DE3689486T2

DE3689486T2 - Brennwertkessel.

Info

Publication number: DE3689486T2
Application number: DE3689486T
Authority: DE
Inventors: Lawrence G Clawson
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1985-08-01
Filing date: 1986-07-25
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2006-07-26
Also published as: EP0211585B1; DE3683211D1; US4681085A; DE3689486D1; EP0211585A2; EP0405621B1; EP0211585A3; EP0405621A2; EP0405621A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Erwärmung einer Flüssigkeit.
Nichtrekuperative Öfen übertragen nur fühlbare Wärme von Verbrennungsprodukten, während diese sich abkühlen. Während des Erwärmungszyklus findet keine Kondensation statt, da die Verbrennungsprodukte bei einer Temperatur oberhalb ihres Taupunktes ausgelassen werden. Die Wärmeübertragung durch nichtrekuperative Öfen wird daher im allgemeinen als ein Trockenprozeß bezeichnet.
Rekuperative Öfen oder Kondensationsöfen sind solche, welche sowohl fühlbare Wärme als auch Kondensationswärme von den Verbrennungsprodukten übertragen. Rekuperative Öfen übertragen nicht nur Wärme durch den Trockenprozeß der nichtkuperativen Öfen, sondern übertragen gleichzeitig auch Kondensationswärme. Ein gesonderter rekuperativer Wärmeaustauscher dient im allgemeinen dazu, zusätzliche Wärme von den Verbrennungsprodukten zu übertragen, nachdem diese einen Trokkenprozeß durchlaufen haben. Der rekuperative Wärmeaustauscher kühlt die Verbrennungsprodukte ausreichend ab, um sie zu kondensieren, wodurch sowohl Kondensationswärme als auch fühlbare Wärme übertragen wird. Die zusätzliche Wärmeübertragung durch den rekuperativen Wärmeaustauscher erhöht den Gesamt-Ofenwirkungsgrad auf annähernd 95%, während nichtrekuperative Öfen auf einen Wirkungsgrad von 85% begrenzt sind.
Neben der Erzeugung hoher Wirkungsgrade ermöglichen die niedrigeren Auslaßtemperaturen von rekuperativen Öfen die Verwendung von billigen Auslaßwegen, beispielsweise von PVC- Rohren anstelle von herkömmlichen Kaminen. Weiter beseitigen die niedrigen Auslaßtemperaturen die Abzugskonstruktion, welche zu nichtrekuperativen Öfen gehört, worin Wärme während der Abkühlperiode an dem Ende jedes Erwärmumgszyklus verloren geht.
Rekuperative Öfen sind einem Korrosionsangriff des rekuperativen Wärmeaustauschers durch darin gebildete Säure-Kondensate ausgesetzt. Bei der Verbrennung von Erdgas und, zu einem größeren Maße, von Erdöl wird eine Anzahl von möglicherweise säurebildenden Gasen erzeugt. Obwohl diese Gase charakteristischerweise bei den Betriebstemperaturen des rekuperativen Wärmeaustauschers nicht kondensierbar sind, werden sie von Wassserdampfkondensat absorbiert, wobei sie Säuren bilden. Beispielsweise bildet Kohlendioxid Kohlensäure, Stickstoffdioxid bildet Salpetersäure, Wasserstoffchloride bilden Salzsäure und Wasserstofffluorid bildet Flußsäure. Zusätzlich kondensiert Schwefeldioxid innerhalb eines rekuperativen Wärmeaustauschers und bildet dabei Schwefelsäure. Die Säureeigenschaft des Kondensates wird weiter erhöht, wenn das Wasserkondensat verdampft und konzentriert Säuren zurückläßt, welche den Wärmeaustauscher durch Korrosion angreifen.
Der Korrosionsangriff kann auch an Wärmeaustauscheroberflächenbereichen auftreten, welche nur Verbrennungsprodukten ausgesetzt sind, die sich oberhalb ihrer Taupunkttemperatur befinden. Zu Beginn des Erwärmungszyklus kann eine anfängliche Kondensation an zunächst kühlen Oberflächenbereichen stattfinden. Wenn diese Oberflächen während des Erwärmungszyklus erwärmt werden, so verdampft das Kondensat und tritt nicht wieder auf. Eine lokale Korrosion kann daher an diesen Oberflächen auftreten.
Verschiedene frühere Versuche hatten das Ziel, einen Korrosionsangriff zu verhindern. Zunächst wurden Bauteile aus rostfreiem Stahl verwendet. Es hat sich hier jedoch gezeigt, daß oft Chloride in unserer Umgebung mit Pegelwerten vorhanden sind, welche ausreichend Salzsäure erzeugen, um rostfreien Stahl anzugreifen. Beispielsweise werden Chloride im allgemeinen in Waschraumbereichen angetroffen, welche oft in der Nähe von Wohnraumöfen aufgestellt sind.
