DE2940729A1

DE2940729A1 - Waermeaustauschvorrichtung mit hohem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE2940729A1
Application number: DE19792940729
Authority: DE
Inventors: Andrew Konnerth; George C Terrell
Original assignee: MOLTEN SALT SYSTEMS Inc
Current assignee: Conservation Technologies Inc Pawtucket Ri
Priority date: 1978-10-16
Filing date: 1979-10-08
Publication date: 1980-04-30
Also published as: US4232634A; GB2034444A; JPS5575154A; FR2439363A1

Description

Wärmeaustauschvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad

Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauschvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Ofen, einen Heißwasserbereiter oder ähnliches, der die Wärme von einem brennenden Brennstoff auf ein Arbeitsfluid, das in einer Leitung enthalten ist, abgibt. Das Arbeitsfluid kann Luft, Wasser, Öl, Sole oder jedes andere geeignete Fluid sein. Dementsprechend kann die Erfindung als Ofen oder Heißwasserversorgung für Haushaitszwecke dienen, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt,sondern hat vielmehr eine Anwendungsrnöf;.l ichkeit für eine Vielzahl von Wärmeaustauschanwendungen.

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Bekannte Vorrichtungen dieser Art besitzen üblicherweise eine Verbrennungskammer,um die herum oder durch die Leitungen führen, so daß das Arbeitsfluid durch die Leitungen geführt werden kann, um Wärme aus der Verbrennungskammer oder von deren Wänden aufzunehmen. Da die Wärme durch die Wände der Leitungen proportional zu dem Temperaturgradienten verläuft, ist es wünschenswert, eine Maximaltemperatur an der Leitungsfläche neben der Verbrennungskammer zu haben, so daß die Wärme möglichst schnell durch das Arbeitsfluid abgeführt werden kann. Üblicherweise umfassen Wärmeaustausch-Leitungen in Öfen oder Heißwasserbereitern dieser Art Metallkammern, Rohre und ähnliches, die, wenn sie einer konstanten Hitze in Gegenwart von Sauerstoff und Verbrennungsprodukten unterworfen sind, schnell oxydieren und sich in ihrer Wirkung verschlechtern, insbesondere, wenn sie mit dem Teil der Flamme in Berührung stehen, der die höchsten Temperaturen aufweist, d. h. mit der Spitze des inneren Reduktionskegels der Flamme. Es wurde herausgefunden, daß beim Verbrennen von gasförmigen Kohlenwasserstoffen wie zum Beispiel Erdgas die Temperatur etwa 1.590 K erreicht. Bei derartigen Temperaturen tritt eine schnelle Oxydation der Wimiejustauschleitungen auf, und das verhindert die Ausnutzung eines maximalen Temperaturgradienten, was eine maximale Wänneaustauschrate bei den Leitungsoberflächen ergeben würde. Dementsprechend wird ein direkter Flammonkontakt mit derartigen Leitungsflächen vermieden außer bei industriellen Anwendungen, bei denen sehr teure, korrosionsfeste Legierungen wie zum Beispiel Inconel oder Hastalloy verwendet werden können.

Ein weiteres Phänomen, das die Verwendung eines direkten Flammen· auftreffens auf die Leitungen mit dem Arbeitsfluid in Wärmeaustausch-Einheiten oben beschriebener Art verhindert, ist, daß das Auftreten von sehr viel kühlerem Arbeitsfluid innerhalb der Leitung dazu führt, daß die Temperatur der Flamme verringert wird, so daß die Gase in der Gegend der höchsten Flammentemporatur der Flamme eine zusätzliche Verweilzeit für den vollständigen Verbrennungsprozeß benötigen. Mit anderen Worten führt die kontinuierliche Bewegung des Arbeitsfluids durch die Leitung zu einem Abkühlen und dementsprechend zu einer

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Veilangsamung der Verbrennungsreaktxon,

Ein übliches konstruktives Merkmal von Erwärraern nach dem Stand der Technik ist, daß sie durch Konvektionen betrieben werden, d. h. der Auftrieb der erwärmten Verbrennungsgase führt dazu, daß sie nach oben steigen, wodurch wiederum frische Verbrennungsluft in den Flammenbereich eintreten kann, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten. Eine genaue Steuerung des Verbrennungs-Luftvolumens, das verwendet wird, ist auf diese Weise nicht möglich. Allgemein gesagt werden Systeme dieser Art intermittierend betrieben, d. h., Gase werden bei Abgabe eines Signals verbrannt, das auftritt, wenn das Arbeitsfluid unter einen vorbestimmten Temperaturwert abfällt, und die Verbrennung wird unterbrochen, wenn die Temperatur den gewünschten Wert erreicht hat. Wenn dementsprechend Brennstoff nicht verbrannt wird, zieht die Konvektionierwärmte Luft aus der Verbrennungskammer, und die

Wärme tritt durch den Verbrennungsausgang in die Atmosphäre aus. Dieser Wärmeverlust von den Wänden der Verbrennungskammer und anderen Teilen der Anlage während der Abstellzeit derartiger Vorrichtungen verringert den Wirkungsgrad des Gesamtsystems .

Denventsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Vorteil des maximal möglichen Temperaturgradienten auszunutzen, um eine hohe Wärmeübergangsrate zu erhalten, während die oben erwähnten Kachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gehäuse, ein erstes Wärmeaustausch-Leitungssystem in dem Gehäuse, das die untere Begrenzung einer direkt darüber angeordneten Verbrennungskammer darstellt, ein zweites Wärmeaustausch-Leitungssystem in dem Gehäuse oberhalb des ersten Leitungssystems, wobei die Einzelleitungen aufweisenden Leitungssysteme voneinander durch Leitliloclie getrennt sind, die erste Labyrintlidtirchg.'inge bilden, Vorrichtungen, die ein ArboitsTluid durch die Leitungen strömen .lassen, damit das Fluid sich erwärmen kann, Vorrichtungen zum Einführen und Verbrennen eines Kohlenwasserstoff—Brennstoff in

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die Verbrennungskammer und zur Ausrichtung der Flamme nach unten zum Wärmeaustausch-Leitungssystem, eine Vorrichtung zum Ausbringen der Verbrennungsgase nach außen und eine Vorrichtung zur Erzeugung einos Druckgradienten in dem Gehäuse von oben nach unten, wodurch die Verbrennungsgase vor ihrem Ausströmen aus dem Gehäuse nach unten über und unter die Leitungssysteme gerichtet werden.

Das Gehäuse besitzt also zumindest ein erstes Wärmeaustauschsystem, das den unteren Teil einer Verbrennungskammer bildet, die direkt darüber angeordnet ist. Die obere Fläche dieses Leitungssysteins trägt eine Leitung mit einem Arbeitsfluid oder schließt diese ein. Ein Flußrichtungssystem wird in der Verbrennungskammer durch das räumliche Verhältnis dos Brenners relativ zum Punkt des niedrigsten Drucks erzeugt, so daß die Strömung der Wärmeverbrennungsgase tangential zu den Arbeitsfluidleitungen liegt. Dieser tangentiale Fluß ermöglicht ein physikalisch optimales Verhältnis zwischen den Arbeitsfluidleitungen und dem fließenden Gasstrom, so daß eine maximale Wärmeaustauschrate erreicht wird, ohne daß der heißeste Teil der Flamme direkt auf die Metnilfläche trifft. Dieses optimale Verhältnis hängt von der physikalischen Struktur der Oberfläche ab, die in Berührung mit dem Tangentialstrom des strömenden heißen Verbrennungsgases gebracht ist, sowie von der Anordnung der Oberfläche relativ zu dem Strom an einem Punkt, in dem maximale Turbulenzen erreicht werden. Es wurde herausgefunden, daß durch eine derartige Vorrichtung die Tendenz der kühlen Oberfläche der Arbeitsfluidleitungen zur Störung des Verbrennungsprozesses vollständig vermieden wird. Die Anwendung der Vorrichtung ist jedoch begrenzt auf die Verwendung eines rostfreien Stahls der Gattung 300 series oder einer anderen gegen Korrosion resistenten Legierung für das Material der Arbeitsfluidloitungen oder auf die Verwendung einer Stahloberfläche, die mit einem dünnen Film aus einem keramischen Material oder einem geschmolzenen Metalloxyd behandelt wurde, das bei Tempf rri türen in der Gegend von 1, '/OO K nicht schmilzt oder vor-

