DE19534319A1 - Einsatz für eine Kesselanlage, Kesselanlage und Verfahren zum Betreiben der Kesselanlage - Google Patents
Einsatz für eine Kesselanlage, Kesselanlage und Verfahren zum Betreiben der KesselanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Einsatz mit mindestens drei Bereichen zur
Verbrennung der Brennstoffe Gas-, Öl- oder/und Feststoff mit einer
Feststoffteilchengröße von im wesentlichen weniger als 1 mm in einer gas- und
wasserdichten Kesselanlage mit einem Brenner, dem der Einsatz nachgeschaltet
ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Kesselanlage mit einem
erfindungsgemäßen Einsatz sowie ein Verfahren zum Abstimmen eines Brenners
auf die Kesselanlage und Verfahren zum Starten und zum Betreiben der
Kesselanlage.
Kesselanlagen wie zum Beispiel Reaktoren, Verbrennungsanlagen und
Nachverbrennungsanlagen oder wie Brauchwassererhitzer, Heizungsanlagen,
auch mit integrierter Brauchwassererwärmung, bestehen vor allem aus einem
Kessel, einem Brenner vor einem Brennraum und einem Kamin. Der Kessel hat
meistens auch die Funktion, das z. B. für eine Heizung im Gebäude benötigte
Warmwasser zu erwärmen und bereitzustellen. Im Brennraum wird Wärme
freigesetzt, die teilweise über den Wärmetauscher auf das zu erwärmende
Wasser übertragen, teilweise über die Abgase, die Kesselanlage und ihre
Umgebung abgeführt wird. Für eine gute Verbrennung wird der Brennstoff
intensiv mit Luft oder/und einem anderen, Sauerstoff enthaltenden Fluid
gemischt und in einer sensiblen, optimierten Einstellung der Verbrennung
zugeführt.
Trotz zahlreicher Innovationen bei der Brenner- und Kesseltechnik ist es bis
heute nicht gelungen, eine emissionsarme und zugleich energiesparende
Verbrennung mit hoher Effizienz und mit Langlebigkeit der hochbeanspruchten
Anlagenkomponenten zu erzielen. Sogar Brenner der jungen Generation der
Blaubrenner erreichen eine zufriedenstellende Verbrennung und eine Absenkung
des NOx-Ausstoßes um etwa 15% nur aufgrund einer schlechteren
Wärmeübertragung an die die Wärme aufnehmenden Anlagenteile mit einer
kalten, blauen Flamme. Dies führt im Betrieb der Kesselanlage, gerade durch die
Verwendung von Blaubrennern, zu überdurchschnittlich langen
Brennerlaufzeiten und kurzen Pausenzeiten und somit zu einem erhöhten
Energieverbrauch und häufigen Schaltintervallen. In jeder Startphase wird
verstärkt Schadstoff gebildet; dabei und danach muß wieder eine stabile
Gasströmung aufgebaut werden. Dies bedingt ein schlechtes
Emissionsverhalten und einen erhöhten Brennstoffverbrauch.
Alte Kessel- und insbesondere Heizungsanlagen sind im Verhältnis zum
Leistungsbedarf viel zu groß ausgelegt und werden deshalb mit übermäßiger
Leistung betrieben. Die Brennraumgeometrie erfordert einen hohen
Luftüberschuß von mehr als 5% O₂, um einigermaßen den Abgasverlust mit der
Rußzahl an der äußersten Grenze der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung
(BimSchV) zu halten, was immer mit sehr hohem Schadstoffausstoß und
deshalb recht geringer Wärmeübertragungsleistung verbunden ist. Aber selbst
neu errichtete Anlagen unterliegen oft noch in weitem Ausmaß diesen
Betriebsbedingungen, um hohe Betriebssicherheit zu gewähren: Die
Brennerstörungsquote soll so gering wie möglich gehalten werden; ein gewisses
Maß an Luftübersättigung erhöht die Abgasverluste, bedingt aber weniger
Störungen als Luftuntersättigung, die umgehend zu starker Rußbildung und
damit zu einer Störung des Brenners führt. Der Gesetzgeber in Deutschland hat
mit der 1., 4. und 13. BimSchV und der Technischen Anleitung zur Reinhaltung
der Luft (TA Luft) eine Reihe an Verordnungen geschaffen, um die
Schadstoffbelastung, den Staubausstoß, die Abgasverluste und die Rußzahl
weiter zu senken. Die 1. BimSchV führt bei einem hohen Anteil der
Kleinfeuerungsanlagen in Deutschland zu Stillegungen und Nachrüstungen. Ein
Teil der aufgrund dieser Verordnungen vorzunehmenden Stillegungen könnte
vermieden werden, wenn hierfür geeignete Nachrüstungen angeboten werden
würden. Die Anlagen, die diese Verordnungen erfüllen, weisen immer noch ein
erhebliches Optimierungspotential auf, vor allem bezüglich des
Brennstoffverbrauchs und dessen Ausnutzung.
Der sogenannte Raketenbrenner, ein Blaubrenner, wird im Prospekt
"Raketenbrenner® RE1, Montage - Betrieb - Wartung" der MAN B Diesel AG
von September 1994 beschrieben. Es wird das Rezirkulationsprinzip um und in
das Brennerrohr und eine hohe Flammengeschwindigkeit infolge hohen
Öldruckes und hohen Luftdurchsatzes genutzt. Das Brennerrohr aus Keramik ist
zylindrisch oder auch zylindrisch abgestuft mit einer konischen Verjüngung in
der Mitte und weist jeweils in der Mitte eine Reihe von Öffnungen zur
Rezirkulation des Rauchgases auf. Er erzielt günstige Abgaswerte, kann aber
wegen der erforderlichen hohen Flammengeschwindigkeit nur bei hohem
Öldruck von meistens mehr als 14 bar eingesetzt werden. Der hiermit
verbundene hohe Öldurchsatz ist von Nachteil; der entsprechend hohe
Luftverbrauch führt zu einer starken Geräuschentwicklung. Der Raketenbrenner
kann in den Anlagen nicht eingesetzt werden, in denen die
Mindestabgastemperatur von 160 °C nach DIN 4702 auch bei Verwendung
einer Nebenluftanlage nicht erreicht wird, also insbesondere nicht in Altanlagen.
Aus DE-C2-30 17 050 ist ein Heizeinsatz aus Keramik für Heizungsanlagen zur
Verbrennung von flüssigem Brennstoff in der Form eines sich verjüngenden
Kegelstumpfes bekannt. Durch die Querschnittsverminderung werden die
Abgase am Austritt der Flamme gestaut und durch Bohrungen nach außen
gedrückt. Umlenkscheiben sollen eine Rezirkulation der Abgase bewirken.
Dieser sogenannte Extuster war für die Brennergeneration vor 1980 mit großen
Flammrohrdurchmessern, hohen Durchsatzleistungen ohne Ölvorwärmung und
einer nicht einstellbaren Pressung eine wesentliche Verbesserung. Dieser
Heizeinsatz führt aber weiter zur Rußbildung und ist nur in einer Größe auf dem
Markt. Somit ist der Extuster nur für Altanlagen mit großem Brennraum zu
verwenden. Die Notwendigkeit des Extusters entfällt bei der Nachrüstung mit
einem Brenner einer neueren Generation.
Teile des unvollständig verbrannten Gemisches können auch über sogenannte
Rezirkulationshauben in den Verbrennungsprozeß rückgeführt werden.
Rezirkulationshauben werden in manchen Kessel-Brenner-Units verwendet. Sie
müssen von ihrer Konstruktion exakt auf die Kombination von Kessel und
Brenner abgestimmt sein und bewirken nur eine leichte NOx-Minderung durch
die Abgasrückführung, weil nur kleine Rauchgasmengen zur Kühlung der
Flamme verwendet werden können. Hieraus resultiert eine schlechtere
Wärmeübertragungsleistung beim Wärmeaustausch und damit wiederum eine
höhere Laufleistung bei hohem Energieverbrauch des Brenners.
