DE2215101A1 - Verfahren zur Erwärmung von Flüssigkeiten und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

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233-18.5ήΟΡ(ΐ8.54ΐΗ) 28. 3. 1972

HUTNI DRUHOVYROBA. generalni reditelstvi. Praha

(CSSR)

Verfahren zur Erwärmung von Flüssigkeiten und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erwärmung von Flüssigkeiten, z. B. in Heizsystemen und Destillieranlagen, zur Verdampfung von Flüssigkeiten, zur thermischen Zersetzung oder Synthese von Flüssigkeiten usw. sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekannte Einrichtungen zur Erwärmung von Flüssigkeiten sind beispielsweise Kessel zur Erwärmung oder Verdampfung von Wasser zu Heizzwecken, ferner irgendwelche Typen von Wärmeaustauschern, in denen Flüssigkeiten, wie Wasser, Erdöl, verschiedene Lösungen u. dgl. durch die bei der Verbrennung von gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen ge-

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wonnene Wärme erwärmt werden. Diese Kessel oder dgl. sind in der Regel mit einem relativ großen Verbrennungsraum ausgestattet, in welchem die Freisetzung der chemisch gebundenen Wärme aus den gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen bei deren Verbrennung erfolgt. Der gesamte Wärmeübergang geht in diesen Kesseln vor allem durch Konvektion der Verbrennungsgase und nur in einem geringeren Maße durch Strahlung der Flamme und Strahlung der dreiatomaren Gaskomponenten vor sich. Da bei der Verbrennung gasförmiger Brennstoffe und Verdampfung leichter flüssiger Brennstoffe die Strahlung der Flamme begrenzt und die Strahlung der dreiatomaren Komponenten der Rauchgase bei ihrer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gleichfalls gering ist, wird ein beträchtlicher Teil der freigesetzten Wärme an die metallischen Kesselwände durch Konvektion der Verbrennungsgase abgegeben. Bei den Arbeitsbedingungen dieser Kessel erscheinen als Folgen des erwähnt en Wärmeüberganges eine verringerte spezifische Leistung (kcal/m · h), ein großes Gewicht der Einrichtung (kp), eine Erhöhung der Heizfläche (m ) und eine unerwünschte Erhöhung des Wassergehalts im Kessel (1).

Auch die bereits um das Jahr 1913 ausgeführten Versuche mit der Ausnutzung der Gasverbrennung in einer keramischen Schicht haben sich nicht bewährt und keine praktische Verbreitung gefunden. Seither wurden in dieser Richtung keine weiteren Experimente vorgenommen. Die Ursache des Mißerfolgs lag darin, daß die unrichtige Art, in welcher der Verbrennungsvorgang vor sich ging, nur eine solche spezifische Leistung der Einrichtung ermöglichte, die bei den heutigen klassischen Kesseln in der Energietechnik üblich ist. Dies alles sind bekannte Tatsachen, die in ver-

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schiedenen Publikationen beschrieben wurden, von denen nur beispielsweise auf das Buch des Autors M. B. Ravic "Flammenloses Oberflächenbrennen" hingewiesen sei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erwärmung, Verdampfung, thermischen Zersetzung, Synthese u. dgl. von Flüssigkeiten mittels Verbrennungswärme anzugeben, bei dem im Vergleich mit den bekannten Verfahren ein geringeres Gewicht und eine geringere Heizfläche der verwendeten Einrichtung benötigt werden und man eine erhöhte spezifische Leistung erzielt. Außerdem soll eine hierfür geeignete Einrichtung aufgezeigt werden.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zur Erwärmung, Verdampfung durch Destillation, thermischen Zersetzung, Synthese u. dgl. von Flüssigkeiten, bei welchem in einen Reaktionsraum ein homogenes Gemisch von Brennstoff und Oxydationsmittel, insbesondere Gas und Luft mit einer niedrigeren Temperatur als deren Zündtemperatur eingeführt und dieses Gemisch durch den Reaktionsraum mit einer höheren Geschwindigkeit als der Vorwärtsgeschwindigkeit der Flammenverbreitung in diesem Gemisch geführt wird, mit dem Kennzeichen, daß das Gemisch des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel im Reaktionsraum durch eine gasdurchlässige Füllung einer aktiven Masse geführt wird, die imstande ist, einen Wärmezustand zu schaffen, der die gesamte an ihrer Oberfläche freigesetzte Wärmeenergie in einem Wellenlängenbereich von 0,5 bis 6 Mikrometern ausstrahlt.