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A] uminiumoxyd ist ein Beispiel für ein derartiges Material. Jedoch kann auch in manchen Fällen das Problem durch den Aufbau der Leitung aus Materialien hoher Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Wärme gelöst werden, beipielsweise die Materialien Inconel (ein Warenzeichen der International Nickel) oder Hasteloy (Warenzeichen der Haynes Stellite Co.), die Legierungen mit hohem Chromnickel-Anteil sind. In jedem Fall jedoch ermöglicht der oben beschriebene physikalische Aufbau, daß eine Flamme, die durch das Verbrennen eines gasförmigen Brennstoffes wie Sauer/Wasser Konlenmonoxyd, Kohlenwasserstoffe oder ähnliche Materialien erhalten wird, nach unten in indirekte Berührung zu richten. Es ist auch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckgradienten vorgesehen, der von dem oberen Bereich des Gehäuses zum Bogen gerichtet ist, so daß die Verbrennungsgase nach unten über das Leitungssystem geführt werden, bevor sie aus dem Gehäuse abgegeben werden. Dieser Druckgradient wird üblicherweise dadurch erreicht, daß ein negativer Druck unterhalb des Wärmeaustausch-Leitungssystems in dem Gehäuse erzeugt wird, ericann jedoch auch dadurch erzeugt werden, daß ein positiver Druck in dem oberen Bereich des Gehäuses über den Wärmeaustausch-Leitungen angelegt wird. Der Verbrennungszyklus wird intermittierend in Abhängigkeit von der Temperatur des Arbeitsfluids durchgeführt, und die Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckgradienten in dem Gehäuse wird nur während der Verbrennungszoit betrieben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen deutlich.

In den Figuren ist die beste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt:

Fig. 1 ist die perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen

Wärmeaustausch-Vorrichtung;
Fig. 2 ist eine perspektivisehe Ansicht in auseinandergezogener Darstellung, voboi einige Teile wegseinssen worden sind odor gebroclu .1 dargestellt sind, um eine bessere Übersicht zu ermöglichen;

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Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Darstellung ähnlich Fig. 2, jedoch mit Blick von unten auf die erfindungsgeniäße Vorrichtung, wobei ein innerer Kasten 22 nicht völlig in dem Gehäuse 12 gelagert ist.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 eine Wärmeaustausch-Vorrichtung bezeichnet, die ein Gehäuse 12 besitzt, das seinorseits einen äußeren Kasten lh umfaßt. Der äußere Kasten besitzt einen Boden 16, von dem sich die Seitenwände 18 nach oben erstrecken und in einer offenen Oberseite 20 enden, die wiederum einen inneren Kasten 22 aufnehmen kann, der vollständig durch Wärmeisolationsteile 2k getrennt ist.

Der innere Kasten besitzt gegenüberliegende Endwände 26 und Seitenwände 28. Eine Schicht 30 von isolierendem Refraktionsmaterial ist gegen die Innenseitenflächen der Enden und der Seitenwände 26 und 28 sowie gegen die nicht dargestellte Bodenwand gelagert. Das Gehäuse besitzt weiterhin ein Oberteil 32, das ebenfalls mit isolierendem Refraktions- oder feuerfestem Material 30 versehen ist. Der innere Kasten und das Gehäuse bilden dementsprechend eine mit feuerfestem Material ausgefütterte Kammer, in der die Verbrennung und der Wärmeaustauschbetrieb in der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können.

Weiterhin besitzt die Vorrichtung 10 erste und zweite Värmeaustausch-Leitungesyteme 3^ und 36· Das zweite Wärmeaustauscli-Leitungssystem J6 besitzt eine Platte 38| die eine Mehrzahl von sich nach unten erstreckenden, seitlich zueinander liegenden beabstandeten Leitblechen 40 besitzt. Die jeweils seitlichen Ausdehnungen der Platte 38 sind so bemessen, daß sie eng mit dem feuerfesten Material 30 in Eingriff kommt, das an den Seiten- und Endwänden 26 und 28 des inneren Kastens 22 vorges&en ist, mit Ausnahme eines Gastransporteinlasses kk, der zur Zuführung des Gases an der Unterseite der Platte 38 vorgesehen ist, wie es im folgenden noch ausgeführt werden wird. Zusätzlich ruhen die Leitbleche 4o auf der feuerfesten Schicht 30, die auf den-Unterseite des Innenkastens 22 vorgesehen ist, so daß sie die