Aus EP-B2-0 266 377, DE-GM 89 08 797 und der "Einbau-Anleitung
Schneidawind′sche Nachbrenner" von Schneidawind-Technologie von Dezember
1994 sind Heizgeräte mit einem metallischen Nachbrenner (Heizeinsatz)
bekannt, bei dem der Heizeinsatz fest mit einem Flammrohr verschraubt ist. Der
von Schneidawind-Technologie vertriebene Heizeinsatz besteht wahrscheinlich
aus St 37 und nicht aus einem speziellen hochwertigeren Stahl. Über die an
Öffnungen des Heizeinsatzes angebrachten Lamellen sollen der
Strömungsquerschnitt erniedrigt, Luft angesaugt und Turbulenzen erzeugt
werden. Die Lamellen führen jedoch zur Bildung von Ruß, weil sie in die Flamme
ragen. Es kommt zu einer Bewegung des mit rezirkulierenden Gasen vermengten
Gemisches um die Flamme herum, ohne daß die rezirkulierenden Gase
ausreichend an den Flammenkern herangeführt werden. Die Öffnungen des
Heizeinsatzes lassen diese Gase in Längsrichtung zur Kühlung des metallischen
Heizeinsatzes nahe dessen Wand streichen. Der metallische Heizeinsatz beginnt
nach der Zündung der Flamme sehr schnell auf seiner gesamten Länge zu
glühen und wandelt die an seiner Oberfläche auftreffende Frischluft sofort zu
Stickoxiden um. Bei der Nachrüstung einer Heizungsanlage nach dem Stand der
Technik wird eine gewisse, nur kurzzeitig infolge Ausglühen des Heizeinsatzes
wirkende und noch nicht ausreichend hohe Emissionsminderung und
Energieeinsparung erreicht. Der Stickoxidausstoß ist mit der von Schneidawind-
Technologie angebotenen Technik jedoch auch im Normalbetrieb recht hoch.
Der kostspielige metallische Heizeinsatz weist auch bei niedrigster Einstellung
des Brenners eine Lebensdauer von nur sehr kurzer Zeit auf, da er hohen
Temperaturen nicht standhalten kann, schnell ausglüht, verzundert und sich
verformt. Mit derartigen Veränderungen des metallischen Heizeinsatzes nimmt
die Leistung kontinuierlich zu einem rußerzeugenden Isolierhohlkörper ab.
Die Startphase einer nach dem Stand der Technik betriebenen Kesselanlage
kann in drei Abschnitte unterteilt werden:
- I. Vorbelüftungszeit
- II. Zündung
- III. Abbrandbeginn.
I. Die Vorbelüftung dient im wesentlichen zur Ausbildung einer stabilen
Luftströmung im Kessel vom Brenner in Richtung Kamin.
II. Die Zündung setzt etwa nach zwei Dritteln der Vorbelüftungszeit ein, um z. B.
einen gleichmäßigen Lichtbogen zu erzeugen und damit einen guten und
sicheren Abbrand zu gewährleisten. Sobald sich am Ende der Vorbelüftungszeit
das Magnetventil öffnet, strömt der Brennstoff mit Druck durch eine oder
mehrere Düsen in den Brennraum ein, wird mit der Luft zu einem Brennstoff-
Luft-Gemisch verwirbelt und an der Zündelektrode durch den permanenten
Lichtbogen entzündet. Das Gemisch beginnt mit einer Verpuffung zu brennen.
Die Flamme brennt z. B. aus einem Brennerrohr heraus oder hinter einem
Flammrohr.
III. Das abbrennende Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt eine hohe
Wärmeentwicklung. Der Druck des Brennstoffes an der Düse bestimmt die
Rauchgasgeschwindigkeit wesentlich. Bei erhöhtem Druck wird das Rauchgas
schnell und deswegen mit erhöhter Temperatur in den Kamin abgeführt. Zur
Minderung dieses Effektes werden ggbfs. auch Konvektionsbeschleuniger in die
Züge des Kessels eingebaut. Je höher die Rauchgasgeschwindigkeit bei Anlagen
nach dem Stand der Technik ist, desto weniger Wärme kann in der Regel
übertragen werden. Es ist deshalb ein vorrangiges Ziel bei diesen Anlagen, den
Rauchgasmassenstrom und seine Geschwindigkeit zu verringern, um eine
verbesserte Wärmeübertragung und einen höheren Füllungsgrad des
Brennraumes mit den umlaufenden unvollständig verbrannten Gasmassen zu
bewirken und damit kalte Zonen mit Kondenswasser innerhalb des Brennraumes
zu vermeiden.
Aufgrund des Druckes, der bei der Verbrennung des Brennstoffes in einer
Kesselanlage nach dem Stand der Technik notwendig ist, und des Staus der
Luftmassen im Brennraum kommt es bei der Zündung des Gemisches zu einem
lauten Knall. Bei der Explosion oder Verpuffung wird eine sehr große
Schadstoffemission aufgrund der sehr unvollständigen Verbrennung und der
extremen Abgasgeschwindigkeit verursacht. Bei Ölheizungsanlagen beträgt der
Öldruck fast immer mindestens 12 bar. Auch bei Gasheizungsanlagen wird ein
erhöhter Gasdruck vorgegeben. Der Druck ist erforderlich, um die stehenden
Luftmassen beim Start zu durchdringen. Die Flamme brennt mit hoher
Geschwindigkeit in den Brennraum des Kessels ab. Während des Abbrandes
wird eine hohe Sättigung des Gemisches benötigt, um den Abbrand stabil zu
beherrschen. Es kommt auch beim Betrieb des Brenners aufgrund des hohen
Druckes zu einer erheblichen Geräuschentwicklung.
In der Startphase ist bei allen Heizungsanlagen nach dem Stand der Technik die
Schadstoffbelastung über etwa 30 bis 60 Sekunden meist um das 100- bis
300-fache höher als im auf die Startphase folgenden Normalbetrieb. Die
Startphase dauert meist etwa 1 bis 2 Minuten. Stabile Verhältnisse für den
Gasmassenstrom werden in 1 bis 1 1/2 Minuten ab Zündung erreicht.
Emissions- und Verbrauchswerte typischer Heizungsanlagen des Standes der
Technik werden in Tabelle 1 aufgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einsatz für neue bzw. alte
Kesselanlagen und insbesondere Heizungsanlagen vorzuschlagen, bei dem die
Kesselanlage so ausgerüstet bzw. nachgerüstet und anschließend eingestellt
werden kann, daß mit deutlich verringertem Brennstoffverbrauch höhere
Leistungsausbeuten bei gleichzeitiger Senkung der Emissionen erzielt werden
und sich die Anlage im Start- und Betriebsverhalten besser verhält als eine
neue, moderne Kesselanlage nach dem Stand der Technik. Der
erfindungsgemäße Einsatz soll an möglichst viele Arten und Größen von Kesseln
und Brennern angepaßt werden können und eine langjährige, sichere,
servicearme und anwenderfreundliche Betriebsweise ermöglichen. Außerdem
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gas- und wasserdichte, mit
einem Brenner und einem Einsatz ausgestattete Kesselanlage, ein Verfahren
zum Abstimmen des Brenners auf die Kesselanlage sowie Verfahren zum
Starten und zum Betreiben dieser Kesselanlage anzugeben, die die genannten
Vorteile aufweisen. Die Kesselanlage sollte bedarfsangepaßt sein und ausgelegt
für eine Nutzung über mindestens 20 Jahre sowie auf Betriebssicherheit und
Wartungsarmut.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Einsatz mit mindestens drei
Bereichen zur Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl oder/und Feststoff mit einer
Feststoffteilchengröße von im wesentlichen weniger als 1 mm in einer gas- und
wasserdichten Kesselanlage mit einem Brenner, dem der Einsatz im Brennraum
nachgeschaltet ist, gelöst, bei dem sich einem rohrförmigen
Beschleunigungsbereich ein sich aufweitender Verzögerungsbereich mit
Injektionsöffnungen und ein rohrförmiger Verdampfungsbereich mit größerer
Querschnittsfläche als beim Beschleunigungsbereich anschließen, wobei das
Innere frei von Lamellen ist, die die Ausbildung einer vergleichsweise schmalen
langen Flamme beeinträchtigen. In einer weiteren Ausführung wird die Aufgabe
erfindungsgemäß gelöst, in der das Rohr des Brenners und der nachgeschaltete
Einsatz zusammen einteilig oder mehrteilig ausgeführt sind, wobei zwischen
dem Rohrabschnitt und dem Einsatzabschnitt mindestens eine Saugöffnung
eingebracht ist und der Einsatzabschnitt im Inneren frei von Lamellen ist, die die
Ausbildung einer vergleichsweise schmalen langen Flamme beeinträchtigen, und
mindestens drei Bereiche aufweist, wobei sich einem rohrförmigen
Beschleunigungsbereich ein sich aufweitender Verzögerungsbereich mit
Injektionsöffnungen und ein rohrförmiger Verdampfungsbereich mit größerer
Querschnittsfläche als beim Beschleunigungsbereich anschließen.
