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Die Erfindung betrifft einen Boiler gemäß dem Oberbegriff des Anspru-
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ches 1.
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Bisher sind schon verschiedene Typen von Boilern vorgeschlagen und
auch bis zu einem gewissen Ausmaß in zufriedenstellender Weise benutzt worden.
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Um jedoch die Beanstandungen hinsichtlich der Umweltverschmutzung
zu beseitigen, die lnstallierungskosten zu verringern und die Forderung nach Energieeinsparung
zu erfüllen, hat konstant ein Bedürfnis vorgelegen, die Leistungsfähigkeit und den
Wirkungsgrad eines Boilers zu verbessern und gleichzeitig die oben erwähnten erwünschten
Bedingungen zu erfüllen.
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Im allgemeinen werden stets zwei Wege in Betracht gezogen, um die
Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad eines Boilers zu verbessern, nämlich a)
eine Steigerung der Durchlaufgeschwindigkeit der thermischen Energie, in dem die
Geschwindigkeit des Verbrennungsgases angehoben wird, während gleichzeitig die einem
Brenner zuzuführende Brennstoffmenge gesteigert wird, und b) eine Gestaltung dahingehend,
daß die Wärmeübertragungsflächen innerhalb des Innenraumes eines Boilers so groß
wie möglich vorgesehen werden.
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Wenn das oben genannte Vorgehen a) gewählt wird, kann der erforderliche
Leistungsbedarf für eine Luftzufuhreinrichtung, beispielsweise ein
Gebläse
zum Erzeugen eines Zwangsluftzuges, zu groß werden, was eine Steigerung des Gesamtleistungsverbrauches
zur Folge hat und ausserdem Geräuschprobleme hervorruft. Dies beruht darauf, daß
der Strömungswiderstand der Luft dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional
ist und daß die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge (Volumenstrom) der
Menge des zu verbrennenden Brennstoffes proportional ist, wobei die für die Luftzufuhr
erforderliche Leistung dem dreifachen der Menge des zuzuführenden Brennstoffes entspricht.
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Wenn demgegenüber das oben genannte Vorgehen b) gewählt wird, kann
die Ausbildung der Wärmeübergangsfläche eine vergrößerte Luftströmungsgeschwindigkeit
erfordern, was auch zu einer Steigerung der erforderlichen Leistung führt, obwohl
sich auch der thermische Wirkungsgrad und die Leistungsfähigteit des Boilers ganz
allgemein steigern würden, wenn die Menge der pro Einheitsfläche übertragenen thermischen
Energie kleiner gemacht wird.
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Bei bekannten Boilern (JA-OS 30 341/64, 11 210/71 und 34 121/71) ist
schon der Versuch gemacht worden, eine Vielzahl vertikaler Wasserrohre zwischen
zwei Kammern vorzusehen, so daß dadurch das von den Rohren umgebene Mittelteil als
Brennraum ausgebildet wird. Diese Boiler arbeiten zwar zufriedenstellend, jedoch
liegt nach wie vor, wie oben schon dargelegt, das Bedürfnis vor, den Wirkungsgrad
und die Leistungsfähigkeit zu verbessern sowie die Verschmutzung zu verringern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der
geschilderten Nachteile einen Boiler mit verbessertem Wirkungsgrad und verbesserter
Leistungsfähigkeit zu schaffen, der eine geringere Verschmutzung und Geräuschentwicklung
bewirkt und nach Wahl als Boiler entweder des Unilauftyps oder des Durchlauftyps
verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Boiler sind zwei Ringkammern durch eine
Rohrwandeinrichtung verbunden, die aus einerAußenwand und einer Innenwand mit einem
dazwischen gebildeten Raum besteht. Diese beiden Kammern stehen über den genannten
Zwischenraum miteinander in Verbindung. Ein Raum, der durch die beiden Kamne rn
und die Wandeinrichtung gebildet ist, wird als Brennkammer verwendet, in die sich
ein Brenner durch eine Mittelöffnung hindurch, die in einer der Ringkammern vorgesehen
ist, erstreckt. Es ist eine Gasrohrleitungseinrichtung vorgesehen, um Verbrennungsgas
von der Brennkarrlmer durch die Innenwand an eine Stelle nahe einer der beiden Kammern
und durch die Außenwand an eine Stelle nahe der anderen Kammer zur Außenseite des
Boilers zu richten. Die Wandeinrichtung kann dadurch gebildet sein, daß, jeweils
einander benachbart, eine Vielzahl von Wasserrohren vorgesehen wird. Innerhalb der
Wandeinrichtung sind Leitungseinrichtungen vorgesehen, um das Verbrennungsgas zur
Außenseite des Boilers zu richten.
