DE2215101C3 - Verfahren zum Erwärmen bzw. Verdampfen von Fluiden durch Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erwärmen bzw. Verdampfen von Fluiden mit den Gattungsmerkmalen des Patentanspruchs.

Bei einem seit langem bekannten Verfahren dieser Art (DTPS 2 58 065 und 2 66 133) wird ein Brenngas-Luft-Gemisch in annähernd stöchiometrischer Zusammensetzung mit einer seine Zündgeschwindigkeit überschreitenden Strömungsgeschwindigkeit durch eine glühende lose Schüttung aus feuerfesten Körpern hindurchgeführt und dabei flammenlos verbrannt. Die an den Oberflächen der feuerfesten Körper freigesetzte Wärme erhält diese in glühendem Zustand, wobei der größte Teil der bei der flammenlosen Verbrennung entwickelten Wärme als Strahlung vorliegt. Ein beträchtlicher Anteil der Wärme wird von den hocherhitzten Verbrennungsgasen aufgenommen und kann aus diesen in üblicher Weise nutzbar gemacht werden. Diese unzweifelhaft vorteilhafte Art der Wärmefreisetzung führte jedoch zu keinen nennenswerten Erfolgen in der Praxis, weil z. B. ein großer Teil der Strahlung in einem inneren Kern der Füllung von den äußeren Füllungskörpern aufgrund der in peripherer Richtung stark abfallenden Temperaturen absorbiert wurde. Dies hatte zur Folge, daß im inneren Kern der Füllung zu hohe Temperaturen entstanden, die in der Regel über der Temperaturfestigkeit der Füllungskörper lagen und zum Zusammenbacken der Körper führten, wobei sich gleichzeitig die Wärmeleistung einer entsprechenden Vorrichtung verringerte. Diese Wärmeleistung bekannter Kessel wurde darüber hinaus noch durch den nach wie vor relativ großen Anteil an von den Verbrennungsgasen abgeführter Wärme vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erwärmen bzw. Verdampfen von Fluiden durch Strahlung anzugeben, bei dem der Energieinhalt des zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches annähernd vollkommen als Strahlungswärme freigesetzt und auch als solche zum Erwärmen und Verdampfen der Fluide nutzbar gemacht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gelöst
Bei Einhaltung dieser erfindungsgemäßen Verfahrensbedingungen ergibt sich ein überraschender Effekt Es bildet sich im vorderen Bereich des Reaktionsraumes eine schmale, eng begrenzte Zone in der Füllung, in welcher sich nahezu der gesamte Verbrennungsvorgang vollständig vollzieht In dieser Zone liegen die

Temperaturen bei über 1600⁰C, d. h. in einem Bereich, in dem der Strahlungsstoff die Wärmeenergie vorwiegend mit Wellenlängen von 0,5 bis 6 μπι abstrahlt Diese Temperaturen von über i600°C sind über die gesamten Querschnittsflächen des Reaktionsraumes nahezu gleich, so daß in und unmittelbar stromab dieser eng begrenzten Zone die isothermen Flächen annähernd eben verlaufen. Die besondere praktische Bedeutung dieses Effektes liegt darin, daß die während des flammenlosen Verbrennungsvorganges entwickelte Strahlungswärme von Füllungskörper zu Füllungskörper übertragen und in Form von hochenergetischer Strahlung an die Wärmetauscherwände abgegeben wird, ohne daß sich im mittleren Teil der Füllung ein gegen die Wände quasi isolierter Hochiemperaturkern ergibt. Die Konzentration des vollständigen Verbrennungsvorganges in dieser sich im vorderen Bereich des Reaktionsraumes ausbildenden schmalen Zone hat den weiteren praktischen Vorteil, daß nur äußerst geringe Wärmemengen mit den Verbrennungsgasen abgeführt werden, die bereits nach einem kurzen Abströmungsweg auf ein Temperaturniveau von ca. 200⁰C abgekühlt sind. Die nach diesem Verfahren arbeitenden Kessel können daher außerordentlich kurz gebaut sein.

