DE2111586C3 - Erhitzer für strömende Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Erhitzer für strömende Medien mit einem koaxial angeordneten, mit Primärluft gespeisten Brenner und einem eine Einlaßöffnung für Sekundärluft aufweisenden pilzförmigen Hohlkörper, zwischen denen ein ringförmiger Flammenschlitz gebildet ist, und mit Abgaskanälen in gegenläufigen Richtungen, wobei der pilzförmige Hohlkörper einen Teil der Wandung der Brennkammer bildet.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art liegt der ringförmige Flammenschlitz innerhalb einer Kammer, von welcher etwa senkrecht zur Ebene des ringförmigen Flammenschlitzes die Abgaskanäle ausgehen. Zur gegenläufigen Umlenkung der austretenden Abgase

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sind die freien Enden der Abgaskanäle dann durch eine weitere dem pilzförmigen Hohlkörper gegenüberliegende Kammer verbunden.

Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist es, daß die Strahlungswärme der austretendan ringförmigen Flamme im wesentlichen auf die Kammerwandungen trifft und von diesen aufgenommen wird. Nur ein Teil der Strahlungswärme gelangt noch in den Anfangsbereich der Rohrwandungen. Außerdem wird die aus dem Flammenschlitz austretende glatte und dünnschichtige ringförmige Flamme in der Brennkammer verwirbelt, wodurch der Wirkungsgrad des bekannten Erhitzers weiter verschlechtert wird.

Der Erfindung Jiegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Erhitzer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sein Wirkungsgrad durch Verbesserung der Wärmeübergänge auf die Wandungen der Abgaskanäle erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der ringförmige Flammenschlitz in einen inneren Abgaskanal mit zum Brenner ringförmigen Querschnitt mündet, welcher mit einem ihn konzentrisch umschließenden äußeren Abgask*nal ringförmigen Querschnittes verbunden ist, der an seinem Abzugsende an der Außenwand des pilzförmigen Hohlkörpers verläuft, wobei zwischen den Wandungen der beiden Abgaskanäle und innerhalb des inneren Abgaskanals kommunizierende Medienräume angeordnet sind.

Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß durch die Einmündung des ringförmigen Flammenschlitzes in einen inneren Abgaskanal die Flamme und deren Abgase als dünnschichtige und weitgehend wirbelfreie Strömung erhalten bleibt, die sofort nach ihrem Austritt aus dem Flammenschlitz ihre Strahlungs- und Konvektionswärme an die Medienraumwandungen wirksam abgeben kann, ohne daß Verluste an nicht der Wärmeübertragung dienenden Wandungen auftreten. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber dem bekannten Erhitzer erheblich erhöht

Durch den Anschluß des äußeren Abgaskanals an die Außenwand des pilzförmigen Hohlkörpers, an welcher die bei der erfindungsgemäßen Anordnung noch relativ warmen Abgase entlangströmen, wird außerdem die Vorwärmung der Sekundärluft verbessert und damit der Wirkungsgrad des Erhitzers weiter erhöht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß infolge der direkten Einmündung des ringförmigen Flammenschlitzes in einen inneren Abgaskanal und der konzentrischen Zuordnung des äußeren Abgaskanals zum inneren Abgaskanal und der entsprechenden Anordnung des pilzförmigen Hohlkörpers es zu einer äußerst kompakten Bauweise kommt. Damit ist der erfindungsgemäße Erhitzer besonders gut zum Einbau als Energiequelle geeignet, z. B. zum Betrieb von Turbinen oder Kolbenmotoren sowohl in ortsbeweglichen als auch in ortsfesten Kraftanlagen.