Die Aufgabe wird außerdem mit einer gas- und wasserdichten Kesselanlage mit
einem Brenner und einem Einsatz zur Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl
oder/und Feststoff mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen
weniger als 1 mm gelöst, bei der ein erfindungsgemäßer Einsatz verwendet
wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zum Abstimmen eines
Brenners auf eine gas- und wasserdichte Kesselanlage mit einem Einsatz zur
Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl oder/und Feststoff mit einer
Feststoffteilchengröße von im wesentlichen weniger als 1 mm, bei dem die dem
Kessel zugeführte Leistung des Brenners, bezogen auf die Nennleistung eines
nach dem Stand der Technik ausgelegten Kessels, um mindestens 10%, jedoch
nicht um mehr als 60% unterschritten wird, wobei aber auch der
Brennstoffmindestdurchsatz des Brenners nicht unterschritten wird, oder die
Luftzufuhr des Brenners bei einer nach dem Stand der Technik eingestellten
Anlage um mindestens 10%, jedoch um nicht mehr als 60% reduziert wird
oder die Pressung an der Stauscheibe in einem nach dem Stand der Technik
ausgelegten Brenner um mindestens 5%, jedoch um nicht mehr als 100%
erhöht wird.
Die Aufgabe wird ferner mit einem Verfahren zum Starten einer gas- und
wasserdichten Kesselanlage gelöst, die mit einem Gemisch aus einem
Sauerstoff enthaltenden Fluid und dem Brennstoff Gas, Öl oder/und Feststoff
mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen weniger als 1 mm über
einen Brenner und einen nachgeschalteten Einsatz betrieben wird, bei dem das
Sauerstoff enthaltende Fluid erst in einen stabilen Umlauf gebracht wird und
dabei teilweise durch Saug-/Einlaß- und Injektionsöffnungen rezirkuliert wird,
bevor der Brennstoff eingelassen und gezündet wird.
Die Aufgabe wird schließlich mit einem Verfahren zum Betreiben einer gas- und
wasserdichten Kesselanlage gelöst, die mit einem Gemisch aus einem
Sauerstoff enthaltenden Fluid und dem Brennstoff Gas, Öl oder/und Feststoff
mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen weniger als 1 mm über
einen Brenner und einen nachgeschalteten Einsatz betrieben wird, wobei das
Gemisch durch ein Rohr des Brenners und einen nachgeschalteten Einsatz oder
durch entsprechende Abschnitte eines zusammen mit einem entsprechenden
Rohr einteilig oder mehrteilig ausgeführten Einsatzes geleitet und hierbei
unvollständig verbrannt wird, an Wänden des Brennraums umgelenkt, teilweise
durch Saugöffnung(en)/Einlaßöffnung und Injektionsöffnungen im Einsatz in die
Flamme injiziert und intensiv verbrannt wird, so daß eine vergleichsweise
schmale lange Flamme erzeugt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform für einen
einteiligen Einsatz und bezüglich der Strömungsverhältnisse in der Anlage
beispielhaft erläutert:
Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch einen einteiligen Einsatz 1 dar. Der Einlaß
2 mit der kreisförmigen Einlaßöffnung 3 ist zugleich der Beginn des
zylinderförmig ausgeführten Beschleunigungsbereiches 4, der in einen sich
aufweitenden, konischen Verzögerungsbereich 5 übergeht, der
Injektionsöffnungen 6 als senkrecht auf die Mittelachse gerichtete Bohrungen in
einer Reihe 7 angeordnet auf der Mantelfläche 8 aufweist. Daran schließt sich
der zylinderförmig ausgeführte Verdampfungsbereich 9 mit einem gegenüber
dem Beschleunigungsbereich 4 größeren Querschnitt mit dem Auslaß 10 und
der kreisförmigen Auslaßöffnung 11 an. 12 bezeichnet eine Bohrung zur
Aufnahme eines zylinderförmigen Zapfens Z eines Lagerstiftes, der zu einem
Auflager gehört.
Fig. 2 gibt einen Heizungskessel mit der Flamme und den
Gasströmungsverläufen in und um einen einteiligen Einsatz im Längsschnitt
wieder. Das Flammrohr 21 des Brenners 22 ragt durch die Kesseltür 23.
Der Brennraum 24 des Kessels 25 wird vor allem vom Wärmetauscher 26 mit
seinen Außenwänden 27 und von der Rückwand des Kessels 28 begrenzt. Der
Wärmetauscher 26 birgt die vom aufzuheizenden Wasser durchflossenen
Wärmetauscherrohre 29. Seitlich schließen sich der Wassereintritt 30 und der
Wasseraustritt 31 an. Der Einsatz 1 ist etwa mittig im Brennraum 24
angeordnet, insbesondere so, daß die Mittellinie des Flammrohrs 22 mit der
Mittellinie des Einsatzes 1 zusammenfällt. Der Einsatz 1 ist bevorzugt auf einem
Auflager 32 gelagert, welches hier aus drei Lagerstiften besteht, von denen
Deiner vorne mittig und zwei hinten seitlich angeordnet sind. Zur Überbrückung
größerer Höhenunterschiede kann eine Unterlage 33 verwendet werden. Bei
einem Flammrohr 21 entsteht die Flamme 34 kurz hinter dem Flammrohr und
brennt in Strömungsrichtung. Alternativ zum Flammrohr 21 kann ein
Brennerrohr gewählt werden, bei dem die Flamme 34 dann bereits etwa in der
Mitte des Brennerrohres beginnen würde. Vorzugsweise wird zwischen
Flammrohr 21 bzw. Brennerrohr und Einsatz 1 ein Abstand 35 als Saugbereich
36 eingestellt werden. Die Pfeile 37 im Brennraum 24 kennzeichnen den
Gasströmungsverlauf. Ein Teil der Gase wird über den Saugbereich 36 durch die
Einlaßöffnung 3 und durch die Injektionsöffnungen 6 in den Einsatz 1
rezirkuliert, ein anderer Teil über den Zug 38 und das Rauchrohr 39 in den
Kamin 40 geleitet.
Der Begriff gas- und wasserdichte Kesselanlage im Sinne dieser Erfindung soll
bedeuten, daß die Kesselanlage nahezu bis gänzlich gas- und wasserdicht ist.
Ein einteilig ausgeführter Einsatz enthält einen rohrförmigen
Beschleunigungsbereich, einen sich aufweitenden Verzögerungsbereich und
einen rohrförmigen Verdampfungsbereich, dessen Querschnitt größer ist als der
des Beschleunigungsbereichs. Bei einem mehrteiligen Einsatz können diese
Bereiche in mehreren gesonderten und ggbfs. miteinander verbundenen Teilen
vorliegen. Die Teile bestehen vorzugsweise alle aus dem gleichen Werkstoff.
Die Teilung kann insbesondere in Längsrichtung oder/und quer hierzu erfolgen,
vorzugsweise in Längsrichtung mit 2, 3 oder 4 Teilen. Die Teile können hierbei
ineinandergesteckt, geklemmt oder/und zusammengekittet werden;
vorzugsweise sind sie weitgehend dichtend miteinander verbunden, so daß sie
die Strömungsverhältnisse im Vergleich zum einteiligen Einsatz nicht
beeinträchtigen. Zum Zusammenstecken sind die Teile vorzugsweise mit einem
Bund, Flansch oder Rücksprung versehen. Die Klemmung kann über eine U-för
mige Klammer erfolgen. Die Kittung kann mit einem keramischen Klebemittel
wie z. B. Kesselkitt ausgeführt werden.
Andererseits ist es möglich, daß das Rohr des Brenners, also in der Regel das
Brennerrohr bzw. Flammrohr, und der nachgeschaltete Einsatz zusammen in
einer Konstruktion einteilig oder mehrteilig ausgeführt sind; die entsprechenden
Abschnitte dieses langen Einsatzes werden entsprechend als Rohrabschnitt und
Einsatzabschnitt bezeichnet. Hierbei ist zwischen dem Rohrabschnitt und dem
Einsatzabschnitt mindestens eine Öffnung als Saugöffnung eingebracht, wobei
die Saugöffnung(en) vorzugsweise in der Mitte oder bis zum Ende des
Rohrabschnitts angeordnet ist (sind) und eine Fläche von insgesamt mindestens
1000 mm², vorzugsweise von mindestens 5000 mm², besitzt. Für die
Saugöffnungen gilt das weitere, für die Injektionsöffnungen bezüglich der
Geometrie und Anordnung angeführte entsprechend. Der Einsatzabschnitt weist
mindestens drei Bereiche auf; hierbei schließt sich einem rohrförmigen
Beschleunigungsbereich mit kleinerer Querschnittsfläche ein sich aufweitender
Verzögerungsbereich mit Injektionsöffnungen und ein rohrförmiger
Verdampfungsbereich mit größerer Querschnittsfläche an. Für die Teile dieses
langen Einsatzes gilt das entsprechend für den kurzen Einsatz zuvor
ausgeführte.