Nach einem weiterbildenden Merkmal der Erfindung wird die pyrometrische Temperatur in demjenigen Teil der Füllung

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der aktiven Masse, in dem die Verbrennung erfolgt, auf einem Wert gehalten, bei welchem eine vollständige Wärmeübertragung durch Strahlung bereits im Reaktionsraum stattfindet.

Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, enthaltend einen hohlen Umfangsmantel mit dem zu erwärmenden Medium und mit einer vorgeschalteten Mischvorrichtung für den Brennstoff mit dem Oxydationsmittel, mit dem Kennzeichen, daß sie einen mit der gasdurchlässigen aktiven Masse ausgefüllten Reaktionsraum enthält und zwischen dieser Masse und der Mischvorrichtung ein System von Verteilungsgeschlitzen oder Düsen für die Zufuhr des homogenen Gemisches vorgesehen ist.

Die im Reaktionsraum enthaltene aktive Masse oder deren Oberfläche muß solche Eigenschaften aufweisen, die die Bildung eines Wärmezustandes bei der Verbrennung in einer solchen Weise ermöglichen, daß die gesamte durch die Verbrennung des Brennstoffes freigesetzte Wärmeenergie unmittelbar in Strahlungsenergie umgewandelt und diese ganze Energie den Wärmeaustauschflächen in ihrem wirksamsten Bereich der kürzeren Wellenlängen übergeben wird, wodurch gleichzeitig ein Wärmeübergang durch Konvektion verhindert wird. Zu diesem Zweck wird der Reaktionsraira mit einer aktiven Masse gefüllt, die die Gestalt von Körnern aufweisen oder derart geformt sein kann, daß in ihr ein System von Kammern, Kanälen, Gittern oder Hohlräumen verschiedener Gestalt entsteht, wobei die Masse eine hohe Wärmebeständigkeit und eine hohe Emissionsfähigkeit in dem geforderten Wellenlängenbereich aufweisen soll. Am vorteilhaftesten ist die Verwendung einer aktiven Masse, die die Fähigkeit einer

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selektiven Strahlung vorwiegend in dem gewählten Teil des Spektrums besitzt. Eine derartige Masse ist beispielsweise Zirkoniumsilikat, doch sind auch manche Metalle (ζ. Β» Wolfram oder Tantal) oder Metalloxyde (z. Bo Thoriumdioxyd, Zirkoniumdioxyd, Chromit) oder Metallkarbide (z„ B. Borkarbid, Siliziumkarbid) geeignet, die bei den gegebenen Temperaturen von z. B. mehr als 16OO ⁰C beständig sind, d. h. nicht weich werden und in der gegebenen Atmosphäre nicht oxydieren. Es ist selbstverständlich, d«ß die Füllung entweder aus Körnern oder anders geformten Gebilden dieser aktiven Masse oder eines anderen, mit einem Überzug der aktiven Masse versehenen Stoffes bestehen kann.

Das homogene Gemisch des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel, dessen Temperatur niedriger als seine Zündtemperatur ist, wird an die Oberfläche der aktiven Masse geführt, durch die es mit einer höheren Geschwindigkeit hindurchtritt, als die Vorwärtsgeschwindigkeit der Flammenverbreitung im Gemisch beträgt. Die aktive Masse, die die Füllung des inneren Reaktionsraumes bildet, übernimmt denn außer der Aufgabe des Brenners gleichzeitig die Funktion eines zentralen Strahlers, und der Wärmeübergang endet dann mit einem hohen Wirkungsgrad bereits in diesem Reaktionsraum.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann mit einem als einzige Kammer ausgestalteten Reaktionsraum versehen werden. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung können anstelle eines Einkammer-Reaktionsraumes mehrere Arbeitselemente, d. h. partielle oder selbständige Reaktionsräume, verwendet werden, die entweder selbständig arbeiten oder zu einer Batterie gruppiert sind, die in die zu erwärmende

