NL194767C

NL194767C - Heating device for water, and heat exchanger therefor.

Info

Publication number: NL194767C
Application number: NL9401317A
Authority: NL
Original assignee: Famurano Anstalt
Priority date: 1994-08-15
Filing date: 1994-08-15
Publication date: 2003-02-04
Also published as: NL9401317A; NL194767B; FR2723632B1; FR2723632A1; DE29511826U1; IT1280677B1; ITMI951644A1; ES2120334B1; ES2120334A1; ITMI951644A0

Description

1 1947671 194767

Verwarmingsinrichting voor water, alsmede warmtewisselaar hiervoorHeating device for water, and heat exchanger therefor

De uitvinding heeft betrekking op een verwarmingsinrichting voor water, voorzien van een door een bodem afgesloten buisvormige vuurhaard, tegenover de opening waarvan een brander is opgesteld, de vuurhaard 5 op afstand is omgeven door de co-axiale buisvormige wand van een warmtewisselaar, van welke wand dwars op de axiale richting met de wand verbonden schoepen voor warmtewisseling in de richting van de vuurhaard uitsteken, en welke warmtewisselaar is omgeven door een door te verwarmen water doorstroom-bare omhulling, waarbij de ringvormige ruimte tussen de wanden van de vuurhaard en de warmtewisselaar aan de zijde afgekeerd van de brander op een afvoer voor verbrandingsgassen aansluit 10 Hen dergelijke verwarmingsinrichting is bekend uit FR-A 2.320.504. Met de term vuurhaard wordt in dit verband overigens de ruimte bedoeld waar, in gebruik, de verbranding plaatsvindtThe invention relates to a water heating device provided with a tubular firebox closed by a bottom, opposite the opening of which a burner is arranged, the firebox 5 being surrounded at a distance by the coaxial tubular wall of a heat exchanger, of which wall protrudes transversely of the axial direction to the wall for heat exchange in the direction of the furnace, and which heat exchanger is surrounded by a water-flowable casing, the annular space between the walls of the furnace and the heat exchanger the side facing away from the burner connects to a discharge for combustion gases. Such a heating device is known from FR-A 2,320,504. In this context, the term firebox refers to the area where, in use, the combustion takes place

De schoepen bij de bekende verwarmingsinrichting kunnen zijn uitgerust als ringvormige banden, die met hun binnenrand een afstand tot de wand van de vuurhaard vrijlaten en van welke binnenrand radiale sleuven verlopen. Wanneer verbrandingsgassen door de ruimte tussen de wanden van de vuurhaard en de 15 warmtewisselaar stromen, bewerkstelligen de schoepen door hun vorm en opstelling warmtewisseling vergrotende turbulentie. De buiswand van de warmtewisselaar zelf, die grenst aan de omhulling voor te verwarmen water, wordt echter onvoldoende bestreken door de gassen, waardoor de warmteoverdracht nog te wensen overlaatThe blades of the known heating device can be equipped as annular bands which, with their inner edge, leave a distance to the wall of the seat of the fire and from which inner edge radial slots extend. When combustion gases flow through the space between the walls of the fire and the heat exchanger, the blades cause turbulence increasing by their shape and arrangement. However, the tube wall of the heat exchanger itself, which is adjacent to the casing for water to be heated, is insufficiently covered by the gases, as a result of which the heat transfer still leaves something to be desired

De uitvinding beoogt een warmtewisselaar te verschaffen die tegemoet komt aan dit probleem en in 20 gebruik een in vergelijking met bekende verwarmingsinrichtingen veel grotere warmteoverdracht van de gassen aan de wand van de warmtewisselaar kan bewerkstelligen.The invention has for its object to provide a heat exchanger which meets this problem and which in use can achieve a much greater heat transfer from the gases to the wall of the heat exchanger in comparison with known heating devices.

Dit doel wordt bereikt met een verwarmingsinrichting van de voorvermelde soort, die volgens de uitvinding het kenmerk heeft dat de van de wand van de warmtewisselaar uitstekende schoepen zich tot nabij de wand van de vuurhaard uitstrekken, de schoepen ringsegmentvormig zijn en in kransen in discrete 25 vlakken liggen met doorstroomopeningen voor de verbrandingsgassen tussen de schoepen van elke krans, waarbij in axiale richting gezien elke doorstroomopening tegenover een schoep van een naburig vlak is gelegen.This object is achieved with a heating device of the aforementioned type, which according to the invention is characterized in that the blades protruding from the wall of the heat exchanger extend to near the wall of the firebox, the blades are ring-segmented and in wreaths in discrete planes lie with through-flow openings for the combustion gases between the vanes of each wreath, with each through-flow opening viewed in axial direction facing a vane of an adjacent surface.