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Aufgrund dieser Anordnung ist bei dem erfindungsgemäßen Boiler nicht
nur die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad verbessert, sondern es werden auch
weniger Geräusche und eine geringere Verschmutzung erzeugt. Bei dem Boiler sind
innerhalb eines Boilergehäuses eine erste Rohrwandeinrichtung und eine diese außerhalb
umgebende zweite Rohrwandeinrichtung vorgesehen, die innerhalb der ersten Wandeinrichtung
eine Brennkammer bilden, wobei jede Wandeinrichtung eine Außenwand und eine Innenwand
mit einem dazwischen gebildeten Raum aufwe.ist, der mit den beiden Kammern verbunden
ist, um deren Strömungsverbindung durch den Raum hindurch zu ermöglichen. Von der
Verbrennungskammer
erstreckt sich mäanderförmig innerhalb der Räume
der jeweiligen Wandeinrichtung eine Gasleitungseinrichtung zur Außenseite des Boilergehäuses,
wobei Zwischenräume zwischen der ersten und zweiten Wandeinrichtung und zwischen
der zweiten Wandeinrichtung und dem Boilergehäuse ausgenutzt werden.
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In der ersten Wandeinrichtung oder auch in beiden Wandeinrichtungen
kann eine zusätzliche Gasleitungseinrichtung vorgesehen werden, um die Verbrennungsgasströmung
nahe einer das Brenngas ansaugenden Öffnungseinrichtung der Leitungseinrichtung
zu verteilen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dies zeigt in: Fig. 1 einen bekannten Boiler schematisch im Längsschnitt
und Fig. 2 im Querschnitt gemäß Linie II-II nach Fig. 1; Fig. 3 eine bevorzugte
Ausführungsform des erfindungsgemässen Boilers schematisch im Längsschnitt und Fig.
4 im Querschnitt gemäß Linie W-IV nach Fig. 3; Fig. 5 ein Detail des Boilers im
Schnitt gemäß Linie V-V nach Fig. 3; Fig. 6 im Schnitt eine abgewandelte Ausführungsform
des Boilers; Fig. 7 im Schnitt eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Boilers
und
Fig. 8 eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Boilers
im Querschnitt, d. h. in einer der Linie VIII-VIII nach Fig. 7 entsprechenden Darstellung.
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Der aus Fig. 1 und 2 ersichtliche bekannte Boiler 10, der aus Gründen
des besseren Verständnisses der Erfindung im folgenden kurz erläutert sei, ist ein
Naturumlaufboiler des Wasserrohrtyps. Der Boiler 10 weist eine obere ringförmige
Wasserkammer 11 und eine untere ringförmige Wasserkammer 12 auf, zwischen denen
eine Vielzahl von Wasserrohren 13 einander benachbart und spiralenförmig angeordnet
ist, so daß in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise eine Wand mit sich berührenden
Rohren gebildet wird, um in der Mitte der spiralig geformten Berührungsrohrwand
eine Brennkammer 14 zu formen, die in ein Innenteil A und ein Außenteil B unterteilt
werden kann. Die Teile A, B bilden einerseits einen Feuer- bzw. Heizkanal 15, der
sich zwischen den Teilen A, B von einem zur Kammer 14 hin sich öffnenden Einlag
aus erstreckt, und bilden andererseits einen Feuer- bzw. Heizkanal 17, der sich
zwischen dem Teil B und eine Außenwand 18 des Boilers 10 erstreckt.
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Die Heizkanäle 15, 17 führen das Verbrennungsgas- vom Einlaß 16 in
Richtung der aus Fig. 2 ersichtlichen Pfeile zu einer Auslaßleitung 19.
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Die gegenüberliegenden Enden jedes Wasserrohres 13 sind verengt ausgebildet
und jeweils mit der oberen bzw. unteren Kammer 11 bzw. 12 gekuppelt, so daß die
beiden Kammern 11, 12 über die Wasserrohre 13 miteinander in Verbindung stehen.
Aufgrund der verengt ausgebildeten Teile der jeweiligen Rohre 13 sind zwischen den
Rohren 13 nahe dem Boden der oberen Wasserkammer 11 und der Oberseite der unteren
Wasserkammer 12 Zwischenräume 20 gebildet, die mit einem geeigneten Füllmaterial
oder Isoliermaterial gefüllt sind, um den Brennraum 14 sowie die Heizkanäle 15,
17 voneinander zu isolieren. An der Außenwand 18 des Boilers 10 ist ein flexibles
Teil 21 vorgesehen, um die durch die thermische Belastung verursachte Deformation
zu absorbieren.
Das Mittelteil der unteren ringförmigen Wasserkammer
12 kann mit geeignetem feuerbeständigem Füllmaterial gefüllt sein. Am Mittelteil
der oberen ringförmigen Wasserkammer 11 ist ein Brenner 22 angeordnet, und zwar
derart, daß die von ihm erzeugte Flamme zusammen mit Blasluft, die von einem nicht
dargestellten Gebläse oder Zwangszugventilator erzeugt wird, nach unten gerichtet
wird.