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Flüssigkeit getaucht wird. Dabei bilden die das Arbeitselement begrenzenden Metallwände die einzigen Wärmeaustauschflachen. Die Fläche des lichten Querschnittes der einzelnen Arbeitselemente wird derart gewählt, daß sich einerseits eine gleichhohe pyrometrische (Arbeits!-Temperatur an der Oberfläche der Körner der aktiven Masse wie bei dem Einkammer-Reaktionsraum stabilisieren kann und andererseits eine beliebige isotherme Temperaturfläche der aktiven Masse an einer gegebenen Stelle mit der Querschnittebene des Reaktionsraumes oder des Arbeitselementes womöglich zusammenfällt. Dies bedeutet, daß dieselben Temperaturen an einer beliebigen Stelle des Reaktionsraumes in einer ebenen und keineswegs räumlichen isothermen Fläche liegen und daß diese isotherme Fläche senkrecht zur Hauptachse des Reaktionsraumes steht.

Die Einhaltung der ersten Bedingung gewährleistet, daß die Strahlung im wirksamsten Bereich der Wellenlängen stattfindet. Die Einhaltung der zweiten Bedingung verhindert die Bildung eines unwirksamen toten Kernes der höchsten Temperaturen in der Füllung im gegebenen Querschnitt und macht eine Vergrößerung der Höhe des Arbeitselementes unnötig. Da die Höhe des Arbeitselementes nur von der gewählten Temperatur der abziehenden Rauchgase abhängt und für einen ge gebenen Fall daher konstant ist, kann die Querschnittfläche des Arbeitselementes nur eine einzige Größe aufweisen, die diese beiden Bedingungen erfüllt und zugleich zur kleinstmöglichen Querschnittfläche unter optimalen Bedingungen wird. Der maximale Umfang der kleinstmöglichen Fläche des lichten Querschnitts stellt zugleich den bestrahlten Umfang des Arbeitselementes dar, ist jedoch durch das Ausmaß der kürzesten Seite des Querschnitts begrenzt.

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Durch Gruppierung der Arbeitselemente mit optimalen Flächen des lichten Querschnittes zu einer Batterie kann man ein höchst vorteilhaftes Größenverhältnis der Wärmeaustauschflächen zu dem Gesamtvolumen des Reaktionsraumes erzielen. Dies führt insbesondere bei hochkapazitiven Einheiten zu einer progressiven Miniaturisierung der Einrichtung.

Die Arbeitselemente werden zwecks Erreichung höherer Leistungen vorzugsweise parallel zu Batterien gruppiert. Die Druckverluste bleiben jedoch konstant und werden mit steigender Leistung der Einrichtung nicht höher, da die Höhe der Aktivstoff-Füllung konstant bleibt und die Einrichtung nicht mit weiteren Wärmeaustauschflächen zur Wärmeübertragung durch Konvektion, welche die Druckverluste erhöhen würden, ausgestattet zu werden braucht.

Die Anordnung der Arbeitselemente gemäß dieser Ausführung der Erfindung ermöglicht es, anstatt die Gasströmung im Arbeitselement durch Überdruck hervorzurufen, die Gasströmung vorzugsweise durch Unterdruck zu erzielen. Dadurch kann in dieser alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung das System der Verteilerschlitze oder Düsen, die das Brennstoff-Luftgemisch in den Reaktionsraum einführen, beseitigt werden, wobei sich gleichzeitig die weiteren Druckverluste verringern. Die zur Steuerung und Sicherung des Brennvorganges erforderliche Geräteausstattung wird dadurch beträchtlich vereinfacht.

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt, und beide veranschaulichen einen Kessel für die zentrale Beheizung von Wohnungen; darin zeigen:

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Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Kessel in einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch denselben Kessel in einer oberhalb des Wassereintrittes verlaufenden Ebene;

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch denselben Kessel in einer zu der kürzeren Seite des Kessels parallelen Ebene;

Fig. k im Aufriß einen Vertikalschnitt durch die Heizbatterie bei einer alternativen Ausführungsform der Einrichtung; und

Fig. 5 einen horizontalen Schnitt durch diese Batterie im Grundriß.

