Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen brenn stoffbetriebenen Heizkessel mit einem an die von heissen Verbrennungsgasen durchströmte Brennkammer angrenzenden Behälter für einen aufzuheizenden sekundären Wärmeträger.
Solche Kessel werden entweder mit gasförmigen oder mit flüssigen Brennstoffen befeuert, und sie dienen vornehmlich zur Erzeugung von Satt- oder Heissdampf, von Hoch- oder Niederdruckheisswasser oder von Heissluft, sie können aber auch zur Aufheizung von anderen sekundären Wärmeträgern, z. B. von solchen auf Mineralöl- oder auf synthetischer Basis, Verwendung finden.
Bei den heute üblichen Kesselkonstruktionen werden im Schnitt nur ca. 50 No oder durch die Verbrennungsreaktion entbundenen Wärmemenge im Brennraum des Kessels an den aufzuheizenden sekundären Wärmeträger übertragen. Die Wärmeübertragung wird dabei zur Hauptsache durch die Farbstrahlung der Flamme bewerkstelligt. Der Wärmeübergang durch Konvektion ist demgegenüber sehr klein. Diese Form des Wärmeüberganges ist mit verschiedenen Variablen und Nachteilen behaftet. Die hauptsächlichsten davon sind: Der Emmissionskoeffizient der Flamme ist stark abhängig von den Brennstoff-Kennwerten und der Feuerführung. Die Ausgeglichenheit der Wärmestromdichte im gesamten Brennraum ist nicht gewährleistet, da die Flammentemperatur und der Emmissionskoeffizient über die Länge der Flamme stark variieren kann.
Endlich ist eine rückstandfreie Verbrennung nicht immer gewährleistet, weil bei Unterkühlung des Flammensaumes in kalten Feuerräumen sowie bei direkter Berührung der Flamme mit der Wärmeaustauschfläche mit einer örtlichen Störung des Verbrennungsablaufes gerechnet werden muss. Dem Feuerraum nachgeschaltete Heizflächen übertragen die in den Brenngasen beinhaltete Wärme durch Konvektion und Wärmeleitung. Wertanalysen zeigen, dass die Kosten der sogenannten konvektiven Heizfläche, gemessen am Nutzeffekt sehr gross ist.
Es fehlte bisher nicht an Versuchen, dieses Wert-Aufwandverhältnis zu verbessern.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Heizkessels der eingangs genannten Gattung der diese Nachteile bekannter Kesselkonstruktionen erheblich vermindert und bei dem eine sehr hohe Wärmeübergangszahl durch Konvektion realisiert wird.
Hierzu ist der erfindungsgemässe brennstoffbetriebene Heizkessel dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter für den aufzuheizenden sekundären Wärmeträger einen unteren und einen oberen Sammelkanal aufweist, in welche die Enden von Rohren münden, die in ihrer Gesamtheit zwei koaxiale Röhrenmäntel bilden, deren jeder aus nebeneinander angeordneten und untereinander durch Stege verbundenen Rohren besteht, wobei die Rohre des einen Röhrenmantels um eine halbe Rohrteilung versetzt sind, in der Weise, dass die Stege des inneren, an die Brennkammer angrenzenden Röhrenmantels, jeweils einem Rohr des äusseren Röhrenmantels gegenüberliegen, und dass die Stege des inneren Röhrenmantels in Reihen angeordnete Durchlässe aufweisen, die mit ihrer Achse rechtwinklig gegen die Achse des ihnen gegenüberliegenden Rohres des äusseren Röhrenmantels gerichtet sind.
Ein solcher Kessel zeitigt im Betrieb eine doppelte Wirkung Zum ersten begünstigen die Durchlässe eine gleichmässige Aufheizung des inneren Röhrenmantels durch die heissen Verbrennungsgase, welche durch die Durchlässe in den Stegen die Brennkammer verlassen. Dadurch wird einerseits der Wärme übergang in der Brennkammer ausgeglichen und anderseits strahlt der gleichmässig erwärmte innere Röhrenmantel mit einem konstanten Emissionskoeffizienten die durch Strahlung und Konvektion aufgenommene Wärme an die Heizfläche des äusseren Röhrenmantels ab.
