NL8700641A

NL8700641A - BOILER ELEMENT.

Info

Publication number: NL8700641A
Application number: NL8700641A
Authority: NL
Original assignee: Radson Bv
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1987-03-18
Publication date: 1988-10-17
Also published as: DE3863461D1; EP0287142A2; EP0287142B1; ATE64990T1; EP0287142A3

Abstract

A counter-current heat exchange element, in particular for a central heating boiler, comprising a substantially flat box-shaped body (1) containing a water passage (5), the flat side walls (1a, 1b) of said body (1) being provided with protrusions (6) extending into flue passages (9) on both sides of said body (1) and being arranged according to a pattern of laterally offset rows with the lateral spacing of said protrusions (6) gradually decreasing from the high temperature area towards the low temperature area in each flue passage (9), the water passage (5) extending along a serpentine trajectory between a cool water inlet (2) in the low flue gas temperature area and a heated water outlet (3) in the high flue gas temperature area, the water passage (5) narrowing from the inlet (2) towards the outlet (3) in such a manner that the water flow velocity at the outlet (3) is higher than at the inlet (2).

Description

-1- VO 9042 Ketelelement.-1- VO 9042 Boiler element.

De uitvinding heeft betrekking op een uit lichtmetaal, eendelig vervaardigd warmte-uitwisselelement, in het bijzonder voor een CV-ketel, voorzien van een in hoofdzaak plat, doosvormig lijf, waarin een waterdoorgang zich volgens 5 een gebogen traject tussen een inlaat en een uitlaat, met variërende doorstroomdoorsnede uitstrekt, waarbij de platte zijwanden van het lijf zijn voorzien van uitsteeksels die zich uitstrekken in zich aan weerszijden van het lijf bevindende rookgasdoorgangen die in de gasstromingsrichting 10 een afnemende doorstroomdoorsnede hebben.The invention relates to a heat exchanger element made of light metal, in one piece, in particular for a central heating boiler, comprising a substantially flat, box-shaped body, in which a water passage extends along a curved path between an inlet and an outlet, with varying flow cross-section, the flat side walls of the body being provided with protrusions extending into flue gas passages located on either side of the body which have a decreasing flow cross-section in the gas flow direction.

Bij een dergelijke, uit de ter inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage 7604830, die correspondeert met de Franse octrooiaanvrage 2.310.537, bekende waterverhitter, stromen rookgassen van een onder het ketelelement opgestelde 15 brander langs het lijf omhoog tussen de als verticale langs-ribben uitgevoerde uitsteeksels. Het te verwarmen water wordt aan de onderzijde van het ketelelement ingevoerd en stroomt in gelijkstroom met de rookgassen omhoog in een gebogen watergang waarvan de stromingsdoorsnede bij 20 3e wateruitlaat groter is dan bij de inlaat. Met het doel de stroomsnelheden van gas en water gelijk te houden zijn bij het bekende ketelelement de door afkoeling optredende krimp van de rookgassen en de door verwarming optredende uitzetting van het water gecompenseerd door op dit gestelde 25 doel, dus constante stroomsnelheden, gerichte variaties van de resp. doorstroomdoorsneden. Gezien de geringe uitzetting van water over het in de praktijk bij een CV-ketel tussen ongeveer 20° en ongeveer 85°C gelegen temperatuurtra-ject, betekent dit een nauwelijks waarneembare doorstroomdoor-30 snedevergroting die nodig is om de doorstroomsnelheid van het water constant te houden. De temperatuur van de rookgassen die bij conventionele atmosferische branders van b.v. 800° £ ·;- , --, t s' i -2- tot 150° daalt, vereist voor een gelijkblijvende gassnelheid een grotere vermindering van de doorstroomdoorsnede.In such a water heater, which is known from Dutch patent application 7604830, which corresponds to French patent application 2,310,537, known as a water heater, flue gases from a burner arranged under the boiler element flow upwards along the body between the protrusions designed as vertical longitudinal ribs. The water to be heated is introduced at the bottom of the boiler element and flows upwards in direct current with the flue gases into a curved water channel, the flow cross section of which is greater at 20 3rd water outlet than at the inlet. With the aim of keeping the flow rates of gas and water the same, in the known boiler element the cooling shrinkage of the flue gases and cooling expansion of the water occurring due to cooling have been compensated for by variations in the target set, i.e. constant flow rates. resp. flow cross-sections. In view of the small expansion of water over the temperature range in practice with a boiler between about 20 ° and about 85 ° C, this means a barely perceptible flow-through increase in cross-section which is necessary to constantly maintain the flow-rate of the water. to keep. The temperature of the flue gases used with conventional atmospheric burners of e.g. 800 ° -; -, t s' i -2- drops to 150 °, requires a greater reduction in flow cross-section for a constant gas velocity.