Als Füllung eignen sich besonders Materialien mit der Fähigkeit einer selektiven Strahlung in dem erfindungsgemäßen Wellenlängenbereich von 0,5 bis 6 μπι. Neben Zirkoniumsilikat sind noch einige Metalle, z. B. Wolfram oder Tantal sowie Metalloxyde, z. B. Thoriumdioxyd, Zirkoniumdioxyd, Chromit oder Metallkarbide, z. B.

Borkarbid, Siliziumkarbid, geeignet, die bei den gegebenen Temperaturen von über 1600° C beständig sind.

Der mit der Füllung gefüllte Querschnitt eines Reaktionsraumes wird zusammen mit der Korngröße der Füllung und deren Eigenschaften so gewählt, daß sich die angestrebte pyrometrische Temperatur an der Oberfläche der Füllungskörner stabilisiert und die isotherme Fläche an beliebigen Stellen des Reaktionsraumes, insbesondere in der schmalen Hochtemperatur- zone, mit einer Querschnittsebene des Reaktionsraumes annähernd zusammenfällt. Bei Einhaltung dieser beiden Bedingungen kann die Querschnittsfläche des Reaktionsraumes nur eine einzige Größe aufweisen, die zugleich zur kleinstmöglichen Querschnittsfläche unter optimalen Bedingungen wird. Der maximale Umfang dieser Querschnittsfläche stellt zugleich den bestrahlten Umfang des Reaktionsraumes dar. Zur weiteren Steigerung der Wärmeübertragung können mehrere solcher Reaktionsräume unter Zwischenschaltung entsprechender Wärmetauscherflächen parallel nebeneinander zu einer Batterie zusammengefaßt werden, ohne daß sich dadurch ihre Länge und damit die Druckverluste der Gase vergrößern.

Im folgenden werden Kesselausführungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch die eine Kesselausführung,

Fig.2 einen Querschnitt dieses Kessels in einer oberhalb des Wassereintritts verlaufenden Ebene,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch tien Kessel in einer zur Schmalseite des Kessels parallelen Ebene,

F i g. 4 einen Vertikalschnitt durch die Heizbatterie einer anderen Kesselausführung,

F i g. 5 emen Horizontalschnitt durch die Heizbatterie nach F i g. 4.

Der Kessel nach den Fig. 1, 2 und 3 enthält einen Innenmantel 1 von rechteckigem Querschnitt, der jedoch auch abgerundet oder elliptisch sein kann. Die aktive Oberfläche des Innenmantels 1 ist durch Rippen 2 vergrößert Der Innenmantel 1 ist mit einem Außenmantel 6 durch Rauchkanäle 5 verbunden und weist an seinem Boden einen Zufuhrkanal 3 für das fertige Brennstoffgemisch auf. Diese Zufuhrleitung 3 mündet über ein System von Schlitzen oder Düsen 4 in den eine Reaktionskammer bildenden Innenraum des Kessels und führt zu einem nicht dargestellten Brennstoff- und Luft-Mischer. Die Schlitze oder Düsen 4 können verschiedene Formen aufweisen, wobei es wichtig ist, daß sie das Gemisch gleichmäßig über den gesamten Einströmquerschnitt 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 I und dem Außenmantel 6 des Kessels wird von dem zu erwärmenden Wasser 8 durchströmt, welches dem Kessel über ein Zuflußrohr 7 zugeführt und aus dem Kessel durch ein Abflußrohr 9 abgeführt wird. Der Reaktionsraum 13 ist mit einer körnigen Füllung 10 aus einem gasdurchlässigen aktiven Material, 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.

