NO171521B - Straalingskjele for oppvarming av vaesker - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en strålingskj ele for oppvarming av væsker ved forbrenning av en gass/luft-blanding, som angitt i innledningen i krav 1.

Kjeler av denne type er allerede kjent og i betrakt-ning av at størstedelen av den frigjorte varmeenergi overføres ved stråling på varmevekslingsflater i overdelen av den keramiske aktive fylling, blir denne kjele betegnet som strålingskjele. Norsk patentskrift nr. 141867 omhandler en strålingskjele for oppvarming av væske med forbrenning av en homogenisert gass/luft-blanding delvis i et fritt rom og delvis i et rom bestående av to skikt hvor det øvre skikt inneholder keramiske legemer og det nedre skikt består av et mindre kostbart materiale.

Denne strålingskjele har riktignok en høy virkningsgrad, men utnytter imidlertid ikke den latente varme (aggregatvarme) i vanndampen i brenngassen. Dersom også denne latente varme utnyttes, vil kjelens virkningsgrad være enda høyere. Teoretisk vil det riktignok være mulig å nedsette temperaturen av de utstrømmende brenngasser ytterligere ved en betydelig økning av høyden (hhv. lengden) av den aktive fylling, og på den måten oppnå kondenseringen av vanndampen, men i praksis ville denne løsning støte på tallrike vanskeligheter. Ved en økning av høyden av den aktive keramiske fylling ville dens vekt øke, men hovedsakelig ville motstanden mot gasstrømnin-gen stige umåtelig, noe som ville kreve en stor økning av vifteytelsen og motorens effektbehov, slik at den energetiske sluttbalanse ville være passiv. Hittil er det ikke lykkes å oppnå kondensering av vanndampen direkte i selve strålingskjelen uten ytterligere varmevekslingsflater, og forsåvidt som hensikten var å utnytte den latente varme, måtte det anvendes en spesiell innretning enten i kjelen eller utenfor kjelen.

Ved kjente strålingskjeler består den aktive fylling i hele sin høyde av keramisk materiale, som enten er homogent eller i den øvre sone består av et høyverdig materiale og i den nedre sone av et mindreverdig keramisk materiale, f.eks. chamotte. I den øvre del av den keramiske fylling opp-står en meget høy temperatur og der utstråles også den største del av den frigjorte varmeenergi, hvoretter gassene avkjøles i retning nedover, men intensiteten av varmeoverføringen fra den keramiske fylling til varmevekslingsflåtene synker hurtig. Dette er sannsynlig i stor grad forårsaket av at det keramiske materiale i den nedre del av fyllingen til en viss grad danner et varmemagasin som ikke tillater senkning av temperaturen på dette sted.

Den kjente strålingskjele har enda ytterligere ulemper. Den mest tungtveiende blant disse er den overmåte varmebelastning av keramikken ved overoppheting som følge av en utilstrekkelig kjøling. Temperaturen i glødesonen i den aktive fylling kommer'opp i 1600 - 1700° C, slik at de keramiske legemer sammensintres, slik at kanalene som befinner seg mellom dem og gjennomstrømmes av brenngasser ødelegges og motstanden mot gasstrømningen stiger, noe som krever en økning av viftetrykket og motorens ytelsesbehov.

" Dette forhold forverres ytterligere ved kjelens konstruksjon, hvor det mellom varmevekslingsflåtene (rørene)

er forholdsvis store mellomrom, i hvilke det er opphopet altfor mange keramiske legemer som ikke kan utstråle varmen til varmevekslingsflåtene men stråler den til nabolegemene, hvis temperatur så stiger umåtelig under dannelse av glødende kjer-ner, som alt sammen utøver en ugunstig innflytelse på det keramiske materiale som forholdsvis hurtig ødelegges.

Den gassformige brennblanding tilføres ved de kjente strålingskjeler gjennom en fordeler eller brenner anbragt umiddelbart over det øvre nivå av den aktive fylling, slik at fordeleren umiddelbart utsettes for glødingen fra den glødende kjerne, hvilket er en ytterligere ulempe.