De uitvinding beoogt een warmte-uitwisselelement van de onderwerpelijke soort, bestemd voor een CV-ketel, 5 waarbij met minimaal gebruik van lichtmetaal een optimale capaciteit wordt verkregen.The object of the invention is a heat-exchanging element of the subject type, intended for a central heating boiler, whereby an optimum capacity is obtained with minimal use of light metal.

Hiertoe is volgens de uitvinding, bij uitvoering van het warmte-uitwisselelement als tegenstroom-uitwisselele-ment, de waterdoorgang serpentine- of zig-zag-vormig gevormd 10 met een doorstroomdoorsnede die, regelmatig over de totale lengte van de waterdoorgang, van de inlaat in het lage gastemperatuurgebied tot de uitlaat in het hoge gastempera-tuurgebied, zo sterk afneemt (b.v. in de verhouding 2:1), dat de doorstroomsnelheid bij de uitlaat groter is dan 15 bij de inlaat.To this end, according to the invention, when the heat exchange element is designed as a countercurrent exchange element, the water passage is formed serpentine- or zig-zag-shaped, with a flow-through section which, regularly over the entire length of the water passage, of the inlet the low gas temperature range to the outlet in the high gas temperature range decreases so much (eg in the ratio 2: 1) that the flow rate at the outlet is greater than 15 at the inlet.

De uitvinding berust op het inzicht dat in het hoge gastemperatuurgebied het temperatuurverschil met het verwarmde water ruim voldoende is om een goede en snelle warmteoverdracht te waarborgen. Het hete gas zal in de 20 eerste helft van het gastraject reeds het grootste deel van zijn warmte aan het warmte-uitwisselelement afstaan. Doordat in de tweede helft van het gastraject het gas in een warmte-uitwissêlend verband wordt gebracht met relatief langzaam stromend en bovendien relatief koud water, is 25 het mogelijk het gas zeer sterk af te koelen, zelfs op condensatieniveau te brengen.The invention is based on the insight that in the high gas temperature range the temperature difference with the heated water is more than sufficient to ensure a good and fast heat transfer. The hot gas will already transfer most of its heat to the heat exchange element in the first half of the gas path. Because in the second half of the gas path the gas is brought into a heat-exchanging relationship with relatively slowly flowing and, moreover, relatively cold water, it is possible to cool the gas very strongly, even to bring it to a condensation level.

Voor het verkrijgen van een optimale warmte-overdracht over de gehele lengte van de rookgasdoorgangen met daarin reikende, het verwarmde oppervlak vergrotende uitsteeksels 30 met afnemende hoogte, kunnen volgens de uitvinding de uitsteeksels zijn uitgevoerd als nokken die volgens een patroon van zijdelings versprongen rijen zijn gerangschikt, waarbij de onderlinge afstand van de nokken van het hoge naar het lage gastemperatuurgebied geleidelijk afneemt, b.v. in 35 totaal in de verhouding 2,5:1.According to the invention, the projections can be designed as cams arranged in a pattern of laterally staggered rows in order to obtain an optimum heat transfer over the entire length of the flue gas passages with projections 30 with decreasing height that increase the heated surface. , with the spacing of the cams from the high to the low gas temperature range gradually decreasing, e.g. in total in the ratio 2.5: 1.