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Platte 38 von dieser Unterseite beabstanden. DiGleitfläche ^O wiederum dienen dazu, einen einzigen, miteinander verbundenen Labyrinthdurchgang h2 zu bilden, so daß die Verbrennungsgase, die von dem Verbrennen des Brennstoffs herrühren, wie im folgenden noch beschrieben werden wird, von einem inneren Feuerzug kh, der innerhalb einer sich nach innen erstreckenden Kerbe **6 in der Platte ^S angeordnet ist, nach unten hinter die Platte und in den Labyrinthdurchgang k2 strömen, wo sie dazu dienen, die Unterseite der Platte 38 zu erwärmen, und dann durch einen äußeren Abluftfeuerzug entfernt werden. Das erste Värmeaustauecn-Leitungssystem 3^ ist auf der Oberseite des zweiten Wärmeaustausch-Leitungssystems 36 angeordnet und besitzt eine Platte 50 mit Endrändern 52 und Seitenrändern 5^· Das Ausmaß der Endränder 52 ist so, daß sie mit dem feuerfesten Material 30, das an den Endwänden 28 vorgesehen ist, in Eingriff stehen. Die Seitenränder $h jedoch sind von dem feuerfesten Material 3O| das an den Seitenwänden 26 vorgesehen ist, beabstandet, so daß, wie im folgenden ausführlicher beschrieben, die Verbrennnngsgase von der Oberseite des ersten Leitungssystems 3h durch den Raum zwischen den Seitenrändern J>h und dem Kasten 22 strömen. Die Unterseite der Platte 50 ist mit einer Vielzahl von sich nach unten erstreckenden, seitlich nebeneinander beabstandeten Leit— blechen 56 versehen, die dazu ausgelegt sind, auf der Oberseite der zweiten Leitungssystem^platte 38 zu ruhen und ein Paar Labyrinthdurchgänge 58 und 60 zu bilden, die sich nach innen von den gegenüberliegenden Seitenrändern 5^ der Platte 50 zu einen gemeinsamen Durchlaß 67 erstrecken, mit dem der innere Abzug kk verbunden ist. Die Platte 50 besitzt auf ihrer oberen Fläche eine Struktur, damit die erwünschten Turbulenzen erhalten werden. Diese Struktur kann in Vorsprüngen bestehen, die? quer zu dor Flußrichtung der heißen Gase verlaufen, oder in kurzen vertikalen Leitflächen oder in Flächonvcrtiefungen oder anderen Maßnahmen, die auf mechanischem Wege dazu führen, daß der Gasfluß über die Fläche von dem laminaren Fluß um den Betriig abweicht, der notwendig ist, um die maximale Vämieübertrn^ungsrato zu erreichen, ohne daß der VcrbronnungswirkungsgruH beeinträchtigt wird.

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Eine obere Platte 66 ist ihrerseits wieder dazu ausgelegt, auf den oberen Umfangsrändern des inneren Kastens 22 zu ruhen, um einen Abstand zwischen ihm und der Fläche der Platte 50 einzuhalten und dazwischen eine Verbrennungskammer 68 zu bilden. Der Deckel 35 paßt über die Platte 66 und wird von ihr beabstandet, so daß wenigstens etwas Platz dazwischen ist, damit Luft durch die Oberseite 32 durch die nicht dargestellten Öffnungen eintreten kann und über diesen Raum in die Verbrennungskammer 68 gezogen werden kann. Die obere Platte 66 ist wiederum mit einem offenen U-förmigen Schlitz 70 versehen, in die ein länglicher Brenner 72 mit einer Reihe beabstandeter Brennstoff-Auslaßöffnungen 74 eingelagert ist. Zusätzlich kann die Unterseite der oberen Platten 66 mit Flammendeflektoren versehen sein. Gasförmige Brennstoffe treten in das System

und
durch eine Leitung 78,vdurch ein Venturirohr 8O in den Brenner 72 ein, wo sie durch einen elektrischen Zündgeber 82 gezündet werden.

Um die für die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs benötigte Luft in die Verbrennungskammer 68 zu ziehen und die so erhaltene Flamme und die dabei gebildeten Verbrennungsgase nach unten bezüglich der Wärmeaustausch-Leitungssysteme 34 "nd 36 zu richten, wird ein Unterdruckgebläse in geeigneter Weise an dem Gehäuse 12 gelagert und über eine Leitung 86 mit dem äußeren Rauchabzug 48 verbunden. Ein Ende des äußeren Abzugs 48 wiederum steht in Verbindung mit dem Labyrinthdurchlaß 42, so daß die darin befindlichen Gase durch die Wirkung des Lüfters 84 nach oben gezogen werden und abgegeben werden. Das andere Ende des äußeren Abzugs 48 führt in das Freie,wie zum Beispiel bei der EinlaQ-Luftöffnung 88, die ihrerseits wiederum durch einen Gleichgewichtsschieber 90, der durch ein Gewicht 92 gesteuert wird, geschlossen werden kann, um den gewünschten Wert des Negativdrucks am anderen Endes des Außenabzugs 48 und somit auch in dem unteren Teil des Innenkastens 22 zu regulieren urnl dementsprechend aufrechtzuerhalten. Dadurch ist ingesamt ein negativer Druck zumindest in den Abschnitten des inneren Kastens 22 vorhanden, die unterhalb der oberen Platte 66 liegen, so daß