Hele den keramiske fyllings tverrsnittsflate er ved de kjente kjeler forholdsvis liten, slik at keramikken yter en betydelig motstand mot gasstrømningen. Konstruksjonen av strålingskjelene hittil tillater ingen regulering av maksi-mumstemperaturene i den aktive fylling, som oppnår en altfor høy verdi.

Formålet med oppfinnelsen er å fjerne de ovenfor nevnte ulemper i en betydelig grad.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av de karakteristiske trekk angitt i den kjennetegnende del av krav 1. Forskjellige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav.

Ved utformingen av kjelen ifølge oppfinnelsen oppnås det at varmeoverføringens intensitet ikke bare er høy i det øvre keramiske sjikt da det er her varmen overveiende over-føres ved stråling, men det er viktig at varmeoverføringen i det nedre sjikt dannet av metallegemer økes sterkt fra den aktive fylling til varmevekslingsflåtene, slik at brenngassene ved gjennomgang gjennom det nedre sjikt avkjøles så raskt at temperaturen synker til under duggpunktet. Som følge av dette kommer det til kondensering av vanndampen som er i brenngassene og frigiving av den latente varme (aggregatvarme),

som på samme måte avgis til varmevekslingsplatene. Denne virk-ning av den aktive fylling med flere sjikt er uventet og over-raskende. Ikke bare at kjelens virkningsgrad økes betydelig, men også at en vanlig strålingskjele omdannes til en kondensa-sjonskjele, uten at utformingen av kjelen krever den minste endring (med unntak av anordning av en samler og utløpsrør for det kondenserte vann). Alt dette skjer i den aktive fylling og i kjelen med vanlig høyde, som det ikke er nødvendig å gjøre større, og videre er det ikke nødvendig å tilføye noen som helst ytterligere varmevekslingsflater for utnyttelse av den latente varme.

En ytterligere stor fordel med oppfinnelsen er at gassenes gjennomgang gjennom en slik utformet aktiv fylling ikke krever noen trykkøkning, dvs. økning av motorens ydelses-behov, slik at den energetiske totalbalanse er høyaktiv.

Dette er bekreftet ved målinger som viste at virkningsgraden for den kjente kjele overgås i stor grad ved uforandret ydelse av viften og motoren.

Som materiale med høy varmeledningsevne for det nedre sjikt kan det anvendes et hvilket som helst metall, og aluminium har vist seg å være godt egnet, fordi dets varmeledningsevne er høy og det er motstandsdyktig mot korrosjon ved det kondenserte vann. Dette materiale kan ha form som vilkår-lig formede legemer, f.eks. kuler, ruller o.l.

Den spesielle utforming av kjelen selv har flere fordeler. Den aktive fylling er jevnt fordelt i arbeidsrommet begrenset av de parallelle vegger, slik at fyllingens legemer ikke noen steder er opphopet, hvorved en lokal overoppheting er utelukket. En opphoping av ikke kjølt keramikk som forekom-mer i kjente kjeler, og fremkaller en overmåte høy temperatur i den aktive fylling er derfor avverget. Den aktive fylling av-kjøles fra begge sider og på den måten mer effektivt enn ved kjente kjeler. En glødende kjerne som fører til sintring av fyllingen kan ikke oppstå, slik at den største vanskelighet ved de kjente kjeler er fjernet.

Ved kjelen ifølge oppfinnelsen er det en fordel at den aktive fylling er fordelt på en forholdsvis stor flate i arbeidsrommet, slik at det da kan anvendes et mye lavere vifte-trykk og derved en vifte med forholdsvis liten effekt og ytelsesbehov fra motoren. Til det bidrar i tillegg det forhold at som følge av lavere maksimaltemperaturer finner det ikke sted noen sintring av de keramiske legemer, slik at kanalene mellom dem forblir uskadd, og selv etter lengre drift av kjelen stiger ikke motstanden mot gasstrømningen. Den stigende motstand danner ved kjente kjeler en tungtveiende ulempe.