Zum zweiten wird dadurch, dass die heissen Gase in der Brennkammer durch die Durchlässe in den Stegen des inneren Röhrenmantels zu einer Vielzahl gleichgerichteter Strahlen beschleunigt werden, die mit hoher Geschwindigkeit rechtwinklig auf die Rohre des äusseren Röhrenmantels auftreffen, eine gegenüber dem bisher üblichen Wärmeübergang bei bekannten Kesseln sehr hohe Wärme übergangszahl erreicht, weil die Grenzschicht an der Heizfläche des äusseren Röhrenmantels als Folge der chaotischen Turbulenz im Raum zwischen den beiden Röhrenmänteln vollkommen durchdrungen bzw. annähernd auf Null abgebaut wird.
Die sehr hohen Feuerraumtemperaturen in einem solchen Kessel, sowie die der Brennkammer nachgeschalteten Durchlässe gewährleisten eine vollständige und umweltfreundliche Verbrennung.
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel eines brenn stoffbetriebenen Heizkessels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch einen Dampfkessel nach der Linie B-B der Fig. 2,
Figur 2 einen durch diesen Kessel entlang der Linie C-C in Fig. 1, und
Figur 3 einen weiteren Vertikalschnitt durch den Kessel entlang der Linie D-D in Fig. 2,
Der dargestellte Heizkessel weist eine Brennkammer 1 auf, die im dargestellten Beispiel die aus Fig. 1 ersichtliche rechtekkige bis ovale Querschnittsform besitzt aber auch kreisrunden Querschnitt haben könnte.
In diese Brennkammer 1 ragt in bekannter Weise das Brennerrohr eines nicht dargestellten Gas- oder Ölbrenners.
Die Brennkammer 1 wird begrenzt durch einen Behälter für den durch den Kessel aufzuheizenden sekundären Wärmeträger, z. B. Wasser. Dieser Behälter besteht im wesentlichen aus einem inneren und einem äusseren Röhrenmantel 2 bzw. 3, die durch einen unteren Sammelkanal 4 und einen oberen Sammelkanal 5 miteinander kommunizieren.
Der innere Röhrenmantel 2 weist eine Vielzahl von im Querschnitt kreisrunden Rohren 6 auf die je mit ihren Enden in die Sammelkanäle 4 bzw. 5 münden und beidseits der Brennkammer parallel nebeneinander angeordnet und über Stege 7 miteinander verbunden sind.
Der äussere Röhrenmantel 3 ist in gleicher Weise wie der innere Röhrenmantel 2 aus, mit ihren Enden in die Sammelkanäle mündende, unter sich parallele nebeneinander angeordnete, im Querschnitt kreisförmige Röhren 8 aufgebaut, die durch Stege 9 miteinander verbunden sind.
Der äussere Röhrenmantel 3 ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, koaxial um den inneren Röhrenmantel 2 herum angeordnet, wobei seine Rohre 8 jeweils um die Hälfte der gewählten Rohrabstände zu den Rohren 6 des inneren Röhrenmantels 2 versetzt sind (Fig. 2).
Die Stege 7 des inneren Röhrenmantels 2 sind je mit einer Reihe von Durchlässen 10 versehen die mit ihrer Achse rechtwinklig gegen die Achse des ihnen gegenüberliegenden
Rohres 8 des äusseren Röhrenmantels 3 gerichtet sind. In diese
Durchlässe werden mit Vorteil Gasdüsen aus hochtemperaturbeständigem Material eingesetzt die eine zylindrische oder konisch gegen den äusseren Röhrenmantel 3 zulaufende Öffnung aufweisen. Die Anordnung wird mit Vorteil so gewählt, dass der Abstand der Mündung dieser Düsen von den gegenüberliegenden Rohren 8 des äusseren Röhrenmantels 3 etwa dem zweifachen Durchmesser der Düsen entspricht.
