DE3448327C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Stationäre Wärmetauscher- oder Verbrennungsvorrichtungen nach dem Wärmeregenerationsprinzip sind beispielsweise aus der US- PS 38 95 918 bekannt. Bei dieser Wärmetauschervorrichtung ist eine in der Mitte angeordnete Hochtemperatur-Verbrennungskammer vorgesehen, die mit drei oder mehr Wärmetauscherabschnitten in Verbindung steht, die um die Verbrennungskammer herum angeordnet sind. Jeder Wärmetauscherabschnitt dieser Vorrichtung schließt eine große Anzahl von Wärmetauscherelementen ein, die zwischen zwei im wesentlichen vertikalen, mit Öffnungen versehenen Halte­ wänden eingeschlossen sind, die in den meisten Fällen aus Metall bestehen. Einlaß- und Auslaßventile sind mit jenem Wärmetau­ scherabschnitt an der Ober- und Unterseite verbunden, und die Gasströmung verläuft allgemein horizontal von den Wärmetauscher­ abschnitten zu der Verbrennungskammer und umgekehrt.

In der DE-OS 33 22 119 wurde weiterhin eine Verbrennungsvorrich­ tung vorgeschlagen, bei der vertikal ausgerichtete Wärmetau­ scherabschnitte verwendet werden, die entweder in benachbarten keilförmigen Formen oder in einer allgemein L-förmigen Form angeordnet sind. Hierbei sind Einlaß- und Auslaßkanäle und ent­ sprechende Einlaß- und Auslaßventile jedem Wärmetauscherab­ schnitt in der Nähe seines unteren Endes in den Räumen unterhalb von Wärmetauscherbetten zugeordnet. Eine gemeinsame Verbren­ nungskammer ist oberhalb aller dieser Wärmetauscherabschnitte angeordnet. Die Gasströmung erfolgt in der Hauptsache vertikal durch jeden vertikalen Wärmetauscherabschnitt und horizontal durch die Verbrennungskammer. Um zu vermeiden, daß Abgas oder Abluft die Hochtemperatur-Verbrennungszone im wesentlichen um­ geht, wird die nach oben strömende Abgas- oder Abluftströmung in Form eines eine relativ hohe Geschwindigkeit aufweisenden Strahls in den oberen Teil der Verbrennungszone eingeleitet. Dies wird dadurch erreicht, daß für jeden Wärmetauscherabschnitt eine Abdeckung mit einer Öffnung vorgesehen wird, die speziell für diesen Zweck ausgebildet ist. Der Strahl vergrößert die Turbulenz in dem Verbrennungsbereich zur Erzielung einer besse­ ren Vermischung und trägt dazu bei, eine relativ unbehinderte seitliche Strömung des nicht verarbeiteten oder unvollständig verarbeiteten Abgases an dem unteren Bereich der Verbrennungs­ zone von einem Wärmetauscherabschnitt zur Oberseite des benach­ barten Wärmetauscherabschnittes zu verhindern. Obwohl diese Ver­ brennungsvorrichtung recht befriedigende Eigenschaften aufweist, weist sie einen relativ komplizierten Aufbau auf.

Aus der DE-OS 29 51 525 ist weiterhin eine Verbrennungsvorrich­ tung der eingangs genannten Art bekannt, bei der die Wärme­ tauscherabschnitte in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse ausgebildet und durch vertikale, sich im wesentlichen radial erstreckende Trennwände voneinander getrennt sind. Die Trenn­ wände erstrecken sich im wesentlichen lediglich bis zur Füllhöhe der Wärmetauscherelemente, wobei sich das gemeinsame Gehäuse über die Höhe der Trennwände hinaus erstreckt und damit eine Verbrennungskammer bildet, die allen Wärmetauscherabschnitten gemeinsam ist. In diese Verbrennungskammer wird von oben die Flamme eines Brenners eingeleitet, die damit auf die Oberseite der Wärmetauscherelemente gerichtet ist. Hierbei besteht die Gefahr, daß die Abgase oder die Abluft beim Überströmen von einem Wärmetauscherabschnitt zum anderen die Flamme umgehen und damit nicht ausreichend erhitzt werden, um sie unschädlich zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsvor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei ein­ fachem Aufbau eine einwandfreie Verbrennung und Verarbeitung der Abgas- und Abluftströmungen ermöglicht und damit einen ver­ besserten Wirkungsgrad ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verbrennungsvor­ richtung wird eine direkte Abgasströmung zwischen der Oberseite zweier benachbarter Wärmetauscherabschnitte sicher verhindert, ohne daß sich ein komplizierter Aufbau ergibt. Hierdurch wird eine einwandfreie und vollständige Verbrennung der Abgas- und Abluftströmungen und damit ein verbesserter Wirkungsgrad er­ reicht.

