DE3730566C2 - - Google Patents
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- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
- F28F3/022—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being wires or pins
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
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Description
Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Verbrennung von
gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen mit einer
Brennkammer, in der die Abgase ihre Wärme durch eine wärme
leitende Wand hindurch zu einem wärmeabsorbierenden Medium,
vorzugsweise einer Flüssigkeit, übertragen.
Es ist ein Heizkessel ähnlicher Art bekannt (DE-Gbm 19 20
513), in dessen Rauchzügen Strömungshindernisse angeordnet
sind, um den Strömungsweg zu verlängern.
Derartige Heizkessel werden in den verschiedensten Ausfüh
rungsformen hergestellt. Die Wärmeaustauschelemente können
aus Gußeisen oder auch aus Blech geformten Abschnitten
bestehen. Um Wärme aus dem heißen Abgas auf die wärmeabsor
bierende Flüssigkeit durch eine wärmeleitende Wand zu über
tragen, muß die Wärme zuerst durch Austausch auf die Wand
übertragen werden. Technisch ist dieses eine Frage der
Wärmeübertragungszahl α mit der Dimension W/m2 × °C. Die
Wärme wird dann durch die Wand hindurch
auf die wärmeabsorbierende Flüssigkeit
übertragen. Die Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit ist dabei
durch eine andere Übertragungszahl gekennzeichnet, die
gewöhnlich beträchtlich größer als die auf der Abgasseite
ist. Das heißt, daß der Widerstand in Richtung der
Wärmeübertragung in einer Wand in einem Austauschelement der
vorangehend erwähnten Art zum Hauptteil auf die Abgasseite
zurückzuführen ist.
Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um die
Wärmeübertragungszahl auf der Abgasseite in Heizkesseln der
vorliegenden Art zu verbessern. Die Austauschelemente können
in verschiedener Weise ausgebildet sein, beispielsweise in
Form von Abschnitten mit ebenen Wänden, die unter Zwischen
lage von Abstandswänden in einer solchen Weise miteinander
zusammengebracht werden, daß jeweils zwei und zwei eine
Abgasleitung bilden. Ein derartiger Aufbau wird gewöhnlich
für Austauschelemente verwendet, die aus Gußeisen hergestellt
sind. In derartigen Abgasleitungen ist es gebräuchlich,
sogenannte Turbulatoren oder Verzögerer vorzusehen, die dazu
dienen, die Turbulenz in der Abgasleitung zu vergrößern und
somit die Wärmeübertragung auf der Abgasseite zu vergrößern.
Die bekannten Turbulatoren sind beispielsweise bisher an der
Außenseite der Grenzschicht des Abgasstromes angeordnet
worden, d. h. außerhalb in der sog. freien Strömung, und
haben möglicherweise per se die Wärmeübertragungszahl auf der
Abgasseite vergrößert, sie haben jedoch ebenfalls einen
Druckabfall durch die Leitung hindurch bzw. in ihr vergrö
ßert.
Die Austauschelemente können ebenfalls durch Rohre in unter
schiedlichen Formen und oftmals mit einem kreisförmigen
Querschnitt ausgebildet sein. Sie können auch länglich
ausgebildet sein, d. h. mit einer im wesentlichen geraden
Längsachse oder auch in Form von zylindrischen Ringen mit
einem kreisförmigen Querschnitt. Der Abgaseinlaß in die Rohre
kann axial oder tangential ausgebildet sein, wobei der
letztere Fall bedeutet, daß das Abgas eine schraubenförmige
Strömungsbahn durch die Austauschrohre hindurch ausführt.