Bei Verwendung des beschriebenen Heizkessels als Hoch druck- Dampfkessel wie im dargestellten Beispiel, wird der
Kessel mit einer oben liegenden Dampftrommel 11 ausgerüstet.
Die Dampftrommel ist mit dem im Querschnitt trapezförmigen oberen Sammelkanal 5 durch Steigrohre 12 verbunden. Der untere, im Querschnitt trapezförmige Sammelkanal 4 ist mit der
Dampftrommel 11 durch ein System von unbeheizten Fall rohren 13 verbunden.
Der intensive Wärmeaustausch zwischen den heissen Gasen und dem sekundären Wärmeträger kommt im Betrieb des beschriebenen Kessels wie folgt zustande:
Der im direkt die Brennkammer 1 begrenzenden inneren Röhrenmantel 2 befindliche sekundäre Wärmeträger wird in üblicher Weise in erster Linie durch die Strahlung der Flamme erwärmt.
Dann aber werden die heissen Verbrennungsgase, die die Brennkammer 1 durch die Durchlässe 10 in den Stegen 7 verlassen in diesen Durchlässen beschleunigt und treffen als Vielzahl gleichgerichteter Strahlen rechtwinklig auf die durch die feuerraumseitigen Wände der 8 gebildete Heizfläche auf. Dadurch, dass in dieser Weise die Brenngase mit hoher Energie auf die Rohre 8 auftreffen, wird eine sehr hohe, gasseitige Wärmeübergangszahl erreicht. Die dadurch erreichbare Wärmestromdichte übersteigt diejenige durch Farbstrahlung der Flamme um ein Mehrfaches.
The present invention relates to a fuel-operated heating boiler with a container adjoining the combustion chamber through which hot combustion gases flow, for a secondary heat carrier to be heated.
Such boilers are fired with either gaseous or liquid fuels, and they are mainly used to generate saturated or superheated steam, high or low pressure hot water or hot air, but they can also be used to heat other secondary heat carriers, e.g. B. of those based on mineral oil or on a synthetic basis, use.
With the boiler designs customary today, on average only approx. 50 No or the amount of heat released by the combustion reaction in the combustion chamber of the boiler is transferred to the secondary heat transfer medium to be heated. The heat transfer is mainly done by the color radiation of the flame. In contrast, the heat transfer through convection is very small. This form of heat transfer has various variables and disadvantages. The main ones are: The emission coefficient of the flame is strongly dependent on the fuel parameters and the fire control. The equilibrium of the heat flow density in the entire combustion chamber is not guaranteed, since the flame temperature and the emission coefficient can vary greatly over the length of the flame.
Finally, residue-free combustion is not always guaranteed, because if the flame edge is supercooled in cold combustion chambers or if the flame comes into direct contact with the heat exchange surface, a local disruption of the combustion process must be expected. Heating surfaces downstream of the combustion chamber transfer the heat contained in the combustion gases through convection and heat conduction. Value analyzes show that the costs of the so-called convective heating surface, measured in terms of efficiency, are very high.
There has so far been no lack of attempts to improve this value-expense ratio.
The aim of the invention is to create a heating boiler of the type mentioned at the beginning which considerably reduces these disadvantages of known boiler constructions and in which a very high coefficient of heat transfer is achieved by convection.
For this purpose, the fuel-operated heating boiler according to the invention is characterized in that the container for the secondary heat carrier to be heated has a lower and an upper collecting channel, into which the ends of tubes open, which in their entirety form two coaxial tube jackets, each of which is made up of side by side and one below the other The tubes of the one tube jacket are offset by half a pipe division, in such a way that the bars of the inner tube jacket adjoining the combustion chamber each face a tube of the outer tube jacket, and the bars of the inner tube jacket are in Have passages arranged in rows, which are directed with their axis at right angles to the axis of the opposite tube of the outer tube jacket.