Durch die Verwendung eines Kanals in leitungsartigen Kopplungs­ teilen zwischen den einzelnen Wärmetauschereinrichtungen wird sichergestellt, daß die Abgas- oder Abluftströmungen auf ihrem Wege von einem Wärmetauscherabschnitt zum anderen die Flamme der Heizeinrichtungen durchqueren und damit vollständig verbrannt werden. Da die leitungsartigen Kopplungsteile selbst ohnehin zur Verbindung der einzelnen Wärmetauscherabschnitte miteinander erforderlich sind, ergibt sich hierbei ein sehr einfacher Aufbau bei hohem Wirkungsgrad.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Verbrennungsvor­ richtung,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene und teilweise weggebrochen dargestellte Seitenansicht der Ausführungsform der Verbrennungsvorrichtung nach Fig. 1.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungs­ form der Wärmetauschervorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie den Vorteil einer vertikalen Konstruktion mit in einer Reihe angeordneten Wärmetauscherabschnit­ ten aufweist und dennoch das Problem einer unzureichen­ den Oxidation aufgrund eines Umgehens der Verbrennungs­ kammer durch eine verkürzte Strömung der Abgas- oder Ab­ luftströmung von einem Wärmetauscherabschnitt zum benach­ barten Abschnitt vermeidet. Bei dieser Ausführungsform der Wärmetauschervorrichtung, die allgemein mit der Be­ zugsziffer 30 bezeichnet ist, sind drei allgemein ver­ tikale zylindrische Wärmetauscherabschnitte 32, 33, 34 vorgesehen, die mit­ einander ausgerichtet sind. Jeder Wärmetauscherabschnitt weist eine äußere metallische Umhüllung 31 auf, die mit einer Schicht 35 aus feuerfestem Material auf der Innenoberfläche ausge­ kleidet ist. Jeder Wärmetauscherabschnitt schließt eine horizontale per­ forierte Metallplatte 40 ein, auf der ein Bett von ke­ ramischen Wärmespeicherelementen 42 angeordnet ist. Der Pegel der Wärmespeicherelemente 42 ist bezogen auf die Gesamthöhe des Wärmetauscherabschnitts relativ niedrig gehalten. Beispiels­ weise nimmt das Wärmetauscherbett bei der dargestellten Ausführungsform ungefähr 22% des Gesamtvolumens des Wärmetauscherabschnitts 34, gemessen von der Platte 40, ein. Dies heißt mit ande­ ren Worten, daß die Höhe des Stapels ungefähr 30% der Höhe des Wärmetauscherabschnitts von der perforierten Platte 40 bis zum unteren Ende eines Kanals 56 einnimmt. Hierdurch ver­ bleibt eine große Füllkammer 44, die durch die gesamte Abgas- oder Abluftströmung durchquert wird, bevor sie in den Kanal 56 eintritt.