Derartige Konstruktionen bedürfen, um ihren Einsatz zu
rechtfertigen, einer Überdruckfeuerung und zeigen eine
verhältnismäßig gute Wärmeübertragung. Es hat sich jedoch
gezeigt, daß deren weitere Verbesserung wünschenswert ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heizkessel
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine wesentlich
verbesserte Wärmeübertragungszahl auf der Abgasseite und
gleichzeitig eine geringere Temperatur des ausströmenden
Abgases hat, so daß die Wärmeausnutzung vergrößert wird, und
dessen Druckabfall durch die Austauschelemente nicht vergrö
ßert wird.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß auf
der Abgasseite der Wand turbulenzenverursachende, im wesent
lichen senkrecht zur Wand gerichtete und im wesentlichen
gleichmäßig über die Wand mit Zwischenräumen untereinander
verteilte Stege angeordnet sind, deren Höhe sich im wesent
lichen mit der Dicke der Grenzschicht des Abgasstromes deckt,
deren Längenausdehnung größer als die Höhe ist und deren
Seitenwände von im wesentlichen geraden Linien begrenzt sind,
bei einem Querschnitt von 2 × 2 bis 7 × 7 mm.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die
turbulenzerzeugenden Stege auf der Abgasseite derWand des
Austauschelements, bezogen auf ihre
Längsausdehnung, einen Winkel von 15 bis 45° mit der Strö
mungsrichtung des Abgases. In derartigen Austausch
elementen, die ebene Wände aufweisen, ist es vorteilhaft, die
turbulenzerzeugenden Stege im wesentlichen
zickzackförmig und voneinander beab
standet anzuordnen.
In Heizkesseln, die mit Austauschelementen in Form von Rohren
versehen sind, die vorzugsweise einen kreisförmigen Quer
schnitt aufweisen, und gerade oder in Form zylindrischer
Ringe ausgebildet sind, ist es vorteilhaft, die turbulenzer
zeugenden Stege mit ihren Längsachsen derart anzuordnen, daß
sie sich in einer Schraubenbahn längs der inneren Wand des
Rohres erstrecken, die die Abgasseite bildet. In derartigen
Fällen strömt das Abgas, wenn das Abgas tangential in ein
derartiges Austauschrohr eintritt, in einer zweiten schrau
benförmigen Bahn durch das Austauschrohr, wobei die Längs
achsen der turbulenzerzeugenden Stege gewöhnlich eine erste
entgegengerichtete Schraubenbahn bilden. In einer derartigen
Einrichtung, die in Form eines zylindrischen Ringes mit einem
kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist, hat das zur Folge,
daß bei normalen Betriebsbedingungen kein Druckabfall in
einem Austauschelement erfolgt. Der Querschnitt der Stege
beträgt dabei ungefähr 3 × 3 mm.
Aus der DE-AS 22 41 928 ist ein Heizkessel bekannt, in dem
jedoch keinerlei wirbel- oder turbulenzerzeugende Einrich
tungen in den Rauchgasabzügen vorhanden sind, so daß sich der
Wirkungsgrad dort trotz hoher Strömungsgeschwindigkeiten
wegen der dort vorhandenen wärmeisolierenden Grenzschicht im
Konvektionsteil verkleinert.
Aus der DE-Gbm 19 73 611 ist ein Heizkessel bekannt, bei dem
in den Rauchgasabzügen Kurzrippen von erheblicher Höhe
vorhanden sind, die dafür sorgen sollen, daß die Gasströmung
einen Drall enthält. Diese Kurzrippen stören selbstverständ
lich auch die Durchströmung, da die Ausdehnung der Rippen in
Richtung auf die Mitte des Rauchgaszuges sehr beträchtlich
ist, wobei diese Störung der Durchströmung wegen eines anders
gearteten Ziels der damaligen Erfindung bewußt in Kauf
genommen worden ist.