In het hoge gastemperatuurgebied is de warmte-over- 1*" »·" ^♦ ’ » x.' i * ts·· $ b -3- dracht per tijdseenheid hoog omdat het temperatuurverschil ten opzichte van het in het aangrenzende deel van de waterdoorgang stromende water groot is en in het lage gastempera-tuurgebied is weliswaar het verwarmde oppervlak kleiner 5 dan in het hoge gastemperatuurgebied, echter door de dichter bij elkaar staande nokken wordt een intensief contact met het lage temperatuurrookgas gewaarborgd en wordt het nadelige effekt van het lagere temperatuurverschil op de warmteoverdracht tussen rookgas en water althans gedeeltelijk gecompen-10 seerd.In the high gas temperature range, the heat transfer is 1 * "» · "^ ♦" "x." i * ts ·· $ b -3- wear per unit time high because the temperature difference with respect to the water flowing in the adjoining part of the water passage is large and the heated surface area is smaller in the low gas temperature range than in the high gas temperature range, however, due to the closer cams, intensive contact with the low temperature flue gas is ensured and the adverse effect of the lower temperature difference on the heat transfer between flue gas and water is at least partially compensated.

De uitvinding betreft tevens een water-verwarmingske-tel voorzien van een warmte-uitwisselelement volgens de uitvinding en een brander, waarbij volgens de uitvinding het ketelelement aan weerszijden passend is omsloten door 15 een in hoofdzaak U-vormig kanaal voor het toevoeren van een brandbaar gas/luchtmengsel aan de bovenzijde van een geperforeerde branderplaat, welke is aangebracht in een boven het ketelelement aanwezige branderkamer, waarvan de onderzijde in open verbinding staat met de door het 20 lijf van het ketelelement en de binnenwand van het gas/lucht-kanaal ingesloten rookgasdoorgangen.The invention also relates to a water heating boiler provided with a heat-exchanging element according to the invention and a burner, wherein according to the invention the boiler element is suitably enclosed on both sides by a substantially U-shaped channel for supplying a flammable gas / air mixture at the top of a perforated burner plate, which is arranged in a burner chamber present above the boiler element, the underside of which is in open communication with the flue gas passages enclosed by the body of the boiler element and the inner wall of the gas / air channel.

Een dergelijke CV-ketel kan, indien uitgerust met een ketelelement met buitenafmetingen in de orde van grootte van 25 x 15 x 20 (Η x B x D), een waterdoorgang die stapsge-25 wijs van ca. 10 cm2 bij de inlaat naar ca. 5 cm2 bij de uitlaat in doorsnede afneemt en aan weerszijden nokken die bij een doorsnede van gemiddeld 1 cm2 in het hoge gastemperatuurgebied een lengte van 23 mm en een onderlinge afstand van 7 mm en in het lage temperatuurgebied een lengte van 30 15 mm en een onderlinge afstand van 5 mm hebben, per kg aluminium een nuttig vermogen leveren van ongeveer 3 KW, hetgeen zeer hoog is voor een dergelijke kleine en lichte ketel. Bij voorkeur wordt daarbij gebruik gemaakt van een hitte bestendige brander, nl. een brander met een b.v.Such a central heating boiler, if equipped with a boiler element with outer dimensions in the order of size of 25 x 15 x 20 (Η x W x D), can have a water passage which steps from approx. 10 cm2 at the inlet to approx. .5 cm2 decreases in diameter at the outlet and on both sides cams which, with an average diameter of 1 cm2, have a length of 23 mm and a mutual distance of 7 mm in the high gas temperature range and a length of 15 mm in the low temperature range. 5 mm spacing, per kg of aluminum, provide a useful power of about 3 KW, which is very high for such a small and light boiler. Preferably, use is made of a heat-resistant burner, i.e. a burner with e.g.

