Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer mit einer Wärmetauscheinrichtung für mindestens eine Flüssigkeit.
Sie betrifft weiter einen Kessel zum Erwärmen mindestens einer Flüssigkeit mit einer Brennkammer und einer Wärmetauscheinrichtung für die mindestens eine Flüssigkeit und mit einer Wanne zur Aufnahme eines entschwefelnden Absorbtionsbades mit einer mit dem Rauchgasaustritt in Verbindung stehenden Dispergatorvorrichtung, die dazu dient, das Rauchgas im Absorbtionsbad zu dispergieren, und mit einem Abgasaustritt für das im Absorbtionsbad gereinigte und entschwefelte Gas.
An Brennkammern mit einer Wärmetauscheinrichtung für Flüssigkeiten wird allgemein die Forderung nach einem hohen Wirkungsgrad gestellt, um den Brennstoffverbrauch niedrig zu halten. Weiter besteht das Bedürfnis, die für einen gegebenen Betrieb entstehenden Temperaturen in solchen Anlagen möglichst tief zu halten, so dass an die Warmfestigkeit der zu verwendenden Materialien nicht extrem hohe, die Anlagen verteuernde, Forderungen gestellt werden müssen.
Es ist bereits eine Brennkammer mit einer Flüssigkeits-Wärmetauscheinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art bekannt (BE, A,523 234). Der innerhalb der Brennkammer zwischen dem Feuerraum und dem den Rauchgasaustritt bildenden Rohrstutzen angeordnete Wärmetauscher schliesst den Feuerraum vollständig ab und ist lediglich von einigen Rohrstücken durchsetzt, durch welche die Rauchgase strömen. Dieser Wärmetauscher bildet ein erhebliches Strömungshindernis für die Rauchgase, so dass mit einem Ersticken der Feuerung gerechnet werden muss. Weiter, weil der Wärmetauscher nur von einigen Rauchgasrohren durchsetzt ist, ist sein Wirkungsgrad bezüglich dem Wärmetausch zwischen den Rauchgasen und dem zu erwärmenden Wasser äusserst schlecht.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Brennkammer mit einer Flüssigkeits-Wärmetauscheinrichtung zu schaffen, bei welcher ein Wärmetauscher linsenförmig ausgebildet ist und senkrecht zur Längsmittelachse des Rohrstutzens steht, welcher Wärmetauscher allseitig einen Abstand vom zweiten Wärmetauscher aufweist, um vom Rauchgas vollständig umströmt zu werden.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass der Strömung der Rauchgase ein kleinstmöglicher Widerstand entgegengesetzt und gleichzeitig ein grösstmöglicher Wärmeübergang vom Rauchgas zum zu erhitzenden Wasser im Wärmetauscher sichergestellt ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Kessel, der einen Zulaufanschluss 1 für Heizwasser aufweist.
Weiter sind in der Figur 1 die Brenner-Einrichtung 3 einschliesslich einer Brennkammer 4 gezeichnet.
Der Heizkessel weist eine Wanne 6 auf, in welcher ein Absorptionsbad enthalten ist, welches ein Entschwefelungsmittel, z.B. CaCo₃ enthalten kann. Das in der Brennkammer 4 erzeugte Rauchgas strömt durch einen Rauchgasaustritt 5 in ein Rohr 27, um in das in der Wanne 6 vorhandene Absorptionsbad geleitet zu werden. Beim unteren Ende des Rohres 27 ist eine Dispergatorvorrichtung 7 vorhanden, welche dazu dient, das Rauchgas im Absorbtionsbad fein zu verteilen. Diese Dispergatorvorrichtung 7 ist von einem Elektromotor 28 über eine Welle 29 angetrieben. Solche Anordnungen sind bekannt und deshalb erübrigt sich eine weiter ins Einzelne gehende Beschreibung. Das Rauchgas wird im Absorbtionsbad gereinigt, wobei insbesondere der Schwefel absorbiert wird, und strömt schlussendlich durch den Abgasaustritt 8 aus dem Kessel hinaus. Im Abgasaustritt 8 ist weiter ein Kondensator 26 angeordnet. Das sich hier bildende Kondensat strömt bzw. tropft in die Wanne 6 zurück.
Das vom Zulaufanschluss 1 herströmende Heizwasser strömt durch den Kondensator und weiter durch eine Heizschlange 9 und danach zur Brennkammer. Das Absorptionsbad ist ein durch die Rauchgase zur Kesselsollwert-Temperatur erhitztes Wasserbad. Entsprechend wird die Flüssigkeit, welche die Heizschlange 9 durchströmt, erhitzt, wobei bei dieser Ausführung die Austrittstemperatur des Heizwassers nach dem Wasserbad unter der Kesselbadsollwert-Temperatur liegt.
