| Dokumentenidentifikation |
DE10252955B4 22.09.2005 |
| Titel |
Dampferzeuger für die Wiedergewinnung von Abwärme aus vorgeschalteten Abgaserzeugern |
| Anmelder |
Hering AG, 91710 Gunzenhausen, DE |
| Erfinder |
Feder, Friedrich, 90587 Veitsbronn, DE |
| Vertreter |
Zapfe, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 63150 Heusenstamm |
| DE-Anmeldedatum |
14.11.2002 |
| DE-Aktenzeichen |
10252955 |
| Offenlegungstag |
03.06.2004 |
| Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
22.09.2005 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
22.09.2005 |
| IPC-Hauptklasse |
F22B 9/12
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| IPC-Nebenklasse |
F01K 23/10
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Die Erfindung befaßt sich mit der Rückgewinnung von Abwärme aus Wärmeprozessen
zur Dampferzeugung. Diese Rückgewinnung ist bei den laufend steigenden Energiepreisen
ein wichtiger Faktor. Infrage kommt die Erfindung z.B. bei Blockheizkraftwerken
mit einem Gas- oder Dieselmotor und einem Stromgenerator zur Ausnutzung der Abgase.
Der erzeugte Dampf kann für viele Zwecke verwendet werden, z.B. für die Beheizung
von Wohn-, Büro-, Geschäfts- und Industriegebäuden, für chemische Prozesse und dergleichen
mehr.
Bekannt sind Dampferzeuger, bei denen die Heizgasrohre nur durch den
Dampfkessel hindurchgeführt sind und bei denen die Vorwärmung von Speisewasser in
einem separaten Wärmetauscher stattfindet, bei dem auch die Heizgasrohre durch den
Wasserrraum geführt sind oder die Heizgase die Wasserrohre umströmen.
Diese Apparatefolge wird gewählt, um die Abgastemperatur noch wesentlich
unterhalb der Sattdampf-Temperatur halten zu können. Bei der Ausführung beider Apparate
mit Heizgasrohren sind vier Rohrböden erforderlich, in die die Enden der Heizrohre
druckdicht eingesetzt sind. Eine solche Konstruktion ist daher gleichfalls aufwändig
und voluminös.
Durch den Gattungsbegriff unterscheidet sich die Erfindung grundlegend
von dem Stande der Technik, der Heizröhrenkessel mit eigenen Feuerungen offenbart.
Durch die DE-PS 403 926 sind Abhitzekessel bekannt, bei welchen die
Abwärme von irgendeiner Wärmequelle noch weiter ausgenutzt werden soll, nachdem
sie bereits Arbeit geleistet hat. Abhitzekessel haben andere Bedingungen zu erfüllen
und arbeiten unter anderen Verhältnissen als Kessel, bei denen die Wärme zur Erzeugung
des Dampfes erst im Kessel selbst erzeugt wird, etc. Dort ist angegeben, daß bei
der damaligen Erfindung der Wasserraum vollständig von der Dampferzeugungsstelle
getrennt wird und Vorsorge für einen besseren Wasserumlauf getroffen wird. Gezeigt
ist ein damals üblicher "Abwärmeheizröhrenkessel" als Baueinheit. Als Nachteile
werden Ankerrohre für die flachen Stirnwände angegeben. Zur Abhilfe wird vorgeschlagen,
das Kesselsystem in einen schrägen "Unterkessel" und einen waagrechten "Oberkessel"
zu unterteilen und durch Steigrohre und Fallrohre zu verbinden. Diese Bauweise ist
aufwändig und bedingt zwei komplette Kessel. Das Speisewasser wird dem "Oberkessel"
durch ein Speiserohr im Bereich der Phasengrenze Wasser/Dampf zugeführt und stört
dort die Dampfbildung.
Die US 2 398 279 offenbart
einen Kombinations-Heizkessel mit Feuerung. Es fehlen die wesentlichen Merkmale
im Oberbegriff des Anspruchs 1, ferner ein Teil der Merkmale aus dem Kennzeichen.
Die DE 43 11 775 C2
offenbart gleichfalls einen Kombinations-Heizkessel mit Feuerung, insbesondere für
Lokomotiven. Es fehlen die wesentlichen Merkmale im Oberbegriff des Anspruchs 1,
und der Anspruch 6 führt von der Erfindung geradezu weg, denn bei der Erfindung
sollen die Trennwände eine Durchmischung des frischen Speisewassers mit bereits
aufgeheiztem Speisewasser fördern und nicht verhindern.
Auch die CH-PS 36 649 offenbart gleichfalls einen Kombinations-Heizkessel
mit Feuerung. Es fehlen die wesentlichen Merkmale im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Soweit eine mäandrierende Wasserströmung gezeigt ist, führt auch diese von der Erfindung
geradezu weg, denn die als Heizplatten bezeichneten Trennwände sind abwechselnd
links und rechts von der Kesselwandung angeordnet und nicht "in der Höhe alternierend".