Ved sammenligning med kjente kjeler forminskes ved kjelen ifølge oppfinnelsen mengden av den nødvendige keramikk som følge av en bedre romutnyttelse. I den nye kjele er det også et større vanninnhold, slik at denne vannmengde ved et strømbrudd er istand til å absorbere en så stor varmemengde at den forhindrer en koking av væsken. Derfor er det ikke nød-vendig å installere en spesiell sikkerhetsbeholder, fra hvilken det ved strømbrudd automatisk tilføres væske inn i kjelen for å avkjøle kjelen.

En ytterligere fordel med oppfinnelsen er anord-ningen av en brenner eller fordeler forsynt med slisser, som fordeler den antente blanding over hele arbeidsrommets peri-feri. Etter antennelsen stiger blandingsvolumet betydelig, hvorfor det er fordelaktig at keramikken i arbeidsrommet er fordelt på en forholdsvis stor flate, slik at den ekspander-ende brennblanding har mulighet for en fri ekspansjon langs hele periferien. En ytterligere fordel er lagring av fordeleren overfor den øvre kjølte vegg i det indre væskerom, slik at den ligger i skyggen av den kjølte innbygging og ikke er utsatt for den umiddelbare gløding fra den varme keramikk, hvilket er til-felle ved de hittil kjente kjeler. På den måten forenkles dens lagring og dens varighet økes.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjema-tisk vertikalt snitt gjennom en fordelaktig utførelsesform av kjelen, fig. 2 er et-snitt etter linjen A-A hhv. B-B på fig. 1, fig. 3 viser en modifisert utførelsesform av kjelens arbeids-og væskerom, fig. 4 viser en ytterligere utførelsesform,

fig. 5 viser en andre utforming av arbeids-, og væskerommet, fig. 6 viser en ytterligere utførelsesform, og fig. 7 viser i tverrsnitt en utførelse av den nedre del av strålingskjelen.

I kjelen er det anordnet et indre aksialt væskerom

1 som er begrenset av en indre vegg 2 og omgitt av et arbeidsrom 3 begrenset av parallelle vegger, dvs. på innsiden av den indre vegg 2 og på utsiden av en parallelt forløpende midtre vegg 4. I arbeidsrommet 3 er det lagret en aktiv fylling som er inndelt i minst to sjikt, nemlig i et øvre sjikt 5 og et nedre sjikt 6. Det øvre sjikt 5 inneholder et stort antall legemer av et keramisk materiale, fortrinnsvis i form av kuler, ruller e.l., for å tilveiebringe en flammeløs forbrenning, mens det nedre sjikt 6 inneholder et materiale med høy varmeledningsevne, f.eks. legemer av aluminium eller et annet korro-sjonsfast materiale, likeledes i form av kuler, ruller e.l. Arbeidsrommet 3 er omgitt av et ytre væskerom 7 som er begrenset av en ytre vegg 8, hvor sistnevnte er omsluttet av en ikke vist isolerende mantel.

Væsken tilføres ved den nedre ende av kjelen gjennom et tilførselsrør 9 og en innløpskanal 10, som i det viste eksempel fører inn i både det ytre væskerom 7 og inn i det indre væskerom 1, som er forbundet med hverandre gjennom denne innløpskanal 10. På den øvre ende av kjelen fører en utløps-kanal 11 ut av det indre væskerom 1 inn i det ytre væskerom 7 og herfra strømmer væsken ut gjennom en utløpsledning 12. Ut-løpet fra kanalen 10 inn i de to væskerom 1 og 7 skjer hensikts-messig gjennom tangentialt rettede utløpsåpninger 13, som vist på fig. 2, idet væsken i de to væskerom 1 og 7 gis en rotasjons-bevegelse. Innløpskanalen 10 hhv. dens utløpsåpninger 13 og ut-løpskanalen 11 er avpasset på en slik måte at væskens tempera-turer er tilnærmet lik ved utløpet såvel fra det indre væskerom 1 som fra det ytre væskerom 7.

Som vist er de to væskerom 1 og 7 parallellkoblet, dvs. væsken strømmer i begge væskerom nedenfra og oppover. I

en modifisert utførelse kan hvert væskerom 1 såvel som 7 ha sin egen innløpskanal og utløpskanal, slik at væsken kan tas ut av hvert væskerom (f.eks. med forskjellig temperatur).

