DE29511826U1 - Wärmeaustauschvorrichtung für einen Niedertemperaturkessel - Google Patents

Description

Wärmeaustauschvorrichtung für einen Niedertemperaturkessel

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung für einen Niedertemperaturkessel.

In einem Kessel findet zwischen einem flüssigen und einem in einer Feuerungsanlage aufgeheizten gasförmigen Medium ein Wärmeaustausch statt. In der Mitte der Feuerungsanlage befindet sich ein Gas- oder ölbrenner, der einen Strom von heissen Verbrennungsgasen erzeugt. Diese Gase treten dann in eine Wärmeaustauschvorrichtung über, wo sie ihre Kalorien an ein flüssiges Medium, im allgemeinen Wasser, abgeben.

In einem Niedertemperaturkessel bleibt das Wasser auf niedrigen Temperaturen. Daher kann es gasseitig zu Kondensationsproblemen im Wärmeaustauscher kommen, denn der vom Brenner erzeugte Gasstrom enthält Wasserdampf, Kohlendioxid sowie auch Oxide des Stickstoffs und des Schwefels. Unter den brennerseitig herrschenden Druckbedingungen kondensiert der Wasserdampf, wenn die Temperatur unter etwa 55 *C absinkt. Bei seiner Kondensation vermischt sich der Wasserdampf mit den Schwefel- und Stickoxiden und bildet dann sehr aggressive Säuren, die Schwefel- und die Salpetersäure. Da das Wasser in einem Niedertemperaturkessel eine Temperatur von weit weniger als 55 * C haben kann, besteht die Gefahr, dass die Wärmeaustauscherwand gasseitig eine Temperatur von 55 'C oder weniger aufweist. Wenn dies eintritt, bilden sich Säuren.

Diese Bildung von Schwefel- und Salpetersäure muss vermieden werden. Um dies zu tun und gleichzeitig eine niedrige Wassertemperatur beizubehalten, muss der Temperaturgradient zwischen dem Wasser und der gasseitigen Wärmeaustauscherwand erhöht werden. Der durch den Austauscher hindurchgehende Wärmefluss muss also vergrössert werden.

Da der Wärmeaustauschkoeffizient gasseitig niedrig, wasserseitig aber verhältnismässig hoch ist, besteht eine Lösung darin, die Austauschfläche gasseitig zu vergrössern. Nun ist es bekannt, die Austauscher gasseitig mit Rippen auszurüsten.

In bekannten Niedertemperaturkesseln vom Trockenkammertyp, die also eine blinde, zylinderförmige Feuerungsanlage aufweisen, die vom Wärmeaustauscher umgeben ist, sind die Rippen parallel zur Achse der Feuerungsanlage angeordnet. Diese Rippen bilden hier Kanäle parallel zur Achse der Feuerungsanlage, die sich über die gesamte Länge des Wärmeaustauschers erstrecken und in denen die Verbrennungsgase abgeleitet werden.

Es ist ein Nachteil dieser bekannten Wärmetauscher, dass am Eintritt zu den von den Rippen gebildeten Kanälen die Gase sehr warm sind und folglich der Wärmefluss vom Gas zum Wasser hoch ist, dass sich aber die Gase in dem Masse, wie sie in den Kanälen vordringen, abkühlen und am Ende der Kanäle der Wärmefluss vom Gas zum Wasser unbedeutend ist.

Ein weiterer Nachteil dieser Austauscher besteht darin, dass die Gasströmung in den Kanälen laminar ist. Nun wird Wärmeaustausch eher durch eine turbulente Strömung begünstigt. Es ist bekannt, Turbulenzerzeuger genannte Stahlteile mitten in die Kanäle einzusetzen, wo sie Wirbel erzeugen, aber diese Teile sind teuer, da sie hohen thermischen Spannungen ausgesetzt sind und daher aus Edelstahl gefertigt werden müssen. Darüber hinaus ist die Reibung der Gase an den Turbulenzerzeugern unnütz, da letztere keine Austauschfläche darstellen.