Durch eine genaue Steuerung der Drücke der Sekundär- und der Primärluft kann eine reine Verbrennung und eine hohe Flammentemperatur von etwa 1200⁰C erreicht werden. Da infolge der Anordnung des pilzförmigen Hohlkörpers für die Zuführung der Sekundärluft die vom Brenner herkommende glatte und dünnschichtige ringförmige Flamme beidseitig von mitgerissenen Luftströmen der Sekundärluft umgeben ist, kann eine Überhitzung im Anfangsbereich des Abgaskanals wirksam vermieden werden. Die Temperatur der Luftströme, die die als Wärmetauscherflächen dienenden Wan-

du.)gen der Abgaskanäle bestreichen, kann durch Regeln des Druckverhältnisses zwischen der Sekundär- und der Primärluft optimal eingestellt werden, wobei ein wesentlicher Teil der Wärme durch Strahlung von dem heißen Gasstrom in der Mitte de:. Kanals auf die KP.nalwandungen übertragen wird. Infolge der vollständigen Verbrennung und der wirksamen Wärmeübertragung wird eine erhebliche Ersparnis an Brennstofien erreicht und Luftverunreinigung vermieden. Um die Sekundärluft im letzten Abschnitt ihrer Zufuhr besonders gut aufheizen zu können und um den ringförmigen Flammenschlitz zu bilden, an dessen Kante die Sekundärluft zugeführt wird, ist es vorteilhaft, wenn der pilzförmige Hohlkörper auf seiner dem inneren Abgaskanal zugewandeten Seite mit einem glühfesten, perforierten Schirm versehen ist.

Der erfindungsgemäße Erhitzer kann ak Dampferzeugungsaggregat arbeiten, beispielsweise zur Erzeugung von Wasserdampf zum Betrieb einer Turbine oder einer Heizung. Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Erhitzer als Verdampfer in einer Absorptionskälteanlage einzusetzen. Wenn der erfindungsgemäße Erhitzer als Dampferzeugungsaggregat verwendet werden soll, ist es vorteilhaft, wenn der innere Medienraum durch eine schräggestellte Trennwand mit oberen und unteren Durchlässen in einen Flüssigkeitsraum und einen Dampfraum aufgeteilt ist, da hierdurch ein sehr hoher Druck in dem Dampfr&üm erzielt werden kann. Wird der Erhitzer bei einer Warm-Wasser-Heizungsanlage verwendet, so kann diese Trennwand entfallen.

Der erfindungsgemäße Erhitzer kann als Dampfgenerator in einen geschlossenen Kreislauf mit einer Dampfmaschine und einem dieser zugeordneten Kondensator eingeschaltet werden, von dem aus das Wasser über ein Rückschlagventil, vorzugsweise ein Kugelventil, in den inneren Medienraum zurückgeleitet wird. Eine derartige Anordnung ist insbesondere für mobile Anlagen geeignet, weil der Dampfgenerator unabhängig von verschiedenen Neigungslagen gleich gut arbeitet.

Die spezielle Ausbildung des Erhitzerb macht es außerdem möglich, bei einer Verwendung des Erhitzers als Dampfgenerztors Entlüftungsorgane und Organe zur Regelung des Flüssigkeitsstandes ohne Schwierigkeiten anzubringen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Medienräume sowie die Abgaskanäle im wesentlichen kugelförmig ausgebildet sind, da hierdurch mit sehr hoben inneren Drücken gearbeitet werden kann.

Zweckmäßig ist es weiter, wenn ein Kanal mit Zuleitungen für Brennstoff und Primärluft koaxial im inneren Medienraum angeordnet ist, da auf diese sowohl die Zuleitungen als auch der Brenner leicht zugänglich und auswechselbar angeordnet werden können.

Bei einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Erhitzers in Form eines Heißgasmotors mit zwei in einem Zylinder angeordneten Kolben und einem Kühl- und Regenerativsystem für das Heißgas ist es vorteilhaft, wenn der Zylinder den inneren Medienraum des Erhitzers bildet und vom Kühl- und Regenerativsystem umschlossen ist, welches unterhalb des äußeren Medienraumes angeordnet ist, der durch Kanäle in der inneren Wandung des inneren Abgaskanals mit einem Ende des Zylinders in Verbindung steht. Damit ist der Brenner und die zugehörigen Abgaskanäle im oberen Teil eines Zylindergehäuses und ein Behälter sowie die Kühlorgane für das Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Helium, in der Zylinderwandung angeordnet, wodurch ein sehr gedrungener Heißluftmotor geschaffen wird, in welchem der Brennstoff wirksam ausgenutzt wird, ohne die Atmosphäre zu verunreinigen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispieien in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 im Schnitt eine Ausführungsform des Erhitzers mit einem Brenner mit einem glühfesten perforrierten Schirm,