Weiter wurden salzsäurebeständige Materialien vorgeschlagen. Eine rostfreie Stahl-Molybdän-Legierung kann erfolgreich sein, ist jedoch für private Wohnraum-Wärmeaustauscher unzuträglich teuer. Zwar können auch Beschichtungen aus Polymer oder Keramik wirkungsvoll sein, sie erhöhen jedoch den thermischen Widerstand und sie können auch unter Temperaturschock leiden. Siehe hierzu U.S. Dept. of Energy, BNL51770, Condensing Heat Exchanger Systems for Residential/Commercial Furnaces and Boilers, Phase III, Februar 1984.
Zum dritten zeigt das US-Patent 4,449,511 ein äußeres Wasserspülsystem, welches nach jedem Heizzyklus betätigt wird, um Kondensat von den Koppeleinrichtungen zwischen dem Rekuperator und dem Brenner abzuspülen. Ein mögliches Korrosionsproblem kann immer noch in Umgebungen mit hohem Chloridgehalt bezüglich eines Korrosionsangriffes an nicht abgespülten Bereichen existieren.
Die GB-A-2031572 beschreibt einen Apparat für den Wärmeaustausch zwischen Verbrennungsprodukten und einer zu erwärmenden Flüssigkeit, bei welchem die Verbrennungsprodukte von einem Brenner durch eine horizontale Wassersprühkammer strömen, bevor sie durch einen vertikalen Auslaßkanal austreten. Schwefeldioxid wird so aus den Abgasen beseitigt.
Gemäß einem Gedanken der Erfindung wird ein Apparat zur Erwärmung einer Flüssigkeit geschaffen, welcher folgendes enthält:
Liefermittel zur Lieferung heiter Verbrennungsprodukte; ein Wasserreservoir, das mit den genannten Liefermitteln gekoppelt ist, wobei die heißen Verbrennungsprodukte durch das Reservoir strömen und sich hierdurch ihr Taupunkt erhöht und ihre Temperatur erniedrigt; und Mittel, die oberhalb des genannten Wasserreservoirs angeordnet sind, zur Übertragung von fühlbarer Wärme und Kondensationswärme von den taupunkterhöhten Verbrennungsprodukten auf die genannte Flüssigkeit, wobei die Übertragungsmittel einen rekuperativen Rippenrohr-Wärmetauscher enthalten und die genannte Flüssigkeit eine Flüssigkeit in dem Rohr des Wärmetauschers ist und wobei Mittel vorgesehen sind, um die genannte Flüssigkeit durch das Rohr zu bewegen, die taupunkterhöhten Verbrennungsprodukte mit der Außenseite des Rohres und der Rippen des Austauschers in Berührung kommen und der Austauscher so angeordnet ist, daß Kondensat an den Rippen hinab in das Reservoir zurückströmen kann, um durch Verdampfung zu zirkulieren.
Gemäß einem anderen Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Erwärmung einer Flüssigkeit mit folgenden Schritten angegeben:
a) Bereitstellung eines rekuperativen Wärmeaustauschers mit einem von Rippen umgebenen Rohr;
b) Zirkulierenlassen der Flüssigkeit durch das genannte Rohr;
c) Anordnen eines Wasserreservoirs unterhalb des rekuperativen Wärmeaustauschers;
d) In-Berührung-Bringen heiter Verbrennungsgase mit dem Wasser in dem Wasserreservoir, derart, daß sich der Taupunkt der Verbrennungsgase erhöht und ihre Temperatur erniedrigt; und
e) Hinleiten der taupunkterhöhten Verbrennungsgase aufwärts über den rekuperativen Wärmeaustauscher, wobei die taupunkterhöhten Verbrennungsgase mit einem gegebenen Taupunkt und einer gegebenen Temperatur zur Verfügung gestellt werden und die Flüssigkeit in dem Rohr die Verbrennungsgase so kühlt, daß im wesentlichen der größte Teil des Wasserdampfes in den Verbrennungsgasen innerhalb des Wärmeaustauschers kondensiert und ein im Dauerzustand vorhandener Umlauf von Kondensation und Verdampfung aufrecht erhalten wird, in welchem das Kondensat an den Rippen hinab in das Reservoir zur selben Zeit zurückströmt, zu der die heilen Verbrennungsgase Wasser in dem Reservoir wieder verdampfen, das nachfolgend in dem Wärmeaustauscher kondensiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Wärmeaustauscher eine Mehrzahl von Leitungen, welche einen Strömungsweg für die zu erwärmende Flüssigkeit bilden, wobei die Flüssigkeit durch thermischen Übergang von fühlbarer Wärme von den Verbrennungsprodukten und durch Kondensations- Wärme erwärmt wird, die durch die an dem Wärmeaustauscher stattfindende Kondensation freigesetzt wird, wobei das Kondensat über den Wärmeaustauscher in das Reservoir abläuft. Wenn die die Verbrennungsprodukte liefernde Einrichtung ein nichtrekuperativer Wärmeaustauscher ist, kann eine Polypropylengehäuse dazu verwendet werden, den Wärmeaustauscher und das Wasserreservoir zu umschließen. Da die Verbrennungsprodukte durch einen nichtrekuperativen Wärmeaustauscher bereits in ihrer Temperatur herabgesetzt sind und die Wasserverdampfung weiter die Temperatur der Verbrennungsprodukte erniedrigt hat, kann ein säurebeständiger Kunststoff, beispielsweise Polypropylen, eingesetzt werden. Es kann eine zu bevorzugende Bauform des rekuperativen Wärmeaustauschers sein, wenn er eine Rohrspirale ist, wobei die Flüssigkeit durch die Rohrspirale strömt. Vorzugsweise laufen die Verbrennungsproduktkondensate über den Wärmeaustauscher in einer Richtung entgegengesetzt zu der Strömung der Verbrennungsprodukte.
Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
Fig. 1 eine teilweise aufgebrochen dargestellte rechte perspektivische Frontansicht einer Ausführungsform eines rekuperativen Wärmeaustauschers zur Erwärmung von Flüssigkeiten ist; und
Fig. 2 eine Seitenansicht des Gegenstandes von Fig. 1 ist.
In den Figs. 1 und 2 ist ein rekuperativer Wärmeaustauscher 260 entsprechend der Erfindung gezeigt, der Rohre 262 aufweist, die zwischen eine Einlaß-Wasserpumpe 264 und ein Auslaßrohr 266 gelegt sind. Ein Gehäuse 268 mit einer Eingangskupplung 270 und einer Abgasöffnung 272 enthält, wie dargestellt, ein Wasserreservoir 274 und einen Wärmeaustauscher 260. Das Wasserreservoir 274 ist am Boden des Gehäuses 268 nahe dem Einlaß 270 angeordnet. Der Einlaß 270 ist mit dem Auslaß von einem nichtrekuperativen Wärmeaustauscherprozeß (nicht dargestellt), beispielsweise einem nichtrekuperativen Wärmeaustauscher, verbunden.
Verbrennungsprodukte von dem nichtrekuperativen Wärmeaustauscher strömen also über das Reservoir 274 und erfahren dadurch eine Taupunkterhöhung. Die Verbrennungsprodukte strömen dann über die Rippen 276 des Wärmeaustauschers 260 zu der Abgasöffnung 272. Die durch die Wärmeaustauscherrohre 262 geförderte Flüssigkeit wird durch thermischen Übergang fühlbarer Wärme von den Verbrennungsprodukten und durch Kondensationswärme erwärmt, die durch die Kondensation an den Rippen 276 freigesetzt wird.
Das Kondensat strömt längs der Rippen 276 entgegengesetzt zu der Strömung der Verbrennungsprodukte nach abwärts in das Reservoir 274, was zu der Korrosion entgegenwirkenden Vorteilen führt. Weiter gestattet die niedrige Betriebstemperatur dieser Ausführungsform die Verwendung billiger säurebeständiger Materialien, wie beispielsweise Polypropylen, für das Gehäuse 268.
Die zu erwärmende Flüssigkeit kann durch einen sekundären Wärmeaustauscher zur Erwärmung von Luft zirkulieren. Die Flüssigkeit kann auch Wasser zur Verwendung als heißes Brauchwasser im Haushalt sein.
Während das vorliegende Ausführungsbeispiel als eines beschrieben ist, das mit einem nichtrekuperativen Wärmeaustauscher gekuppelt ist, erkennen die Fachleute, daß es auch mit dem Auslaß irgendeines Gerätes gekuppelt sein kann, das Kohlenwasserstoff-Brennstoffe verbrennt. Es kann auch direkt mit einem Brenner gekuppelt sein.
Es ist zu folgern, daß die beschriebene Ausführungsform zahlreiche Vorteile bietet. Es ergeben sich viele Antikorrosionsvorteile, wie nachfolgend ausgeführt wird. Säurekondensate werden fortwährend abgespült. Auch Asche und Rußrückstände werden abgespült. Das Restkondensat ist bezüglich seiner Säureeigenschaft minimal. Die Wärmeübergangsflächen, welche während des Erhitzungszyklus abtrocknen, wodurch sich die Säurekonzentration erhöht, werden im wesentlichen vermieden. Ein Teil der möglicherweise säurebildenden Gase wird zuvor absorbiert, bevor er in den rekuperativen Wärmeaustauscher eintritt. Das am stärksten saure Kondensat ist auf das Reservoir und Bauteile beschränkt, welche das Gehäuse umfassen. Nur diese Bereiche müssen aus säurefestem Material hergestellt sein. Die Betriebstemperatur des rekuperativen Wärmeaustauschers wird vermindert, wodurch die Geschwindigkeit des Korrosionsangriffes herabgesetzt wird.
Schädliche Emissionen am Auslaß werden ebenfalls vermindert. Ein Teil der schädlichen Gase wird in dem Wasserreservoir und dem rekuperativen Wärmeaustauscher absorbiert. Wenn ein strahlender Brenner verwendet wird, wird auch die Emission von Stickoxiden durch Erniedrigung der Temperatur des Brennerauslasses minimiert, ohne daß man ein Opfer bezüglich des Wirkungsgrades bringen muß.

