DE1800019A1 - Rauchrohrkessel - Google Patents

Description

rr, ^Tr

Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard Lledl 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

A 3536

Dipl.-Ing. Heinz Gerbert, ERLENMOOS, Panoramastraße

Rauchrohrkessel

Die Erfindung betrifft einen Rauchrohrkessel, bei dem in den
Rauchgaskanälen Turbulenzkonstanthalter vorgesehen sind, die aus an stab- oder stegförmigen Trägerelementen angeordneten Formblechen bestehen.

Um Rauchrohrkessel wirtschaftlich betreiben und herstellen zu können, wird angestrebt, die von der Feuerung erzeugte Wärmemenge über eine möglichst kleine Heizfläche mit einem Minimum an Energieaufwand an das zu beheizende Medium zu übertragen.

909833/0102

Die Wärmeübertragung ist im Bereich des Glutbettes bei der Feuerung fester Brennstoffe an den anliegenden, als Kontaktheizfläche wirkenden Kesselwänden und im Bereich der öl- oder Gasflammen bei öl- oder gasgefeuerten Kesseln durch Strahlung am stärksten. Die Wärmeübertragung im Bereich der Konvektionsheizflächen, d. h. in dem Bereich, wo die Wärme der Gase an die Heizflächen übertragen werden soll, erfordert jedoch im Verhältnis wesentlich mehr Heizfläche, so daß das Bestreben besteht, die Wärmeabgabe in diesem Bereich durch besondere Maßnahmen und Einrichtungen zu erhöhen, um einerseits die Heizflächen zu reduzieren und andererseits die vorhandene Wärmemenge voll auszunutzen. Dabei soll die Wärmeübertragung mit einem Minimum an Energieaufwand, d.h. Druckverlust, erfolgen.

Ausgehend von dieser Problemstellung wurden nun Rauchrohrkessel entwickelt, bei denen zur Erhöhung der Wärmeübertragung und zur Verringerung der Größe der Heizflächen sogenannte Turbulenzkonstanthalter den Rauchgaskanälen angeordnet werden, die aus Formblechen bestehen, welche an stabförmige!! Trägerelementen angeordnet sind. Diese Turbulenzkonstanthalter sollen dazu dienen, den Umschlag von der turbulenten in die laminare Strömung zu

909833/0102

verhindern, da die Wärmeübertragung bei einer laminaren Strömung wesentlich schlechter ist als bei einer turbulenten Strömung.

Rauchrohrkessel der vorgenannten Art sind z. B. durch die deutsche Patentschrift 1 229 268 und durch die britische Patentschrift 1 028 070 bekannt. Der Rauchrohrkessel nach der britischen Patentschrift 1 028 070 weist dabei die Besonderheit auf, daß die Turbulenzkonstanthalter derart angeordnet werden sollen, daß eine konstante Geschwindigkeit der Rauchgase aufrechterhalten und die auf die Temperaturabsenkung zurückführende Volumenverminderung der Rauchgase kompensiert wird.

Die bekannten Rauchrohrkessel der genannten Art werden der gestellten Aufgabe der Erhöhung der Wärmeübertragung und der Reduzierung der Größe der Heizflächen nur unvollkommen gerecht, denn die durch die bekannten Turbulenzkonstanthalter erzeugte Turbulenz ist insofern unzureichend, als die Rauchgase, auch wenn sie mit hoher Geschwindigkeit den Heizflächen entlang strömen, sich nur in den äußeren Bereichen, d. h. in den Grenzschichten, abkühlen, während der Kern der Rauchgase infolge seiner großen Zähigkeit heiß bleibt. Der Grund hierfür liegt vor allem darin, daß durch die bekannten Turbulenzkonstanthalter die Rauchgase eine im wesentlichen nur

909833/0102

eindimensionale Umlenkung erfahren, so daß Turbulenz und Wärmeübertragung unbefriedigend sind und die Rauchrohrkessel trotz der Turbulenzkonstanthalter eine relativ große Heizfläche benötigen, wodurch die Baugröße steigt und die Herstellungskosten verteuert werden. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es nun Aufgabe der Erfindung, den genannten Nachteilen abzuhelfen und einen Rauchrohrkessel der genannten Art bezüglich des Wärmeüberganges und der Größe der Heizflächen zu verbessern. Weiterhin soll der Druckverlust bei der Wärmeübertragung möglichst gering sein, damit der Energieaufwand niedrig ist und preiswerte Brennersysteme Verwendung finden können. Ferner sollen sich die Heizflächen selbsttätig reinigen und es sollen Strömungsschatten hinter den Turbulenzkonstanthaltern vermieden werden. Die Turbulenzkonstanthalter sollen

außerdem so ausgebildet sein, daß der Herstellungsaufwand in vertretbaren Grenzen bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Formbleche der Turbulenzkonstanthalter in ihrer Formgebung und Größe so ausgebildet und derart in den Rauchgaskanälen angeordnet sind, daß sie von den Rauchgasen allseitig umströmt werden. Aufgrund dieser allseitigen Umströmung der Formbleche der Turbulenzkonstanthalter ergibt sich im Gegensatz zu der bekannten, nur ein-