F i g. 2 im Schnitt eine Ausführungsform des Erhitzers ähnlich F i g. 1 mit einem anderen Brenner,

F i g. 3 im Schnitt eine Ausbildung des Erhitzers in Form eines Heißgasmotors.

Der in F i g. 1 dargestellte Erhitzer hat ein im wesentlichen kugelförmiges Gehäuse, das gegossen oder aus ineinander angebrachten Kugelkörpern aufgebaut sein kann, so daß die zusammengesetzte kugelschalenförmige Wand mit kugeischalenförmigen Abgaskanälen / und J sowie einem kugeischalenförmigen Medienraum B, die das kugelförmige Innere des Gehäuses umgeben, versehen ist. Das Gehäuse ist bei der dargestellten, als Dampfgenerator ausgebildeten Ausführungsform in einen Flüssigkeitsraum E und einen Dampfraum G durch eine schräggestellte Trennwand N aufgeteilt.

Ein zylinderförmiger Kanal Perstreckt sich von dem Boden des Gehäuses durch den Flüssigkeits-Dampfraum empor, wobei an seinem oberen Ende ein öl- oder Gasbrenner Ai angeordnet ist, der durch Zuleitungen 1 und 2 mit Brennstoff und Primärluft versehen wird. Der Brenner M ist mit einem glühfesten, perforierten Schirm 3 versehen, welcher auf seiner einen Seite von Sekundärluft und auf seiner anderen Seite von der Primärluft beaufschlagt wird. Die Luftdrücke werden so geregelt, daß eine kurze, richtungsbestimmte Flamme in einem ringförmigen Flammenschlitz 6 entsteht, der in den inneren Abgaskanal /mit zum Brenner ringförmigen Querschnitt mündet.

Die Sekundärluft wird dem Schirm 3 über eine Leitung 4 und einen pilzförmigen Hohlkörper 5 zugeführt, wobei der äußere Abgaskanal / an seinem Abzugsende an der Außenwand des pilzförmigen Hohlkörper 5 verläuft, so daß der pilzförmige Hohlkörper zur Vorwärmung der Sekundärluft von den Abgasen an seiner Außenwand bestrichen wird. Hierbei werden die Abgase in einer Kammer L umgelenkt. Die Abgase verlassen den Erhitzer durch eine Austrittsleitung /C, die entweder ins Freie oder zu wärmeverbrauchenden Geräten führen kann, die den restlichen Teil der Wärmeenergie im Gasstrom ausnützen können.

Die Trennwand N zwischen dem Flüssigkeitsraum E und dem Dampfraum G liegt mit ihrem inneren Ende in einem Abstand zu der Innenwandung des inneren Medienraumes, so daß ein Durchgang 7 für Dampf gebildet ist. An ihrem unteren Ende ist die Trennwand N mit einem Ablauf 8 zwischen dem Dampfraum G und dem Flüssigkeitsraum E versehen, und im Boden des Flüssigkeitsraumes £ befindet sich außerdem ein Ablauf 9 zur Entleerung dieses Raumes.

Im Dampfraum G kann infolge der kugelförmigen Ausbildung des Gehäuses Dampf mit einem sehr hohen Druck erzeugt werden. Der Dampf wird durch ein Dampfaustrittsrohr H herausgeführt und kann z. B. in einer Dampfturbine oder einer Kolbenmaschine ausgenutzt werden, von wo er nach Abkühlung in einem Kondensator als Wasser durch eine mit einem Kugelventil 10 versehene Rückleitung A in den Medienraum

ß zurückgeführt wird.