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Wenn zum Zweck der Inbetriebnahme der Brenner 22 gezündet wird, werden
die inneren Seitenflächen der im Teil A befindlichen Wasserrohre 13 der Wärmestrahlung
der Flamme und der Konvektion des Verbrennungsgases ausgesetzt; in gleicher Weise
werden auch die dem Heizkanal 15 zugekehrten Oberflächen der Rohre 13 der Teile
A, B und die dem Heizkanal 17 zugekehrten Oberflächen der Rohre 13 des Teiles B
dem durch die Heizkanäle 15, 17 strömenden Verbrennungsgas ausgesetzt, so daß auf
diese Weise der Wärmeübergang auf das in den Rohren 13 befindliche Wasser durchgeführt
wird. Aufgrund dieses Wärmeübergangs können die Innenrohre, die zum Teil A gehören,
zu Steigrohren werden, während die zum Teil B gehörenden Rohre zu Fallrohren werden
können, was auf dem durch den Wärmeübergang bewirkten Unterschied der Wassertemperaturen
beruht. Auf diese Weise wird die Wasserzirkulation durchgeführt, wobei die Rohre
des Teiles A offensichtlich eine relativ größere Menge an thermischer Energie erhalten
bzw. aufnehmen. Die Grenze zwischen den Steigrohren und den Fallrohren kann jedoch
variieren,und zwar in Abhängigkeit vom jeweiligen Zustand des Übergangs der thermischen
Energie auf das in den Rohren befindliche Wasser.
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Die aus Fig 2 ersichtliche Anordnung der Rohre 13 kann auch abgewandelt
werden, um die Geschwindigkeit des durch die Heizkanäle 15, 17 strömenden Verbrennungsgases
zu verringern, so daß dadurch eine Steigerung der zur Betätigung des Gebläses erforderlichen
Leistung unterdrückt
werden kann. Zu diesem Zweck kann der Heizkanal
15 vom Einlalj 16 aus in zwei entgegengesetzte Richtungen aufgeteilt werden, wobei
dann die aufgeteilten Heizkanäle an der dem Einlaß 16 gegenüberliegenden Stelle,
an der das Verbrennungsgas über einen Umfangswinkel von 0 180 geströmt ist, wieder
vereinigt werden, bevor sie in den folgenden Heizanal, der dem Heizkanal 17 entspricht,
eintreten. Dieser Heizkanal 17 kann ebenfalls in zwei entgegengesetzte Richtungen
aufgeteilt und am Auslaß, der an derselben radialen Stelle wie der Einlaß 16 liegt,
wieder vereinigt werden. Aufgrund einer solchen Anordnung der Heizkanäle kann zwar
die Geschwindigkeit des strömenden Gases an den Zwischenstellen im Durchlauf des
Verbrennungsgases reduziert werden, jedoch enthält das Verbrennungsgas am oberen
Teil im Brennraum 14 nahe dem Brenner 22 in der durch die Pfeile a gemäß Fig. 1
angedeuteten Weise Ölteilchen, die vom Brenner 22 ohne vollständige Verbrennung
ausgetragen worden sind. Diese relativ großen unverbrannten Teilchen werden in Richtung
der Pfeile a zum Heizkanal 15 gerichtet, während das in den Heizkanal 15 am unteren
Teil des Einlasses 16 in Richtung des Pfeiles b strömende Gas vollständig verbrannt
ist. Das die unverbrannten Teilchen enthaltende Gas wird während seiner Strömung
durch die Heizkanäle abgekühlt, weshalb diese Teilchen, ohne verbrannt worden zu
sein, nach außen ausgetragen werden, so daß sich dadurch die Menge an erzeugtem
Ruß und hauch vergrößert. Wenn dieser Ruß und Rauch verringert werden soll, ist
es erforderlich, den Mischwirkungsgrad nahe dem Brenner 22 zu steigern, um dazu
beizutragen, daß die Verbrennung im Brennraum 14 vollständig wird. Obwohl durch
eine solche Vermischung das Ausmaß an erzeugtem Ruß und Rauch verringert werden
kann, führt diese Mischung doch zu einer Steigerung des Leistungsverbrauchs des
Luftgebläses oder des Zwangsluftventilators, so daß dadurch auch mehr Energie verbraucht
wird. Außerdem wird auch die Menge an NOx gesteigert, wenn der Mischungsgrad bzw.
das Mischverhältnis plötzlich oder heftig geändert wird, so daß sich dadurch auch
das Problem der Umweltverschmutzung und Geräuschentwicklung ergibt.
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Mit der Erfindung werden diese unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 erläuterten
Probleme der bekannten Boiler vollständig vermieden.
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Die aus Fig. 3 und 4 ersichtliche bevorzugte Ausführungsform eines
Boilers 30 gemäß der Erfindung ist als Wasserrohrboiler des Naturumlauftyps dargestellt
und versehen mit einer oberen ringförmigen Wasserkammer 31, einer unteren ringförmigen
Wasserkammer 32, einer Gruppe vertikaler Wasserrohre 33, die zur Bildung einer zylinderförmigen
Berührungsrohrwand einander benachbart angeordnet sind, und mit einer weiteren Gruppe
vertikaler Wasserrohre 34, die ebenfalls einander benachbart angeordnet sind, um
eine weitere Berührungsrohrwand mit einer zweiten zylindrischen Form zu bilden,
die koaxial zur ersten Berührungsrohrwand außerhalb dieser unter Bildung eines Ringraumes
zwischen den beiden Berührungsrohrwänden angeordnet ist, wie aus Fig. 4 ersichtlich.