Der Kessel gemäß der ersten, in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsart der Erfindung enthält einen Innenmantel 1, dessen Grundriß die Gestalt eines länglichen Rechtecks aufweist, wobei dieser Grundriß alternativ eine abgerundete Gestalt oder die Gestalt einer länglichen Ellipse aufweisen kann. Die aktive Oberfläche des Innenmantels 1 ist durch Rippen 2 vergrößert. Der Innenmantel 1 ist mit einem Außenmantel 6 des Kessels durch Rauchkanäle 5 verbunden und am Boden mit einer Zufuhrleitung 3 für das fertige Brennstoffgemisch versehen. Diese Zufuhrleitung 3 verbindet mittels eines Systems von Schlitzen oder DUsen h einen in der Zeichnung nicht dargestellten Brennstoff- und Luft-Mischer mit dem Innenraum des Kessels, der im folgen-

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den "Reaktionsraum" 13 genannt wird. Die Schlitze oder Düsen h können alternativ verschiedene Formen aufweisen, wobei es wichtig ist, daß sie das Gemisch gleichmäßig im ganzen Profil des Reaktionsraumes 13 verteilen und das Strömen des Gemisches entlang der Wärmeaustauschflächen (d. h. der Wände des Reaktionsraumes 13) womöglich verhindern.

Der Raum zwischen dem Innenmantel 1 und dem Außenmantel 6 des Kessels ist mit dem zu erwärmenden Wasser 8 gefüllt, welches in den Kessel durch ein Zufuhrrohr 7 zugeführt und aus dem Kessel durch ein Abfuhrrohr 9 abgeführt wird. Der Innen- oder Reaktionsraum 13 des Kessels ist im gegebenen Beispiel mit Körnern einer Füllung 10, bestehend aus einer gasdurchlässigen aktiven Masse, z. B. Zirkoniumsilikat, gefüllt. Der Kessel ist an seiner Außenseite durch einen Rauchmantel 11 abgeschlossen und an seiner Rückseite mit einem Kamin 12 zur Abfuhr von Rauchgasen versehen.

Das Wasser wird gemäß der vorliegenden Erfindung derart erwärmt, daß bei stabilisiertem Wärmezustand aus dem nicht dargestellten Mischer durch die Zufuhrleitung 3 ein homogenes Brennstoff-Luftgemisch durch das System von Schlitzen oder Düsen 4 in den Reaktionsraum 13 des Kessels gebracht wird, der mit Körnern der Aktivmasse 10 gefüllt ist. Die Ausmaße und Gestalt der Körner dieser Füllung 10 werden, ähnlich wie der Verbrennungsvorgang, erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Kesselvolumen und von der geforderten Höhe der Verbrennungszone gewählt, wie im weiteren noch erklärt wird. Dadurch wird eine Stabilisierung des dynamischen Gleichgewichtes zwischen der Strömung des Brennstoffgemisches und der Geschwindigkeit des Brennvorganges gesichert, und die Wärmezonen werden gemäß den in Fig. 3 gezeichneten Ebenen A-A, B-B, C-C und D-D unterteilt.

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Die Gesamthöhe der Füllung 10 befindet sich gemäß dieser Figur im Abschnitt zwischen den Ebenen A-A bis D-D. Der Teil der Füllung 10 zwischen den Ebenen A-A und B-B bleibt kühl. In dem Teil der Füllung zwischen den Ebenen B-B bis C-C kommt es zur vollkommenen Verbrennung des Heizgemisches, wobei die Temperatur der Füllung 10 um mehrere hundert Grad Celsius höher als die Temperatur der Gase zwischen den Körnern der Füllung 10 ist. Die Metallflächen des Innenmantels 1 und der Rippen 2 behindern in keiner Weise den Brennvorgang in dieser Schicht. An der Verbrennung beteiligt sich etwa die Hälfte des Volumens der Füllung 10,

3
was jedoch ausreicht, denn in 1 dm de 30 000 bis 100 000 kcal/h freigesetzt.

3
was jedoch ausreicht, denn in 1 dm der Füllung 10 werden

Bei dieser Konzentration der freigesetzten Wärme, wo sich die pyrometrieehe Temperatur der Füllung 10 merklich der theoretischen Verbrennungstemperatur des verwendeten Brennstoffes selbst bei hoher Wärmeabfuhr nähert, kommt es zu den bekannten komplizierten Veränderungen im Inneren der atomaren Struktur der Körner der Füllung 10, deren Ergebnis eine kontinuierliche Umwandlung der freigesetzten Wärme in Strahlungsenergie ist, die vorwiegend im infraroten Teil des Spektrums liegt und je nach der erreichten, sich bis in ihren sichtbaren Teil erstreckenden Temperatur hauptsächlich im Wellenlängenbereich zwischen 6 und 0,5 Mikrometern liegt.