Es ist Zweck der Erfindung, für einen Niedertemperaturkessel vom Trockenkammertyp eine Wärmeaustauschvorrichtung zu schaffen, die eine turbulente Strömung der Gase zulässt und für die der Wärmefluss zwischen der Gasein- und -austrittszone im wesentlichen gleich bleibt.

Deshalb ist die von der Erfindung vorgesehene Vorrichtung eine Wärmeaustauschvorrichtung für einen Niedertemperaturkessel des Trockenkammertyps, die dazu bestimmt ist, eine von einer Rotationsfläche begrenzte, blinde Kesselfeuerungsanlage zu umschliessen und einen Wärmeaustausch zwischen den vom Brenner in der Mitte der Feuerungsanlage erzeugten heissen Gasen und dem um die benannte Vorrichtung zirkulierenden Wasser zu ermöglichen, und feuerungsseitig Rippen aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre Rippen nicht parallel zur Achse der Feuerungsanlage sind.

Daher stellen die Rippen Hindernisse für den Durchgang der heissen Gase dar und begünstigen die Bildung von Wirbeln, die einen besseren Wärmeaustausch zwischen den Gasen einerseits und dem Wasser andererseits ermöglichen.

Vorzugsweise sind die Rippen senkrecht zur Achse der Feuerungsanlage. Diese Anordnung führt zu einem Höchstmass an Wirbeln.

Damit sich, trotz ihrer Anordnung senkrecht zur Achse der Feuerungsanlage, zwischen den Rippen keine Kanäle parallel zur Achse der Feuerungsanlage ausbilden, in denen die Strömung laminar wäre, erstreckt sich jede Rippe über ein Teilstück des Umfangs der Feuerungsanlage, und in der gleichen Ebene gelegene Rippen sind gegen die in einer benachbarten, axial verschobenen Ebene angeordneten Rippen versetzt.

In einer ersten Ausführungsform ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Ebenen mit Rippen über die gesamte Länge der Feuerungsanlage gleichbleibend.

Um die Anordnung der Rippen an die Temperatur der heissen Gase anzupassen und somit über die gesamte Länge der Austauschvorrichtung hinweg einen im wesentlichen gleichbleibenden Wärmefluss von den Gasen zum Wasser zu erreichen, nimmt der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Ebenen mit Rippen in der Strömungsrichtung der Gase ab.

So stehen die Rippen in der Zone, wo die Gase am wenigsten heiss sind, am nächsten beieinander. Die Austauschfläche ist daher in dieser Zone grosser. Daher ist es trotz der niedrigeren Gastemperatur möglich, sogar nahe der Austrittsöffnung des Austauschers einen Wärmefluss zum Wasser zu haben, der mit dem Wärmefluss an der Eintrittsöffnung des Austauschers vergleichbar ist.

Die Höhe der Rippen bleibt über die gesamte Länge der Feuerungsanlage hinweg gleich, damit für einen gegebenen Kesseltyp alle Rippen übereinstimmen.

Aus den gleichen Gründen wie den oben angeführten ist es jedoch auch möglich, die Höhe der Rippen variieren zu lassen. Vorzugsweise steigt diese Höhe in der Strömungsrichtung der Gase an. Man findet daher nahe der Austrittsöffnung des Austauschers höhere Rippen und somit eine grössere Austauschfläche als an der Eintrittsöffnung des Austauschers.

In diesem Falle ist die Kesselfeuerungsanlage nicht zylindrisch, sondern leicht konisch, damit sie sich der von der Oberkante der Rippen umschriebenen Form anpasst.

Beim Kesselbetrieb sind die Rippen feuerungsseitig wärmer als wasserseitig. Sie unterliegen daher einer differentiellen Wärmeausdehnung, die Spannungen hervorruft. Um diese Spannungen auf ein Mindestmass zu reduzieren, haben die Rippen radial verlaufende Schlitze, die an der der Feuerungsanlage zugewandten Kante münden.