Dit biedt het voordeel dat een zeer veel groter aandeel van de warmte of hete gassen in gebruik op diverse posities, in plaats van langs de schoepen, tegen de schoepen aan zal stromen. Immers, de 30 schoepen strekken zich nagenoeg uit over een volle doorsnede van het afvoertraject en derhalve is ook een rechtlijnige doorgang van een verder van de buitenwand afgelegen gasstroom geblokkeerd. De gasstroom wordt gedwongen een weg te vinden die om de schoepen slingertThis offers the advantage that a very much larger proportion of the heat or hot gases in use at various positions, instead of along the blades, will flow against the blades. After all, the vanes extend substantially over a full cross-section of the discharge path and therefore a linear passage of a gas stream further away from the outer wall is also blocked. The gas stream is forced to find a path that winds around the vanes

Op deze wijze zal een relatief goede warmteoverdracht ook direct aan de wand van de warmtewisselaar kunnen worden bewerkstelligd. Door de onderlinge opstelling van de schoepen zal de gasstroom bovendien 35 langs en om relatief scherpe hoeken vloeien waardoor de gewenste turbulentie optreedt De gasstroom zal zich bovendien op diverse posities in de warmtewisselaar splitsen en op verder stroomopwaarts gelegen posities vermengen, waardoor eveneens turbulentie optreedt en een goede warmteoverdracht aan de wand mogelijk wordtIn this way, a relatively good heat transfer can also be achieved directly on the wall of the heat exchanger. Owing to the mutual arrangement of the vanes, the gas flow will moreover flow along and around relatively sharp corners, whereby the desired turbulence occurs. The gas flow will moreover split at various positions in the heat exchanger and mix at positions further upstream, whereby turbulence also occurs and a good heat transfer to the wall becomes possible

Een ander voordeel is dat als gevolg van de rangschikking en stand van de schoepen de verwarmingsin-40 richting, en de warmtewisselaar in het bijzonder, zeer geluidsarm blijkt te zijn.Another advantage is that, due to the arrangement and position of the blades, the heating device, and the heat exchanger in particular, appears to be very quiet.

Uit DE-A 3.310.343 is bij een verwarmingsinrichting voor water bekend om evenwijdige, golvende in langsrichting verlopende schoepen toe te passen, die aan de wand van de warmtewisselaar zitten en reiken tot aan de vuurhaardwand. De turbulentie in de gassen kan hierbij te wensen overlaten.DE-A 3,310,343 discloses in a water heating device to use parallel, wavy longitudinally extending blades which sit on the wall of the heat exchanger and extend up to the furnace wall. The turbulence in the gases can leave something to be desired.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, 45 dat de afstand tussen elk paar naburige vlakken van schoepen groter is dan de afstand tussen het gezien in de doorstroomrichting, opvolgende paar naburige vlakken van schoepen.A special embodiment of a heating device according to the invention is characterized in that the distance between each pair of adjacent faces of blades is greater than the distance between the subsequent pair of adjacent faces of blades, viewed in the flow direction.

Dit biedt het voordeel dat over een axiale lengterichting een nagenoeg constante warmteoverdracht van de gasstroom naar de wand van de warmtewisselaar kan worden bewerkstelligd. Immers daar waar de gasstroom al enigszins is afgekoeld en de temperatuursgradiënt tussen het gas en de buitenwand minder 50 steil is, is meer warmtewisselingsoppervlak voor warmteoverdracht beschikbaar, zodat voldoende warmteoverdracht plaatsvindtThis offers the advantage that a substantially constant heat transfer from the gas flow to the wall of the heat exchanger can be effected over an axial longitudinal direction. After all, where the gas flow has already cooled somewhat and the temperature gradient between the gas and the outer wall is less steep, more heat exchange surface is available for heat transfer, so that sufficient heat transfer takes place

