DE2305464A1 - Mit unter ueberdruck betreibbarem doppelmantel ausgeruesteter heizkessel, insbesondere kochkessel - Google Patents

Description

"Mit unter Überdruck betreibbarem Doppelmantel ausgerüsteter Heizkessel, insbesondere Kochkessel"

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit unter Überdruck betreibbarem Doppelmantel ausgerüsteten Heizkessel, insbesondere Kochkessel, mit den Doppelmantel teilweise anfüllender Vasserfüllung sowie mit einer die Füllung bis zu deren Siedepunkt erhitzenden Heizung.

Es hat sich heute in der lachweit für das Aufheizen von Wasser in einem Heizkessel ein gewisses Zeitmaß eingebürgert, um Wasser aus dem kalten Zustand, zum Beispiel 10⁰C in den Bereich der Siedetemperatur, zum Beispiel 95°C auf Meereshöhe zu erhitzen. Diese Zeit

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liegt um 50 Min» darf aber 55 Min. nicht überschreiten. Bei den heute bekannten, derartigen Kesseln wird auf der Erhitzerseite normalerweise ebenfalls mit Wasser gearbeitet, welches beispielsweise mittels elektrischer Heizstäbe erwärmt wird und seine Wärme durch die Kochkesselwa.id dem zu erwärmenden Gut, hier dem Testmedium "Wasser" abzugeben hat. Es ist auch möglich, anstelle von Wasser als Heizmedium OeI oder dpi. zu verwenden. Ferner kann das Heizsystem geschlossen und mit Ueberdruck gearbeitet werden. Es wird mit andern Worten, der Siedepunkt auf der Primärseite entsprechend dem gewählten Druck gemäss der Dampfdruckkurve hinaufgesetzt. Sowohl bei offenem als auch bei schliess· barem Primärsystem hat es sich als Susserst wichtig erwiesen, die Primärseite beim Aufheizen zu entlüften und beim Abkühlen zu belüften, das erste um von der Primärseite auf die Kesselwand genügend hohe Wärmeübergangszahlen zu erwirken und das zweite, um das Einbeulen der Doppelwand infolge Unterdrucks im Primärkreis zu verhüten. Bei den bisher bekannten Kesseln geht aus dem Primärkreis dauernd Wasser verloren, weshalb diese Kessel mit entsprechenden Alarm- und Reguliervorrichtungen versehen sind, die ein Absinken des Niveaus unter einen kritischen Wert verhüten sollen. Es ist bekannt, dass derartige Regel- und Ueberwachungsgeräte eine sorgfältige Pflege erheischen, eine Bedingung, die normalerweise in einer Grossküche nicht erwartet werden kann.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Gefahren auszuschliessen

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und einen Heizkessel zu schaffen, der bezüglich Wartung wesentlich unempfindlicher ist als die bisher bekannten Heizkessel dieser Art und welcher trotzdem den von der Praxis gestellten Normen gerecht wird.

Dieser Forderung kommt der erfindun^sgemässr Heizkessel nach, welcher sich dadurch auszeichnet,dass das Heizsystem geschlossen ist und über der Wasserfüllung ein Dampf/Luft-Abscheideraum vorgesehen ist und dass dieser Dampf/Luft-Abscheideraum mit dem wassergefüllten Raum über mindestens einen in einer Ausdehnungsrichtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtunn; des Dampfes verlaufenden Kanal mit Kapillarwirkung einerseits sowie durch mindestens einen zxieiten Kanal verbunden ist, welcher Kanal·, mindestens einerends in die Wasserfüllung eintaucht,-

Die Erfindung; wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen in rein schemtaischer Darstellung:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen sich nicht im Betrieb befindenden runden Kessel,

Fig. 2 einen Schnitt gemäss Schnittlinie II-II der T?ig. I,

Fig. 3 den Ausschnitt des Kessels gemSss Fig. 1 im Betriebszustand,

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Fig. 4 eine Darstellung analog Pig. I eines eckigen Kessels,

Fig. 5 einen Schnitt durch den Kesselausschnitt, nach Schnittlinie V-V der Fig. 4,

Fig, 6 einen Ausschnitt aus dem Kessel im Betrieb, gemSss. Schnittlinie VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7 eine Darstellung analog Fig. 6, gemäss Schnittlinie VII-VII der Fig. 5,

Fig. 8 einen Ausschnitt aus einem runden Kessel analog Fig. 1, geschnitten durch einen Kondensät-Rückflusskanal,

Fig. 9 einen Schnitt durch den Kessel nach Fig. 8, gemäss Schnittlinie IX-IX, und

Fig. 10 einen Ausschnitt analog Fig. 8, geschnitten durch ' einen Dampfkanal, im Betriebszustand.