Durch geeignete Korrelation zwischen der Führung des Verbrennungsprozesses, den erreichten Temperaturen und der Beschaffenheit der aktiven Masse wird die Arbeitsbreite des Spektrumteils, der für den erfindungsgemäßen Wärmeübergang entscheidende Bedeutung hat, auf die* oben angeführten Wellenlängen beschränkt.

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Die Strahlungsenergie fällt in diesem Abschnitt auf
den Innenmantel 1 und auf die Rippen 2 des Kessels und wandelt sich verlustlos in Wärme um, die an das zu erwärmende Wasser 8 abgegeben wird. In der Ebene C-C in Fig. 3 beginnt die Gastemperatur die Temperatur der Körner der Füllung 10 zu übersteigen, und von dieser Ebene C-C bis zur Ebene D-D kommt es zur Wärmeübergabe durch Strahlung und Konvektion der Verbrennungsgase an die relativ große Oberfläche der Körner der Füllung 10. Dadurch wird dieser Teil der Füllung 10 erwärmt, und durch Strahlung im Bereich von größeren Wellenlängen, d. h. etwa von 6 bis 15 Mikrometern, wird die Wärme an den Innenmantel 1 des Kessels abgegeben. Die Gastemperatur am Ende der Füllung 10, in der Ebene D-D, stabilisiert sich bei voller Wärmebelastung des Kessels je nach der Gesamthöhe der Füllung zwischen 200 bis 3Ö0 ⁰C,
und die Gase mit dieser Temperatur entweichen dann durch
den Rauchkanal 5 in den Raum zwischen dem Außenmantel 6 und dem Rauchmantel 11 des Kessels, worauf sie durch den Abfuhrkamin 12 bei einer Temperatur unter 200 C in den Schornstein geführt werden, nachdem sie vorher noch einen Teil
ihrer Wärme an das zu erwärmende Wasser 8 mittels des Außenmantels 6 und einen weiteren Teil der Wärme durch den Rauchkanal 11 an den den Kessel enthaltenden Raum abgegeben haben. Aufgrund der Ergebnisse nach dem weiter angegebenen Beispiel kann der Rauchkanal 11 weggelassen werden, ohne daß dadurch der praktische Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Kesselbetriebes beeinflußt würden.

Die unter den beschriebenen Bedingungen erfolgende Wärmeübertragung ermöglicht eine Verringerung der Heizflächen auf weniger als 10 ήο im Vergleich mit bekannten Konstruktionen und dadurch auch eine Verringerung der Masse des erfin-

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dungsgemäßen Kessels auf weniger als 1O $ im Vergleich mit bekannten Kesseln. Die Verbrennung verläuft dabei vollkommen bei einem Luftüberschuß von etwa 3 $·

Fig. k und 5 veranschaulichen eine abgeänderte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei welcher der Reaktionsraum aus mehreren Arbeitselementen in der Form einer Batterie besteht.

Die Heizbatterie in der dargestellten Ausführung besteht aus vier Arbeitselementen 21 von quadratischem Querschnitt, und jede ihrer vier Wände ist mit dem zur Erwärmung bestimmten Wasser 22 umgeben, das in dem durch die Arbeitselemente 21 und den Außenmantel 23 begrenzten Raum fließt. Jedes Arbeitselement 21 enthält eine Füllung 2k der oben beschriebenen Art, die im Unterteil des Arbeitselementes 21 auf einem Rost 25 ruht. In der Richtung des Pfeiles 27 wird ein Heizgas zugeführt, welches mit der in der Richtung der Pfeile 28 zugeführten Luft in einem Mischring 29 gemischt und von hier in eine Speisekammer 26 geleitet wird. Die Verbrennungsprodukte werden durch einen gemeinsamen Stutzen 30 in einen nicht dargestellten Exhaustor abgesaugt. In der Kammer 26 mündet eine Zündöffnung 31· Das kühle Wasser 22 wird durch ein Rohr 32 zugeführt und das erwärmte Wasser durch ein Rohr 33 abgeführt.