Es wird nun insbesondere auf die Figuren 2 und 3 hingewiesen. Die Brenner-Einrichtung weist eine Brennkammer 4 mit ihrer Brennkammerwand 16 auf. Innerhalb und ausserhalb dieser Brennkammer 4 sind zwei zusammen eine Wärmetauscheinrichtung bildende Wärmetauscher wie folgt vorhanden.
Der erste Wärmetauscher 17 weist einen linsenförmigen Wärmetauschkörper auf, der senkrecht stehend angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher 12 liegt unmittelbar ausserhalb der Brennkammerwand 16. Er ist ein napfförmiger Körper, wobei seine Innenwand durch die Brennkammerwand 16 und seine Aussenwand durch einen die Brennkammerwand 16 umgebenden Mantel 18 gebildet ist. Der zu erwärmende Flüssigkeitsstrom fliesst beim zweiten Wärmetauscher 12 somit im Raum zwischen der Aussenseite der Brennkammerwand 16 und dem diese umgebenden Mantel 18.
Die Heizschlange 9 für Heizwasser (siehe Figur 1) ist mit einem Anschluss 23 (siehe Figur 2) verbunden.
Aus der Figur 2 ist ersichtlich, dass der Heizwasser-Anschluss 23 sowohl für den ersten 17, als auch für den zweiten Wärmetauscher 12 bestimmt ist. Dabei führt vom zweiten Wärmetauscher 12 ein kurzes Rohrstück 25, siehe auch Figur 3, zum ersten Wärmetauscher 17. Es ist somit ersichtlich, dass das zu erhitzende Wasser teilweise in zwei parallele Strömungswege aufgeteilt ist. Die Brennkammerwand 16 überträgt die Wärme an das den zweiten Wärmetauscher 12 durchströmende Wasser. Umgekehrt lässt sich auch aussagen, dass das den zweiten Wärmetauscher 12 durchströmende Wasser die Brennkammerwand 16 kühlt. Das aus dem ersten Wärmetauscher 17 ausströmende Wasser strömt durch ein weiteres Rohrstück 30 zurück in den zweiten Wärmetauscher und die gesamte Heizwassermenge schliesslich gegen den Vorlaufanschluss 14. Zum Verhindern, dass eine direkte Strömung vom Anschluss 23 zum Anschluss 14 stattfindet, ist im zweiten Wärmetauscher 12 ein Trennblech 34 angeordnet, das in der Figur 2 strichliniert und in der Figur 3 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt ist. Die Bezugsziffer 32 in Figur 1 bezeichnet schliesslich die Heizwasserpumpe.
Der Rauchgasaustritt 5 ist ein Rohrstutzen 19, der den Bodenabschnitt 20 des napfförmigen zweiten Wärmetauschers 12 durchsetzt und mit dem Rohr 27 in Verbindung steht, durch welches, wie eingangs erwähnt, das Rauchgas in das Wasserbad zur Reinigung, Entschwefelung und Neutralisation geleitet wird.
Die durch das Wasserbad in der Wanne 6 geführten Rauchgase, also bei der Verbrennung entstehenden heissen Gase, erwärmen das Wasserbad zur jeweiligen Kesseltemperatur, so dass seinerseits das die Heizschlange 9 durchströmende Wasser erwärmt wird. Da das Heizwasser erst nach diesem im Wasserbad stattfindenden Wärmetausch die Wärmetauscheinrichtung bei der Brennkammer 4 durchströmt, lassen sich vorteilhaft einerseits niedrige Kesseltemperaturen und andererseits trotzdem hohe Vorlauftemperaturen erreichen. Die unmittelbare Berührung zwischen den heissen Gasen und dem Wasserbad in der Wanne 6 erlaubt offensichtlich einen nahezu optimalen Wärmeübergang. In den Wärmetauschern bei der Brennkammer 4 wird die Temperatur weiter erhöht. Trotz den hohen Heizwassertemperaturen liegt aufgrund des Wasserbades die Austrittstemperatur des durch den Kamin 8 ausströmenden Gases nach dem Kondensator 26 nur 2° - 5° höher als die Kessel-Sollwerttemperatur. Als Kamin kann ein Kunststoffrohr verwendet werden.
Die Figuren 4, 5 a und 5 b zeigen eine weitere Ausführung des in der Brennkammer 4 angeordneten ersten Wärmetauschers, der in diesen Figuren mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet ist. Alle Teile der Figuren 4, 5 a und 5 b, welche denjenigen der Figuren 2 und 3 entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht nochmals beschrieben.