Die gegenüberliegenden Enden jedes der Rohre 33, 34 sind in ihrem Durchmesser verringert
ausgebildet und sowohl mit der Bodenplatte der oberen Wasserkammer 31 als auch mit
der oberen Platte der unteren Wasserkammer 32 gekuppelt, so daß die beiden Kammern
31, 32 über die Rohre 33, 34 miteinander verbunden sind. Der durch die Rohrgruppe
33 umgebene innere Seitenraum ist derart ausgebildet, daß er eine Brennkammer 35
darstellt, in der ein Brenner 36 angeordnet ist, der durch eine mittige Öffnung
der oberen Wasserkammer 31 hindurch nach unten gerichtet ist. Die benachbarten Rohre
33, 34 wie schon erläutert, einander angrenzend angeordnet, um jeweils eine Berührungsrohrwand
37 bzw. 38 zu bilden, wobei die jeweils einander benachbarten Rohre, falls erforderlich,
miteinander. verschweißt sein können, um die Abdichtung zu vervollständigen.
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Der Raum zwischen den Berührungsrohrwänden 37, 38 gelangt als Heizkanal
39 zur Anwendung, während der Raum zwischen einer Außenwand 40 des Boilers 30 und
der Berührungsrohrwand 38 als Heizkanal 41 zur
Anwendung gelangt,
der zu einem Auslaß 42 für das Verbrennungsgas des Boilers 30 führt.
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Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der Querschnitt sowohl der inneren
zylindrischen Berührungsrohrwand 37, die aus den Rohren 33 besteht, als auch der
äußeren zylindrischen Berührungsrohrwand 38, die aus den Rohren 34 gebildet ist,
ein vollständiger Kreis, weshalb ein dem Einlaß 16 gemäß Fig. 2 ähnlicher Einlaß,
um das Gas von der Brennkammer 35 in den Zwischenheizkanal 39 zu richten, nicht
vorliegt. Jedoch sind, wie schon beschrieben, die gegenüberliegenden Enden der jeweiligen
Rohre 33, 34 verengt ausgebildet, so daß die der Bodenplatte bzw.
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Deckplatte der oberen bzw. unteren Wasserkammer benachbarten Teile
der Berührungsrohrwände 37, 38 als freie Durchlässe ausgebildet sind, durch welche
die Luft hindurchströmen kann. So sind beispielsweise derartige Durchlässe 55 für
den unteren Teil der inneren Berührungsrohrwand 37 in Fig. 5 dargestellt. Diese
Spaltdurchlässe 55 ermöglichen es, daß das Verbrennungsgas von der Brennkammer 35
zum Zwischenheizkanal 39 strömen kann. Mit Ausnahme des aus Fig. 3 ersichtlichen
Durchlasses 42 sind die an den gegenüberliegenden Enden der Rohre 33, 34 gebildeten
Durchlässe mit einem geeigneten feuerbeständigen Füllmaterial 43 gefüllt, um diese
Durchlässe zu verschließen.
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Um den Durchlaß für das Verbrennungsgas von der Brennkammer 35 durch
die Heizkanäle 39, 41 zum Auslaß 42 zu vervollständigen, ist eine Gasführungseinrichtung
vorgesehen, die sich durch die Berührungsrohrwände 37, 38 hindurch erstreckt. Diese
Gasführungseinrichtung ist durch Gaskanäle 44 sowie durch weitere Gaskanäle 45 gebildet,
wobei sich die Gaskanäle 44 von der Brennkammer 35 durch die Innenseite einiger
oder sämtlicher der Wasserrohre 34 zum Zwischenheizkanal 39 erstrecken, während
sich die weiteren Gaskanäle 45 vom Heizkanal 39 zum äußeren Heizkanal 41 erstrecken.
Jede der Gasleitungen 44, 45 umfalit
ein Rohr. Hierbei öffnet
sich das Rohr für die Gasleitung 44 zur Brennkammer 35 hin an einer Einlaßöffnung
46, die nahe der unteren Wasserkammer 32 an der unteren Stelle des Rohres 33 angeordnet
ist; dieses Rohr erstreckt sich weiterhin nach oben innerhalb des Rohres 33 und
mündet zum Heizkanal 39 hin an einer Auslaßöffnung 47, die dem Einlaß 46 diametral
gegenüberliegt, wobei die Auslaßöffnung 47 am oberen Teil des Rohres 33 nahe der
Bodenplatte der oberen Wasserkammer 31 angeordnet ist. In gleicher Weise öffnet
sich das Rohr für die Gasleitung 45 zurn Heizkanal 39 an einer etwa auf derselben
Höhe wie die Auslaßöffnurg 47 gelegenen Einlaßöffnung 48 und erstreckt sich innerhalb
des Rohres 34 nach unten und mündet dann in den Heizkanal 41 an einer Auslaßöffnung
49, die im unteren Teil des Rohres 34 diametral gegenüber der Einlaßöffnung 48 angeordnet
ist. Aufgrund der Anordnung dieser Gaskanäle 44, 45 werden die Durchlässe für das
Verbrennungsgas von der Brennkammer 35 zum Auslaß 42 vervollständigt. Der Mittelraum
in der unteren Wasserkammer 32 kann mit einem dem Material 43 ähnlichen Füllmaterial
gefüllt sein, um den Boden der Brennkammer 35 auszufüllen. An einem geeigneten Teil
der Boilerwand 40 ist außerdem ein flexibles Teil 50 vorgesehen, um die in der Wand
40 erzeugten thermischen Belastungen zu absorbieren.