In den Fig.-l bis 3 ist ein runder Kochkessel 1 mit einer Innenwand 3 und einem Boden 5 dargestellt. Es ist ferner ein Doppelmantel 7 ersichtlich, der in seinem obern Teil in ein Dampf/Luftabscheider 10 übergeht, der auch als ExpansionsgefSss wirkt. In diesem Abscheider 10 stellt sich im Betrieb ein Niveau

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11 ein, welches etwas höher liegt als das Niveau 9 im Ruhezustand, Der Abscheider 10 ist über einen ringförmigen, in der Breite engen Dampfkanal 12, der wie eine Kapillare wirkt, mit einem Wasserbehälter 14, der sich unten am Kochkessel 1 befindet, verbunden. Der Dampfkanal 12 weist, eine Breite von höchstens 3 mm, vorzugsweise 2 mm oder weniger auf. Im Wasserbehälter steht im Betrieb das Wasser auf dem Niveau 15» so das Hsizstäbe 16 völlig eingetaucht sind. Ein Kondensatrücklaufrohr 18 mündet unter dem Niveau 15 in den Wasserbehälter lh. Den äussern Abschluss des runden Kochkessels 1 bildet ein Kesselaussenmantel 20»

Das Problem beim Betrieb derartiger Heizkessel liegt in der Möglichkeit der Vermeidung des yermischens von Wasserdampf mit Luft auf der PrimSrseite, da durch eine solche Mischung der Wärmeübergang ausserordentlich stark herabgesetzt wird. Es kann der Literatur, (z.B. "Physikalische Grundlagen der Chemieingenieurtechnik" S. 6.97 von Professor Dr. Grassman) entnommen werden, dass auf der Sekundärseite, wo sich als Testgut zum Festlegen der Aufheizzeit Wasser befindet, die Wärmeübergangszahl an dieses Wasser im Behälter, sofern es nicht siedend ist und nicht gerührt wird, zwischen 515 und 3000 kcal/m h°C beträgt, während für Luft der entsprechende Wert'bei aufgezwungener Konvektion (10 m/sek) grössenordnungsmässig 60 kcal/m² h°C beträgt. Bei freier Konvektion liegen die Werte für Luft ungefähr bei 10 - 20 kcal/m² h °C, Daraus geht eindeutig

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hervor, dass der Lufteinfluss im Primärsystem auf den Wärmeübergang schwerwiegende Polgen zeitigt und daher die Luft eliminiert werden muss. Es ist daher nötig, auf der Prinär- oder Heizungsseite Wärmeübergangs zahlen zu erzeugen, welche so hoch sind, dass sie - auch bei wesentlicher Steigerung den Wärmedurchgangswert K praktisch nicht mehr'teeinflussen. Für luftfreies, im Behältnis siedendes Wasser betragen grössenordnungsmässig die Wärmeübergangszahlen 2500 bis gegen 40000 kcal/m" h C je nach der Wärmebelastung der wärmeleitenden Zwischenflächen,

wobei die untere Zahl für eine Belastung von ca.' 28000 kcal/m h

2 und die obere für eine solche von ca. 850000 kcal/m h gilt.

Die Wärmeübergangs zahl- für lotrechte Wände von 1 m Höhe beträgt für kondensierenden Wasserdampf ca. 5500 kcal/m^ h ⁰C, während

sie bei Tropfenkondensation von Wasserdampf grössenordnungsmässig auf 85000 kcal/m² h ⁰C steigt.

Aus diesen Zahlen geht eindeutig hervor, dass, wenn ein praktisch vollständiges Entlüften der Primärseite erfolgt, in dem Sinn, dass sich der wärmeabgebende Wasserdampf nicht mit Luft mischen kann, auf der Primärseite Wärmeübergangszahlen erreichbar sind, welche um einiges höher liegen, als diejenigen der Sekundärseite. Ss dürfte mithin, sofern eine derartige Entlüftung in einem vollständig nach aussen geschlossenen Primärsystem kunstgerecht durchgeführt werden kann, ein Leichtes sein, die Aufheizzeit einzig von der Sekundärseite abhängig zu machen, d.h. optimale Wärmedur chganc-skoeffizient en zu erreichen.