909833/0102
3536

dimensionalen Umlenkung eine dreidimeneionale Umlenkung und Verwirbelung der Rauchgase, so daß im Gegensatz zu den bekannten Rauchrohrkesseln tatsächlich eine freie Turbulenz im eigentlichen physikalischen Sinn erzielt wird. Hierdurch gelingt eine Steigerung des Wärmeüberganges um ein Vielfaches der bekannten Werte, d. h. entweder können bei gleicher Wärmeübertragungsleistung die Heizflächen verkleinert werden oder es kann bei gleicher Größe der Heizfläche eine beträchtliche Steigerung der Wärmeübertragungsleistung erzielt werden. Außerdem ist der Energieaufwand aufgrund des geringeren Druckverlustes wesentlich kleiner als bei den bekannten Rauchrohrkesseln.

Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß der Leistungsbereich eines Kessels um mehr als 100 % verändert werden kann, so daß selbst für einen breiten Leistungsbereich nur sehr wenige Kesseltypen erforderlich sind, denn die erfindungsgemäß ausgebildeten Turbulenzkonstanthalter bieten die Mög-

909833/0102 original inspected

- β-

lichkeit, durch die Art ihrer Anordnung und ihre Anzahl die Geschwindigkeit, die Verweilzeit und die Weglänge der Rauchgase in einem großen Bereich zu regeln.

Gemäß einer bevorzugten Aueführungeform ist der freie Strömungequerschnitt der Rauchgaskanäle durch die Formbleche derart verengt, daß an jede ν Stelle im Rauchgaskanal die Geschwindigkeit der Rauchgase so hoch ist, daß die für eine freie Turbulenz erforderliche Reynoldszahl erreicht wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nimmt die durch die Formbleche erzeugte Verengung des Strömungs -querschnittes der Rauchgaskanäle in Strömungsrichtung derart zu, daß die Strömungsgeschwindigkeit in Strömungsrichtung konstant bleibt. Die Zunahme der Verengung des Strömungs -querschnittes in Strömungsrichtung kann dabei durch eine Zunahme der Größe der Formbleche bei etwa konstantem Abstand - Quer- und/oder Längsteilung - der Formbleche voneinander und/oder durch eine Verringerung des Abstandes -

909833/0102

Quer- und/oder Längsteilung - der Formbleche voneinander bei p*wa gleicher Größe der Formbleche und/oder durch eine Verringerung des Querschnittes der Rauchgaskanäle erzielt werden.

Wenn die Herstellungskosten des Rauchrohrkessels möglichst gering gehalten werden sollen, können die Turbulenzkonstanthalter derart ausgebildet sein, daß bei konstanten Abständen der Formbleche voneinander und bei einheitlicher Größe der Formbleche der freie Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung konstant und so groß ist, daß an der Stelle niedrigster Rauchgastemperatur freie Turbulenz in der Strömung herrscht.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich.

Es zeigen:

909833/0102

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen gekrümmten Rauchgaskanal mit gekrümmten, hanteiförmigen Formblechen;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen gekrümmten Rauchgaskanal mit rechteckigen Formblechen;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen gekrümmten Rauchgaskanal mit winklig gebogenen Formblechen;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen nicht gekrümmten, rechteckigen Rauchgaskanal mit hanteiförmigen, nicht gekrümmten Formblechen;

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen rechteckigen, nicht gekrümmten Rauchgaskanal mit winklig gebogenen Formblechen, die auf einem außermittig angeordneten Trägerelement angeordnet sind;

909833/010 2

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen rechteckigen Rauchgaskanal, in den durch ein Trägerelement verbundene, winklig gebogene Formbleche eingelegt sind;

Fig. 7 einen Querschnitt durch einen rohrförmigen Rauchgaskanal mit winklig gebogenen Formblechen.

