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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
IPC-Nebenklasse F01K 23/10   

Beschreibung[de]

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

1Dampferzeuger 2Vorwärmbereich 3Verdampfungsbereich 4Kessel 5Kesselmantel 5aUmfangsnaht 5bUmfangsnaht 6gewölbter Boden 6aöffnung 7gewölbter Boden 7aöffnung 8Rohrstutzen 9Rohrstutzen 10Rohrboden 11Rohrboden 12Heizrohre 12aHeizgase 13Zufuhrleitung 14Abfuhrleitung 15Zufuhrleitung 16Speisedom 17Umlenkbleche 17aUmlenkblech 18Ausgleichsleitung 18aAusgleichleitung (Verlauf) 19Linie (Wasserstand) 20Linie (Wasserstand) 21Linie (Wasserstand) 22Dampfraum 23Abfuhrleitung E-EMittenebene (Symmetrieebene)

Anspruch[de]
  1. 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.
  2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die heissen Enden der Heizrohre (12) auf der dem Vorwärmbereich (2) abgekehrten Seite des Verdampfungsbereichs angeordnet sind.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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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