Aus der US-PS 20 24 743 ist ein zylindrischer Läufer eines
Elektromotors bekannt, der einen massiven Umlaufkörper
aufweist, in dem während des Betriebs des Elektromotors Wärme
erzeugt wird, wobei diese Wärme über kleine Rippen abgeleitet
werden soll, die an eingebauten Lüftungskanälen vorgesehen
sind. Diese Rippen weisen jedoch eine außergewähnlich geringe
Höhe auf, so daß sie den Effekt einer Turbulenzerzeugung im
erfindungsgemäßen Sinne nicht haben. Eine Verwendung derar
tiger Rippen bei einem Heizkessel im Feststoff enthaltenden
Rauchgasstrom, würde anders als bei Kühlluft, keine Turbu
lenzerzeugung zur Folge haben, da die Dicke der Feststoffe
ohne weiteres die Höhe der bekannten Rippen erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der
schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend
im einzelnen beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1 eine Ansicht eines vertikalen Querschnitts durch
einen Heizkessel mit Austauschelementen und ebenen
Enden, die mit turbulenzerzeugenden Einrichtungen
versehen sind,
Fig. 2 eine Darstellung der in Fig. 1 dargestellten
turbulenzerzeugenden Einrichtungen in einem grö
ßeren Maßstab (natürliche Größe),
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine turbulenzerzeugende
Einrichtung mit darunterliegenden Wand längs der
Linie III-III von Fig. 2,
Fig. 4 eine Ansicht eines vertikalen Längsschnittes durch
einen Heizkessel des Typs mit Verbrennungsrohr, das
mit turbulenzerzeugenden Einrich
tungen ersehen ist,
Fig. 5 einen vertikalen Querschnitt des Heizkessels gemäß
der Darstellung von Fig. 4,
Fig. 6 eine Ansicht eines Längsschnittes durch ein Aus
tauschelement, d. h. durch ein Rohr,
mit turbulenzerzeugenden Einrichtungen
versehen ist, in einem größeren Maßstab als die
Darstellungen in den Fig. 4 und 5 und
Fig. 7 einen abgewickelten Teil einer Wand der Abgasseite
eines rohrförmigen Austauschelements für einen
Heizkessel.
Der in Fig. 1 dargestellte Heizkessel wird durch mehrere
Gußsegmente ausgebildet und weist eine Brennkammer 1 auf, die
exzentrisch angeordnet ist. Ein Austauschelement 2 bildet
zusammen it einem nicht dargestellten vorderen Austausch
element eine Abgasleitung mit den ebenen Wänden, die mit
mehreren eine Turbulenz erzeugenden Einrichtungen 3 versehen
sind. Die Abgasleitung weist einen Einlaß 4 und einen Auslaß
5 auf, wobei der Strömung des Abgases durch die Pfeile 6
und 7 dargestellt ist. Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß das
Gas in einer im wesentlichen vertikalen Richtung durch die
Abgasleitung fließt. In Fig. 2 sind die die turbulenzerzeu
genden Einrichtungen 3 in natürlicher Größe dargestellt. Sie
sind zickzackförmig in bestimmten Abständen sowohl in der
Breite als auch in der Länge nebeneinander gestellt angeord
net. Sie bilden Winkel β1, β2 mit der Strömungsrichtung des
Abgases, die durch den Pfeil 7 angedeutet ist. In der darge
stellten Ausführungsform bilden β1 = β2 = 30°. Aus Fig. 3
ist ersichtlich, daß der Querschnitt der turbulenzerzeugenden
Einrichtungen 3 im wesentlichen durch gerade Linien begrenzt
ist und hier ein Quadrat mit 4 mm Seitenlänge bildet. Es ist
ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, daß die turbulenzerzeu
gende Einrichtung 3 in einem Stück mit der darunterliegenden
Wand ausgebildet ist, d. h. sie wird gleichzeitig mit der
Wand gegossen.
In den Fig. 4 und 5 bezeichnet die Bezugsziffer 8 eine
kreisförmige zylindrische Brennkammer, die mit Austausch
elementen mit rohrförmigen Abgasleitungen 9 umgeben ist, d. h.
in Form zylindrischer Ringe mit kreisförmigem Querschnitt.
Diese sind mit tangentialen Abgaseinlässen 10 und
Auslässen 11 in einer gemeinsamen Auslaßleitung 12 versehen. Wasser
anschlüsse zur Wasserseite der Austauschelemente sind mit 13 und 14
bezeichnet.