Brennblandingen tilføres ovenfra gjennom en ikke vist rørledning, og kommer inn i en fordeler 14. I det viste eksempel er fordeleren 14 utformet som et legeme som rager inn i det indre av kjelen, hvor legemet i sin sidemantel har et system av langsgående slisser 15. Fordelerens 14 endevegg 16

er utført hel. Som vist på fig. 1 ligger fordeleren 14 overfor den øvre kjølte vegg 17 av det indre væskerom 1, slik at den er beskyttet nedenfra mot den direkte gløding.

I den nedre ende er arbeidsrommet 3 stengt med en rist 18 til hvilken brenngassenes utløp 19 er tilsluttet.

På fig. 2 vises innløpskanalen 10 og utløpskanalen

11 i vinkelforskjøvne stillinger, men imidlertid er det klart at de kan være forskjøvet i det samme loddrette plan eller mot hverandre på en annen måte. Den antente brennblanding kommer ut av fordeleren 14 inn i arbeidsrommet 3, i hvis øvre tomme rom 23 det kan brenne fritt. Deretter kommer den brennende blanding inn i det øvre sjikt 5 av den aktive fylling, hvor det skjer en flammeløs forbrenning og det utvikles en høy temperatur. Her utstråles den største del av varmeenergien til varmevekslingsflåtene 2, 4. Temperaturen i den keramiske fylling synkes i retning nedover, og i området ved overgangsflaten 20, hvor det øvre sjikt 5 er i berøring med det nedre sjikt 6, er gassene allerede så mye avkjølt at varmeoverføringen ved deres videre strømning nedover ville være lite virksom ved stråling til varmeveks-lingsf laten 2, 4. Fra overgangsflaten 20 nedover overtar derfor det nedre sjikt 6 dannet av metallegemer oppgaven med varmeavgivelsen. Som allerede vist skjer det i dette sjikt en intensiv varmeavgivelse til varmevekslingsflåtene 2, 4 slik at brenngassene avkjøles under duggpunktet og vanndampen i brenngassene kondenseres. Det kondenserte vann strømmer nedover og føres bort fra strømmen av brenngassene ved hjelp av en samler 21 og strømmer ned gjennom et utløpsrør 22.

I en ytterligere utforming av oppfinnelsen kan det mellom det øvre sjikt 5 og det nedre sjikt 6 av den aktive fylling innlegges minst ett mellomsjikt av et materiale med høy varmemotstandsevne og samtidig høy varmeledningsevne f.eks. metallkeramikk, som - dersom det ønskes - kan danne hele det nedre sjikt 6.

Kjelen ifølge oppfinnelsen er særlig bestemt for oppvarming av vann for sentralvarmeanlegg, for tilberedning av varmt nyttevann såvel som for oppvarming av andre væsker, og er egnet for takkjelerom med hensyn til dens forholdsvis lave vekt. Oppfinnelsen kan imidlertid også anvendes ved kjeler med en annen byggemåte, f.eks. ved slike som i kjelelegemet har et sammenhengende sjikt av legemer, dvs. ikke inneholder noe indre væskerom, eller ved kjeler med en rørmantel, med en innbygging eller uten den.

Undersøkelser har vist at strålingskjelen ifølge oppfinnelsen har en langt høyere virkningsgrad enn de kjente sammenlignbare strålingskjeier, noe som på den ene side kan til-skrives utnyttelsen av den latente varme, og på den andre side den mer hensiktsmessige byggemåte i sin helhet. Også det nød-vendige ytelsesbehov for elektrisk strøm er lavere, da det er tilstrekkelig med en vifte med mindre ytelse. Det er også viktig at den nye kjele har en lavere vekt og at dens fremstil-ling krever mindre.

Den beskrevne kjele i utførelseseksemplet har et sirkelformet tverrsnitt, hvor arbeidsrommet som inneholder fyl-linger med flere sjikt har et ringformet tverrsnitt. Selv om denne utførelsesform er fordelaktig, er oppfinnelsen ikke på noen måte begrenset til denne form og det kan også velges andre tverrsnitts former.

Noen eksempler på slike anordninger er vist skjema-tisk på fig. 3-6.