Een meer bijzondere uitvoeringsvorm van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de afstand tussen de wand van de warmtewisselaar en van de vuurhaard in stroomafwaartse richting van de verbrandingsgassen geleidelijk toeneemt. Dit draagt eveneens bij tot het bewerkstelligen van 55 een over een axiale lengterichting nagenoeg constante warmteoverdracht van de gasstroom naar de binnenwand. Immers daar waar de gasstroom al enigszins is afgekoeld, is door de grotere tussenafstand tussen de genoemde wanden en door de grotere schoepen meer warmtewisselingsoppervlak beschikbaar.A more special embodiment of a heating device according to the invention is characterized in that the distance between the wall of the heat exchanger and the fire source increases gradually downstream of the combustion gases. This also contributes to effecting a substantially constant heat transfer from the gas flow to the inner wall over an axial longitudinal direction. After all, where the gas flow has already cooled somewhat, more heat exchange surface is available due to the greater distance between said walls and due to the larger blades.

194767 2194767 2

De wand van de vuurhaard kan in een dergelijke uitvoeringsvorm conisch zijn uitgevoerd teneinde een cilindrische warmtewisselaarwand te kunnen behouden.In such an embodiment, the wall of the seat of the fire can be conical in order to be able to retain a cylindrical heat exchanger wall.

Een verdere uitvoeringsvorm van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de schoepen zijn voorzien van in hun vrije eindrand uitmondende radiale sleuven zoals ook bekend uit FR-A 5 2.320.504. Dit biedt het voordeel dat spanningen die een gevolg zijn van een in gebruik over de schoep heersende temperatuursgradiênt, kunnen worden geminimaliseerd. Bovendien bevorderen deze sleuven in gebruik eveneens de turbulentie in de gasstroom.A further embodiment of a heating device according to the invention is characterized in that the blades are provided with radial slots opening into their free end edge, as is also known from FR-A 5 2,320,504. This offers the advantage that stresses resulting from a temperature gradient prevailing in use over the vane can be minimized. Moreover, in use, these slots also promote turbulence in the gas stream.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een warmtewisselaar kennelijk voor toepassing bij een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding.The invention also relates to a heat exchanger evidently for use with a heating device according to the invention.

1010

De uitvinding wordt toegelicht met behulp van een beschrijving, welke gericht is op de schematische tekeningen, waarin bij wijze van voorbeeld en niet beperkend, verschillende uitvoeringsvormen zijn weergegeven van een warmtewisselaar volgens de uitvinding.The invention is elucidated with the aid of a description, which is directed to the schematic drawings, in which by way of example and not limiting, various embodiments of a heat exchanger according to the invention are shown.

Figuur 1 is een perspectivisch aanzicht van een ketel gedeeltelijk in doorsnede met een warmtewisselaar 15 volgens de uitvinding; figuur 2 is een langsdoorsnede door een ketel volgens figuur 1; figuren 3 en 4 zijn langsdoorsneden van twee verschillende uitvoeringsvormen van een warmtewisselaar volgens de uitvinding; figuur 5 is een bovenaanzicht van een schoep; 20 figuur 6 is een bovenaanzicht van een krans met schoepen.Figure 1 is a perspective view of a boiler partly in section with a heat exchanger 15 according to the invention; Figure 2 is a longitudinal section through a boiler according to Figure 1; Figures 3 and 4 are longitudinal sectional views of two different embodiments of a heat exchanger according to the invention; Figure 5 is a plan view of a blade; Figure 6 is a top view of a ring with blades.

Figuur 1 toont een ketel 1 van het lage temperatuurtype. Deze bevat een vuurhaard 2, een warmtewisselaar 3, een door water doorstroombare omhulling 4 en een geïsoleerde buitenmantel. In het midden tegenover de vuurhaard 2 bevindt zich een brander 5 welke wordt gestookt met gas of olie.Figure 1 shows a boiler 1 of the low temperature type. This contains a firebox 2, a heat exchanger 3, a water-flowable casing 4 and an insulated outer jacket. In the middle opposite the firebox 2 is a burner 5 which is fired with gas or oil.