Diese Schlitze begünstigen ebenfalls die Wirbelbildung, denn sie verlaufen im wesentlichen parallel zur Achse der Feuerungsanlage, während ein leichter Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Rippen besteht. Die heissen Gase neigen daher dazu, diese Schlitze zu durchströmen, und da letztere schmal sind, erzeugt diese Gasströmung Wirbel.

Die Erfindung betrifft ebenfalls die Rippen, die es ermöglichen, eine solche Wärmeaustauschvorrichtung zu realisieren. Diese Rippen haben die Gestalt eines Ringabschnitts mit radial verlaufenden Schlitzen, die auf der dem Ringinneren entsprechenden Seite münden.

Solche Rippen können zum Beispiel auf die gasseitige Austauscherwandung aufgeschweisst werden.

Es ist auch möglich, mehrere Rippen auf einem Stück zusammenzufassen. In diesem Falle erhält man einen Kreisring, der erfindungsgemäss ausgefüllte, die Rippen bildende Abschnitte und leere, die Passagen zwischen den Rippen bildende Abschnitte aufweist.

Auf alle Fälle wird die Erfindung gut verständlich mit Hilfe der folgenden Beschreibung und Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung, die in der Form von nicht einschränkend zu verstehenden Beispielen verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Wärmeaustauschvorrichtung vorstellt:

Figur 1 ist die perspektivische Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Kessels mit einer erfindungsgemässen Wärmeaustauschvorrichtung;

Figur 2 ist der Längsschnitt eines wie in Figur 1 gezeigten Kessels;

Figuren 3 und 4 sind Längsschnitte von zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Wärmeaustauschvorrichtung;

Figur 5 ist die Aufsicht einer Rippe; und

Figur 6 ist die Aufsicht eines Ringes mit Rippen.

Figur 1 stellt einen Kessel 1 des Niedertemperaturtyps mit trockener Kammer vor. Er umfasst eine Feuerungsanlage 2, eine Wärmeaustauschvorrichtung 3 und einen diese Vorrichtung umgebenden Wassermantel 4. In der Mitte der Feuerungsanlage 2 befindet sich ein mit Gas oder öl als Brennstoff und mit Sauerstoffträger versorgter Brenner 5.

Die Feuerungsanlage 2 ist von röhrenförmig-zylindrischer Gestalt, Sie ist brennerseitig offen und hat auf der entgegengesetzten Seite einen Boden 6. Die vom Brenner 5 erzeugten heissen Gase werden zum Boden 6 der Feuerungsanlage geschickt und kehren entlang der zylindrischen Wand 7 der Feuerungsanlage (Figur 2) zum Brenner zurück. Sie verlassen dann die Feuerungsanlage 2 und treten in die Wärmeaustauschvorrichtung 3 ein, die sie durchlaufen, während sie Wärme über die Wand des Austauschers an das Wasser des Mantels 4 abgeben. Schliesslich gelangen sie in einen Kanal 8, der sie zu einem Schornstein führt.

Der Boden 6 der Feuerungsanlage 2 und die Wand, auf der sich der Brenner 5_ befindet, sind feuerfest und wärmedämmend, denn der Wärmeaustausch darf nicht durch diese Wände hindurch erfolgenj sondern einzig in der Austauschvorrichtung, damit der Wirkungsgrad des Kessels 1 verbessert wird.

Die Wärmeaustauschvorrichtung 3 besteht aus einem metallischen, zylindrischen Rohr 9, an dessen Innenwand Rippen 10 befestigt sind. Sie ist konzentrisch zur Kesselfeuerungsanlage 2 angeordnet. Die Rippen 10 befinden sich daher zwischen dem zylindrischen Rohr 9 und der Feuerungsanlage 2. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Rippen 10 zu befestigen; zum Beispiel können sie aufgeschrumpft werden, sofern sie gusseisern sind, oder sie können auf das Rohr 9 aufgeschweisst werden.