Diese Ausführung des ersten Wärmetauschers 11 weist einen doppelwandigen, napfförmigen Wärmetauschkörper auf, dessen Wände mindestens annähernd parallel zu und in einem Abstand von der Brennkammerwand 16 verlaufen. Beim Bereich des gemeinsamen Heizwasser-Anschlusses 23 für den ersten Wärmetauscher 11 und den zweiten Wärmetauscher 12 ist ein Rohrstück 25 angeordnet, welches vom zweiten Wärmetauscher 12 zum ersten Wärmetauscher 11 führt, so dass auch in dieser Ausführung zwei parallele Strömungswege vorhanden sind. Das aus dem ersten Wärmetauscher 11 ausströmende Wasser strömt durch ein weiteres Rohrstück 30 zurück zum zweiten Wärmetauscher 12 und gegen den gemeinsamen Austritt, d.h. Vorlaufanschluss 14. Im ersten Wärmetauscher 11 ist ein weiteres Trennblech 31, siehe auch Figur 5 b, angeordnet, um eine direkte Strömung von der Anschlussstelle des Rohrstückes 25 des ersten Wärmetauschers 11 zur Anschlussstelle des Rohrstückes 30 zu verhindern und damit zum Sicherstellen, dass die Strömung gezwungen ist, den gesamten ersten Wärmetauscher 11 zu durchströmen.
Die Figur 6 zeigt nun einen Schnitt durch einen Kessel, der einen Zulaufanschluss 1 für Heizwasser und einen Zulaufanschluss 2 für Warmwasser aufweist. Während diese beispielsweise Ausführung der Erfindung zur Erzeugung von Heizwasser und Warmwasser geeignet ist, sei festgehalten, dass diese Verwendung nur ein mögliches Beispiel ist, wobei es lediglich von Wichtigkeit ist, dass zwei Flüssigkeiten zu unterschiedlichen Temperaturen erwärmt werden. Im Falle von Heizwasser und Warmwasser ist das Heizwasser diejenige Flüssigkeit mit der höheren Temperatur.
Der Kessel ist wieder derart aufgebaut wie in den vorgehenden Ausführungen beschrieben.
Das vom Zulaufanschluss 1 herströmende Heizwasser strömt wieder durch den Kondensator und dann durch die Heizschlange 9 und danach zur Brennkammer, und das Warmwasser strömt vom Zulaufanschluss 2 durch die Heizschlange 10 ebenfalls zur Brennkammer. Das Absorbtionsbad ist ein durch die Rauchgase zur Kesselsollwert-Temperatur erhitztes Wasserbad. Entsprechend werden die zwei Flüssigkeiten, welche die Heizschlange 9 und die Heizschlange 10 durchströmen, erhitzt, wobei bei dieser Ausführung die Austrittstemperatur des Heizwassers und des Warmwassers nach dem Wasserbad unter der Kesselbadsollwert-Temperatur liegt.
Es wird nun insbesondere auf die Figuren 7 und 8 hingewiesen. Die Wärmetauscheinrichtung weist eine Brennkammer 4 mit ihrer Brennkammerwand 16 auf. Innerhalb und ausserhalb dieser Brennkammer 4 sind drei zusammen die Wärmetauscheinrichtung bildende Wärmetauscher wie folgt vorhanden:
Der erste Wärmetauscher 17 weist einen linsenförmigen Wärmetauschkörper 17 auf, der senkrecht stehend angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher 12 liegt unmittelbar ausserhalb der Brennkammerwand 16. Er ist ein napfförmiger Körper, wobei seine Innenwand durch die Brennkammerwand 16 und seine Aussenwand durch einen die Brennkammerwand 16 umgebenden Mantel 18 gebildet ist. Der zu erwärmende Flüssigkeitsstrom fliesst beim zweiten Wärmetauscher 12 somit im Raum zwischen der Aussenseite der Brennkammerwand 16 und dem diese umgebenden Mantel 18. Der dritte Wärmetauscher 13 umhüllt den zweiten Wärmetauscher 12. Die Innenwand des dritten Wärmetauschers 13 ist vom Mantel 18 des zweiten Wärmetauschers 12, und die Aussenwand des dritten Wärmetauschers 13 von einem weiteren Mantel 21 gebildet, der wieder ungefähr parallel zum Mantel 18 verläuft. Die zu erwärmende Flüssigkeit strömt somit zwischen den Mantel 18 und den Mantel 21.