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die Verbrennungsluft durch die Oberseite "}?. über die obere Platte 66 und dann zur Verbrennungskammer 68 gezogen werden kanu. Ein negativer oder Unterdruck wird ebenfalls verwendet, um Luft in den Durchlaß des Venturi 80 zu ziehen, wo sie mit dem gasförmigen Brennstoff gemischt wird, bevor sie der Verbrennungskammer 68 zugeführt wird. Bei der Verbrennung werden sowohl die erhaltene Flamme als auch die Verbrennungsgase auf die Flächen des Wärmeaustausch-Leitungssystems Jh gerichtet und führen dann nach unten über das erste Wärmeaustausch-Leitungssystem Jh durch die beabstandeten Seitenränder 5^ in die Labyrinthdurchgänge 58, 60 und 67, die darunter angeordnet sind. Danach bewegen sich die Verbrennungsgase, wie bereits angegeben, durch eine U-förmige Biegung in dem inneren Austauscher hk, so daß sie unter das zweite Wärmeaustausch-Leitungssystem in dessen Labyrinthdurchgänge k2 gezogen werden. Danach werden die Verbrennungsgase durch den Außenabzug US in das Freie durch die Wirkung des Gebläses 8k gezogen.

Im wesentlichen sind die Platten JS und 50 bzw. die Formteile des Leitungssystems 36 und "}k aus einem leicht verformbaren wärmeleitenden Metall derart hergestellt, daß die Leitungen für den Durchlaß eines Arbeitsfluids wie zum Beispiel Wasser einstückig damit ausgebildet werden. Die Leitung kann jedoch auch davon getrennt werden. Dementsprechend ist eine Leitung 9^ auf dor oberen Fläche der Platte 50 des ersten Wärmeaustausch-Leitungssystems 3^ vorgesiien. Eine derartige Leitung 9h besitzt einen ELnlaß und einen Auslaß, wobei Wasser oder ein anderes ArbeitsfLuid durch die Leitung 9^ und verschiedene Windungen 95 von ihnen, wie dargestellt, strömt. Die obere Fläche der Platte 38 ist gleichermaßen mit einer z\i?eiten Leitung 96 versehen, die ebenfalls Eintritt und Austritt besitzt, wobei der Auslaß der Leitung 9^ mit dem Eintritt der Leitung 96 über ein geeignetes Rohrsystem (nicht dargestellt) verbunden ist.

IKn Oberflächen der Leitungen O^ können mit einnr (auch nicht il;ir/ Tt-s toi 1 ten ) hoch tempera turwidors tan ds f r.Lliigen Beschichtung .auK keramikartigem Material, wie zum F>e:i.spjel Al uminiiimoxyil O'ior iilmlichem, verseilen sein, so uaß die Flninnio direkt darüber

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streichen kann, so daO ein hoher Temperaturgradient zwischen der Außenseite der Leitung und dem darin enthaltenen Arbeitsfluid erzeugt wird. Dies stellt sicher, daß die Wanne schnell auf das Arbeitsfluid übertragen wird, um eine Korrosion zu vermeiden, die durch die Kondensation des Wassers von den Verbrennungsprodukten auftritt. Die widerstandsfähige Schicht kann sehr dünrT sein, so- daß sie nicht wesentlich die normale Wärmeleitfähigkeit der Leitung kk verringert. "Oi~e^ Be&chichtuiif; kann ebenso auf die oberen Flachen des Leitungssystems 3^ aufgebracht werden. Die hochtemperaturbeständige Beschichtung bildet somit eine Maßnahme, die dip Leitung wirkungsvoll von den üblicherweise nachteiligen Einflüssen hoher Temperatur und korrosiver Verbrennungsgase, die in der Verbrenunngskanmier gebildet werden, abschirmt. Wie oben bereits erwähnt, können in ganz besonderen Anwendungsfällen derartige Schutzmaßnahmen, was höhere Kosten mit sich bringt, durch ein Ausbilden der Leitung <)h aus hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Legierungen wie zum Beispiel Iconel und Ilastalloy hergestellt werden.