25 De vuurhaard 2 wordt gevormd door een door een buisvormige wand 7 omsloten ruimte met bodem 6 en is in dit voorbeeld cilindrisch. De vuurhaard is aan de zijde van de brander open en heeft de bodem 6 aan de overliggende zijde. De door de brander 5 geproduceerde warme of hete gassen worden centraal gestuwd naar de bodem 6 van de vuurhaard en keren terug in de richting van de brander langs de cilindrische wand 7 van de vuurhaard (figuur 2). Zij verlaten dan de vuurhaard 2 en stromen om de rand van 30 de wand 7 heen in de warmtewisselaar 3 waar zij door heen lopen en de warmte afgeven via buitenwand van de warmtewisselaar aan het water in de omhulling 4. Vervolgens komen zij in de leiding 8, welke leidt naar een schoorsteen.The firebox 2 is formed by a space with bottom 6 enclosed by a tubular wall 7 and is cylindrical in this example. The furnace is open on the burner side and has the bottom 6 on the opposite side. The hot or hot gases produced by the burner 5 are pushed centrally to the bottom 6 of the firebox and return in the direction of the burner along the cylindrical wall 7 of the firebox (Figure 2). They then leave the firebox 2 and flow around the edge of the wall 7 into the heat exchanger 3 through which they run and release the heat via the outer wall of the heat exchanger to the water in the enclosure 4. They then enter the pipe 8 , which leads to a chimney.

De bodem 6 van de vuurhaard 2 en de wand waar zich de brander 5 bevindt zijn vuurvast en isolerend.The bottom 6 of the firebox 2 and the wall where the burner 5 is located are refractory and insulating.

De warmtewisselaar 3 omvat een cilindrische metalen buis 9 waaraan op het binnenvlak schoepen 10 35 zijn bevestigd. Deze buis 9 ligt concentrisch om de vuurhaard 2 van de ketel. Om de schoepen 10 op de buis 9 vast te zetten kunnen zij bijvoorbeeld worden ingekrompen, indien zij uit gietijzer bestaan, dan wel worden vastgelastThe heat exchanger 3 comprises a cylindrical metal tube 9 to which blades 10 are mounted on the inner surface. This tube 9 is concentrically arranged around the firebox 2 of the boiler. In order to fix the blades 10 on the tube 9, they can for example be shrunk if they consist of cast iron or welded on

De schoepen 10 staan loodrecht op de as van de vuurhaard 2 en op de as van de cilindrische buis Θ. Zij hebben elk de vorm van een ringsegment.The blades 10 are perpendicular to the axis of the furnace 2 and to the axis of the cylindrical tube Θ. They each have the shape of a ring segment.

40 De schoepen 10 liggen in vlakken, die loodrecht op de as van de vuurhaard 2 staat. Tussen twee schoepen in eenzelfde vlak is een doorgang, waardoorheen de gassen zich in hoofdzaak bewegen in de richting van de as van de vuurhaard. In de figuren 1 en 2 zijn de vlakken met de schoepen 10 regelmatig verdeeld over de lengte van de as van de vuurhaard. Elk van deze vlakken bevat een aantal schoepen 10, doch de schoepen 10 van twee naburige vlakken liggen niet tegenover elkaar doch zijn daarentegen in 45 groepen van vijf geplaatst zodanig dat de gassen axiaal worden verzet en gaan door twee schoepen van een vlak dat zich bevindt tegenover een volgend vlak met schoepen.The vanes 10 lie in planes perpendicular to the axis of the furnace 2. There is a passage between two blades in the same plane, through which the gases move essentially in the direction of the axis of the seat of the fire. In Figures 1 and 2, the surfaces with the blades 10 are regularly distributed along the length of the axis of the seat of the fire. Each of these planes contains a plurality of vanes 10, but the vanes 10 of two adjacent planes are not opposed to each other but are instead arranged in 45 groups of five such that the gases are axially shifted and pass through two vanes of a plane located opposite another plane with blades.