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger
der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, der sich durch eine einfache, kostengünstige
und kompakte Bauweise bei hohem Wirkungsgrad auszeichnet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen
Dampferzeuger erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs
1.
Durch diese Lösung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst,
d.h. der Dampferzeuger zeichnet sich sich durch eine einfache, kostengünstige und
kompakte Bauweise bei hohem Wirkungsgrad aus. So werden beispielsweise statt der
vier Rohrböden nur zwei Rohrböden und ein Wasservolumen benötigt. Es entfallen ein
Teil der Arbeitsgänge beim Ablängen und Einschweißen der Heizrohre in die Rohrböden
und die Umwälzung durch zwei getrennte Kessel durch Steig- und Fallrohre. Außerdem
entfällt ein Druckhalteventil zwischen Speisewasser-Vorwärmer und Dampfkessel.
Weiterer Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben und können entweder einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise
werden nachfolgend anhand der 1 und 2
näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch die senkrechte
Mittenebene eines Dampferzeugers mit Vorwärmer und
2 eine stirnseitige Ansicht des Gegenstandes
nach 1 in Richtung des Pfeils II in 1.
In 1 ist ein Dampferzeuger
1 dargestellt, der einen Vorwärmbereich 2 und einen Verdampfungsbereich
3 aufweist. Der Verdampfungsbereich 3 wird von einem Kessel
4 mit liegender Achse gebildet, der aus einem zylindrischen Kesselmantel
5 und zwei biegesteifen gewölbten Böden 6 und 7 mit je
einer Krempe besteht, die auch als Umdrehungsschalen bezeichnet werden können (Definition:
"Hütte I", 1955, Seiten 948 bis 952), die mit dem Kesselmantel 5 gleichen
Durchmessers an Umfangsnähten 5a und 5b druckfest verschweißt
sind. In den gewölbten Böden 6 und 7 befinden sich öffnungen
6a und 7a, in die achsparallele Rohrstutzen 8 und
9, miteinander fluchtend, eingeschweißt sind.
An den dem Kesselmantel 5 abgekehrten Enden der Rohrstutzen
8 und 9 befinden sich Rohrböden 10 und 11, in
die ein Bündel von achsparallelen Heizrohren 12 eingeschweißt ist, die
durch den Heizbereich 3 und den Vorwärmbereich 2 hindurchgeführt
sind. Durch diese Heizrohre werden von rechts nach links Heizgase 12 in
Pfeilrichtung hindurchgeführt, die Abgase von Verbrennungsmotoren oder Heizanlagen
sein können. Für die Heizgase sind eine Zufuhrleitung 13 und eine Abfuhrleitung
14 vorgesehen.
Die Wasserführung erfolgt im Gegenstrom hierzu, und zwar wird Speisewasser
(Kaltwasser) über eine Zufuhrleitung 15 einem senkrechten Speisedom
16 zugeführt, der radial auf den Rohrstutzen 9 aufgesetzt ist.
Aus dem Speisedom 16 strömt das Wasser durch Schwerkraft nach unten in
den Rohrstutzen 9 und von hier in den Kessel 4. Zur Verbesserung
des Wärmeaustauschs sind in dem Rohrstutzen 9 – in der Höhe alternierend
versetzt – Umlenkbleche 17 und 17a eingesetzt, durch deren
Zwischenräume das Wasser mäandrierend auf- und abwärts strömt. Die Wärmebilanz ist
dabei so ausgelegt, daß sich bis zum Umlenkblech 17a und eine vorgesehene
Sicherheitslänge darüber hinaus keine Dampfbildung einstellt. Das Umlenkblech
17a definiert somit unter Berücksichtigung der Sicherheitsvorschriften
zumindest im wesentlichen die theoretische Verdampfungsgrenze. Dadurch wird im Vorwärmbereich
2 weitgehend die Restwärme der Heizgase ausgenutzt.
Der Speisedom ist an seinem oberen Ende über eine Ausgleichsleitung
18 mit dem Kessel 4 verbunden, die zum bessern Ablauf von Kondenswasser
auch den gestrichelten Verlauf 18a haben kann. Die Hauptwärmemenge geht
jedoch aufgrund der größeren Temperaturdifferenz im Kessel 4 bzw. im Verdampfungsbereich
3 an das Kesselwasser über.
Die möglichen Wasserstände sind durch die Linien 19,
20 und 21 dargestellt, und zwar kennzeichnet die Linie
19 den Niedrigstwasserstand, die Linie 20 den unteren Wasserstand
und die Linie 21 den Höchstwasserstand. Diese Wasserstände stimmen aufgrund
der Ausgleichsleitung 18 bzw. 18a – vom Druck unabhängig
– im Speisedom 16 und im Kessel 4 überein (Prinzip der kommunizierenden
Gefäße). über der Linie 21 befindet sich der Dampfraum 22, aus
dem der Dampf über eine Abfuhrleitung 23 abströmt. Gemäß dem Wasserverlust
durch Verdampfung strömt ständig Speisewasser aus dem Vorwärmbereich 2
in den Verdampfungsbereich 3 nach.