Die Rippen K) sind senkrecht zur Achse der Feuerungsanlage 2 und daher auch zur Achse des zylindrischen Rohres 9 angeordnet. Sie haben daher die Gestalt eines Ringabschnitts mit einem Aussendurchmesser, der im wesentlichen dem Innendurchmesser des Rohres 9 entspricht, und einem Innendurchmesser, der im wesentlichen dem Aussendurchmesser der Feuerungsanlage 2 entspricht.

Diese Rippen 10 sind in Ebenen senkrecht zur Achse der Feuerungsanlage 2 angeordnet. Zwischen jeweils zwei Rippen in derselben Ebene erlaubt ein Zwischenraum den Durchgang der Gase, die im ganzen genommen in Richtung der Achse der Feuerungsanlage wegströmen. In den Figuren 1 und 2 sind die Ebenen mit Rippen H) in gleichen Abständen entlang der Achse der Feuerungsanlage angeordnet. Jede dieser Ebenen weist die gleiche Zahl von Rippen 10 auf, aber die Rippen 10 direkt benachbarter Ebenen stehen sich nicht gegenüber, sondern sind versetzt zueinander angeordnet, so dass Gas, das sich axial vorwärts bewegt und zwischen zwei Rippen einer Ebene hindurchtritt, auf eine Rippe der nächstfolgenden Ebene trifft.

Auf der der Feuerungsanlage 2 zugewandten Seite der Rippen sind radiale Schlitze 11 angebracht. Diese Schlitze H haben zwei Funktionen. Die erste Funktion wird auch von den Schlitzen erfüllt, die auf den Rippen vorbekannter Wärmeaustauscher angebracht waren. Da bei Kesselbetrieb die Partie einer Rippe 10, die feuerungsseitig gelegen ist, wärmer ist als die Partie, die sich auf der Seite des Wasserman-

tels 4 befindet, treten wegen der differentiellen Wärmeausdehnung mechanische Spannungen auf. Die Schlitze JLJL dienen dann dazu, diese Spannungen auf ein Mindestmass zu reduzieren, indem sie es der warmen Partie ermöglichen, sich mehr auszudehnen als die "kalte" Partie.

Übrigens schaffen diese Schlitze JLl Passagen für die heissen Gase. Da zwischen den beiden Seiten einer Rippe eine Druckdifferenz besteht, neigen die heissen Gase dazu, durch diese Schlitze H hindurchzuströmen. Da letztere verhältnismässig schmal sind, ist die Strömung turbulent und begünstigt daher einen besseren Wärmeaustausch.

Figur 3 stellt eine Wärmeaustauschvorrichtung 3 vor, die der der Figuren 1 und 2 ähnelt, aber einen variablen Abstand zwischen benachbarten Ebenen mit Rippen 10 aufweist. Der Abstand zwischen den Ebenen ist auf der Seite des Brenners 5, wo die Gase am heissesten sind, verhältnismässig gross, während auf der entgegengesetzten Seite, wo die Gase weniger heiss sind, weil sie schon eine gewisse Wärmemenge an das Wasser abgegeben haben, die Rippen näher beieinander stehen. Auf diese Art ist es möglich, einen Wärmefluss von den Gasen zum Wasser zu haben, der über die gesamte, von den Gasen zurückgelegte Strecke hinweg gleich bleibt.

Der Wärmefluss ist nämlich einerseits dem Temperaturunterschied zwischen dem Gas und dem Wasser, andererseits der Austauscherfläche proportional. Da die Wassertemperatur wenig variiert, wenn die Gase weniger heiss sind, muss also die Austauscherfläche vergrössert werden, damit ein gleichbleibender Wärmefluss bewahrt bleibt. In diesem Falle wird diese Austauscherfläche vergrössert, indem die Zahl der Rippen vermehrt wird.

Um die Austauschfläche zu vergrössern, kann man auch am Ausgang des Austauschers 3 grössere Rippen anbringen als am Eingang.