Die in den Fig., 1 bis 7 der Zeichnung dargestellten Turbulenzkonstanthalter sind so ausgebildet, daß ein Rauchgasstrom 16 beim Auftreffen auf dieselben vom Kern her aufgerissen und dreidimensional umgelenkt wird, wie dies durch Pfeile 17 angedeutet ist. Die Turbulenzkonstanthalter bzw. die Formbleche sind in ihren Abmessungen so bemessen, daß die Summe von Ringspaltquerschnitten 18 pro Formblech zum zugehörigen freien Querschnitt des Rauchgaskanales ein derartiges Verhältnis bildet, daß den Rauchgasen eine solche Geschwindigkeit verliehen wird, daß die für die freie Turbulenz erforderliche kritische Reynoldszahl überschritten wird.

909833/0102

- io-

Die Strömung mit freier Turbulenz zeichnet sich gegenüber einer solchen mit wandgebundener Turbulenz dadurch aus, daß erstere bei gleicher Turbulenz, d.h. bei gleichem Mischungsgrad der Gasströmung, wesentlich weniger Energie benötigt. Die freie Turbulenz ' der Strömung reicht aber selbst bei überkrititscher Strömung nicht

aus, die Wärmeenergie des heißen Rauchgaskernes schnell und auf kleiner Oberfläche zum Austauschen zu bringen. Deshalb wird durch die Formgestaltung der erfindungsgemäßen Turbulenzkonstanthalter bzw. Formbleche und deren Anordnung ein zusätzlicher dreidimensionaler Austauscheffekt hervorgerufen, der sich dem Effekt der freien Turbulenz überlagert, so daß bei gleichen Druckverlusten mehr als die doppelte Wärmemenge pro Flächeneinheit übertragen werden kann.

Zur Turbulen 2 konstanthaltung und Erzeugung der gewünschten dreidimensionalen Strömung werden erfindungsgemäß in besonderer Form ausgebildete Formbleche 3,4,5,7,8,10,14 verwendet, die aus Blech gestanzt oder aber auch gegossen werden können. Diese Formbleche werden in gleichen oder veränderlichen Längsabständen 19 Längsteilung - auf stabförmige Trägerelemente 2 aufgesteckt und in

909833/0102

- ii -

geeigneter Weise befestigt. Vorzugsweise werden die einzelnen Formbleche von Reihe zu Reihe versetzt angeordnet, wobei entweder über die Länge des Rauchgaszuges entsprechend dem Rauchgaszustand zumindest abschnittsweise die Abmessungen der Formbleche vergrößert oder die Längs- und Querteilungen 20 verkleinert werden. Soll ein Minimum an Fertigungsaufwand erzielt werden, so können die einzelnen Formbleche sämtlich die gleiche Größe aufweisen, wobei die Anordnung derart getroffen wird, daß am Punkt der niedrigsten Rauchgastemperatur noch freie Turbulenz herrscht. Wenn dieser Forderung Genüge geleistet wird, können gleiche oder veränderliche Teilungen in Anwendung kommen.

Durch die erfindungsgemäße Form und die versetzte Anordnung der einzelnen Formbleche ergibt sich der Vorteil, daß im Rauchgaskanal wesentlich verlängerte Rauchgaswege entstehen und die Verweilzeit der Rauchgase an den Wärmeaustauschflächen mehr als verdreifacht wird. Durch die nahezu punktförmige Auflage der einzelnen Formbleche ergibt sich ein weiterer Vorteil. Im Bereich von zwischen den einzelnen Formblechen befindlichen Ringspalten 18 herrscht

909833/0102

eine so hohe Rauchgasgeschwindigkeit, daß sich keine Schmutzteilchen absetzen können und eine selbsttätige Reinigung der Heizflächen erzielt wird.

Die erfindungsgemäßen Formbleche können auch andere Form und Gestalt haben, als in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, . solange der Forderung hinsichtlich der dreidimensionalen Umlenkung entsprochen wird, wobei es günstig ist, wenn die Auflagefläche der Formbleche möglichst klein ist.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Rauchrohrkessei kann mit beliebigen festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beschickt ^ werden und zur Erwärmung von Wasser oder beliebigen anderen Heiz-

medien dienen. Bezüglich der Form und des Querschnittes der Rauchgaskanäle bestehen keine Einschränkungen.