Die Öffnungen auf der Mantelfläche (Injektionsöffnungen) des sich
aufweitenden Verzögerungsbereiches können insbesondere in Form von
kreisrunden Bohrungen, verrundeten Ausnehmungen, Polygonen oder Schlitzen
ausgeführt sein. Sie sind vorzugsweise regelmäßig auf der Mantelfläche
angeordnet, insbesondere in mindestens einer Reihe, die auf einer Fläche
senkrecht zur Mittellinie des Einsatzes steht. Wenn der Einsatz kreisrunde
Querschnitte aufweist, ist es besonders vorteilhaft, daß die Öffnungen innerhalb
jeder Reihe äquidistant angeordnet und von gleichem Öffnungsquerschnitt und
gleicher Form sind, um eine gleichmäßige Rezirkulation von allen Seiten um und
in die Flamme zu bewirken. Insbesondere ist eine Rezirkulation günstig, bei der
die Öffnungen senkrecht auf die Mittellinie gerichtet sind.
Die Injektionsöffnungen sind vorzugsweise als Bohrungen von 4 bis 80 mm
Durchmesser, insbesondere von 10 bis 50 mm ausgeführt. Hierbei sind
bevorzugt 6 bis 18, insbesondere 9 bis 15 Öffnungen in gleichen Abständen auf
einer Ebene senkrecht um die Mittellinie und senkrecht auf die Mittellinie
ausgerichtet angeordnet.
Der Einsatz weist vorteilhafterweise eine Wandstärke von 1 bis 25 mm auf,
insbesondere von 2,5 bis 20 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 15 mm. Die
Querschnittsfläche des Beschleunigungsbereiches beträgt bevorzugt mindestens
200 mm², insbesondere mindestens 6000 mm² auf. Der einteilige Einsatz weist
bevorzugt eine Mindestlänge von 40 mm, insbesondere von 80 mm auf.
Die erfindungsgemäßen Einsätze zeichnen sich insbesondere durch folgende
geometrischen Verhältnisse aus:
- - Volumen des Verdampfungsbereiches zum Volumen des Beschleunigungsbereiches 5 : 1 bis 15 : 1 - jeweils auf das Innere des Einsatzes bezogen, besonders bevorzugt von 8 : 1 bis 12 : 1,
- - Volumen des Verdampfungsbereiches zum Volumen des Verzögerungsbereiches 2 : 1 bis 6 : 1 - jeweils auf das Innere des Einsatzes bezogen, besonders bevorzugt 3 : 1 bis 5 : 1,
- - freie Querschnittsfläche am Auslaß des Einsatzes zur Summe der Flächen der Öffnungen auf der Mantelfläche des Verzögerungsbereichs 3 : 1 bis 15 : 1, besonders bevorzugt von 8 : 1 bis 12 : 1,
- - freie Querschnittsfläche des Auslasses des Einsatzes zu der des Einlasses 1,1 : 1 bis 5 : 1, besonders bevorzugt von 1,2 : 1 bis 2 : 1,
- - Länge des Einsatzes in Richtung der Mittellinie zum Querschnitt - gemessen als Äquivalentkreisdurchmesser - an seinem Auslaß 1 : 1 bis 2 : 1, besonders bevorzugt etwa 1,5 : 1,
- - Abstand zwischen dem Brennerrohr bzw. Flammrohr des Brenners und dem Einsatz entspricht der -1fachen Länge (Überlappung) bis +2,5fachen Länge (Saugabstand) des Beschleunigungsbereiches, besonders bevorzugt der 0,4- bis 1,5fachen Länge.
Der Äquivalentkreisdurchmesser kennzeichnet den Durchmesser eines
flächengleichen Kreises.
Der Einsatz ist im Inneren frei von Lamellen, die die Zentrierung und
Ausrichtung einer vergleichsweise schmalen, langen, nichtrußenden Flamme
beeinträchtigen können.
Versuche mit Einsätzen aus verschiedenen Werkstoffen haben gezeigt, daß sich
solche aus Keramik am besten eignen. Mit neuen nichtverzunderten
metallischen Einsätzen können zwar ähnlich niedrige Kohlenmonoxidwerte am
Abgas bei entsprechender Einstellung bis zum Ausglühen erzielt werden, aber
nur bei gleichzeitig erhöhtem Stickoxidgehalt und erhöhtem Frischluftbedarf.
Der Emissionsgrad eines keramischen Bauteils ist im Bereich der
Infrarotstrahlung üblicherweise höher als der von alternativ verwendbaren
Metallen. Häufig ist auch die Wärmekapazität der keramischen Werkstoffe
höher und die Wärmeleitfähigkeit niedriger als die derartiger metallischer
Werkstoffe. Bei Verwendung von keramischen Bauteilen Siliciumcarbidkeramik
wird eine im Vergleich zu den meisten metallischen Werkstoffen überaus hohe
Wärmeleitfähigkeit genutzt. Die Kombination dieser und auch weiterer
Werkstoffeigenschaften führt möglicherweise zu den sehr niedrig gemessenen
Abgaswerten von weniger als 160 mg/kWh NOx bei Heizöl EL oder weniger als
100 mg/kWh NOx bei Erdgas, unabhängig von der Brenner-Kessel-Kombination.
Ein einteilig gestalteter Einsatz kann ebenso wie mindestens ein Teil des
mehrteilig ausgeführten Einsatzes oder ein Rohr, das einteilig als Flammrohr
bzw. Brennerrohr des Brenners und zugleich als nachgeschalteter Einsatz
ausgeführt ist, vorteilhaft aus Keramik bestehen. Als keramische Werkstoffe
eignen sich insbesondere Silicatkeramiken, Siliciumcarbidkeramiken und
Siliciumnitridkeramiken, unter den Silicatkeramiken vor allem solche mit hohem
Cordierit- und Mullit-Gehalt. Besonders bevorzugt sind für den
erfindungsgemäßen Einsatz poröse oder dichte Siliciumcarbidkeramiken, z. B.
poröse silicatisch gebundene oder dichte Silicium-infiltrierte Werkstoffvarianten.
Der ein- oder mehrteilige Einsatz ist geringfügig überlappend, im Anschluß an
oder hinter einem Flammrohr/Brennerrohr angeordnet, vorzugsweise in einem
Abstand vom Ende des ersten Rohres zum Einlaß des Einsatzes von 0 bis 150 mm,
auch abhängig von der Anlagengröße, besonders bevorzugt in einem
Abstand von mindestens 5 mm, ganz besonders bevorzugt von mindestens 15 mm.
Der Abstand zwischen Flammrohr/Brennerrohr und Einsatz ist so
bemessen, daß die Flamme noch nicht an den Wänden des Einsatzes anschlägt.
Je größer dieser Abstand wird, desto kürzer kann die Aufheizzeit des
aufzuheizenden Wassers für eine Temperaturerhöhung um beispielsweise 10°C
werden. Der Einsatz wird vorzugsweise so ausgerichtet, daß die Mittellinie des
Flammrohrs bzw. Brennerrohrs mit der Mittellinie des Einsatzes zusammenfällt
oder näherungsweise zusammenfällt.
Hinter dem Einsatz befindet sich vorzugsweise eine senkrecht zu dieser
Mittellinie angeordnete Rückwand, meist auch mit seitlichen Wänden, die zur
Umlenkung und Rückführung des unvollständig verbrannten Gemisches dienen
sollen und im Zusammenwirken mit den übrigen Anlagenteilen im Brennraum so
gestaltet sind, daß ein Teil dieses Gasstromes durch die
Saugöffnung(en)/Einlaßöffnung vor dem Einsatz und durch die
Injektionsöffnungen auf der Mantelfläche in den Einsatz zurückgeführt wird.