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Eingehende Versuche haben nun eindeutig gezeigt, dass in relativ engen Rohren oder Spalten schnell beifegter Dampf sich mit vorhandener Luft praktisch nicht mischt, und daher die vorgenannten bekannten Wärmeübergangszahlen zwischen dem Dampf und den ihn begrenzenden Heizflächen erreicht werden können. Ob als Bedingung ausschliesslich das Erreichen einer Mindestdampfaufstieg-Geschwindigkeit verlangt werden muss oder cb es um die Verhütung von turbulenten Ausgleichs- und Mischvorgängen geht, bleibe dahingestellt. Wahrscheinlich wirkan die beiden Phänomene gleichzeitig und führen zu erstaunlich guten Ergebnissen. Tatsache, ist, dass das sich im Betrieb befindende neu entwickelte Primärsystem praktisch luftfrei arbeitet und die im System vorhandene und aus dem Wasser ausgetriebene Luft sich im Dampf/ Luft-Abscheider 10 sammelt, wobei die Luft dort ein Luftkissen bildet, während der noch nicht kondensierte Dampf kondensiert und über das Kondensatorüekiaufrohr 18 - es können auch mehrere Rohre sein die über den Umfang gleiehmässig oder ungleichmässig verteilt sind - in den Wasserbehälter Ik zurückkehrt. Die sich im Betrieb einstellende Niveaudifferenz zwischen dem Wasserniveau 11 im Dampf/Luft-Abscheider 10 und dem Wasserniveau 15 im Wasserbehälter 14 ist ein Mass für die kinetische Energie des aufsteigenden Dampfes im Dampfkanal 12. Die Breite des Dampfkanals 12 darf nicht über 3 mm betragen, vorzugsweise 2 mm oder weniger, da sich bei grösserer Kanalbreite der Dampf mit Luft vermischt, die Wärmeüberganskoeffizienten auf der Primärseite rapid zurückgehen und in den Grössenbereich derjenigen

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der Sekundärseite fallen, und damit die Grosse der Wärmedurchgangs zahl massgeblich verkleinern.

Auf diese Weise ist es möglich, ein geschlossenes Primärsystem zu schaffen, aus welchem weder Wasser, noch Wasserdampf, noch Luft entweichen kann und bei welchem trotzdem eine Vermischung des wärmeabgebenden Wasserdampfes mit Luft praktisch vermieden wird, so dass auch primärseitig Wärmeübergangs zahlen erreicht werden, welche mindestens in der Grössenordnung derjenigen der Sekundärseite, auf welcher sich ungerührtes Wasser befindet, liegen. Es ist daher für das Bedienungspersonal nicht nötig, dem Wasserinhalt der Primärseite irgendwelche Aufmerksamkeit zu schenken, ausser dem Ueberdrucksicherheitsventil der Primärseite, welche diese abblasen lässt, wenn der Druckregler versagt.

Die Figuren 4 bis 7 zeigen die Ausführung eines rechteckigen Kochkessels 25 mit Innenwänden 27 und einem Boden 28 sowie einem Doppelmantel 30. Auch hier ist ein Dampf/Luft-Abscheider 32 angeordnet, dessen Niveau vor dem Betrieb mit 33 bezeichnet ist.

Mit Hilfe einer Zwischenwand 39 werden in der, insbesondere aus Fig. 5 klar ersichtlichen Weise abwechslungsweise schmale Dampfkanäle 35 mit Kapillarwirkung und analoge Kondensatrücklaufkanäle 36 gebildet. Inwiefern der aufsteigende Dampf bereits

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in den Dampfkanälen 35 kondensiert, hängt vom Betrieb ab. Ein gewisser Teil wird aber kondensieren, da es sich um Sattdampf und nicht um überhitzten Dampf .handelt. Dieses Kondensat wird im kapillarförmigen Dampfkanal 35 entgegen der Aufstiegsrichtung des Dampfes nach unten in einen Wasserbehälter 4l zurückfliessen. In. Fig. 5 sind ferner Trennbereiche 40 ersichtlich, in welchen die Zwischenwand 39 zum festen Anliegen gebracht ist. Eine Heizung, es sind hier elektrische Heizstäbe 44, welche die Wärme über die Heizrohre an das Wasser im Primärkreis abgibt, sichert die nötige Wärmezufuhr. Der Kochkessel 25 ist von einem Aussenmantel 46 umschlossen. In den Figuren sind im Wasserbehälter 4l das VJasserniveau 48 im Betrieb und im Abscheider 32 das VJasserniveau 50 im Betrieb ersichtlich. Es spielen sich auch hier bezüglich Luft abs ehe idunp* und Wärmeübergangszahlen auf der Primärseite die vorbeschriebenen Phär.onene ab.