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Wenn der Brenner 36 gezündet wird, wird die Innenseite der Berührungsrohrwand
37 erhitzt ,und zwar aufgrund der Wärmestrahlung durch die Brennerflamme, die durch
einen von einem Gebläse oder dgl. zugeführten Luftstrom nach unten gerichtet ist,
sowie durch die mittels des Verbrennungsgases bewirkte Konvektion. Das Verbrennungsgas
ist in die Einlaßöffnungen 46 und in die Spaltdurchlässe 55 gerichtet und wird durch
die Gaskanäle 44 und den Zwischenheizkanal 39 hindurch sowie von den Auslaßöffnungen
47 und von dem Heizkanal 39 aus durch die Einlaßöffnungen 48 und die Auslaßöffnungen
49 der Rohre 34 zu den Gaskanälen 45 und schließlich durch den Heizkanal 41 durch
zum Auslaß
42 geleitet. Während dieser Strömung des Verbrennungsgases
übem trägt sich die thermische Energie des Gases auf das in den Rohren 33, 3 befindliche
Wasser, wodurch die Rohre 33 zu Steigrohren und die Rohre 34 zu Fallrohren werden
und insgesamt den natürlichen Umlauf des Wassers im Boiler 30 bewirken.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Strömung des Verbrennungsgases,
die derart gerichtet ist, daß sie durch die innere Berührungsrohrwand 37 hindurchgeleitet
wird, als eine solche angesehen werden, die in zwei Ströme unterteilt ist, nämlich
in einen Strom, der in die Spaltdurchlasse 55 eintritt, und in einen anderen Strom,
der in die Einlaßöffnungen 46 eintritt. Aufgrund dieser Aufteilung der Gasströmung
ist es möglich, eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit des durch die Spaltdurchlässe
55 und durch die Einlaßöffnungen 56 strömenden Verbrennungsgases aufrechtzuerhalten,
weshalb auch der Leistungsverbrauch bzw. -bedarf für das Zwangszugluftgebläse nicht
gesteigert werden muß. Weiterhin sich auch aufgrund der Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche,
die sind bei der beschriebenen Ausführungsform aufgrund der Anordnung der Gaskanäle
44, 45 ergibt, die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad bemerkenswert verbessert,
und es ist die Erzeugung von Ruß, Rauch und NOX eingeschränkt, wenn nicht sogar
vollkommen unterbunden, da die Einlaßöffnungen 46 und die Spaltdurchlässe 55 an
einer vom Brenner 36 entfernten Stelle angeordnet sind, so daß lediglich vollkommen
verbranntes Gas zu den Einlaßöffnungen 46 und den Spaltdurchlässen 55 gerichtet
wird, ohne daß eine insbesondere heftige Mischung durchgeführt werden mull.
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Die folgenden Erläuterungen können als eine mehr analytische Wiederholung
des zuvor beschriebenen angesehen werden. So wird nämlich, wie schon erläutert,
bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Strom des unter hoher Temperatur verbrannten
Gases in die beiden
dargelegten Strömungswege aufgeteilt, von denen
der eine in die Einlaßöffnungen 46 hinein und der andere über die Spaltdurchlässe
55 zum Zwischenkanal 39 verläuft.
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Der Widerstand, den ein Gaskanal einer hierdurch hindurchströmenden
Gasströmung entgegensetzt, kann ganz allgemein durch die folgende Gleichung wiedergegeben
werden Ap s V2 x wobei ß P = Widerstand V = Geschwindigkeit der Gasströmung r =
Gasdichte.