Ganz allgemein wird der Brenner 72 entsprechend dem Bedarf des Wärmeaustausch-Systems, in das die Vorrichtung 10 einbezogen ist, ein- und ausgeschaltet. Ein derartiger Bedarf kann durch eine Steuerung 98 am Ausgang der Leitung 96 signalisiert werden, die die Temperatur des Arbeitsfluids bestimmt, wenn es aus der Vorrichtung 10 austritt. Wenn diese Temperatur unter einen vorgegebenen Wert abfällt, wird der Brenner erregt, und wenn die Temperatur einen weiteren, vorgegebenen Wert übersteigt, wird der Brenner abgeschaltet. Es ist selbstverständlich, daß während des Abschaltezyklus das Zwangsluftströmungssystem in der Vorrichtung, das durch den Lüfter ^h gebildet wird, nicht erforderlich ist und deshalb ebenfalls abgeschaltet wird. Das Fehlen der kontinuierlichen Luftströmung in der Vorrichtung, worin dor Brenner 72 abgeschaltet ist, trägt zum Wirkungsni« ¹^ i*· ilor Vorrichtung boi, da kein natürlicher Gnsauftrieb in dorn

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System existiert, der kontinuierlich Wärme aus den verschiedenen Teilen des Systems abzieht, mit denen es in Berührung steht, so wie es bei den Systemen nach dein bisherigen Stand der Technik die natürliche Konvektionsluf ts tröniung getan hat. Zusätzlich wird die Wärme von den Verbrennungsgasen, die nicht durch das FlamiTienschild und das Arbeitsfluid absorbiert worden ist, zumindest teilweise durch dio Platten 50 und 38 durch die Bewegung der Verbrennungsgase durch die Labyrinthdurchgänge unter den Unterflächen der Platten aufgenommen. Ebenfalls verlaufen die Verbrennungsgase direkt über die obere Fläche der unteren Platte 38, so daß sie direkt die obere Fläche sowie die ihnen ausgesetzten Flächen der Leitung 96 erhitzen, die Teil der Platte sind oder von dieser getragen werden. Als wirkungsvolle Flußrate für die Verbrennungsluft wurde ein Wert herausgefunden, der zwischen 120$ und 18O^f.a der theoretischen Rate, die für eine

liegtί stöchiometrischo Verbrennung erforderlich ist, /und in den Fällen, in denen diese Luft über die obere Fläche der oberen Platten 66 nach unten in den Schlitz 70 gezogen wurde, bewirkt dieser Ablauf eine Kühlung der Oberseite der Verbrennungskammer 68 und verringert somit die Notwendigkeit zur Isolation der oberen Abdeckung 32. Es wurde auch herausgefunden, die Aufrechterhaltung eines statischen Druckabfalls durch die Vorrichtung von der Verbrennungskammer 68 zum Austrittsabzug 48 von 3|8 bis 9 cm Wassersäule wirkungsvoll ist, wenn er mit den oben genannten Flußraten an Verbrennungsluft kombiniert wird.

Beliebige geeignete Materialien können für den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden: verschiedene Arten von Stahl und verwandten Materialien erwiesen sich als nützlich für den Aufbau der Gehäusekomponenten, während rostfreie Stahllegierungen als gut geeignet zur Bildung der Wärmeaustausch-Leitungssysteme angesehen worden können. Als Verbronnungsgas kann jeder beliebige Kohlenwasserstoff-Brennstoff, It i SPi Ielswoi se Erdgas, Ilethnn, Propan, Butan oder ähnliches verwendet werden. Geeignete Arbcitcfluido sind außer Wasser iiocli aifl., Öl, SoJo uml andere geeignete Wärmeaus taucchf luicio

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Dem Fachmann dürfte es ohne weiteres einleuchten, daß von der beschriebenen Ausfiihrungsforra verschiedene Abänderungen und Uinordnungen der Teile möglich sind, ohne daß von dem Erfindungs· gedanken abgegangen wird.

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Claims

Ansprüche

i) Wärmeaustauschvorrichtung mit hohem Wirkungegrad, gekennzeichnet durch

b) ein erstes Wärmeaustausch-Leitungssystem (3*0 in dem Gehäuse (12), das die untere Begrenzung einer direkt darüber angeordneten Verbrennungskammer (68) darstellt,

c) ein zweites Wärmeaustausch-Leitungssystem (36) in dem Gehäuse (12) oberhalb des ersten Leitungssystems (3M» wobei die Einzelleitungen aufweisenden Leitungssysteme voneinander durch Leitbleche (4o) getrennt sind, die erste Labyrinthdurchgänge (^2) bilden,

d) Vorrichtungen, die ein Arbeitsfluid durch die Leitungen strömen lassen, damit das Fluid sich erwärmt,

e) Vorrichtungen (72 - 80) zum Einführen und Verbrennen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in die Verbrennungskammer und zur Ausrichtung der Flamme noch unten zum Wärmeaustausch-Leitungssystem (3^» 3<j)

f) eine Vorrichtung (^S) zum Ausbringen der Verbrennung^- gase nach außen und

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ORIGINAL INSPECTED

g) eine Vorrichtung (8^», 9-0) zur Erzeugung eines Druckgradienten in dem Gehäuse von oben nach unten, wodurch die Verbrennungsgase vor ihrem Ausströmen aus dem Gehäuse nach unten über und unter die Leitungssysteme gerichtet werden.