35 van keramisch materiaal vervaardigde, geperforeerde plaat, waaraan aan de achterzijde het gas/luchtmengsel «r , —:-i -4- ί i onder druk wordt toegevoerd en die aan de voorzijde als branderbed functioneert. Hiermee is nl. een rookgastempe-ratuur van hoger dan 1200°C haalbaar.35 perforated plate made of ceramic material, to which the gas / air mixture is supplied at the rear, under pressure and which functions as a burner bed at the front. This makes it possible to achieve a flue gas temperature of more than 1200 ° C.

Ter verduidelijking van de uitvinding zal, onder 5 verwijzing naar de tekening, een uitvoeringsvoorbeeld van het ketelelement worden beschreven.To clarify the invention, an embodiment of the boiler element will be described with reference to the drawing.

Pig. 1 is een verticaal doorsnede-aanzicht van een ketel, uitgerust met het ketelelement volgens de uitvinding; 10 fig. 2 is een zijaanzicht van de ketel volgens de pijl II-II in fig. 1; fig. 3 is een langsdoorsnede volgens de lijn III-III in fig. 1; en fig. 4 is een eindaanzicht van de ketel volgens 15 de pijlen IV-IV in fig. 3.Pig. 1 is a vertical sectional view of a boiler equipped with the boiler element according to the invention; Fig. 2 is a side view of the boiler according to the arrow II-II in Fig. 1; Fig. 3 is a longitudinal section taken on the line III-III in Fig. 1; and FIG. 4 is an end view of the boiler according to arrows IV-IV in FIG. 3.

Volgens de tekening heeft het ketelelement, dat uit één stuk is gegoten uit lichtmetaal zoals aluminium of een aluminiumlegering, een plat doosvormig lijf 1 met een waterinlaatstomp 2 en een waterafvoerstomp 3 in één 20 van de kopwanden. In de tegenover liggende kopwand zijn afsluitbare stompen 4 gevormd welke dienen om de gietkern te verwijderen.According to the drawing, the boiler element, which is cast in one piece from light metal such as aluminum or an aluminum alloy, has a flat box-shaped body 1 with a water inlet stub 2 and a water discharge stub 3 in one of the end walls. Lockable stubs 4 are formed in the opposite end wall and serve to remove the casting core.

Tussen de waterinlaat 2 en de uitlaat 3 strekt zich serpentinevormig een waterdoorgang 5 uit, waarvan 25 de doorstroomdoorsnede stapsgewijze afneemt tot in een verhouding 2:1, zie fig. 1 en 3.A water passage 5 extends serpentine-shaped between the water inlet 2 and the outlet 3, the flow cross-section of which decreases stepwise to a ratio of 2: 1, see Figures 1 and 3.

Aan weerszijden van het lijf 1 strekken zich van de zijwanden la en lb vingervormige uitsteeksels 6 uit, die in de afgeheelde uitvoering de vorm hebben van vierzijdige 30 nokken die terwille van het lossen uit de gietvorm enigszins taps toelopen. De nokken 6 zijn gerangschikt volgens een patroon van zijdelings versprongen horizontale rijen (zie fig. 2) die aan de onderzijde dichter bij elkaar staan dan aan de bovenzijde. Zoals blijkt uit fig. 1 zijn de 35 nokken 6 aan de onderzijde van het lijf 1 ook korter dan aan de bovenzijde.Finger-like projections 6 extend from the side walls 1a and 1b on either side of the body 1, which, in the sectioned embodiment, are in the form of four-sided cams which tapers slightly for release from the mold. The cams 6 are arranged according to a pattern of laterally staggered horizontal rows (see fig. 2) which are closer together at the bottom than at the top. As can be seen from Fig. 1, the cams 6 on the bottom of the body 1 are also shorter than on the top.

• ft i -5-• ft i -5-

Tegen de toppen van de nokken 6 ligt de binnenwand 7 van een in hoofdzaak U-vormig gas/luchtkanaal 8. De wand 7 sluit met de zijwanden la en lb van het lijf 1 rookgasdoorgangen 9 in.The inner wall 7 of a substantially U-shaped gas / air channel 8 lies against the tops of the cams 6. The wall 7 encloses flue gas passages 9 with the side walls 1a and 1b of the body 1.