Der erfindungsgemäße Einsatz wird bevorzugt über ein Auflager, das verstellbar
sein kann, gelagert. Hiermit kann die Ausrichtung des Einsatzes seitlich und in
der Höhe, die Zentrierung auf die Mittellinie der Anordnung
Flammrohr/Brennerrohr - Einsatz oder/und die Einstellung des Abstands
(Saugbereich) zwischen Flammrohr/Brennerrohr und Einsatz erfolgen. Der
Einsatz kann hierzu eine oder mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme des
Auflagers oder Befestigungshilfen wie z. B. Bohrungen, Stege, Ösen, Haken
aufweisen. Er kann mit dem Kessel oder dem Wärmetauscher starr, auflagernd
oder hängend verbunden sein. Auch dieses Auflager besteht vorzugsweise aus
einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus einem wärmeisolierenden. Die
Kontaktflächen zum Einsatz sind vorzugsweise eher punkt- oder linienförmig
ausgebildet. Er kann, insbesondere wenn sowohl der Einsatz, als auch das
Auflager aus Keramik bestehen, über ein keramisches Klebemittel wie zum
Beispiel Sauereisenzement, Kesselkitt oder Feuerfestbinder auf Basis
Aluminiumphosphaten, Gelen bzw. Alkoholaten oder über eine metallische
Zwischenschicht z. B. auf Basis Silicium, Siliciden oder einem anderen gut
benetzenden Metall/einer gut benetzenden Legierung fest mit dem Einsatz
verbunden sein. Die Ausgestaltung eines derartigen Auflagers wird in der
zeitgleich eingereichten deutschen Gebrauchsmusteranmeldung "Keramisches
Auflager" beschrieben, auf deren Offenbarung hier ausdrücklich Bezug
genommen wird. Größere Höhenunterschiede zwischen einer Bodenfläche und
dem Einsatz können auch über dazwischen positionierte Unterlagen, z. B. aus
feuerfesten Baustoffen wie Schamotteplatten, überbrückt werden. Für die
Strömungsverhältnisse im Brennraum ist es jedoch günstig, wenn sich unter
dem Einsatz ein gewisser frei durchströmbarer Raum befindet; dadurch wird die
Umströmung und Rezirkulation gleichmäßiger und die Flamme senkt sich
weniger oder gar nicht mehr im Bereich des Einsatzes ab.
Bei der erfindungsgemäßen Kesselanlage ist der ein- oder mehrteilige Einsatz
einem Brenner nachgeschaltet, soweit nicht das Flammrohr/Brennerrohr des
Brenners und der nachgeschaltete Einsatz zusammen ein- oder mehrteilig
ausgeführt sind. Im letzteren Fall ist mindestens eine Saugöffnung mit einer
Gesamtquerschnittsfläche von mindestens 500 mm², insbesondere von
mindestens 3000 mm², zwischen Rohrabschnitt und Einsatzabschnitt
angeordnet. Die Saugöffnungen sind vorzugsweise als Schlitze, Polygone oder
verrundete Ausnehmungen ausgeführt. Mehrere Saugöffnungen sind
vorzugsweise regelmäßig um die Mittellinie herum angeordnet.
Als Brenner wird in vielen Fällen ein Gebläsebrenner verwendet werden. Aber
es kann z. B. auch ein atmosphärischer Brenner entsprechend der Erfindung
betrieben werden, wenn die Luftbewegung auf den Einsatz konzentriert und die
Flammen durch den Einsatz geleitet und möglichst zusammengeführt werden.
Bei der Abstimmung des Brenners auf die Kesselanlage ist vor allem entgegen
der Meinung der Fachwelt darauf zu achten, daß
- - die dem Kessel zugeführte Leistung des Brenners, bezogen auf die Nennleistung eines nach dem Stand der Technik ausgelegten Kessels, um mindestens 10%, jedoch nicht um mehr als 60% unterschritten wird, vorzugsweise um 20 bis 50%, wobei aber auch der Brennstoffmindestdurchsatz des Brenners nicht unterschritten werden darf;
- - die Luftzufuhr des Brenners bei einer nach dem Stand der Technik eingestellten Anlage um mindestens 10%, jedoch um nicht mehr als 60% reduziert wird, vorzugsweise um mindestens 20 bis 50%;
- - die Pressung an der Stauscheibe in einem nach dem Stand der Technik ausgelegten Brenner um mindestens 5%, jedoch um nicht mehr als 100% erhöht wird, vorzugsweise um 20 bis 80%.
Die Reduzierung der Luftzufuhr und der Pressung ist auf die Normaleinstellung
des Brenners auf die Anlage nach dem Stand der Technik bezogen.
Die Abstimmung des Brenners auf die Kesselanlage ist aber von der
Mindestdurchsatzleistung des Brenners begrenzt, also dem Verhältnis der
kleinsten möglichen Luftmenge zu der kleinsten möglichen Brennstoffmenge, die
eine optimale Verbrennung zuläßt, und kann daher oft nicht entsprechend der
Auslegung der Kesselanlage abgestimmt werden.
Die Pressung wird hierbei über eine Reduzierung der Luftzufuhr des Brenners
durch eine Verstellung der Stauscheibe bzw. des Düsenstockes erreicht. Die
Pressung des Öl-Luft-Gemisches kann angehoben werden, indem der
Düsenstock mit angeschraubter Stauscheibe in Strömungsrichtung nach vorn
oder hinten in ein sich verjüngendes Rohr bewegt und fixiert wird. Bei sich
konisch verjüngenden Rohren wird dadurch der freie Querschnitt der
Austrittsöffnung des Rohres verringert. Die Luft wird mit einem stärkeren Drall
durch die Öffnungen der Stauscheibe gepreßt und kann mehr Ölnebel an sich
binden, was eine optimale Sättigung des Gemisches Luft - Öl ergibt. Bei
Anlagen ohne erfindungsgemäßen Einsatz kommt es bei Ausnutzung der
maximal möglichen Pressung deshalb leicht zum Abreißen der Flamme. Die
Verwendung des Einsatzes bewirkt jedoch eine gleichmäßige Geschwindigkeit
der um den Einsatz zirkulierenden Gasmassen.
Die Lösungen zur Anhebung der Pressung sind je nach Brenner unterschiedlich.
Die Erhöhung der Pressung ist bei Öl-befeuerten Anlagen mit einer intensiveren
Vermischung des Ölnebels mit der Frischluft verbunden, ohne daß hierzu die
Luftzahl λ < 1,15 benötigt wird. Die Luftzufuhr kann dann um mindestens 50%
gegenüber der Einstellung nach dem Stand der Technik reduziert werden,
weil durch die Rezirkulation weniger Frischluft benötigt wird, um den Brennraum
zu füllen.
Bei der Abstimmung des Brenners auf eine Kleinheizungsanlage, die nach 1985
erstellt wurde, könnte bereits durch optimale Brennereinstellung 10 bis 15%
Brennstoff eingespart werden, wenn hiermit nicht zwangsläufig eine
Störanfälligkeit durch Abreißen der Flamme und Rußbildung verbunden wäre.
Bei einer Ausrüstung/Nachrüstung einer Heizungsanlage nach dem Stand der
Technik mit einem erfindungsgemäßen Einsatz wird mindestens 25%
Brennstoff durch die optimale Umsetzung der zugeführten Energie, also durch
Verbrennung ohne Kohlenmonoxid-Emission und bei optimalem Luftüberschuß
die Luftzahl λ < 1,15 erreicht. Darüber hinaus wird eine Brennstoffeinsparung
von mindestens 10% bei der Ausrüstung/Nachrüstung einer Kesselanlage über
die Anhebung des Jahresnutzungsgrads gespart, d. h. die Anpassung der
Anlage an den tatsächlich benötigten Energiebedarf erreicht wird.
Bei Öl-befeuerten Kesselanlagen ist eine Ölzerstäubungsdüse mit einem Winkel
größer als 30° und kleiner als 60° bevorzugt. Die Einstellung der Kesselanlage
erfolgt dabei entgegen der Meinung der Fachwelt mit erhöhter Pressung. Diese
Art der Pressung bedeutet eine erhöhte Luftgeschwindigkeit hinter der
Stauscheibe des Brenners. Hierbei vermischt sich das durch die Düse fein
zerstäubte Öl besser mit der sich schnell drehenden Frischluft. Es wird eine zur
Verbrennung optimale Sättigung der Luft mit Öltröpfchen erreicht, was einen
vollkommenen Ausbrand ermöglicht, da mit einer kompakteren längeren Flamme
praktisch vollständig ausgebrannt werden kann; da kein Luftüberschuß
herrscht, der die Flammengeschwindigkeit erhöht, kann die Flamme, die sicher
in rezirkulierende Gasmassen eingebettet ist, unmöglich abreißen, anders als bei
einer Einstellung nach dem Stand der Technik. Es wäre besonders günstig,
wenn kleinere Brennerleistungen eingestellt werden könnten und die
Brennermindestleistung hierzu die Verwendung von Ölzerstäubungsdüsen für
Durchsatzmengen kleiner als 0,3 gallons pro Stunde erlauben würde; derartige
Düsen sind noch nicht auf dem Markt. Insgesamt wäre es für eine Öl-befeuerte
Kleinkesselanlage günstig, wenn die Brennermindestleistung kleiner oder gleich
5 kW ist. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn anstelle des recht starken
Schwankungen in Art und Umfang von schmutzigen Zusätzen wie Altölresten
unterliegenden Heizöls ein Stickstoff-armes Heizöl eingesetzt wird.