Die Heizschlange 9 für Heizwasser (siehe Figur 1) ist mit einem Anschluss 23 (siehe Figur 2) verbunden. Die Heizschlange 10 für das Brauchwasser ist mit dem Anschluss 24 verbunden.
Aus der Figur 7 ist wieder ersichtlich, dass der Heizwasser-Anschluss 23 sowohl zum ersten Wärmetauscher 17, als auch zum zweiten Wärmetauscher 12 führt. Dabei führt vom Anschluss 23 ein kurzes Rohrstück 25 zum ersten Wärmetauscher 17. Es ist somit ersichtlich, dass das zu erhitzende Heizwasser in zwei parallele Strömungswege aufgeteilt ist, wobei die Erwärmung im ersten Wärmetauscher 17 höher ist als die Erwärmung im zweiten Wärmetauscher 12, d.h. die Brennkammerwand 16 überträgt die Wärme an das den zweiten Wärmetauscher 12 durchströmende Wasser. Umgekehrt lässt sich auch sagen, dass das den zweiten Wärmetauscher 12 durchströmende Wasser die Brennkammerwand 16 kühlt. Das aus dem ersten Wärmetauscher 17 ausströmende Wasser strömt durch ein weiteres Rohrstück 30 zurück in den zweiten Wärmetauscher 12. Dort mischen sich die zwei Wasserströme zusammen und strömen zu dem Vorlaufanschluss 14. Zum Verhindern, dass eine direkte Strömung vom Anschluss 23 zum Anschluss 14 stattfindet, ist im zweiten Wärmetauscher 12 ein Trennblech 34 angeordnet, das in der Figur 7 strichliniert und in der Figur 8 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt ist.
Das von der Heizschlange 10 für Warmwasser durch den Anschluss 24 in den dritten Wärmetauschkörper 13 strömende Wasser wird über den Mantel 18 erwärmt, bzw. findet der Wärmeübergang vom Heizwasser des zweiten Wärmetauschers 12 zum Warmwasser des dritten Wärmetauschers 13 zur Erwärmung des Letzteren statt. Das Warmwasser durchströmt den dritten Wärmetauscher 13, um beim Vorlaufanschluss 15 (siehe Figuren 6 und 7) auszutreten. Die Bezugsziffer 32 bezeichnet die Heizwasserpumpe und die Bezugsziffer 33 die Warmwasserpumpe.
Der Rauchgasaustritt 5, also der Rohrstutzen 19, durchsetzt den Bodenabschnitt 22 des napfförmigen dritten Wärmetauschers 13 und steht mit dem Rohr 27 in Verbindung, durch welches, wie eingangs erwähnt, das Rauchgas in das Wasserbad zur Reinigung, Entschwefelung und Neutralisation geleitet wird.
Die durch das Wasserbad in der Wanne 6 geführten Rauchgase, also bei der Verbrennung entstehenden heissen Gase, erwärmen das Wasserbad zur jeweiligen Kesseltemperatur, so dass seinerseits das die Heizschlangen 9 und 10 durchströmende Wasser erwärmt wird. Da das Heizwasser und das Warmwasser erst nach diesem im Wasserbad stattfindenden Wärmetausch die Wärmetauscheinrichtung bei der Brennkammer 4 durchströmen, lassen sich vorteilhaft einerseits niedrige Kesseltemperaturen und andererseits trotzdem hohe Vorlauftemperaturen erreichen.Die unmittelbare Berührung zwischen den heissen Gasen und dem Wasserbad in der Wanne 6 erlaubt offensichtlich einen nahezu optimalen Wärmeübergang. In den Wärmetauschern bei der Brennkammer 4 wird die Temperatur weiter erhöht. Dabei ist der dritte Wärmetauscher 13 für das Warmwasser derart bemessen, dass das Warmwasser wohl eine höhere Temperatur als die Kesselsollwert-Temperatur aufweist, wobei jedoch die Warmwasser-Temperatur beim Vorlaufanschluss 15 relativ zur Verkalkungs-Temperatur von Wasser vermindert ist. Weiter hat die gezeigte Ausführung den Vorteil, dass bei der Warmwasseraufbereitung kaum Bakterien vom Stamme der Legionella-Pneumophilia (Legionärskrankheit) entstehen können. Trotz der hohen Heizwasseraustritts-Temperatur und Warmwasseraustritts-Temperatur liegt aufgrund des Wasserbades die Austrittstemperatur des durch den Kamin 8 ausströmenden Gases nach dem Kondensator nur 2° - 5° höher als die Kesselsollwert-Temperatur. Als Kamin kann ein Kunststoffrohr verwendet werden.