Fig. 3 viser arbeidsrommet 3, indre væskerom 1 og ytre væskerom 7 med rettvinklet tverrsnitt. Arbeidsrommet 3

er, på lignende måte som ved utførelsesformen ifølge fig. 1 og 2, forsynt med fyllingen med flere sjikt ifølge oppfinnelsen.

Fig. 4 viser et annet eksempel hvor det indre væskerom ikke forefinnes, da arbeidsrommets 3 bredde er tilmålt slik at ved den aktuelle ytelse av kjelen er væsken som er i det ytre væskerom 7 tilstrekkelig for kjøling av fyllingen med flere sjikt. Fig. 5 viser en ytterligere tverrsnittsform av arbeidsrommet som har utforming som en stjerne 24, hvis ben dannes ved hjelp av vegger parallelle med hverandre. Det vil være klart at antallet av ben i stjernen 24 kan velges etter ønske. Fig. 6 viser et arbeidsrom beregnet for mottak av fyllingen med flere sjikt ifølge oppfinnelsen, hvor arbeidsrommet er dannet av et rør 25. Alt etter den ytelse som for-langes av kjelen kan det anvendes flere rør 25. Fig. 7 viser et tverrsnitt av en endret utførelse av strålingskjelens underdel som inneholder det nedre sjikt 6. Både den indre vegg 2 som begrenser arbeidsrommet 3 og den midtre vegg 4 er forsynt med ribber 26 ragende inn i arbeidsrommet 3. Temperaturen som råder i det nedre sjikt 6 er allerede så lav at en avbrenning av ribbene ikke finner sted.

Kjelen er forsynt med de vanlige styreorganer, sik-kerhets- og signaliseringsinnretninger, og tilsluttes på vanlig måte til gass- og vannledningen såvel som til varmesystemet eller en annen forbruker.

Claims (5)

1. Stråli ngskjele for oppvarmarming av væsker ved forbrenning av en gass/luft-blanding, med a) et aktivt reaksjonsrom (3) som gjennomstrømmes av gass/luft-blandingen, b) et væskerom (1, 7) som gjennomstrømmes av væsken i mot-strømmsretning i forhold til strømningsretningen for gass/ luft-blandingen, c) en fylling som er anordnet i reaksjonsrommet (3) og inneholder minst to fyllingsskjikt, idet et øvre fyllingssjikt (5) for flammeløs forbrenning består av legemer med en høy temperaturbestandighet, og et nedre fyllingssjikt (6) består av legemer med en høy varmeledningsevne, d) et øvre fritt rom (23) beliggende over reaksjonsrommet (3), KARAKTERISERT VED at e) det øvre fyllingssjikt (5) er dannet av keramiske legemer, og det nedre fyllingssjikt (6) er særlig dannet av metall-legemer for bortføring av kondensasjonsvarmen fra gass/luft-blandingen ved den flytende fase, f) det er anordnet en blandingsfordeler (14) for homogen for-deling av gass/luf t-blandingen i det øvre frie rom (23) og på den måten i reaksjonsrommet (3) og g) det er anordnet en innløpskanal (10) for de to væskerom (1, 7) med utløpsåpninger (13) og en felles utløpskanal (12).

2. Strålingskjele ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at blandingsfordeleren (14) ligger an mot en øvre kjølt vegg (17) av det indre væskerom (1), og er stengt i enden med en vegg (16).

3. Strålingskjele ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at innløpskanalen (10) er forsynt med tangentialt rettede utløpsåpninger (13), hvis tverrsnitt i det indre væskerom (1) og ytre væskerom (7) er avpasset på en slik måte at temperaturene av væskene som kommer ut av disse væskerom (1, 7) er de samme.

4. Strålingskjele ifølge krav 1-3, KARAKTERISERT VED at såvel det indre væskerom (1) som det ytre væskerom (7) er forsynt med en egen innløpskanal og utløpskanal.

5. Strålingskjele ifølge krav 1-4, KARAKTERISERT VED at det mellom det øvre fyllingssjikt (5) og det nedre fyllingssjikt (6) av fyllingen er innlagt minst et mellomsjikt av et materiale med høy varmemotstandsevne og samtidig høy varmeledningsevne, f.eks. metallkeramikk.