Eine weitere Ausführung ist in den Fig. 8 bis 10 ersichtlich, in welchen ein runder Kochkessel 55 mit einer Innenwand 57 und einem Boden 59 sowie einem Doppelmantel 61 dargestellt ist. Auch hier ist wiederum ein Dairpf/Luft-Ab scheider 63 vorgesehen, wobei die Kanäle für das Aufsteigen von Dampf und Luft bzw. das Rückfliessen von Kondensat mittels Stegen 65 voneinander getrennt sind, so dass sich Dampfkanäle 66 mit Kapillarwirkung und analoge Kondensatrückflusskanäle 67 ergeben. Auch hier ist die maximale Breite,.wie im übrigen diejenige der Dampf-

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kanäle 35 der Ausführung gemäss den Fig. 4 bis 7, 3 nan, vorzugsweise 2 mm oder weniger, wobei sich diese "kapillare" Abmessung nicht über die ganze Kanalhöhe erstrecker muss.

Ein sich unter dem Kochkessel 55 befindender Wasserbehälter ist mit Heizstäben 70 ausgerüstet, und der Kochkessel 55 als Ganzes von einem Aussenmantel 71 umhüllt. Zwischen der Innenwand 57 und dem Aussenmantel 71 befindet sich ein Expansionsgefäss 72 mit einer Expansionsleitung 73, welche es im Betrieb ermöglicht, der Viasseraus dehnung und Ausdehnung der sich im Primärkreis befindenden Luft Rechnung zu tragen. Es sind ferner das Betriebsniveau 75 im Expansionsgefass 72 sowie das Betriebsniveau 77 im Wasserbehälter £9 dargestellt. Auch diese Ausführung arbeitet grundsätzlich nach dem vorgenannten Prinzip, wobei auch hier eine gewisse Kondensatmenge des in den Dampfkanälen 66 kondensierten Wassers direkt in den Wasserbehälter 69 zurückströmt.

Aufgrund dieser Erkenntnis ist es möglich, in dem üeberdruck im Priiaärsystem arbeitenden Kochkesseln, ein praktisch narrensicheres, geschlossenes Primärsystem mit guter Trennung von Dampf und Luft und mithin guten Kocheigenschaften zu schaffen.

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Claims (7)

Schutz ansp -γ üche :

1. Mit unter Ueberdruck betreibbarem Doppelmantel ausgerüsteter Heizkessel, insbesondere Kochkessel, mit den Doppelmantel teilweise anfüllender -Wasserfüllung sowie mit einer die Füllung bis zu deren Siedepunkt erhitzenden Heizung, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem geschlossen ist und über der Wasserfüllung ein Dampf/Luft-Abscheideraum (10, 32, 63) vorgesehen ist und dass dieser Dampf/Luft-Abscheideraum mit dem wassergefüllten Raum (I¹I, Hl, 69) über mindestens einen in einer Ausdehnungsrichtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Dampfes verlaufenden Kanal (12, 35, 66) mit Kapillarwirkung einerseits sowie durch mindestens einen zweiten Kanal (18, 36, 67) verbunden ist, welcher Kanal mindestens einerends in die Wasserfüllung eintaucht.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende des zweiten Kanals mit dem Dampf/Luft-Abscheideraum (10, 32, 63) verbunden ist.

3. Hei?kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf/Luft-Abscheideraum als Expansionsraum (10, 32) ausgebildet ist.

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4. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Dampf/Luft-Abscheideraum (63) ein Expansionsraum (72) angeordnet ist.

5. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des DampfkanaIs (12, 35₉ 36) mindestens an einer Stelle der Kanalhöhe über dessen ganze Kanallängsseite höchstens 3,0 mm, vorzugsweise weniger als 2,1 mm beträgt.

6. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter dem Kessel ein VJasserbehälter mit Heizung angeordnet ist, in welchen der Dampf- und der Rücklaufkanal (12, 35» 66; 18, 36, 67) einmünden.

7. Heizkessel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einzigen, ringförmigen, gegebenenfalls durch Stege unterteilten Dampfkanal (12).

Dipl.-Jng. Conrad Köchlinp Patentanwalt

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