Bei rohrförmigen Rauchgaskanälen mit Kreisquerschnitt können die Formbleche als Kreiszuschnitte ausgebildet sein, wobei in den

909833/0102

Randbereichen mehr oder weniger tief Segmente, Zweieckflächen oder Flächen anderer Form und Gestalt ausgeschnitten sind. Es ist auch möglich, hierbei von quadratischen Zuschnitten auszugehen, wobei die zuströmseitigen Querbleche dreiecksförmige, segment förmige Ausschnitte o.dgl, aufweisen. Eine gute Durchmischung, Verwirbelung und Turbulenz wird auch vor allem dann erzielt, wenn die einzelnen Formbleche Ausnehmungen oder Führungsflächen aufweisen, Die Ausnehmungen können dabei so geformt sein, daß eine Art Leitblech gebildet wird, so daß die Verweilzeit der Rauchgase in den Rauchgaskanälen verlängert und ein Minimum an Werkstoff zur Herstellung der Formbleche insgesamt benötigt wird.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Rauchgaskessel weist vor allem folgende Vorteile auf:

Die Rauchgase haben überall eine freie Turbulenz im eigentlichen physikalischen Sinn, so daß die Bildung von heißen Kernen und kälteren Grenzschichten vermieden und der Wärmeübergang im Vergleich

909833/0102

zu den bekannten Werten um ein Vielfaches erhöht wird. Es ist somit möglich, die Wärmeübertragungsleistung zu steigern und die Größe der Heizfläche zu verringern. Bezogen auf eine bestimmte spezifische Heizflächenbelastung beträgt der Druckverlust weniger als die Hälfte im Vergleich zu den bekannten Werten, wobei ein bestimmter Druck in der Brennkammer ohne Schwierigkeit eingehalten werden kann, der für den optimalen Ausbrand der Brennstoffe erforderlich ist und eine gleichmäßige Rauchgasbeaufschlagung des nachgeschalteten Rauchgaskanales sicherstellt.

Der Leistungsbereich eines erfindungsgemäßen Rauchrohrkessels kann um mehr als 100 % verändert werden, ohne daß h ierbei der Wirkungsgrad absinkt. Dieser große Regelbereich bringt besondere Vorteile für den Winter- und Sommerbetrieb sowie bei Kapazitätsänderungen, da die Kesselleistung entsprechend angepaßt werden kann.

909833/0102

Claims (9)

Patentansprüche

1. Rauchrohrkessel, bei dem in den Rauchgaskanälen Turbulenzkonstanthalter vorgesehen sind, die aus an stab- oder stegförmigen Trägerelementen angeordneten Formblechen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbleche (3,4,5,7, 8,10,14) in ihrer Formgebung und Größe so ausgebildet und derart in den Rauchgaskanälen angeordnet sind, daß sie von den Rauchgasen allseitig umströmt werden.

2. Rauchrohrkessel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Strömungsquerschnitt der Rauchgaskanäle durch die Formbleche (3,4,5,7,8,10,14) derart verengt ist, daß an jeder Stelle in den Rauchgaskanälen die Geschwindigkeit der Rauchgase so hoch ist, daß die für eine freie Turbulenz erforderliche Reynoldszahl erreicht wird.

90 9 833/0102

Ji

3. Rauchrohrkessel gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Formbleche (3,4, 5, 7, 8,10,14) erzeugte Verengung des Strömungsquerschnittes der Rauchgaskanäle in Strömungsrichtung derart zunimmt, daß die Strömungsgeschwindig» keit in Strömungsrichtung konstant ist.

4. Rauchrohrkessel gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Verengung des Strömungsquerschnittes in Strömungs richtung durch eine Zunahme der Größe der Formbleche (3j 4, 5, 7, 8,10,14) bei etwa konstantem Abstand - Quer- und/oder Längsteilung - der Formbleche (3,4, 5, 7, 8,10,14) voneinander und/oder durch eine Verringerung des Abstandes - Quer- und/oder Längsteilung - der Formbleche (3,4, 5, 7, 8,10,14) voneinander bei etwa gleicher Größe der Formbleche (3,4, 5, 7, 8,10, 14) und/oder durch eine Verringerung des Querschnittes der Rauchgaskanäle erzielt wird.

909833/0102

5. Rauchrohr kessel gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanten Abständen der Formbleche (3,4,5,7, 8,10,14) voneinander und bei einheitlicher Größe und Formgebung der Formbleche (3,4, 5,7,8,10,14) der freie Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung konstant und so groß ist, daß an der Stelle niedrigster Rauchgastemperatur freie "turbulenz in der Strömung herrscht.

6. Rauchrohrkessel gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbleche (3,4,5,

7. 8,10,14) in Strömungsrichtung seitlich zueinander versetzt in den Rauchgaskanälen angeordnet sind.

7. Rauchrohrkessel gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbleche (3) hanteiförmig ausgebildet sind.

8. Rauchrohrkessel gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbleche (5) winklig gebogen und derart in den Rauchgaskanälen angeordnet sind, daß die Winkelkante strömungsaufwärts liegt.

9 09833/0102

Jt

9. Rauchrohrkessei gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbieche (3,4,5, 7,8,10,14) Ausnehmungen und Ausschnitte aufweisen«

909833/0102