Das Wasser wird in der dargestellten Heizbatterie bei einem betriebstechnisch stabilisierten Zustand in der Weise erwärmt, daß der nicht dargestellte Exhaustor durch den Stutzen 30 die Verbrennungsgase absaugt und im ganzen System einen Unterdruckzustand hervorruft. Infolgedessen tritt in den Stutzen der Kammer 26 nicht vorgewärmte Verbrennungs-

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luft 28 ein und mischt sich mit dem kühlen gasförmigen Brennstoff 27. Das Brenngemisch wird in dem Mischring 29 homogenisiert und strömt durch die Kammer 26 und durch die Rostöffnungen 25 in alle Arbeitselemente 21 in der Weise, daß der Gasstrom zwischen den Körnern der Füllung 2k mit einer größeren Geschwindigkeit fortschreitet, als die frontale Geschwindigkeit der Flammenverbreitung beträgt. Die Bedingungen einer derartigen Verbrennung sind bereits bekannt und werden in der einschlägigen Literatur als "Kontakt-kinetisches Brennverfahren" bezeichnet.

Diese Geschwindigkeitsverhältnisse rufen einen Zustand hervor, bei dem die Körner derjenigen Schicht der Füllung 2k, die unmittelbar auf dem Rost 25 liegt, kühl bleiben und dadurch sowohl den Rost 25 gegen Überhitzung als auch das Brenngemisch gegen Zündung in der Kammer 26 schützen. In der unteren Hälfte der Füllung 2k jedes der vier Arbeitselemente 21 kommt es zu intensiver und vollkommener Verbrennung des Brenngemisches unter sehr hohen Temperaturen an der Oberfläche der Körner der Füllung 2k, welche sämtliche durch die Verbrennung freigesetzte Wärme durch Strahlung auf die wärmeaustauschenden Umfangswände der Arbeitselemente 21 überführen, worauf diese sie an das Wasser abgeben.

Um die Bildung eines unwirksamen und toten Kernes von hohen Temperaturen in der Füllung 2k zu vermeiden, welcher Kern die freigewordene Wärme nicht unmittelbar an die Wärraeaustauschwände abgeben könnte und sie in die höheren Schichten der Füllung überführen müßte, wodurch in einer unerwünschten Weise die Höhe der Füllung 2k und zugleich auch die Höhe der Arbeitselemente vergrößert würde, muß im

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gegebenen Fall der lichte quadratische Querschnitt der Arbeitselemente 21 mit einer Seitenlänge von etwa 50 - 60 mm _; eingehalten werden, der einer Korngröße der Füllung 2k von etwa 10 - 15 mm entspricht. Unter diesen Bedingungen wird die Höhe der Füllung 2k in Abhängigkeit von der Art des verwendeten gasförmigen Brennstoffes etwa 200 bis 280 mm betragen. Die Wärmeleistung jedes Arbeitselementes 21 wird unter diesen Bedingungen rund 12 000 kcal/h betragen. Dabei werden die Verbrennungsgase entsprechend den oben erwähnten Grenzen der Schichthöhe der Füllung 2k in dem gemeinsamen Austrittsstutzen 30 eine Temperatur von ungefähr 180 bis 300 °C aufweisen.

Wie bereits erwähnt, wird die pyrometrische Temperatur in demjenigen Teil des Reaktionsraumes, in welchem die Verbrennung erfolgt, auf einem Wert gehalten, bei dem eine voll· ständige Wärmeübertragung durch Strahlung bereits im Reaktionsraum eintritt. Ein Überschreiten dieses Wertes würde eine Erhöhung der Temperatur der abziehenden Gase und die Einschaltung von Konvektionsflachen bedeuten, was einem Übergang auf die bestehenden Systeme gleichkäme. Beim Unterschreiten dieses Wertes wird die Leistung verringert, die Ausstrahlung bleibt jedoch aufrechterhalten.

Die kleinste und gleichzeitig optimale Größe der Querschnittfläche des Arbeitselementes bei der Ausführung gemäß Fig. k und 5 wird erreicht, wenn die isotherme Fläche der Füllung 2k eine ebene und nicht eine räumliche Fläche bildet und mit einer zur Achse des Reaktionsraumes senkrechten Ebene zusammenfällt.