Aus dem nicht dargestellten Mischer strömt durch die Zufuhrleitung 3 ein homogenes Brenngas-Luft-Gemisch durch die Düsen 4 in den Reaktionsraum 13 des Kessels, der mit der körnigen Füllung 10 gefüllt ist. Die Größe und Form der Körner dieser Füllung 10 werden, ähnlich wie der Verbrennungsvorgang, erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Kesselvolumen und von der geforderten Höhe der Verbrennungszone gewählt. Dadurch stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen der Strömung des Brennstoffgemisches und der Geschwindigkeit des Verbrennungsvorganges in verschiedenen Wärmezonen zwischen der: in Fig.3 gekennzeichneten Ebenen A—A, B-B, C-C und D-Dein.

Die Gesamthöhe der Füllung 10 entspricht dem Abstand zwischen den Ebenen A—A und 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 vollständigen Verbrennung des Gemisches, 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, was jedoch ausreicht, denn in 1 dm³ der Füllung 10 werden 30 000 bis 100 000 kcal/h freigesetzt

Bei dieser Konzentration der freigesetzten Wärme wird eine weitgehende Annäherung der pyrometrischen Temperatur der Füllung 10 an die theoretische Verbrennungstemperatur des verwendeten Brennstoffes selbst bei hoher Wärmeabfuhr erreicht Dabei 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 μΐη 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.

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-Cbis zur Ebene D-Dkommt 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 Konvektion und Strahlung im Bereich von größeren Wellenlängen, d.h. etwa von 6 bis 15μηι, 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 und 300°C, 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 Kamin 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 Wärmeübertragung unter diesen Bedingungen ermöglicht eine Verringerung der Heizflächen und der Masse auf jeweils weniger als 10% gegenüber bekannten Kesselkonstruktionen. Die Verbrennung verläuft dabei vollkommen bei einem Luftüberschuß von etwa 3%.

Bei dem in den Fig.4 und 5 dargestellten Kessel besteht der Reaktionsraum aus mehreren Einheiten, die zu einer Batterie zusammengefaßt sind. Bei jeder der vier Einheiten 21 von quadratischem Querschnitt fließt das Wasser durch den von den Verbrennungseinheiten 21 jnd dem Außenmantel 23 begrenzten Raum. Jede Verbrennungseinheit 21 enthält eine Füllung 24 der vorbeschriebenen Art, die auf einem Rost 25 aufliegt. In Richtung des Pfeils 27 wird das Brenngas zugeführt, mit

der in der Richtung der Pfeile 28 zugeführten Luft in einem Mischring 29 gemischt und von hier in eine Speisekammer 26 geleitet. Die Abgase 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 Unterdruck hervorruft. Infolgedessen wird in den Stutzen der Kammer 26 nicht vorgewärmte Verbrennungsluft angesaugt und mit dem ij Brenngas 27 gemischt. Das Gemisch 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 24 eine größere Geschwindigkeit als die Flammengeschwindigkeit aufweist. 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 24, 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 24 jedes der vier Arbeitselemente 21 erfolgt die intensive und vollständige Verbrennung des Gemisches unter sehr hohen Temperaturen an der Oberfläche der Körner der Füllung 24, welche sämtliche durch die Verbrennung freigesetzte Wärme durch Strahlung auf die wärmeaustauschenden Umfangswände der Arbeitselemente 21 überführen, worauf diese sie an das Wasser 22 abgeben.

Um die Bildung eines unwirksamen und toten Kernes von hohen Temperaturen in der Füllung 24 zu vermeiden, welcher die freigesetzte Wärme nicht unmittelbar an die Wärmeaustauschwände abgeben kann und sie in die höheren Schichten der Füllung überführen müßte, wodurch in einer unerwünschten Weise die Höhe der Füllung 24 und zugleich auch die Höhe der Arbeitselemente vergrößert würde, muß im gegebenen Fall der lichte quadratische Querschnitt der Arbeitselemente 21 mit einer Seitenlänge von etwa 50 bis 60 mm eingehalten werden, der einer Korngröße der Füllung 24 von etwa 10 bis 15 mm entspricht. Unter diesen Bedingungen wird die Höhe der Füllung 24 in Abhängigkeit von der Art des verwendeten gasförmigen Brennstoffes etwa 200 bis 280 mm betragen. Die Wärmeleistung jedes Arbeitselements 21 wird unter diesen Bedingungen rund 12 000 kcal/h betragen. Dabei werden die Verbrennungsgase entsprechend den obenerwähnten Grenzen der Schichthöhe der Füllung 24 in dem gemeinsamen Austrittsstutzen 30 eine Temperatur von ungefähr 180 bis 300° C aufweisen.