Wirkung des Erfindungsgemäßen Einsatzes während der Start- und
Abbrandphase:
Nach dem Vorbelüftungsbeginn werden die Luftmassen vom Flammrohr/Brenner rohr durch den Einsatz in Richtung Rückwand und Züge des Kessels gedrückt. Die relativ hohe Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus dem Flammrohr/Brennerrohr bewirkt bereits vor der Zündung, daß die Luftmassen auch um den Einsatz herum in Bewegung gesetzt werden. Die Saugöffnung(en)/Einlaßöffnung und die Injektionsöffnungen bewirken den Eintritt rezirkulierter Luft, teilweise senkrecht zur Luftströmung, der die Luftgeschwindigkeit in den verschiedenen Strömungsbereichen in einen konstanten Zustand bringt. Bis zum Eintritt der Luft in den Verdampfungsbereich wird die Strömungsgeschwindigkeit im Verzögerungsbereich verringert. Mit diesem Effekt wird eine hohe Füllung des Brennraumes erreicht und eine gleichmäßige Luftbewegung im erfindungsgemäßen Einsatz für die folgende problemlose Flammenbildung gegeben. Wenn der Lichtbogen oder Zündfunke den Ölnebel bzw. das gasführende Luftgemisch zündet, bildet sich eine Flammenlanze kurz hinter dem Flammrohrende durch den Einsatz in den Brennraum aus. Bei einem Brennerrohr bildet sich die Flammenlanze bereits etwa ab der Mitte des Brennerrohres aus.
Nach dem Vorbelüftungsbeginn werden die Luftmassen vom Flammrohr/Brenner rohr durch den Einsatz in Richtung Rückwand und Züge des Kessels gedrückt. Die relativ hohe Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus dem Flammrohr/Brennerrohr bewirkt bereits vor der Zündung, daß die Luftmassen auch um den Einsatz herum in Bewegung gesetzt werden. Die Saugöffnung(en)/Einlaßöffnung und die Injektionsöffnungen bewirken den Eintritt rezirkulierter Luft, teilweise senkrecht zur Luftströmung, der die Luftgeschwindigkeit in den verschiedenen Strömungsbereichen in einen konstanten Zustand bringt. Bis zum Eintritt der Luft in den Verdampfungsbereich wird die Strömungsgeschwindigkeit im Verzögerungsbereich verringert. Mit diesem Effekt wird eine hohe Füllung des Brennraumes erreicht und eine gleichmäßige Luftbewegung im erfindungsgemäßen Einsatz für die folgende problemlose Flammenbildung gegeben. Wenn der Lichtbogen oder Zündfunke den Ölnebel bzw. das gasführende Luftgemisch zündet, bildet sich eine Flammenlanze kurz hinter dem Flammrohrende durch den Einsatz in den Brennraum aus. Bei einem Brennerrohr bildet sich die Flammenlanze bereits etwa ab der Mitte des Brennerrohres aus.
Da mit dem erfindungsgemäßen Einsatz sehr niedrige Brennstoffdrucke wie z. B.
bei Öl bis etwa 3 bar hinab und damit niedrige Strömungsgeschwindigkeiten im
Kessel eingestellt werden können und da außerdem bereits während der
Vorbelüftungszeit von etwa 30 bis 120 Sekunden stabile
Strömungsverhältnisse geschaffen werden können, kann die Zündung sehr
leise, weich und ohne den üblichen Verpuffungsknall erfolgen und eine hohe
Betriebssicherheit der Heizungsanlage unter allen Umständen bewirkt werden,
da eine geringe Brennstoffkonzentration mit einer verringerten Luftzufuhr nur
ein zündfähiges, nicht aber ein verpuffungsfähiges Gemisch ermöglicht, zumal
sich die Gasmassen bei der Zündung bereits in einer stabilen Durchströmung
befinden.
Bereits in den ersten etwa 20 bis 40 Sekunden ab der Zündung werden nur
geringfügig erhöhte Schadstoffbelastungen gegenüber dem Normal betrieb
erzeugt. Der CO-Ausstoß beträgt beim Anfahren einer Kleinfeuerungsanlage
weniger als 100 ppm, oft weniger als 50 ppm und sinkt kontinuierlich bis zum
Erreichen der optimalen Einstellung der Luftzahl in etwa einer Minute ab
Zündung auf Null. Die Verbrennung erfolgt von Anfang an in einem
vergleichsweise schmalen Flammenbündel und verläuft kontrolliert und sehr
stabil über die gesamte Länge des erfindungsgemäßen Einsatzes. Die Flamme ist
bei guter Einstellung im mittleren Teil des Verdampfungsbereiches annähernd
zylindrisch ausgebildet und öffnet sich zum Auslaß ein wenig. Sie ist
vergleichsweise schmal und lang. Sie ragt dann geringfügig über den Auslaß
hinaus. Unter diesen Bedingungen brennt die Flamme ohne Flackern, ruhig,
stabil und langsam und schlägt nicht an den Wänden des Einsatzes an. Die
rezirkulierenden Gase werden durch die Saugöffnung(en)/Einlaßöffnung und
durch die möglichst senkrecht zum Flammenkern angeordneten
Injektionsöffnungen angesaugt. Durch die derart in den Flammenkern injizierten
Gase erfolgt eine nahezu vollständige Verbrennung der in den rezirkulierenden
Gasmassen enthaltenen, noch oxidierbaren Stoffe sowie eine Kühlung der
Flamme und des Einsatzes. Die noch darin enthaltenen Kohlenwasserstoffe und
das restliche Kohlenmonoxid werden oxidiert, ohne daß der niedrige Anteil an
Stickoxiden erhöht wird. Die Einsätze aus Keramik werden aufgrund der
Werkstoffeigenschaften und des Herstellverfahrens bevorzugt mit einer
Wandstärke von 3 bis 16 mm, besonders bevorzugt mit 3,5 bis 6 mm gefertigt
und können den injizierten Luftstrom eher ausrichten als die in der Regel
deutlich dünnwandiger gestalteten metallischen Einsätze.
Die erfindungsgemäß umlaufenden Luftmassen bewirken folgende Vorteile:
- - Der durch die Vorbelüftung aufgebaute Unterdruck (Sog) am Einsatz-Einlaß erweist sich als hilfreich, denn die Ausbreitung der Flamme erfolgt sehr weich und kontrolliert. Durch die umlaufenden Gase bildet sich die Flamme sehr schlank, stark konzentriert und länger aus, als wenn die Flamme nach dem Stand der Technik auf sich stauende Luftmassen trifft. Die Flamme wird sofort ab der Zündung und im weiteren Betrieb sicher und stabil über die ganze Länge des Einsatzes geführt, wodurch die Verbrennung des Gemisches vollständiger erfolgt. Hierdurch kann bei Ölfeuerungsanlagen ein Öldruck von etwa 3 bis 12 bar eingestellt werden, bevorzugt zwischen 4 und 8 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 bar, so daß eine lange Wärmeübertragungszeit erreicht werden kann. Die Heizungsanlage startet sehr leise. Verpuffungsknall, Flammen- und Luftströmungsgeräusche sind soweit herabgesetzt, daß nur noch Laufgeräusche des Brenners wahrzunehmen sind. Auch im weiteren Betrieb sind nur die Laufgeräusche zu hören.
- - Ein nicht unerheblicher Vorteil wird auch durch das Flammenbild angedeutet: Es sind keinerlei rußbildende Ausfransungen am Flammenrand wie nach dem Stand der Technik üblich zu sehen, die im Übergangsbereich von dynamischer Luftmasse (Flamme) zu statischer Luftmasse vorhanden sind. Beim Betrieb nach dem Stand der Technik bewirkt unbewegte Luft im Brennraum die Aufspaltung der Flamme, was als Bremseffekt der konvergierenden Moleküle bekannt ist. In allen optimierten Einstellungen der erfindungsgemäßen Heizungsanlage wird im Betrieb kein Ruß erzeugt; eine CO-Emission ist nicht mehr meßbar.