Hierbei wird eine maximale Gasgeschwindigkeit von etwa 229 m pro Minute bei 760°C angenommen. Der obere Teil des Raumes 44 steht mit den entsprechenden obe­ ren Teilen der Räume in den Wärmetauscherabschnitten 33 und 32 über den einen relativ breiten und niedrigen Rechteckquer­ schnitt aufweisenden Kanal 56 in Verbindung, der in einem leitungsartigen Kopplungsteil 62 ausgebildet ist. Beispielsweise sollte das Verhältnis der Höhe zur Breite des Kanals 56 im Verhältnisbereich von 1 : 2 liegen. Ein Brenner 58 durchdringt die Seiten­ wand des mittleren Wärmetauscherabschnittes 33, wo­ bei die Flamme dieses Brenners den größten Teil des Gasweges durch den Kanal 56 erreicht. Der Brenner 58 wird mit Brennstoff von der Außenseite gespeist und kann die Temperatur in dem Gaspfad durch den Kanal auf den Temperaturbereich von 426 bis 982°C anheben. Eine Tür 57 ist vorgesehen, um einen Zugang an das Innere des Wärmetauscherabschnittes 33 zu ermöglichen.

In die eingeschlossenen Räume 43 unterhalb der per­ forierten Platten 40 jedes Wärmetauscherabschnittes sind die Enden von Speisekanälen 37, 39 und 41 eingeführt. Diese Kanäle stehen mit dem Hauptauslaßkanal 38 über vertikale Ka­ nalabschnitte 45, 60 und 61 in Verbindung, die jeweili­ ge Ventilsteuereinrichtungen 52, 53 und 54 einschließen. Der Auslaßkanal 38 ist mit einem Auslaß-Zentrifugalge­ bläse 55 verbunden, das von einem Motor 59 angetrieben wird und dessen Ausgang mit einem (nicht gezeigten) Kamin oder irgendeiner anderen geeigneten Einrichtung zur Ableitung der gereinigten Abgasströmung verbunden ist.

Die horizontalen Speisekanäle 37, 39 und 41 sind weiter­ hin über vertikale Kanalabschnitte 46, 47, 48, in denen Ventilsteuerteilbaugruppen 49, 50 und 51 angeordnet sind, mit dem Haupteinlaßkanal 36 verbunden.

Es ist zu erkennen, daß bei dieser Ausführungsform eine gleichförmigere Geschwindigkeit für die Abgas- oder Abluftströmung erreicht wird, die von der Oberseite eines der Stapel von Wärme­ tauscherelementen 42 in einem Wärmetauscherabschnitt zur Oberseite des entsprechenden Stapels in einem an­ grenzenden Wärmetauscherabschnitt strömt. Weiterhin verläuft diese Strömung durch eine Flamme in einem relativ engen (in Höhenrichtung gesehen) Kanal 56, wodurch ein gleichförmiger Temperaturgradient in die­ sem Kanal von der Oberseite zur Unterseite gefördert wird, was dazu beiträgt, daß eine vollständigere Ver­ brennung aller durch den Kanal strömenden Gase sicher­ gestellt wird.

Im Gegensatz zu anderen Konstruktionen sind bei die­ ser Ausführungsform keine Abdeckplatten mit einer Öff­ nung erforderlich, weil bei dieser Auslegung der Ver­ brennungs- oder Wärmetauschervorrichtung eine gleich­ förmigere Gasgeschwindigkeit gefördert wird und die Wärmeverteilung in der Verbrennungszone gleichförmiger ist. Es ist tatsächlich so, daß die Gasgeschwindigkeit in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 so nie­ drig gemacht werden kann, wie dies für eine vollständi­ ge Verbrennung der Abgas- oder Abluftströmung wünschens­ wert ist, die von der Vorrichtung bearbeitet wird.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungs­ form muß der Querschnitt des Kanals 56 nicht unbedingt ein langgestrecktes Rechteck sein, wie dies darge­ stellt ist. Bei kleineren Einheiten könnte der Quer­ schnitt des Kanals 56 im wesentlichen quadratisch sein, um eine Anpassung an die kleinere Flamme eines kleineren Brenners zu erzielen.