Aan de zijde van de schoepen welke gekeerd zijn naar de vuurhaard 2 zijn radiale sleuven 11 aangebracht. Het gedeelte van de schoep 10, gelegen aan de zijde van de vuurhaard, wordt tijdens de werking van de ketel veel warmer dan die gelegen aan de zijde van de wateromhulling 4, waarbij mechanische 50 spanningen als gevolg van verschil in uitzetting, optreden. De sleuven 11 dienen voor het verminderen van die spanningen, waarbij het warme gedeelte minder sterk uitzet dan het koude gedeelte. Sleuven 11 vormen verder doorgangen voor de warme gassen. Doordat een verschil in druk heerst tussen twee vlakken van een schoep hebben de warme gassen de neiging door de sleuven 11 te stromen. Deze laatste zijn betrekkelijk nauw, waardoor de stroming turbulent is, hetgeen een betere warmtewisseling begunstigt 55 Figuur 3 toont een warmtewisselaar 3, gelijk aan die volgens de figuren 1 en 2, doch waar de ruimte tussen twee naburige vlakken met schoepen 10 variabel is. Aan de zijde van de brander 5 waar de gassen het heetst zijn, is de afstand tussen twee vlakken betrekkelijk groot terwijl daarentegen daar waar de gassenRadial slots 11 are provided on the side of the blades which face the seat of the fire. The portion of the blade 10, located on the side of the furnace, becomes much warmer during operation of the boiler than that located on the side of the water casing 4, with mechanical stresses due to difference in expansion occurring. The slots 11 serve to reduce those stresses, with the warm part expanding less strongly than the cold part. Slots 11 further form passages for the hot gases. Because a difference in pressure prevails between two surfaces of a blade, the hot gases tend to flow through the slots 11. The latter are relatively narrow, so that the flow is turbulent, which favors better heat exchange. 55 Figure 3 shows a heat exchanger 3, similar to that according to figures 1 and 2, but where the space between two adjacent surfaces with vanes 10 is variable. On the side of the burner 5 where the gases are the hottest, the distance between two planes is relatively large while, on the other hand, where the gases are

Claims

1. Water heating device, provided with a tubular firebox closed by a bottom, opposite the opening of which a burner is arranged, the firebox is surrounded at a distance by the co-axial tubular wall of a heat exchanger, of which wall transversely of the axial projecting heat exchange blades connected to the wall in the direction towards the seat of the fire, and which heat exchanger is surrounded by a water-flowable casing, the annular space between the walls of the fire and the heat exchanger facing away from the burner connects to a flue gas outlet, characterized in that the blades (10) protruding from the wall (9) of the heat exchanger (3) extend close to the wall (7) of the furnace (2), the blades being annular and are in discrete planes in wreaths with through-flow openings for combustion gases between the vanes of each wreath, with axial ric since each passage opening is situated opposite a vane of an adjacent surface.

2. Heating device as claimed in claim 1, characterized in that the distance between each pair of adjacent 40 faces of blades (10) is greater than the distance between the following pair of adjacent faces of blades, viewed in the direction of flow.

Heating device according to claim 1 or 2, characterized in that the distance between the wall (9) of the heat exchanger (3) and (7) of the seat of the fire (2) increases gradually downstream of the combustion gases.

3 194767 are less warm, because a portion of the heat has already been delivered to the water, the blades are closer to each other. This measure makes it possible to obtain a heat flow for the gases to the water, which is substantially constant over the entire length of the path of the gases. The heat flow is proportional to the difference in temperature between the gas and the water on the one hand and the heat exchange surface on the other. If the gases are less hot and the heat exchange surface is increased, it is nevertheless possible to maintain a constant heat flow. In this case, the heat exchange surface is increased by increasing the number of blades. It is also possible to increase the heat exchange surface by placing blades 10 that are larger than those at the entrance at the outlet of the heat exchanger 3.

Figure 4 combines this solution with the previous solution. More vanes 10 are present on the gas outlet side and these vanes 10 are larger. In that case, the firebox 2 is not cylindrical but somewhat conical. In addition to providing a constant heat flow, the device has the advantage of being very low-noise. To this end, the gas flows through baffle plates and the position of the blades then makes it possible to damp sound in the same manner as the sound is muffled in a silencer. Figure 5 shows a vane 10 as described above. Such a vane 10 can be mounted on the inner surface of the cylindrical tube 9 and can be adjusted both when the furnace 2 is cylindrical or conical. Figure 6 shows a ring 12 of blades 10, with passages between the blades being kept clear. The successive wreaths 12 of blades 10 are provided. For example, the blades do not have to be accurately perpendicular to the axis of the seat of the fire. It is sufficient if they form an angle therewith so that turbulences desired for the yield arise. 25

4. Heating device as claimed in any of the claims 1-3, characterized in that the blades (10) are provided with radial slots opening into their free end edge.

A heat exchanger evidently intended for use with the heating device according to one or more of the preceding claims. Hereby 3 sheets of drawing