- - Die Sturmstabilität der Flamme ist ausgezeichnet, d. h. die Flamme kann auch unter extremen, Wetter bedingten Schwankungen des Kaminzuges nicht abreißen, und der Brenner kann mit niedrigem Brennstoffdruck und geringer Luftgeschwindigkeit betrieben werden.
- - Der Brennraum ist hoch gefüllt.
- - Die hohe Umlaufgeschwindigkeit der rezirkulierenden Gasmassen führt zu einem hohen Durchsatz an rückgewonnen Abgasmassen und somit zu einer sehr hohen Flammentemperatur von meist 1700 bis 2000 °C im Flammenkern, was zwangsläufig eine bessere Ausnutzung der zugeführten Energie, also eine vollständigere Verbrennung mit saubereren Abgasen zur Folge hat. Die erfindungsgemäß betriebene Heizungsanlage kann mit deutlich geringerem Energieaufwand bei gleicher Heizleistung betrieben werden.
Die den Flammenkern umgebenen Gasmassen werden durch den Sog des
Einsatzes ab dem Ende des Flammrohres/Brennerrohres beschleunigt, bevor der
sich erweiternde und die Gasmassen bremsende Verzögerungsbereich erreicht
wird. Der sich öffnende Verzögerungsbereich ist auf seiner Umfangsfläche mit
einer bestimmten Anzahl von in Abstand zueinander liegenden, in der Regel
gleich großen und möglichst senkrecht zur Mittellinie geführten
Injektionsöffnungen versehen. Durch diese Injektionsöffnungen werden
rückgesaugte Gase mit relativ hoher Geschwindigkeit von außen radial auf die
durch den Einsatz strömenden Gasmassen geführt.
Das Aufeinandertreffen zweier Gasströme im rechten Winkel und mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Massen bewirkt aufgrund der
Injektion eine optimale Durchmischung der nachzuverbrennenden Gase mit dem
Flammenkern. Hinderliche Lamellen oder Umlenkscheiben werden vermieden.
Dies hat zur Folge, daß ein hoher Anteil des restlichen Sauerstoffs und der
restlichen Kohlenwasserstoffe des rezirkulierten Gasmassenstromes bei erneuter
Führung durch den Verdampfungsbereich aufgrund der langsameren Strömung
an den sehr heißen Wänden des Einsatzes nachverbrannt wird, bevor das
Abgas durch die Züge in den Kamin und ins Freie gelangen kann. Der
Verdampfungsbereich wird so bezeichnet, weil die von der Flamme nicht
verbrannten Kohlenwasserstoffe und andere oxidierbare Stoffe hier in der Regel
aufgrund der Hitze verdampfen. Die Einstellung der Heizungsanlage kann so
gewählt werden, daß keine Kohlenmonoxidspuren mehr im Abgas nachweisbar
sind.
Nach dem Beginn des Abbrandes stellen sich im Brennraum stabile Strömungs- und
Abbrandverhältnisse wie in Fig. 2 dargestellt ein. Die Sturmstabilität der
Flamme ist ausgezeichnet. Der Ausbrand erfolgt mit längerer Flamme,
vollständigerer Verbrennung und geringerem Schadstoffausstoß. Der
Kohlendioxid-Gehalt im Rauchgas steigt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
bis auf etwa 14%, die Abgastemperatur liegt um etwa 40 bis 60°C bei der
Nachrüstung von Altanlagen und um etwa 20°C bei Neuanlagen niedriger als
im Vergleich zum Betrieb nach dem Stand der Technik. Die Brennerlaufzeit soll
für einen optimalen Jahresnutzungsgrad bei minimalem Energieverbrauch
mindestens 2000 Stunden betragen, was einer bedarfsangepaßten, gleitend
gefahrenen Anlage nahe kommt. Die Aufheizzeit des aufzuheizenden Wassers
für eine Temperaturerhöhung um beispielsweise 10°C wird gehalten oder
geringfügig verlängert, je nach der Leistungsreduzierung. Das ist
gleichbedeutend mit einer besseren Wärmeübertragung bei gleichzeitig erheblich
gesenkter Energiezufuhr, so daß der feuerungstechnische Wirkungsgrad ηF
gehalten oder bis auf etwa 92 bis 98% gesteigert wird. Hieraus resultieren
längere Brennerlaufzeiten und um etwa 20 bis 30% längere Stillstandszeiten im
Dauerbetrieb. Dies führt zu etwa 30% weniger Starts pro Stunde als bei
Anlagen, die nach dem Stand der Technik betrieben werden. Dennoch kann
hierbei um 35 bis 50% Brennstoff gespart werden. Ohne eine Anpassung der
Brennerleistung fährt jedoch eine nach dem Stand der Technik ausgelegte
Heizungsanlage mit viel zu hoher Leistung und verschwendet reichlich
Brennstoff.
Bei der Nachrüstung von Heizungsanlagen nach dem Stand der Technik mit
einem erfindungsgemäßen Einsatz ist der Brenner in seiner Leistung zu drosseln,
indem der Öl- bzw. Gasdruck verringert wird und der Staudruck vor einer
Stauscheibe (Pressung) sowie die Frischluftmenge der neuen Leistung und
damit dem deutlich verringerten Brennstoffangebot angepaßt und dabei immer
stark gesenkt wird. In der Regel wird auch hierbei der Volumenstrom des
Brennstoffs, gemessen in Kilogramm pro Stunde, um etwa 35 bis 50%
gegenüber der Brenneristleistung verringert. Im Rahmen der Optimierung der
anzupassenden nachzurüstenden Heizungsanlage wird die Brennerleistung in
einem ersten Schritt um etwa 40% gegenüber der Brenneristleistung reduziert,
jedoch nicht auf weniger als 50% der Kesselnennleistung; der
Mindestdurchsatz des Brenners an Brennstoff darf ebenfalls nicht unterschritten
werden. Diese Art der Einstellung ist weniger empfindlich gegen Einflüsse im
realen Dauerbetrieb und daher langlebiger als nach dem Stand der Technik. Die
Leistungsreduzierung ist individuell anzupassen. Mit Brenneristleistung wird die
Leistung bezeichnet, die unter normalen Bedingungen bei einem nach dem
Stand der Technik eingestellten Brenner erzielt wird.
Es war überraschend, daß
- - selbst bei nach dem Stand der Technik optimal eingestellten Anlagen der jüngsten Generation ohne Probleme 30% und mehr Brennstoff bei gleicher Heizleistung gespart werden kann;
- - die Schadstoffemissionen dauerhaft niedrig bleiben und die Anforderungen der strengen Schweizer Luftreinhalteverordnung (LRV) vom Januar 1992 unter Verwendung von Prüföl unterschritten werden kann;
- - die Luftzahl λ auf Werte < 1,15 eingestellt werden kann und dennoch ein dauerhaft sicherer Betrieb der Anlage möglich ist;
- - die Wärmeabgabeleistung des Einsatzes überragend gut ist, was sich im niedrigen Brennstoffbedarf im Verhältnis zur Aufheizzeit zeigt als Hinweis auf die bessere Ausnutzung der zugeführten Energie;
- - die Temperatur des Heizungswassers im Wärmetauscher bei erfindungsgemäßem Betrieb im ganzen Wärmetauscher und auch über die Betriebszeit praktisch konstante Temperatur aufweist. Nach dem Stand der Technik würde eine Differenz der Wassertemperaturen zwischen Kesselvorderseite und -rückseite von etwa 20 bis 40°C auftreten. Das spricht für eine sehr gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung der Wärmetauscherwände.
Der erfindungsgemäße Einsatz kann bei allen Arten von Heizungsanlagen mit
einem gas- und wasserdichten Kessel in Verbindung mit einem Brenner für
flüssigen oder gasförmigen Brennstoff eingesetzt werden, um das
Emissionsverhalten bei gleichzeitiger Energieeinsparung zu verbessern. Es können
hiermit sowohl Neuanlagen ausgestattet werden, als auch Altanlagen, die die
Werte beispielsweise der 1. BimSchV und TA Luft nicht erfüllen, preisgünstig
und effektiv nachgerüstet werden. Bei Neuanlagen zeigt sich, daß durch die
Verwendung des erfindungsgemäßen Einsatzes entgegen der Meinung der
Fachwelt eine deutliche Steigerung der Leistungsumsetzung der zugeführten
Energie von etwa 25 bis 50% erzielt wird und daß trotz dieser
Leistungsumsetzung der CO-Ausstoß von etwa 30 bis 70 ppm CO auf Null und
der NOx-Ausstoß gleichzeitig auch gesenkt werden kann. Die
Rauchgasmessungen erfolgten in der Meßöffnung des Rauchgasrohres der
Anlage.