Figur 4 verbindet diese Lösung mit der vorangehenden. Man findet also auf der Seite des Gasaustritts Rippen JLO, die zahlreicher und grosser sind. In diesem Falle ist die Feuerungsanlage 2 nicht mehr zylindrisch, sondern leicht konisch.

Diese Wärmeaustauschvorrichtung bietet nicht nur einen gleichbleibenden Wärmefluss, sondern hat auch noch den Vorteil, sehr geräuscharm zu sein, denn die Gase treffen auf Drosselklappen, und die Anordnung der Rippen ermöglicht eine Schalldämpfung in derselben Weise, wie sie im Auspufftopf vorliegt.

Figur 5 stellt eine Rippe K) wie die oben beschriebenen vor. Eine solche Rippe 10 kann auf die Innenwand des zylindrischen Rohres 9 aufgeschweisst werden, und sie eignet sich gleich gut für zylindrische wie für kegelstumpfartige Feuerungsanlagen 2.

Figur 6 stellt einen Ring 12 mit ausgefüllten, Rippen K) bildenden Abschnitten und leeren, Passagen zwischen den Rippen bildenden Abschnitten vor. Durch Auf schweissen mehrerer Ringe hintereinander, wobei die Rippen 10 eines Ringes 12 gegen die Rippen 10 eines benachbarten Ringes 12 verschoben sind, erhält man eine erfindungsgemässe Wärmeaustauschvorrichtung.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben als Beispiele beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist; sie erstreckt sich im Gegenteil auf alle ihre Abwandlungen.

Zum Beispiel sind die Rippen nicht zwangsläufig senkrecht zur Achse der Feuerungsanlage. Es genügt, wenn sie einen Winkel zu dieser Achse bilden, um Wirbel zu erzeugen und somit den Wirkungsgrad des Austauschers zu verbessern.

Claims (9)

Ansprüche

1. Wärmeaustauschvorrichtung (3) für einen Niedertemperaturkessel (1) des Trockenkammertyps, die dazu bestimmt ist, eine von einer Rotationsfläche begrenzte, blinde Kesselfeuerungsanlage (2) zu umschliessen und den Wärmeaustausch zwischen den von einem Brenner (5) in der Mitte der Feuerungsanlage erzeugten heissen Gasen und dem um die benannte Vorrichtung zirkulierenden Wasser zu ermöglichen, und feuerungsseitig Rippen (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (10) senkrecht zur Achse der Feuerungsanlage stehen und mit der wassergekühlten zylindrischen Wand fest verbunden sind.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rippe (10) sich über einen Teilabschnitt des Umfangs der Feuerungsanlage erstreckt und dass die in ein und derselben Ebene befindlichen Rippen (10) gegen die in einer benachbarten, axial verschobenen Ebene befindlichen Rippen versetzt sind.

3. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Ebenen mit Rippen (10) über die gesamte Länge der Feuerungsanlage hinweg gleich bleibt.

4. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Ebenen mit Rippen (10) in der Strömungsrichtung der Gase abnimmt.

5. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Rippen (10) über die gesamte Länge der Feuerungsanlage hinweg gleich bleibt.

6. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Rippen (10) in der Strömungsrichtung der Gase ansteigt und dass die Kesselfeuerungsanlage (2) nicht zylindrisch, sondern leicht konisch ist, damit sie sich der von der Oberkante der Rippen (10) um-

schriebenen Form anpasst.

7. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (10) radial verlaufende Schlitze (11) haben, die an der der Feuerungsanlage zugewandten Kante münden.

8. Rippe (10), dazu bestimmt, an der Innenwandung einer Wärmeaustauschvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7 befestigt zu werden, und dadurch gekennzeichnet, dass sie die Gestalt eines Ringabschnitts mit radial verlaufenden Schlitzen (11) hat, die auf der dem Ringinneren entsprechenden Seite münden.

9. Kreisring (12) für eine Wärmeaustauschvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ausgefüllte, Rippen (10) bildende Abschnitte und leere, Passagen zwischen den Rippen (10) bildende Abschnitte aufweist.