Weil die Wärmetauscherabschnitte in den Fig. 1 und 2 zylindrisch sind, können weiterhin, wenn Wärmetauscherabschnitte mit unterschied­ lichem Durchmesser erwünscht sind, die Höhen der Sta­ pel 42 im wesentlichen konstant bleiben, was einen Faktor darstellt, der die Konstruktion unterschiedli­ cher Installationen erleichtert. Es ist weiterhin nicht erforderlich, den von jedem Stapel eingenommenen Anteil des Gesamtvolumens jedes Wärmetauscherabschnittes auf 20 bis 30% zu begren­ zen. In Abhängigkeit von verschiedenen Erwägungen, wie z. B. der Verbrennungstemperatur, der mittleren Gasge­ schwindigkeit, den Eigenschaften der Abgas- oder Abluft­ strömung, der Fläche des Querschnitts des Kanals 56, der Größe der Flamme, der Größe und Formen der Wärmetauscher­ elemente 42 usw. kann dieser Anteil auf ungefähr 40% bis 50% ansteigen und dennoch eine befriedigende gleichförmi­ ge Geschwindigkeit der meisten Teile der Abgasströmung hervorrufen.

Claims (9)

1. Verbrennungsvorrichtung mit zumindestens zwei getrennten vertikalen Wärmetauscherabschnitten, die benachbart zueinander angeordnet sind und in denen jeweils ein Stapel von feuerfesten Wärmetauscherelementen angeordnet ist, die durch ein gasdurch­ lässiges Bauteil gehaltert sind, unter dem ein umgrenzter Raum angeordnet ist, mit Einrichtungen zur Zuführung unerwünschter Abgase zur Verarbeitung in der Vorrichtung und zur Ableitung von in der Vorrichtung verarbeiteten Gasen aus der Vorrichtung, die so ausgebildet sind, daß sie zu vorgegebenen Zeiten die Abgase mit vorgegebenen Gasströmungsgeschwindigkeiten ausge­ wählten der umgrenzten Räume zuführen und die Gase aus anderen dieser umgrenzten Räume ableiten, mit einer Verbindungsein­ richtung oberhalb der Stapel von Wärmetauscherelementen, die die Wärmetauscherabschnitte in eine Gasströmungsverbindung miteinander bringt, und mit einer Heizeinrichtung in der Ver­ bindungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsein­ richtung durch einen Kanal (56) in leitungsartigen Kopplungs­ teilen (62) gebildet ist, durch den hindurch die Abluft- oder Abgasströmung auf ihrem Weg von einem Wärmetauscherabschnitt (32, 33, 34) zum nächsten hindurchströmt und in dem die Heizeinrich­ tungen in Form eines Brenners (58) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquer­ schnitt des Kanals (56) im wesentlichen ein langgestrecktes Rechteck ist, dessen Längsachse im wesentlichen horizontal verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (56) eine Höhe aufweist, die verglichen mit seiner Breite sehr klein ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungs­ geschwindigkeit durch die Wärmetauscherabschnitte (32, 33, 34) im Bereich von ungefähr 76 bis 228 m pro Minute bei ungefähr 760° Celsius liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens drei Wärmetauscherabschnitte (32, 33, 34) vorgesehen sind, die in einer Reihe angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite jedes Stapels von Wärmetauscherelementen (42) in einer der­ artigen Höhe liegt, daß der Stapel weniger als ungefähr die Hälfte des Volumens der von den gasdurchlässigen Bauteilen (40) aus nach oben gemessenen Säule einnimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von jedem Stapel eingenommene Volumen ungefähr 20% bis 50% des Gesamtvolumens des Wärmetauscherabschnittes von dem gasdurchlässigen Bauteil (40) aus nach oben gemessen einnimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite jedes Stapels bei ungefähr 30% bis 50% der Höhe der Säule ge­ messen von dem gasdurchlässigen Bauteil (40) bis zum untersten Ende der Kanaleinrichtungen liegt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jedes Wärmetauscherabschnittes (32, 33, 34) ungefähr ein Kreis ist.