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Es ist daher die Geschwindigkeit der am meisten dominierende Faktor
im Hinblick auf den Strömungswiderstand. Es kann daher die Aufteilung des Gasdurchlasses
in die erwähnten zwei oder drei Durchlässe an einer Stelle oder an mehreren Stellen
des gesamten Gaskanals zu einer entscheidenden Reduzierung des Strömungswiderstandes
AP beitragen, indem die Strömungsgeschwindigkeit in den derart aufgeteilten KanäIen
verringert wird. Wie aus der oben dargelegten Gleichung ersichtlich, steht weiterhin
die Dichte oder das Volumen in Beziehung zum Widerstand, wobei das Gasvolumen V
proportional zur absoluten Temperatur des Gases ist, wie durch folgende Gleichung
verdeutlicht:
Demgemäß kann der im Kanal vorherrschende Widerstand gegen eine Gasströmung wirksam
verringert werden, wenn die Gasströmung dann aufgeteilt wird, wenn die Gastemperatur
relativ hoch ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 4 wird das verbrannte
und unter hoher Temperatur stehende Gas in die beiden Strömungswege der Gaskanäle
44 und des Zwischenheizkanals 39 aufgeteilt, und es vereinigen sich die aufgeteilten
Gasströme erneut an der nahe den Auslaßöffnungen 47 gelegenen Stelle, nachdem die
aufgeteilten Gasströme aufgrund des erfolgten Wärmeüberganges abgekühlt sind, weshalb
ihr Volumen reduziert ist. Aus diesem Grund wird auch durch den wiedervereinigten
Gasstrom der Strömungswiderstand in den Gaskanälen 45 nicht vergrößert. Weiterhin
kann auch, wie aus Fig. 4 ersichtlich, die Anzahl der Gaskanäle 45 im Vergleich
zu derjenigen der Gaskanäle 44 vergrössert werden, und da das Volumen des Gases
aufgrund des Wärmeüberganges verringert worden ist, kann der Gesamtwiderstand in
den Gaskanälen 45 niedrig gehalten werden, obwohl der wiedervereinigte Gasstrom
zu den nicht aufgeteilten Gaskanälen 45 gerichtet ist. Es ist jedoch möglich, auch
nach derVereinigungsstelle, d.h. um die Einläße 48 herum, einen sich aufteilenden
Strömungsweg vorzusehen. Zu diesem Zweck kann das Füllmaterial 43 an den jeweiligen
oberen Teilen der Wasserrohre 34 entfernt werden, um mehrere Spaltdurchlässe ähnlich
den Spaltdurchlässen 55 vorzusehen. Durch solche zusätzliche Spaltdurchlasse wird
die Geschwindigkeit der Gasströmung ebenfalls verringert.
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Bei der weiterhin abgewandelten Ausführungsform des Boilers 30' gemäß
Fig. 6 sind sämtliche Bauteile des Boilers, die in Ausbildung und Wirkung den diesbezüglichen
Bauteilen des zuvor beschriebenen Boilers gemäß Fig. 3, 4 und 5 entsprechen, mit
demselben Bezugszeichen, jedoch unter Hinzufügung eines Apostroph,bezeichnet. Bei
dem Boiler 30 gemäß Fig. 6 ist die Brennkammer 35' derart angeordnet und ausgebildet,
daß sich ein Boiler des Typs der Umkehrbrennung bzw. -verbrennung ergibt, weshalb
ein Brenner 36' des Langflammentyps verwendet wird und in der Brennkammer 35' installiert
ist, so daß die Spitze dieses Brenners 36' im Vergleich zur Lage des Brenners 36
des Boilers 30
relativ tief liegt. Der Verlauf des Brenngases ergibt
sich daher derart, daß es sofort den Boden der Brennkammer 35' erreicht, wo es in
seiner Strömung, wie durch die Pfeile in Fig. 6 angedeutet, umgekehrt wird, so daß
es entlang des Umfangs der Brennkammer 35' nach oben steigt. Der zugeführte Brennstoff
wird daher aufgrund dieser Gegenstrom- bzw. Rückstromverbrennung vollständig verbrannt,
weshalb sich auch die Menge an ausgestoßenem NOX verringert. Bei dieser Ausführungsform
ist die jeweilige Lage der Spaltdurchlässe 55', Einlaßöffnungen 46', Auslaßöffnungen
47', Einlaßöffnungen 48' und Auslaßöffnungen 49' in bezug auf die entsprechenden
Teile der Ausführungsform gemäß Fig. 3 in vertikaler Richtung in gerade umgekehrt
vorgesehen, weshalb die Strömung des Gases von der Brennkammer 35' zum letzten Heizkanal
41' in bezug auf diejenige bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 auch in entgegengesetzter
Richtung erfolgt.
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Bei der weiterhin abgewandelten Ausführungsform eines Boilers 130
gemäß Fig. 7 sind ebenfalls sämtlich Bauteile, die denen der Ausführungsform gemäß
Fig. 3 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen, jedoch unter Hinzufügung der Zahl
100, bezeichnet. So sind genau wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 innerhalb
des Boilers 130 zwei Berührungsrohrwände 137, 138 koaxial zueinander angeordnet,
um eine Brennkammer 135 und einen ersten Heizkanal 139 sowie einen zweiten Heizkanal
141 zu bilden, wie aus Fig. 7 ersichtlich. Die Berührungsrohrwände 137, 138 weisen
jeweils eine Vielzahl von Wasserrohren 133 bzw. 134 auf, die einander angrenzend
angeordnet sind. Zur Vervollständigung des Durchlasses für das Brenngas von der
Brennkammer 135 durch die beiden Heizkanäle 139, 141 zu einer Auslaßöffnung 142
sind jeweils innerhalb der Wasserrohre 133, 134 Gaskanäle 144, 145 vorgesehen, wobei
der Gaskanal 144 mit der Brennkammer 135 an einer Einlaßöffnung 146 in Verbindung
steht, die an einem unteren Teil des bzw.