5 Boven het lijf 1 bevindt zich een kamer 10 waarin een geperforeerde branderplaat B is aangebracht. In fig. 4 zijn een gastoevoer 11 en een ventilator 12 aangegeven voor het via het U-vormige kanaal 8 geforceerd toevoeren van een brandbaar gas/luchtmengsel aan de bovenzijde van 10 de branderkamer 10.Above the body 1 there is a chamber 10 in which a perforated burner plate B is arranged. Fig. 4 shows a gas supply 11 and a fan 12 for the forced supply of a combustible gas / air mixture via the U-shaped channel 8 to the top of the burner chamber 10.

Tijdens bedrijf worden in de branderkamer 10 rookgassen van zeer hoge temperatuur, ca. 1200°C, gegenereerd die geforceerd door de rookgasdoorgangen 9 omlaag worden bewogen en via de onderzijde van het ketelelement, afgekoeld 15 op 70-80°C of lager, worden afgevoerd. Tijdens hun doorgang in het labyrinthtraject tussen de nokken 6 staan zij warmte af, direkt aan het lijf 1 en indirekt via de nokken 6 waar zij door opgewerkte wervelingen in innig contact mee worden gebracht. Via het lijf 1 wordt de opgenomen warmte overgedra-20 gen op het in de doorgang 5 stromende water. De warmte-over-gang of thermische geleiding per eenheid van oppervlak wordt bepaald door het temperatuurverschil en de tijd.During operation, very high temperature flue gases, approx. 1200 ° C, are generated in the combustion chamber, which are forced down through the flue gas passages 9 and discharged through the bottom of the boiler element, cooled to 70-80 ° C or lower. . During their passage in the labyrinth path between the cams 6 they release heat, directly to the body 1 and indirectly via the cams 6 with which they are brought into intimate contact by worked up vortices. The absorbed heat is transferred via the body 1 to the water flowing in the passage 5. The heat transition or thermal conductivity per unit area is determined by the temperature difference and time.

Door het ontwerp van het ketelelement stroomt het koude water in het onderste, lage temperatuurgebied van 25 het ketelelement veel langzamer dan in het bovenste, hoge gastemperatuurgebied. In het onderste, lage gastemperatuurgebied is door vernauwing van de rookgasdoorgangen 9 weliswaar het verwarmde oppervlak aan de gaszijde verkleind, echter doordat de nokken dichter bij elkaar staan wordt het rookgas, 30 waarvan het volume door temperatuurdaling is gereduceerd, in de nauwe passages tussen de nokken 6 in een intensieve werveling en daardoor innig contact met de nokzijden en met de tussen de nokken 6 gelegen delen van de lijfwanden la en lb gebracht, zodat de rookgassen in staat worden 35 gesteld hun warmte optimaal af te staan.Due to the design of the boiler element, the cold water flows in the lower, low temperature range of the boiler element much slower than in the upper, high gas temperature range. In the lower, low gas temperature range, although narrowing the flue gas passages 9, the heated surface on the gas side is reduced, but because the cams are closer together, the flue gas, the volume of which has been reduced by temperature drop, is introduced into the narrow passages between the cams 6 is brought into intensive vortex and thereby intimate contact with the cam sides and with the parts of the body walls 1a and 1b situated between the cams 6, so that the flue gases are enabled to give off their heat optimally.

Voor de werking van het ketelelement is het ontwerp ' \ _____ j -6- r van de waterdoorgang 5 uiterst belangrijk. Door middel van keerschotten 13-17 is in de holle binnenruimte van het lijf 1 een serpentine- of zig-zag-traject 5 gevormd dat bij iedere ombuiging nauwer wordt en in de afgeheelde 5 uitvoering in vijf stappen wordt gehalveerd, zodat, bij gelijkblijvend debiet de uitstroomsnelheid bij 3 ongeveer het dubbele bedraagt van de instroomsnelheid bij 2. Doordat het water tijdens het doorstromen van het lijf 1 ook nog wordt verhit en daarbij uitzet, zal bij de uitlaat 3 de 10 snelheid meer dan het dubbele bedragen van de snelheid bij de inlaat 2.The design of the water passage 5 is extremely important for the operation of the boiler element. By means of baffles 13-17, a serpentine or zig-zag section 5 is formed in the hollow inner space of the body 1, which narrows with each bend and is halved in five steps in the completed version, so that, at the same flow rate the outflow speed at 3 is approximately double the inflow speed at 2. Because the water is also heated during the flow through the body 1 and expands thereby, at the outlet 3 the speed will be more than double the speed at the inlet 2.