Die einzelnen Arbeitselemente 21 stellen die kleinste

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Einrichtungseinheit dar und werden für größere Leistungen zweckmäßig zu Batterien zusammengeschlossen. In der dargest eilten Ausführung wird also das Hervorrufen der Gasströmung im Arbeitselement 21 statt durch Überdruck durch einen Unterdruck im ganzen System ersetzt, wobei der Mischring 29 und die Speisekammer 26 gemeinsam sind. Die Schlitze oder Düsen für die Zufuhr des Brenngemisches in den Reaktionsraum, die in der Ausführung gemäß Fig. 1-3 verwendet werden, sind in der Ausführung gemäß Fig. k und 5 durch den Rost 25 ersetzt.

Bei beiden Ausführungen gilt jedoch der Grundsatz, daß zur Erreichung optimaler Verhältnisse die kleinste Entfernung des Umfangsmantels des Reaktionsraumes von einer durch die längere Symmetrieachse des Querschnittprofils hindurchtretenden Ebene derjenigen Länge gleich sein muß, bei der die Temperatur in der Symmetrieachse des Reaktionsraumes die Temperatur an einer beliebigen Stelle des Querschnittes des Reaktionsraumes oder des Arbeitselementes noch nicht überschreitet.

In den beschriebenen Beispielen wurde die Verwendung eines gasförmigen Brennstoffes vorausgesetzt. Ebenso können jedoch beliebige flüssige Brennstoffe verwendet werden, die durch Abdampfen in einen gasförmigen Zustand gebracht werden können oder in einer fein verteilten Suspension leicht zündbar sind.

Beispiel

Bei einem Prototyp des erfindungsgemäßen Kessels, der gemäß der Ausführung nach Fig. 1-3 gebaut und zur Erwär-

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mung von Wasser für eine Zentralheizung bestimmt war, wurden die folgenden Parameter erzielt:

durch den Brennstoff zugeführte Wärmemenge

Gesamtmenge der an das Wasser abgegebenen Wärme

Innere Heizfläche (strahlung) Äußere Heizfläche (Konvektion)

an die innere Heizfläche abgegebene Wärmemenge

spezifische Belastung der inneren Heizfläche

durch die äußere Heizfläche übergebene Wärmemenge

spezifische Belastung der äußeren Heizfläche

Gewicht des eigentlichen Kessels (ohne Zubehör)

Gewicht der Füllung (Zirkoniumsilikat)

Waeservolumen im Kessel (in Litern)

Wirkungsgrad des Kessels (Brennstoff-Wasser)

Gesamtwirkungsgrad des Kessels (Wasser und an die Umgebung abgegebene Wärme)

200 kcal/h

200 kcal/h 0,197 m² 0,135 m²

600 kcal/h 500 kcal/m²»h

	600	kcal/h
	450	kcal/m *h
12	,00	kp
2	,20	kp
2	,00	1

91*80'%

93,80

Im Hinblick auf die geringen Ausmaße, das geringe Gewicht der Einrichtung, den hohen Wirkungsgrad und die vollkommene Verbrennung sowie den raschen Anlauf auf VoIleistung (etwa binnen 60 Sekunden) eignet sich die Erfindung zur Miniaturisierung von großen Heizaggregaten, für die Beheizung von Häuserblöcken und Siedlungen, wo die Einrichtung infolge ihres geringen Gewichtes vorzugsweise auch auf den Dächern der betreffenden Objekte angebracht werden kann. Es wird ein hoher

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Wirkungsgrad der Einrichtung erzielt, und die durch das Anfallen aggressiver Kondensate aus den Schornsteinen verursachten Probleme werden beseitigt.

Die Anwendung der Erfindung kommt ferner in Betracht z. B. bei der Beheizung von Zuggarnituren, provisorischen Arbeitsstätten bei Bauten u. dgl. mit leicht tragbaren Heizquellen, ferner bei für Industrie und Energetik bestimmten Kesseln nach einer konstruktiven Anpassung auf unter Druck arbeitende Wärmeaustauschflächen, für fahrbare verpackte Kraftwerke (Baukastenzentralen), thermochemische Einrichtungen in der Erdölindustrie, thermochemische Einrichtungen zur Erwärmung von Flüssigkeiten und zu deren Verdampfung in der organischen sowie anorganischen chemischen Industrie, in der Kraftfahrzeugindustrie zwecks Einführung der Dampftraktion auf Wasserdampfbasis oder mittels anderer Flüssigkeiten, kombiniert mit einer Miniaturturbine, und zwar vor allem im Hinblick auf die außerordentlichen Erfordernisse einer vollkommenen Verbrennung und des Umweltschutzes.