Claims

1. Apparat zur Erwärmung einer Flüssigkeit mit:

- Liefermitteln (270) zur Lieferung heißer Verbrennungsprodukte;

- einem Wasserreservoir (274), das mit den genannten Liefermitteln (270) gekoppelt ist, wobei die heißen Verbrennungsprodukte durch das Reservoir (274) strömen und hierdurch sich ihr Taupunkt erhöht und ihre Temperatur erniedrigt; und

- Mitteln (260), die oberhalb des genannten Wasserresevoirs (274) angeordnet sind, zur Übertragung von fühlbarer Wärme und Kondensationswärme von den taupunkterhöhten Verbrennungsprodukten auf die genannte Flüssigkeit, wobei die Übertragungsmittel (260) einen rekuperativen Rippenrohr-Wärmetauscher (262, 276) enthalten und die genannte Flüssigkeit eine Flüssigkeit in dem Rohr (262) des Wärmetauschers ist und wobei Mittel (264) vorgesehen sind, um die genannte Flüssigkeit durch das Rohr (262) zu bewegen, die taupunkterhöhten Verbrennungsprodukte mit der Außenseite des Rohres (262) und der Rippen (276) des Austauschers in Berührung kommen und der Austauscher (260) so angeordnet ist, daß Kondensat an den Rippen (276) hinab in das Reservoir (274) zurückströmen kann, um durch Verdampfung zu zirkulieren.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lieferung der genannten Verbrennungsprodukte einen Brenner enthalten.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lieferung der Verbrennungsprodukte einen nichtrekuperativen Wärmeaustauscher enthalten.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Polypropylengehäuse (268), das das genannte Wasserreservoir und den genannten Wärmeaustauscher umschließt.

5. Verfahren zur Erwärmung einer Flüssigkeit, mit folgenden Schritten:

a) Bereitstellung eines rekuperativen Wärmeaustauschers (260) mit einem von Rippen (276) umgebenen Rohr (262);

b) Zirkulierenlassen der Flüssigkeit durch das genannte Rohr (262);

c) Anordnen eines Wasserreservoirs (274) unterhalb des rekuperativen Wärmeaustauschers (262);

d) Inberührungbringen heißer Verbrennungsgase mit dem Wasser in dem Wasserreservoir (274), derart, daß sich der Taupunkt der Verbrennungsgase erhöht und ihre Temperatur erniedrigt; und

e) Hinleiten der taupunkterhöhten Verbrennungsgase aufwärts über den rekuperativen Wärmeaustauscher (260), wobei die taupunkterhöhten Verbrennungsgase mit einem gegebenen Taupunkt und einer gegebenen Temperatur zur Verfügung gestellt werden und die Flüssigkeit in dem Rohr (262) die Verbrennungsgase so kühlt, daß im wesentlichen der größte Teil des Wasserdampfes in den Verbrennungsgasen innerhalb des Wärmeaustauschers (260) kondensiert und ein im Dauerzustand vorhandener Umlauf von Kondensation und Verdampfung aufrechterhalten wird, in welchem das Kondensat an den Rippen (276) hinab in das Reservoir (274) zur selben Zeit zurückströmt, zu der die heißen Verbrennungsgase Wasser in dem Reservoir (274) wieder verdampfen, das nachfolgend in dem Wärmeaustauscher (260) kondensiert wird.