch besonders günstige Kennwerte aus. In der Praxis hat sich u. a. ein solcher Durchlauferhitzer, deren Raumbedarf bei einer Nennleistung von 1000 1/h nur etwa 0,06 m3 beträgt, gut bewährt. Das mit 12 C eintretende Heizöl wurde bei einer Dampftemperatur von 128 C auf 124 C aufgeheizt, wobei die erwähnte Nennleistung noch bedeutend gesteigert werden konnte.
Durchlauferhitzer zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens können mit elektrischen Heizkammern kombiniert werden, welche lediglich dann zur Verwendung kommen, wenn - z. B. beim Inbetriebsetzen der Heizung - noch kein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium zur Verfügung steht.
In der beschriebenen Weise können zähflüssige Medien aller Art aufgeheizt werden.