Edelbrennstoffe werden in der zur Erwärmung von Wasser für Heizzwecke bestimmten erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem bis um 10 und mehr Prozent höheren Wirkungsgrad als bei den besten bekannten Kesseln klassischer Konzeption verbrannt.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   I 1·yVerfahren zur Erwärmung, Verdampfung durch Destillation, thermischen Zersetzung, Synthese u. dgl. von Flüssigkeiten, bei welchem in einen Reaktionsraum ein homogenes Gemisch von Brennstoff und Oxydationsmittel, insbesondere Gas und Luft, mit einer niedrigeren Temperatur als deren Zündtemperatur eingeführt und dieses Gemisch durch den Reaktionsraum mit einer höheren Geschwindigkeit als der Vorwärtsgeschwindigkeit der Flammenverbreitung in diesem Gemisch geführt wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Gemisch des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel im Reaktionsraum durch eine gasdurchlässige Füllung einer aktiven Masse geführt wird, die imstande ist, einen Wärmezustand zu schaffen, der die gesamte an ihrer Oberfläche freigesetzte Wärmeenergie in einem Wellenlängenbereich von 0,5 bis 6 Mikrometern ausstrahlt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyrometrische Temperatur in demjenigen Teil des Reaktionsraumes, in dem die Verbrennung erfolgt, auf einem Wert gehalten wird, bei welchem eine vollständige ärraeübertragung durch Strahlung bereits im Reaktionsraum stattfindet.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige aktiv· Masse aus Zirkoniumsilikat besteht.

   k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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   daß die gasdurchlässige aktive Masse aus Metallen, Metalloxyden oder -!carbiden besteht, die bei Temperaturen -von mehr als 16OO C beständig sind, d. h. nicht weich werden und in der gegebenen Atmosphäre nicht oxydieren.

   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige aktive Masse aus einem Stoff besteht, der die Fähigkeit einer selektiven Strahlung vorwiegend im gewählten Teil des Spektrums besitzt.

   6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5» enthaltend einen hohlen Umfangsmantel mit dem zu erwärmenden Medium und mit einer vorgeschalteten Mischvorrichtung für den Brennstoff mit dem Oxydationsmittel, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung einen mit der gasdurchlässigen aktiven Masse (1O) gefüllten Reaktionsraum (13) enthält und zwischen dieser Masse (1O) und der Mischvorrichtung ein System von Verteilungsschlitzen oder Düsen (4) für die Zufuhr des homogenen Gemisches vorgesehen ist.

   7* Einrichtung zur Durchführung des Verfahrene nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum in mehrere mit der gasdurchlässigen aktiven Masse (24) gefüllte Arbeitselemente (21) unterteilt ist,, die in die zu erwärmende Flüssigkeit (22) getaucht sind, wobei ihre Metallwände die einzigen Wärmeaustauschflächen bilden.

   8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7 t dadurch gekenn zeichnet, daß die geringste Entfernung des Umfangsmantels

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   des Reaktionsraumes (13) bzw. des Arbeitselements (21) von einer durch die längere Symmetrieachse des Querschnittprofils hindurchtretende Ebene derjenigen Länge gleich ist,
   bei welcher die Temperatur in der Symmetrieachse des Reaktionsraumes die Temperatur an einer beliebigen Stelle des
   Querschnitts des Reaktionsraumes (13) bzw. des Arbeitselementes (21) noch nicht überschreitet.

   9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige isotherme Temperaturfläche der aktiven Masse (1O bzw. 2k) an einer gegebenen Stelle mit der Querschnittebene des Reaktionsraumes (13)
   bzw. des Arbeitselementes (21) zusammenfällt

   10. Einrichtung nach Anspruch 7_t dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Arbeitselemente (21) die kleinste
   Arbeitseinheit bilden und für größere Leistungen zu Batte rien gruppiert sind.

   11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer durch Unterdruck hervorgerufenen Gasströmung durch die Einrichtung die Verteilungsschlitze oder Düsen (k) durch einen Rost (25) ersetzt sind.

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