2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung des ersten Systems eine Abdeckung auf der Außenfläche zur Abdeckung vor den nachteiligen Korrosionswirkungen bei direktem Flaramenauftreffen besitzt, wodurch der heißeste Teil der Flamme direkt auf die Abdeckung auftreffen kann.

3) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Basis besitzt, die Leitungssysteme jeweils eine im wesentlichen horizontal ausgerichtete Platte aufweisen, das zweite Wärmeaustausch-Leitungssystem Leitbleche besitzt, die sich nach unten von der zweiten Leitungssystemplatte erstrecken, diese zweiten Leitbleche die zweite Platte von der Gehäusebasis beabstanden und zweite Labyrinthdurchgänge bilden, die Leitungen mehrere Einzelabschnitte aufweisen, die jeweils von den ersten und zweiten Platten getragen werden, wobei die Einzelabschnitte miteinander verbunden sind, um eine kontinuierliche Bahn

für das Arbeitsfluid zu bilden, und die Abgase die gegen-. überliegenden Seiten beider Platten vor dem Herausführen aus s- der Vorrichtung berühren.

k) Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgradient durch das Herstellen eines Unterdrucks unterhalb der Leitungssysteme gebildet wird, die Abgasvorrichtung eine nach außen führende Einlaßöffnung besitzt, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in dem Gehäuse ein Zentrifugalgebläse besitzt, das von dein Gehäuse getragen wird, wobei das Saugende des Gebläses gleichzeitig mit der Auslaßvorrichtung und der Einlaßöffnung verbunden ist, die Einlaßöffnung jedoch üblicherweise zumindest teilweise durch ein einstellbares Sperrglied geschlossen ist, um den Wert des Unterdrucks zu steuern.

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5) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabdeckung eine dünne wärmebeständige Schicht besitzt, die auf der Außenfläche der Leitung des ersten Systems gebildet ist.

6) Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige Schicht aus einem keramischen Material besteht.

7) Wärmeaustauschvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, ein erstes Wärmeaustausch-Leitungssystem, das in dem Gehäuse angeordnet ist und die untere Begrenzung einer Brennkammer bildet, die direkt darüber liegt, wobei das Leitungssystem eine Schicht aus geschmolzenem Metolloxyd aufweist, das die obere Flache des Wärmeaustausch-Systems abdeckt, eine Vorrichtung zur Einführung und zum Verbrennen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in der Brennkammer und zur Führung der erhaltenen Flamme nach unten in Richtung auf das Wärmeaustausch-Leitungssystem, wodurch die heißesten Teile der Flamme direkt auf den Oxydfilm auftreffen, eine Vorrichtung zum Abziehen der Verbrennungsgase aus dem Brenner außerhalb des Gehäuses, Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckgradienten von oben nach unten in dem Gehäuse, wodurch die Verbrennungsgase nach unten über das Leitungssystem vor ihrem Ablassen aus dem Gehäuse gerichtet werden, und eine Vorrichtung, die ein fluides Arbeitsmedium durch das Wärmeaustausch-Leitungssystem zur Erwärmung des Mediums fließen läßt.

8) Vorrichtung nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Steuerung des Gradienten in dem Gehäuse vorgesehen ist derart, daß der Druckgradient nur dann in dem Gehäuse aufrechterhalten wird, wenn Brennstoff verbrannt wird.

9) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Wärmeaustausch-Leitungssystem eine Platte aufweist, die im wesentlichen horizontal in dem Gehäuse angeordnet ist

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und diese Platte eine Leitung für den Durchlaß des Arbeitstnediutns aufweist.

10) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegende Seiten der Platte von den Seiten des Gehäuses, die ihnen am nächsten sind, derart beabstandet sind, daß die Verbrennungsgase durch die dazwischen ausgebildeten Räume hindurch strömen können.

11) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

ein zweites Wärmeaustausch-Leitungssystem in dem Gehäuse an-

und ^J

geordnet ist unterhalb des ersten Leitungssystems liegt, wobei die Leitungssysteme voneinander durch Leitbleche beabstandet sind, die erste Labyrinthdurchgänge bilden, die die Verbrennungsgase von oberhalb des ersten Leitungssystems aufnehmen können, und Abgabevorrichtungen betriebsmäßig den ersten Durchgängen zugeordnet sind, um die Gase aus dem Gehäuse abzuführen.

12) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Basis besitzt, die Leitungssysteme jeweils horizontal ausgerichtete Platten aufweisen, das zweite Wärmeaustausch-Leitungssystem Iätbleche besitzt, die sich nach unten von der zweiten Leitungssystemplatte erstrecken, die zweiten Leitbleche die zweite Platte von der Gehäusebasis beabstanden und zweite Labyrinthdurchgänge bilden, das Arbeitsfluidmedium durch getrennte, miteinander verbundene Leitungen, die jeweils durch die Platten getragen werden, fließt, und somit ein kontinuierlicher Fluß für das Arbeitsfluid gebildet wird, und die Verbrennungsgase die gegenüberliegenden Seiten beider Platten vor dem Herausführen aus der Vorrichtung berühren.

13) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaßvorrichtung eine mit der Umgebung verbundene Einlaßöffnung besitzt, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in dom Gehäuse ein Zentrifugalgebläse ist, das

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in dem Gehäuse untergebracht ist, wobei das Ansaugende des Gebläses gleichzeitig sowohl mit der Ablaßvorrichtunfj als auch der Einlaßöffnung verbunden ist, und die Einlaßöffnung üblicherweise zumindest teilweise durch ein einstellbares Sperrglied geschlossen ist, damit der Wert des Druckgradienten gesteuert wird.

Vorrichtung nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer eine obere Platte hat, die nach unten von dem Gehäuse und den nach außen führenden Einlaß-Öffnungen beabstandet ist, wodurch Luft in die Verbrennungskammer zugeführt werden kann, um die Brennung zu unterstützen, wobei die Verbrennungskammer-Einlaßöffnungen Vorrichtungen besitzen, um zu Beginn die Luft über die obere Fläche der oberen Verbrennungskammerplatte zu führen, um diese abzukühlen.

15) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungssystemplatte eine Vielzahl von seitlich nebeneinander liegenden beabstandeten Leitblechen aufweist, die von der Unterfläche der Platten nach unten führen und nach innen von den Seiten beabstandet sind, wobei diese Leitbleche eine Vielzahl von ersten Labyrinthdurchlässon bilden, wodurch Verbrennungsgas, das über die'erste Leitungssystem führt, in die Durchlässe von gegenüberliegenden Seiten des ersten Leitungssystems eintritt, um die Unterseite des ersten Leitungssystems aufzuheizen.

16) Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Wärmeaustausch-Leitungssystem eine Arbeitsfluidleitung aufweist, die an der oberen Fläche angeordnet ist und das zweite System in dem Gehäuse unter dem ersten System angeordnet ist, wobei die Leitbleche des ersten Systems die obere Fläche des zweiten Systems berühren, so daß sich die ersten Labyrinth-Gasdurchlässe zwischen den Leitungssystemen ausbilden.

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17) Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung zumindest teilweise aus der Platte gebildet ist und einen einstückigen Teil der Platte darstellt.

18) Verfahren zum Erwärmen eines Arbeitsfluids in einer Wärmeaustausch-Vorrichtung mit einem Gehäuse, einem ersten Wärmeaustausch-Leitungssystem, das in dem Gehäuse liegt und die Unterseite einer Verbrennungskammer, die direkt darüber angeordnet ist bildet, und das Leitungssystem Leitungen mit einer Flammenabschirmung in direktem Kontakt damit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Sauerstoff in die Ver-

■_w brennungskammer einführt und zündet, die dadurch erhaltene Flamme nach unten gegen die Leitung richtet, wobei der heißeste Teil der Flamme direkt auf die Leitung auftrifft, so daß sich ein hoher Temperaturgradient zwischen Flamme und der Leitung einstellt, damit das Arbeitsfluid schnell Wärme von der Flamme abzieht, man weiterhin einen Druckgradienten in dem Gehäuse aufrechterhält, so daß der untere Teil einen niedrigeren Druck besitzt, wodurch das Verbrennungsgas von dem Brenner über das Leitungssystem geführt wird, und man ein Arbeitsfluid durch die Leitung führt, so daß die Wärme der Flamme durch die Leitung zu dem Arbeitsfluid übertragen wird.

*·— 19) Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur des Arbeitsfluids erfaßt und die Vorrichtung mit intermittierenden Brennzyklen betreibt, wenn die Temperatur des Arbeitsfluids unter einen vorbestimmten Wert abgefallen ist,

20) Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flußrate des Sauerstoffs in die Verbrennungskammer auf einen Wert zwischen 120> und 18O$ des theoretischen Wertes für die stSchiometrische Verbrennung des Brennstoffs steuert.

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) Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß man einen statischen Druckabfall durch das Gehäuse zwischen 3i9 und 9 cm Wassersäule aufrechterhält.

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