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der Rohre 133 angeordnet ist, und außerdem an seinem gegenüberliegenden
Ende
mit dem ersten Heizkanal 139 an einer Auslaßöffnung 147 in Verbindung steht, die
an einer zur Einlaßöffnung 146 diametral gegenüberliegenden oberen Stelle des Rohres
133 angeordnet ist. Der Gaskanal 145 öffnet sich ebenfalls zum ersten Heizkanal
39 an einer Einlaßöffnung 148, die an etwa derselben vertikalen Stelle wie die Einlaßöffnung
146 an einer unteren Stelle des Rohres 134 angeordnet ist, während das gegenüberliegende
Ende des Gaskanals 145 zum zweiten Heizkanal 141 an einer Auslaßöffnung t49 mündet,
die zur Einlaßöffnung 148 diametral gegenüberliegend an einem oberen Teil des Rohres
134 angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung der Gaskanäle 144, 145 in Verbindung
mit den Heizkanälen 139, 141 und der Auslaßöffnung 142 wird das Verbrennungsgas
in Richtung der Pfeile gemäß Fig. 7 von der Brennkammer 135 zur Außenseite des Boilers
geführt. Im Boiler 130 sind die den Spaltdurchlässen 55 gemäß Fig. 3 und 5 entsprechenden
Spaltdurchlässe nicht vorgesehen, und zwar im Hinblick auf die Strömung des Brenngases,
insbesondere im Hinblick auf die Gasströmung im ersten Heizkanal 139, wobei die
entsprechenden Teile mit einem geeigneten feuerbeständigen Füllmaterial 143 gefüllt
sind. Jedoch wird durch die vergrößerte Gesamtfläche, die zur Durchführung des Wärmeüberganges
vorgesehen ist, auch hier der Wirkungsgrad des Boilers 130 entscheidend verbessert.
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Die Anordnung der Einlaßöffnungen 146, 148 und der Auslaßöffnungen
147, 149 kann in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 in
vertikaler Richtung umgedreht werden, so daß der Boiler 130 durch entsprechendes
Einstellen der Höhe des Brenners 136 vom Langflammentyp zu einem Boiler des Gegenstrom-
bzw. Rückstromb re nntyps umgewandelt werden kann.
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In der vorstehenden Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß es nicht
notwendigerweise erforderlich ist, in jedem Wasserrohr einen
Gaskanal
vorzusehen, so daß einige der Wasserrohre auch ohne diese Gaskanäle angeordnet bzw.
vorgesehen werden können. In solch einem Fall kann die Anzahl der Gaskanäle und
deren Verteilung in jeder der Berührungsrohrwände in geeigneter Weise in Verbindung
mit den Abmessungen der Rohre, Gaskanäle und Öffnungen bestimmt werden, um den gleichförmigen
Betrieb des Boilers mit hoher Leistungsfähigkeit und hohem Wirkungsgrad zu erleichtern
und gleichzeitig die Ursachen für eine Umweltverschmutzung e inzudämme n. Eine ähnliche
Betrachtung gilt auch hinsichtlich der Maßnahme, ob die Spaltdurchlässe gemäß Fig.
3 und 5 vorgesehen werden oder nicht. Eine solche Betrachtung kann auch bei dem
Boiler 130 gemäß Fig. 7 von Vorteil sein, da hierbei keine Aufteilung des Strömungsflusses
des Brenngases erfolgt. So kann beispielsweise die Anzahl der Gaskanäle in der inneren
Berührungsrohrwand gröBer sein als die Anzahl der Gaskanäle in der äußeren Berührungsrohrwand,
so daß der Strömungswiderstand in sämtlichen Gaskanälen über den gesamten Strömungsweg
des Brenngases hinweg vergleichförmigt werden kann. Weiterhin kann auch der Umstand,
daß in einigen der Wasserrohre keine Gaskanäle vorgesehen werden, die Zirkulation
des Wassers im Boiler erleichtern.
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Bei der Erläuterung der vorstehenden Ausführungsbeispiele wurde davon
ausgegangen, daß die Wasserrohre an ihren entgegengesetzten Enden einen verringerten
Durchmesser aufweisen. Jedoch können auch gerade verlaufende Rohre zur Anwendung
gelangen, mit Ausnahme allerdings derjenigen Teile, welche die Spaltdurchlässe,
beispielsweise die Spaltdurchlässe 55 gemäß Fig. 3 und 5, erfordern. Die Verringerung
des hohrdurchmessers kann durch jede geeignete Einrichtung bewirkt werden, beispielsweise
indem das betreffende Rohrende durch Kaltverformung eingeschnürt wird oder indem
an das betreffende Ende des Wasserrohres ein Rohr kleinen Durchmessers angeschweißt
wird.
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Wenn Rohre mit axial verlaufenden Flügelrippen zur Anwendung gelangen,
werden die einander benachbarten Flügelrippen zur Bildung einer Brennkammer oder
eines Heizkanals miteinander verbunden, wobei derartige Rohre über ihre gesamte
Länge einen ganz allgemein gleichförmigen Durchmesser aufweisen, so daß einige Teile
der Flügelrippen ausgeschnitten sein können, um die erforderlichen Räume für die
Spaltdurchlässe zu schaffen. Bei einer solchen Wandverbindung wird in der vorliegenden
Beschreibung jedoch ebenfalls von einer Berührungsrohrwand gesprochen.