Wezenlijk voor de uitvinding is dat in het deel van de warmte-uitwisselaar, waar reeds grotendeels afgekoelde rookgassen hun (rest-)warmte moeten afdragen aan koud instro-15 mend water, het water met een relatief lage snelheid wordt doorgeleid en de rookgassen worden gedwongen veelvuldig en intensief contact te maken met het verwarmde oppervlak, terwijl in het hoge gastemperatuurgebied aan de instromende gassen met zeer hoge temperatuur, een groot contactoppervlak 20 wordt aangeboden. Het grote temperatuurverschil (orde van grootte 1100°C) maakt een snelle warmteoverdracht aan het water mogelijk zodat dit relatief snel kan worden afgevoerd.It is essential for the invention that in the part of the heat exchanger, where already largely cooled flue gases have to transfer their (residual) heat to cold inflowing water, the water is passed through at a relatively low speed and the flue gases are forced make frequent and intensive contact with the heated surface, while in the high gas temperature range a large contact surface is offered to the inflowing gases with very high temperature. The large temperature difference (order of magnitude 1100 ° C) allows a rapid heat transfer to the water so that it can be removed relatively quickly.

fv 7 A P A l ** Ά / V ·' V \· !fv 7 A P A l ** Ά / V 'V \!

Claims

1. Light-metal, one-piece heat exchanger element, in particular for a central heating boiler, provided with a substantially flat, box-shaped body (1) in which a water passage (5) extends along an curved path between an inlet (2) and an outlet (3), of varying flow cross-section, the flat side walls (1a, 1b) of the body (1) having projections (6) extending on either side of the body (1) flue gas passages (9) which have a decreasing flow cross-section in the gas flow direction, characterized in that when the heat exchange element is designed as a counter-flow exchange element, the water passage (5) is serpentine or zig-zag shaped is formed with a flow cross-section which decreases so much from the inlet (2) in the low gas temperature area to the outlet (3) in the high gas temperature area that the flow rate at the outlet (3) is greater than at the inlet (2).

Heat exchange element according to claim 1, characterized in that the flow cross section at the inlet (2) is approximately twice as large as at the outlet (3).

Heat exchange element according to claim 1 or 2, characterized in that to form the serpentine or zig-zag shaped water path, baffles (13-17) are arranged in the boiler element (1), the mutual distance of which and the length is such that the flow cross section is reduced with each reversal of the flow direction.

Heat exchanger element with projections (6) extending therein extending the heated surface area along the entire length of the flue gas passages (9), with height decreasing in the gas flow direction, characterized in that the projections are designed as cams C6) arranged in a pattern of laterally staggered rows, the spacing of the cams (6) from the high to the low gas temperature range gradually decreasing.

Heat exchange element according to claim 4, characterized in that the mutual distance of the cams (6) in the high gas temperature range is 2.5 times greater than 5 in the low gas temperature range.

Water heating boiler, provided with a heat exchange element according to one of the preceding claims, characterized in that the boiler element is suitably enclosed on both sides by a substantially U-shaped channel (8) for supplying a flammable gas / air mixture. at the top of a perforated burner plate (B), which is arranged in a burner chamber (10) located above the boiler element, the underside of which is in open communication with the body of the boiler element and the inner wall (7) of flue gas passages (9) enclosed in the gas / air duct (8).

Boiler according to claim 6, characterized in that the burner plate (B) is made of ceramic material. 4% *