Aufgrund der räumlichen Anordnung von Kessel 4 und Rohrstutzen
9 können durchgehende Heizrohre 12 verwendet werden, die sich
vom Rohrboden 10 zum Rohrboden 11 erstrecken. Damit ist eine beträchtliche
Reduzierung des Bauaufwandes bei größtmöglicher Ausnutzung des Wärmeinhalts der
Heizgase verbunden.
Aus 2 ist – unter Verwendung gleicher
Bezugszeichen noch ersichtlich, daß die Mittenebene E-E auch die Symmetrieebene
des Systems ist und daß der Umriß des Bündels an Heizrohren 12 im wesentlichen
durch den Durchmesser des Rohrstutzens 9 bestimmt wird. Dies gilt auch
für den Rohrverlauf im Kessel 4, in dem aufgrund der Dampfbildung an den
Rohroberflächen eine starke Wasserumwälzung erfolgt.
Die übrigen, nach den Dampfkesselvorschriften notwendigen Stutzen
und Meßinstrumente sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Die Auslegung erfolgt für einen Dampfdruckbereich zwischen 5 und 25
bar und für einen Dampftemperaturbereich von 130 bis 220 °C. Das sind die üblichen
Bereiche. Hauptsächlich ist Sattdampf zu erzeugen, aber auch die Erzeugung von überhitztem
Dampf ist möglich
1- Dampferzeuger
2- Vorwärmbereich
3- Verdampfungsbereich
4- Kessel
5- Kesselmantel
5a- Umfangsnaht
5b- Umfangsnaht
6- gewölbter Boden
6a- öffnung
7- gewölbter Boden
7a- öffnung
8- Rohrstutzen
9- Rohrstutzen
10- Rohrboden
11- Rohrboden
12- Heizrohre
12a- Heizgase
13- Zufuhrleitung
14- Abfuhrleitung
15- Zufuhrleitung
16- Speisedom
17- Umlenkbleche
17a- Umlenkblech
18- Ausgleichsleitung
18a- Ausgleichleitung (Verlauf)
19- Linie (Wasserstand)
20- Linie (Wasserstand)
21- Linie (Wasserstand)
22- Dampfraum
23- Abfuhrleitung
E-E- Mittenebene (Symmetrieebene)
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| Anspruch[de] |
- Dampferzeuger für die Wiedergewinnung von Abwärme aus vorgeschalteten
getrennten Abgaserzeugern aus der Gruppe Verbrennungskraftmaschinen, Blockheizkraftwerke,
Heizungs- und Verbrennungseinrichtungen, enthaltend Heizrohre (12) für
die Durchleitung der Abgase, einen Vorwärmbereich (2) und einen Verdampfungsbereich
(3), eine Zufuhrleitung (15) für Speisewasser und eine Abfuhrleitung
(23) für Dampf, wobei die Heizrohre (12) durch den Vorwärmbereich
(2) und den Verdampfungsbereich (3) hindurchgeführt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) der Vorwärmbereich (2) und der Verdampfungsbereich (3) unmittelbar
miteinander verbunden sind
b) über dem Verdampfungsbereich (3) ein Dampfraum (22) angeordnet
ist, an den die Abfuhrleitung (23) für den Dampf angeschlossen ist,
c) auf der Oberseite des Vorwärmbereichs (2) ein Speisedom (16)
angeordnet ist, in den die Zufuhrleitung (15) für das Speisewasser einmündet
und der über eine Ausgleichsleitung (18, 18a) mit dem Dampfraum
(22) verbunden ist,
d) der Verdampfungsbereich (3) aus einem Kessel (4) mit liegender
Achse, einem zylindrischen Kesselmantel (5) und zwei gewölbten Böden (6,
7) besteht, in denen öffnungen (6a, 7a) angeordnet sind,
in die unterhalb der Achse des Kessels (4) fluchtende achsparallele Rohrstutzen
(8, 9) eingesetzt sind, an deren kesselfernen Enden je ein Rohrboden
(10, 11) für die liegende Aufnahme der Heizrohre (12)
eingesetzt ist, und dass
e) der Vorwärmbereichs (2) aus einem Rohrstutzen (9) besteht,
in dem in der Höhe alternierende, einander überlappende senkrechte Umlenkbleche
(17) für die Wasserführung angeordnet sind.
- Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die heissen
Enden der Heizrohre (12) auf der dem Vorwärmbereich (2) abgekehrten
Seite des Verdampfungsbereichs angeordnet sind.
- Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relativ
kälteren Enden der Heizrohre (12) auf der dem Verdampfungsbereich (3)
abgekehrten Seite des Vorwärmbereichs (2) angeordnet sind.
- Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsleitung
(18a) zwischen dem Speisedom (16) und dem Dampfraum (22)
in Richtung auf dem Dampfraum (22) ein Gefälle aufweist.
- Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser
des Rohrstutzens (9) des Vorwärmbereichs (2) im wesentlichen eine
Umfangsfläche des Bündels von Heizrohren (12) bestimmt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen
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