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Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen zur Ausbildung
der Berührungsrohrwände eine Vielzahl von Wasserrohren verwendet wurde, sind bei
der weiterhin abgewandelten Ausführungsform eines Boilers 60 gemäß Fig. 8 diese
Berührungsrohrwände durch doppelwandige Bauteile ersetzt. So weist ein doppelwandiges
Innenteil 61 eine zylindrische Innenwand 62 und eine zylindrische Außenwand 63 auf,
zwischen die Wasser eingefüllt oder hindurchgeleitet sein kann. In gleicher Weise
weist ein doppelwandiges Aul3enteil 64 eine zylindrische Innenwand 65 und eine zylindrische
Außenwand 66 auf, wobei der Zwischenraum zwischen diesen Wänden 65, 66 zum Wasserdurchlaß
zur Anwendung gelangt.
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Der durch das Innenteil 61 begrenzte Innenraum gelangt als Brennkammer
67, der Raum zwischen den Teilen 61, 64 als erster Heizkanal 68 und der Raum zwischen
dem Teil 64 und einer Boileraußenwand 69 als zweiter Heizkanal 70 zur Anwendung,
der mit einer Auslaßöffnung 71 in Verbindung steht. Die Darstellung gemäß Fig. 8
entspricht einem entlang der Linie VIII-VIII gemäß Fig. 7 vorgenommenen Querschnitt,
weshalb aus Fig. 8 lediglich Binlaßöffnungen 72 für Gaskanäle 73, welche die Brennkammer
67 mit dem ersten Heizkanal 68 verbinden, und lediglich Einlaßöffnungen 74 für Gaskanäle
75 ersichtlich sind. Selbstverständlich münden die Gaskanäle 73, 75 jeweils zu dem
ersten bzw. zweiten Heizkanal 68 bzw. 70, so daß ein Gasdurchlaß von der Brennkammer
67
zur Auslaß- bzw. Abgasöffnung 71 gebildet ist. Aufgrund der Anordnung gemäß Fig.
8 ist hinsichtlich der Bestimmung der Verteilung der Gaskanäle vollständige konstruktive
Freiheit gegeben. Bei dem Boiler 60 können außerdem Spaltdurchlässe, ähnlich den
Spaltdurchlässen gemäß Fig. 3 und 5, vorgesehen werden, indem an entsprechenden
Stellen einige Rohre, die sich durch das Teil 61 erstrecken, weggelassen werden.
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Aufgrund der Anordnung von Gaskanälen in den Wasserrohren oder dem
doppelwandigen Bauteil kann die für den Wärmeübergang entscheidende Oberfläche vergrößert
werden, ohne sämtliche Abmessungen des Boilers vergrößern zu müssen, so daß aus
diesem Grund die Installationskosten eines solchen Boilers niedrig gehalten werden
können und dennoch gleichzeitig eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit sowie des
Wirkungsgrades sowie eine Verringerung der Probleme im Hinblick auf die Umweltverschmutzung
und Geräuschentwicklung erreicht werden kann.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden die oberen und
unteren Wasserkammern als solche von kreisförmiger Ringgestalt dargestellt. Jedoch
können die Wasserkammern auch jede geeignete Ringform aufweisen, sofern durch diese
eine Mittelöffnung gebildet wird. So können die Wasserkammern beispielsweise eine
ovale, quadratische oder rechteckige Form aufweisen, vorausgesetzt, es ist durch
diese eine Mittelöffnung gebildet, durch die sich der Brenner hindurch erstreckt,
sofern es sich hierbei um die obere Kammer handelt. Demgemäß muß auch die Anordnung
der Rohre, doppelwandigen Bauteile und des Gehäuses nicht notwendigerweise querschnittlich
kreisförmig sein. Aus diesem Grund wird auch der hier verwendete Ausdruck "ringförmig"
nicht notwendigerweise als "kreisförmig" verstanden.
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Die bisher beschriebenen Boiler wurden als solche erläutert, die ein
Boiler des Wasserrohrtyps sind und die Zirkulation des Wassers durch die obere Wasserkammer,
die Fallrohre (oder das doppelwandige Bauteil), die untere Wasserkammer und durch
die Steigrohre (oder doppelwandige Bauteil) hindurch bewirken. Der Boiler kann jedoch
selbskerständlich auch als Boiler des Durchlauftyps zur Anwendung gelangen, bei
dem der Wasserspiegel im Zwischenteil der Berührungsrohrwände oder der entsprechenden
doppelwandigen Bauteile steht.
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Weiterhin können die beschriebenen Boiler nicht nur als solche des
vertikalen Typs zur Anwendung gelangen, sondern auch als solche des horizontalen
Typs, und zwar mit ähnlichen Wirkungen und Vorteilen, wobei dann der Boiler vorzugsweise
relativ zurl-iorizontalen geneigt ist.