Bei seinem Anstieg im kugelschalenförmigen Medienraum B wird dieses Wasser erwärmt, worauf es durch ein Verbindungsrohr Cin den Flüssigkeitsraum E geführt wird. Das Verbindungsrohr C ist mit einem Wasserstandsregler 11 versehen, der Sicherheitskontrollgeräte steuert. Das obere Ende des Verbindungsrohres C bildet eine Entlüftung für den Medienraum B. Die Verbindung zwischen dem Medienraum ßund dem Verbindungsrohr Cist in F i g. 1 gestrichelt angedeutet.

Der zylindrische Kanal P bildet ein Gehäuse, in welchem die Zuleitungen 1 und 2 zum Brenner M angeordnet sind. Das untere Ende des Gehäuses ist mit einem zum Zwecke der Reinigung zu öffnenden Deckel 12 verschlossen.

Die Anordnung nach F i g. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. 1 durch eine andere Ausführungsform des Brenners. Der Brenner ist hier als Vergasungsbrenner für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff ausgebildet und weist einen Topf 13 auf, zu dem der Brennstoff durch die Zuleitung 1 geführt wird, während die Primärluft durch die Zuleitung 2 zugeführt wird. Sekundäre Luft wird durch ein zentrales Rohr 14 zugeführt und durch den pilzförmigen Hohlkörper 5 emporgeleitet, wo sie, wie bei der Anordnung nach F i g. 1, vorgewärmt wird, bevor sie durch den ringförmigen Flammenschlitz 6 austritt. Zuvor wurde sie mit der Primärluft vermischt, welche gleichmäßig verteilt durch Löcher in dem von einem Schirm 16 umgebenden Topf 13 einströmt. Die Brennstoffzuführung zum Topf 13 kann auf bekannte Weise, z. B. mit Hilfe eines Vergasers, geregelt werden. Durch Regeln von Druck und Gegendruck der Primärluft und der Sekundärluft kann auch mit diesem Brenner eine genaue Steuerung der Flamme und des Heißgasstromes im Abgaskanal / erreicht werden.

Wie sich aus den F i g. 1 und 2 ergibt, kann bei beiden Ausführungsformen dem pilzförmigen Hohlkörper 5 entweder von unten (über das Rohr 14) oder von oben (über die Leitung 4) Luft mit Hilfe eines Gebläses zugeführt werden. An Stelle einer kugelförmigen Ausbildung des Erhitzers kann der Erhitzer auch zylinderförmig ausgebildet sein. Ferner kann der äußere Abgaskanal /von einem weiteren dem Medienraum B entsprechenden Raum für die Zuführung eines Wärmeübertragungsmittels umgeben sein.

I ι g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der i.rhitzer in Form eines Heißgasmotors ausgebildet ist.

Der Erhitzer nach F i g. 3 weist einen Brenner M auf der von derselben Art ist wie bei der Anordnung nacr F i g. 1, wobei auch hier ein pilzförmiger Hohlkörper ί und ein glühfester, perforierter Schirm 3 vorgeseher sind, so daß eine richtungsbestimmte Flamme in einerr ringförmigen Flammenschlitz 6 gebildet wird. Primär luft und Brennstoff werden dem Brenner M von dei Seite her durch Rohre 17 und 18 zugeführt. Der heiß« Gasstrom strömt durch den Abgaskanal /, die Umlenk kammer L und den Abgaskanal / im oberen Teil eine; Zylindergehäuses 19 und tritt unter Vorwärmung dei Sekundärluft an der Oberseite des pilzförmigen Hohl körpers 5 aus.

Nach dem von einem Heißluftmotor her bekannter Prinzip wird das Wärmeübertragungsmedium, ζ. Β. He lium, zwischen einer Kühlzone R und einer Heizzom hin- und hergeführt. Die Heizzone ist durch ein durct die Medienräume gebildetes Leitungssystem B ver wirklicht, das aus einem äußeren und einem innerei Kranz von dicht nebeneinander angebrachten Kanäler 20 bzw. 21 besteht, wobei der innere Kanal 20 mit eine inneren Kammer des Zylinders 24 in Verbindung steht.