Wie bereits erwähnt, wird die pyrometrische Temperatur in der Verbrennungszone des Reaktionsraumes auf einem Wert gehalten, bei dem eine vollständige Wärmeübertragung durch Strahlung bereits im Reaktionsraum eintritt Ein Überschreiten dieses Wertes würde eine Erhöhung der Temperatur der abziehenden Gase und die Einschaltung von Konvektionsflächen 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 Querschnittsfläche des Arbeitselements bei der Ausführung gemäß Fig.4 und 5 wird erreicht, wenn die isotherme Fläche der Füllung 24 eine ebene und nicht eine räumliche Fläche bildet und mit einer zur Achse des Reaklionsraumes senkrechten Ebene zusammenfällt.

Die einzelnen Arbeitselemente 21 stellen die kleinste Einrichtungseinheit dar und werden für größere Leistungen zweckmäßig zu Batterien zusammengeschlossen. In der dargestellten 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 Fi g. 1 bis 3 verwendet werden, sind in der Ausführung gemäß F i g. 4 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 dei Symmetrieachse des Reaktionsraumes die Temperatui an einer beliebigen Stelle des Querschnitts de« Reaktionsraumes oder des Arbeitselements noch nichi überschreitet.

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

Beispiel

Bei einem Prototyp des erfindungsgemäßen Kessels der gemäß der Ausführung nach F i g. 1 bis 3 gebaut unc zur Erwärmung 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)

Wasservolumen im Kessel
(in Litern)

Wirkungsgrad des Kessels (Brennstoff-Wasser)

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

36 200 kcal/h
33 200 kcal/h

0,197 m*
0,135 m2
32 600 kcal/h

165 500kcal/m2-h

600 kcal/h

4450 kcal/m* · h

12,00kp

2^0 kp

2,001

9130%

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 Volleistung (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 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 konstruk

tiven 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 erfindungsgemä-Ben Einrichtung mit einem bis um 10 und mehr Prozent höheren Wirkungsgrad als bei den besten bekannten Kesseln klassischer Konzeption verbrannt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Erwärmen bzw. Verdampfen von Fluiden durch Strahlung, bei welchem durch einen mit Strahlungsstoff gefüllten Reaktionsraum eines Wärmetauschers ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel, insbesondere aus einem Brenngas und Luft, durch die Füllung aus z. B. Zirkoniumsilikat, des Reaktionsraumes geführt und flammenlos verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum vollkommen homogenisiert und in diesem Raum in ungezündetem und nicht vorgewärmtem Zustand über den gesamten Querschnitt des Reaktionsraumes gleichmäßig verteilt eingeführt wird, wobei die Korngröße der Strahlungs-

   stoff-

   füllung, die Oberflächenbeschaffenheit der Körner, die Schichtdicke der Füllung zwischen peripheren Wärmelauscherflächen und die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches zwischen den Körnern, welche mit zunehmender Größe den Verbrennungsablauf verzögert, derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Strahlungsstoff die Wärmeenergie vorwiegend im Bereich von 0,5 bis 6 μηι abstrahlt und die Wärmeverteilung im Strahlungsstoff in annähernd ebenen isothermen Flächen verläuft, die zur resultierenden Strömungsrichtung des Gasgemisches nahezu senkrecht sind.