Such a boiler has a double effect when in operation. Firstly, the passages promote uniform heating of the inner tube jacket by the hot combustion gases which leave the combustion chamber through the passages in the webs. As a result, on the one hand, the heat transfer in the combustion chamber is balanced and, on the other hand, the evenly heated inner tube jacket radiates the heat absorbed by radiation and convection to the heating surface of the outer tube jacket with a constant emission coefficient.
Secondly, the fact that the hot gases in the combustion chamber are accelerated through the passages in the webs of the inner tube jacket to form a multitude of rectified jets that hit the tubes of the outer tube jacket at right angles at high speed, one compared to the previously common heat transfer in known Boilers achieve a very high heat transfer coefficient because the boundary layer on the heating surface of the outer tube jacket is completely penetrated or reduced to almost zero as a result of the chaotic turbulence in the space between the two tube jackets.
The very high combustion chamber temperatures in such a boiler, as well as the passages downstream of the combustion chamber, ensure complete and environmentally friendly combustion.
The invention is explained in more detail below using the example of a fuel-operated boiler with reference to the drawing. Show it:
Figure 1 is a vertical section through a steam boiler along the line B-B of Fig. 2,
Figure 2 shows a through this boiler along the line C-C in Figure 1, and
FIG. 3 shows a further vertical section through the boiler along the line D-D in FIG. 2,
The boiler shown has a combustion chamber 1, which in the example shown has the rectangular to oval cross-sectional shape shown in FIG. 1 but could also have a circular cross-section.
The burner tube of a gas or oil burner, not shown, protrudes into this combustion chamber 1 in a known manner.
The combustion chamber 1 is limited by a container for the secondary heat transfer medium to be heated by the boiler, e.g. B. water. This container essentially consists of an inner and an outer tube jacket 2 and 3, which communicate with one another through a lower collecting channel 4 and an upper collecting channel 5.
The inner tube jacket 2 has a large number of tubes 6 with a circular cross-section, each of which opens with its ends into the collecting ducts 4 and 5 and is arranged parallel to one another on both sides of the combustion chamber and connected to one another via webs 7.
The outer tube jacket 3 is constructed in the same way as the inner tube jacket 2, with its ends opening into the collecting channels, parallel tubes 8 arranged next to one another, circular in cross section, which are connected to one another by webs 9.
As can be seen from the drawing, the outer tube jacket 3 is arranged coaxially around the inner tube jacket 2, its tubes 8 being offset from the tubes 6 of the inner tube jacket 2 by half the tube spacing selected (FIG. 2).
The webs 7 of the inner tubular jacket 2 are each provided with a series of passages 10 with their axis at right angles to the axis of the opposite
Tube 8 of the outer tube jacket 3 are directed. In these
Passages are advantageously used gas nozzles made of high-temperature-resistant material which have a cylindrical or conical opening tapering towards the outer tube jacket 3. The arrangement is advantageously chosen so that the distance between the mouth of these nozzles and the opposite tubes 8 of the outer tube jacket 3 corresponds approximately to twice the diameter of the nozzles.
When using the boiler described as a high pressure steam boiler as in the example shown, the
Boiler equipped with an overhead steam drum 11.
The steam drum is connected to the upper collecting duct 5, which is trapezoidal in cross-section, by riser pipes 12. The lower, in cross section trapezoidal collecting channel 4 is with the
Steam drum 11 connected by a system of unheated fall pipes 13.
The intensive heat exchange between the hot gases and the secondary heat transfer medium occurs as follows when the boiler described is in operation:
The secondary heat transfer medium located in the inner tube jacket 2 directly delimiting the combustion chamber 1 is usually heated primarily by the radiation of the flame.
Then, however, the hot combustion gases that leave the combustion chamber 1 through the passages 10 in the webs 7 are accelerated in these passages and hit the heating surface formed by the walls of the combustion chamber 8 at right angles as a multitude of aligned rays. Because the combustion gases impinge on the tubes 8 with high energy in this way, a very high heat transfer coefficient on the gas side is achieved. The heat flux density that can be achieved in this way exceeds that of the color radiation of the flame several times over.