In der inneren Kammer bewegen sich zwei Kolber

22 und 23 in entgegengesetzten Richtungen aufeinan der zu und treiben einen gemeinsamen Antriebsmecha nismus, indem die Kolbenstange des oberen Kolbens 2; in der hohlen Kolbenstange des Kolbens 23 geführt ist.

Die Kühlzone R steht mit der Kammer des Zylinder:

24 in Verbindung und schließt einen nicht gezeigter

Kühler, z. B. einen Röhrenkühler, ein. Oberhalb de: Kühlers ist ein Wärmeregenerator S, der beispielsweis« aus dünnen Metallplatten bestehen kann, angeordnet Das Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise HeIi um, wird in der Heizzone zwischen den Kanälen 20 unc 21 erwärmt, wenn die Kolben sich aufeinanderzu bewe gen. Dabei wird Helium aus der Kammer durch di< Kühlzone R und den Regenerator 5 in die Heizzont gepreßt, wo ihm Wärme von dem Brenner M unte isothermer Expansion im Zylinderkopf oberhalb de:

Kolbens 22 zugeführt wird. Wenn die Kolben sich wie der voneinander entfernen, wird das erhitzte Helium ir die Kühlzone durch den Regenerator Szurückgepump und gibt Wärme an diesen ab. Es läuft dann weitei durch den Kühler, wonach sich der Vorgang währenc des nächsten Kompressionshubes der Kolben wieder holt. In F i g. 3 sind mit 25 elektrische Verbindungen füi Zünd- und Flammenkontrolle bezeichnet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

^7 21 Patentansprüche:

1. Erhitzer für strömende Medien mit einem koaxial angeordneten, mit Primärluft gespeisten Brenner und einem eine Einlaßöffnung für Sekundärluft aufweisenden pilzförmigen Hohlkörper, zwischen denen ein ringförmiger Flammenschlitz gebildet ist, und mit Abgaskanälen in gegenläufigen Richtungen, wobei der pilzförmige Hohlkörper einen Teil der Wandung der Brennkammer bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Flammenschlitz (6) in einen inneren Abgaskana! (I) mit zum Brenner ringförmigem Querschnitt mündet, welcher mit einem ihn konzentrisch umschließenden äußeren Abgaskanal (J) ringförmigen Querschnittes verbunden ist, der an seinem Abzugsende an der Außenwand des pilzförmigen Hohlkörpers (5) verläuft, wobei zwischen den Wandungen der beiden Abgaskanäle (I, J) und innerhalb des inneren Abgaskanals (I) kommunizierende Medienräume (B, E G) angeordnet sind.

2. Erhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pilzförmige Hohlkörper (5) auf seiner den inneren Abgaskanal f/J zugewandten Seite mit einem glühfesten, perforierten Schirm (3) versehen ist.

3. Erhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Medienraum (E, G) durch eine schräggestellte Trennwand (N) mit oberen und unteren Durchlässen in einen Flüssigkeitsraum (E)\ind einem Dampfraum (G) aufgeteilt ist

4. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Medienräume (B, E G) sowie die Abgaskanäle (!, J) im wesentlichen kugelförmig ausgebildet sind.

5. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (P) mit Zuleitungen (1, 2) für Brennstoff und Primärluft koaxial im inneren Medienraum (E G) angeordnet ist.

6. Erhitzer nach Anspruch 1 in Form eines Hleißgasmotors mit zwei in einem Zylinder angeordneten Kolben und einem Kühl- und Regenerativsystem für das Heißgas, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (24) den inneren Medienraum des Erhitzers bildet und vom Kühl- und Regenerativsystem (R, S) umschlossen ist, welches unterhalb des äußeren Medienraumes (21) angeordnet ist, der durch Kanäle (20) in der inneren Wandung des inneren Abgaskanals (I) mit einem Ende des Zylinders (24) in Verbindung steht.