Die rohrförmigen Abgasleitungen 9 sind mit turbulenzerzeugenden Einrichtungen 15
in Form einer zusammenhängenden Schraube längs der inneren
Seite der Abgasleitungen 9 ausgebildet, wobei die Einrichtungen 15 einen
Winkel β3 mit den Ebenen rechtwinklig zur Längsachse der
Abgasleitung 9 bilden. Die turbulenzerzeugenden Einrichtungen 15
sind derart in bezug auf den Abgaseinlaß 10 angeordnet, daß
die Schraubenbahn, der der Abgasstrom folgt, entgegengerich
tet zu der ist, die durch die turbulenzerzeugende
Einrichtungen 15 gebildet ist. Jede turbulenzerzeugende
Einrichtung 15 weist einen quadratischen Querschnitt mit einer
Größe von 3 × 3 mm auf, wobei der Querschnitt der rohrförmigen Abgasleitung 9 in
diesem Falle einen Durchmesser von 75 mm aufweist. Das
Vorsehen der turbulenzerzeugenden Einrichtungen 15 hat
keine Zunahme des Druckabfalls auf der Abgasseite bei diesem
Heizkessel zur Folge, der für Überdruckfeuerung vorgesehen
ist.
In Fig. 7 ist ein abgewickelter Teil einer Wand an der
Abgasseite eines rohrförmigen Austauschelements für einen
Heizkessel dargestellt. Pfeil 16 zeigt die
Richtung der Längsachse des Austauschelements. Die zylin
drische Wand ist auf eine Ebene abgewickelt worden. Eine
Mehrzahl von turbulenzerzeugenden Einrichtungen 17, 18
ist über die Wandoberfläche verteilt, wobei eine Gruppe 17
mit den Längsachsen rechtwinklig zur Längsachse des Aus
tauschelements und eine Gruppe 18 mit den Längsachsen
parallel zu dieser ausgebildet ist. Der Durchmesser des Aus
tauschelements beträgt in diesem Fall 80 mm, wobei die Länge
der die turbulenzerzeugenden Einrichtungen 25 mm und deren
Höhe 2 mm beträgt. Das Abgas tritt tangential durch einen
nicht dargestellten Einlaß ein und beschreibt bzw. folgt
einer Schraubenbahn im rohrförmigen Austauschelement, die von
einer im wesentlichen rechtwinkligen Richtung zur Längsachse
des Austauschelements bis zu einer Richtung im wesentlichen
parallel zu dieser variiert.
Die Pfeile 19 und 20 zeigen derartige Strömungsrichtungen
innerhalb des Austauschelements. Es sei darauf hingewiesen,
daß der Pfeil 20 in Wirklichkeit weiter rechts im rohrförmi
gen Austauschelement (das lediglich teilweise dargestellt
ist) angeordnet sein soll.
Claims (2)
1. Heizkessel zur Verbrennung von gasförmigen, flüssigen
oder festen Brennstoffen mit einer Brennkammer, in der
die Abgase ihre Wärme durch eine wärmeleitende Wand hin
durch zu einem wärmeabsorbierenden Medium, vorzugsweise
einer Flüssigkeit übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Abgasseite der Wand Turbulenzen verursachende, im
wesentlichen senkrecht zur Wand gerichtete und im wesent
lichen gleichmäßig über die Wand mit Zwischenräumen un
tereinander verteilte Stege (3, 15) angeordnet sind, de
ren Höhe sich im wesentlichen mit der Dicke der Grenz
schicht das Abgasstromes deckt, deren Längenausdehnung
größer als die Höhe ist und deren Seitenwände von im we
sentlichen geraden Linien begrenzt sind, bei einem
Querschnitt von 2 × 2 bis 7 × 7 mm.
2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsausdehnung der Stege (3, 15) mit der Strö
mungsrichtung der Abgase einen Winkel 15° bis 45° bildet.
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