Aus Tabelle 1 können Vorgaben des Gesetzgebers in Deutschland und
Tendenzen der Emissionsminderung und Energieeinsparung entnommen werden.
Unter Abgasverlust wird der Verlust von nicht genutzter Wärme verstanden, der
bei ungünstiger Verbrennung durch Bildung von CO, Ruß und Ölkoks auftritt. Er
wird nach der 1. BimSchV aus dem Meßwert des CO₂- oder O₂-Gehaltes im
Abgas abgeleitet. Die Rußzahl gibt die Verbrennungsqualität an: Je besser die
Verbrennung ist, desto weniger Ruß wird gebildet und desto niedriger ist die
Rußzahl.
Die in Tabelle 1 aufgeführten Werte der deutschen Verordnungen gelten für die
Verwendung von Prüföl, mit dem wegen der Reinheit zwangsläufig weit
günstigere Werte erzielt werden als mit dem üblicherweise verbrannten Heizöl
EL. Für die Meßergebnisse an den Anlagen wurde jedoch mit handelsüblichem
Heizöl EL gearbeitet, so daß die Meßwerte etwa um mindestens 30%
schlechter sind im Vergleich zum Betrieb mit Prüföl, aber den realen Betrieb
widerspiegeln. Es ist zu beachten, daß bei Kleinheizungsanlagen keine
Überwachung in kurzen regelmäßigen Abständen auftritt und selbst dann nur
der Abgasverlust und die Rußzahl überprüft werden. Der NOx-Ausstoß kann bei
typischen Altanlagen auch sehr gering ausfallen, wenn diese Anlage mit sehr
viel Luft, kalter Flamme, hohem CO-Ausstoß und besonders schlechter
Leistungsumsetzung betrieben wird.
Die Versuche wurden weitestgehend vergleichbar und unter Verwendung eines
sensiblen Gasanalysegeräts der jüngsten Generation durchgeführt. Die
benutzten Anlagen erfüllen die TA Luft und die 1. BimSchV. Die Messungen
erfolgten nicht mit Prüföl als Brennstoff, wie das üblicherweise geschieht und
dann deutlich günstigere Meßwerte als im realen Betrieb aufzeigt, sondern mit
handelsüblichem Heizöl EL. Die Tabelle 2 gibt die Ergebnisse der Versuche ohne
und mit dem erfindungsgemäßen Einsatz und mit einem Heizeinsatz von
Schneidawind-Technologie für eine Kessel-Brenner-Kombination wieder; sie
wurden innerhalb weniger Stunden hintereinander in der Reihenfolge der
Numerierung ausgeführt.
Mit ηF wird der feuerungstechnische Wirkungsgrad, der die Abgasverluste
berücksichtigt, und mit λ der Lambda-Wert, auch als Luftzahl bezeichnet, zur
Kennzeichnung des Sauerstoffgehalts im Abgas über CO2theoretisch max. zu
CO2gemessen errechnet. Der Abgasverlust wird aus der Differenz des
feuerungstechnischen Wirkungsgrades zu 100% abgeleitet. Je niedriger der
Wert für die Luftzahl λ bei einem CO-Ausstoß von 0 ppm ist, desto höher ist die
Flammenkerntemperatur und desto vollständiger ist die Verbrennung. Die
Meßwerte von O₂, CO₂ und λ - gemessen im Abgas des Rauchgasrohres -
verlaufen relativ streng proportional bzw. umgekehrt proportional zueinander.
Die Kesseltemperatur wurde am Kesselthermometer abgelesen, die
Abgastemperatur in der Meßöffnung des Rauchrohres. Der Feinzug
charakterisiert die Strömungsgeschwindigkeit der Gasmassen vom Kessel zum
Kamin, wobei Werte um -0,05 sehr günstig und um -0,10 günstig sind. Die Zeit
zum Aufheizen des die Wärme aufnehmenden Heizungswassers um z. B. 10°C
(Aufheizzeit) ist ein Maß für die Wärmeübertragungsleistung. Für die Versuche
wurden 64 l Wasser in einem geschlossenen Kreislauf bewegt. Unter den
aufgeführten Meßwerten sollten insbesondere die Werte für ηF und CO₂
möglichst hoch und für λ, Abgastemperatur, Aufheizzeit, O₂, CO, NO und NOx
möglichst niedrig ausfallen. Die Rußzahl war beim Beispiel B. 3 noch nicht Null,
da mit zu hoher Leistung gefahren wurde, ist aber bei B. 4 optimal. Im Abgas
wurden nie Öltröpfchen gefunden. Die Leistungsumsetzung und
Brennstoffersparnis ist an der zugeführten Heizleistung in Verbindung mit der
Aufheizzeit und indirekt aus den Abgasanalysewerten ableitbar. Je kleiner die
zugeführte Energiemenge bei gleicher Aufheizzeit ist, desto besser wird der
eingesetzte Brennstoff in Wärmeenergie umgesetzt.
Die Versuche zur Tabelle 2 wurden innerhalb weniger Stunden ausgeführt.
Zuerst wurde die Anlage für den Betrieb ohne Heizeinsatz optimal eingestellt;
diese Einstellung wurde für die Versuche VB. 1, VB. 2 und B. 3 unverändert
gelassen. In der Reihenfolge dieser Versuche zeigt sich eine sukzessive
Verbesserung der Meßergebnisse allein durch Einsetzen des Heizeinsatzes von
Schneidawind-Technologie und anschließend statt dessen des
erfindungsgemäßen Einsatzes. Mit dem erfindungsgemäßen Einsatz werden im
Beispiel 3 vor allem bei Luftüberschuß, CO₂, CO, Luftzahl λ, Aufheizzeit bei
konstanter Heizleistung und Abgastemperatur, aber auch bei dem
Feuerungstechnischen Wirkungsgrad ηF und Abgasverlust deutliche
Verbesserungen erzielt. Da die Anlage für das Beispiel 3 mit zuviel Leistung und
nicht mit der erfindungsgemäßen Einstellung betrieben wurde, wurde noch
zuviel CO und NOx ausgestoßen, und der Abgasverlust war noch zu hoch.
Daher wurde der Brenner für den Versuch 4 mit dem erfindungsgemäßen
Einsatz auf die Heizungsanlage erfindungsgemäß abgestimmt. Die Heizleistung
wurde von 20,8 auf 11 kW, der Ölverbrauch von 1,95 auf 1,05 kg/h um 46%
reduziert. Die Anlage hätte sogar mit kleinerer Heizleistung betrieben werden
können, wenn Brenner mit kleinerer Leistung als 1,0 kg/h Öldurchsatz
hergestellt werden würden. Ölzerstäubungsdüse und Öldruck wurden
entsprechend angepaßt. Durch diese Maßnahmen konnten die Emissionen von
CO, NO und NOx sowie der Abgasverlust und die Abgastemperatur merklich
gesenkt werden, während die Aufheizzeit trotz der drastischen Senkung des
Ölverbrauchs um nur 15 Sekunden anstieg. Die Einstellung für das Beispiel 4
gibt innerhalb dieser Versuchsreihe das Optimum wieder und wurde
anschließend für die Vergleichsbeispiele 5 und 6 mit dem Heizeinsatz von
Schneidawind-Technologie bzw. ohne jeglichen Heizeinsatz belassen. Es zeigt
sich in der Reihenfolge dieser Versuche eine sukzessive Verschlechterung. Ohne
jeglichen Heizeinsatz arbeitet eine Anlage bezüglich der Aufheizzeit und des CO-
Ausstoßes sehr schlecht. Weil der Brennraum für die Leistung zu groß und
damit die Energieumsetzung schlecht ist, ist die Temperaturentwicklung im
Brennraum sehr niedrig. Dies wird durch die Abgastemperatur angezeigt. Bei
einer niedrigen Flammentemperatur wird wenig an Stickoxiden und viel an CO
gebildet. Je sauberer die Abgase sind, d. h. je weniger sie an CO und restlichen
Kohlenwasserstoffen aufweisen, desto größer ist - entgegen der Meinung der
Fachwelt - die Wärmeübertragung.
Hierbei ist zu berücksichtigen, daß bei den Vergleichsbeispielen VB. 5 und VB. 6
die Einstellung der Heizungsanlage nicht in der im Stand der Technik
bekannten Weise wie mit einem Heizeinsatz von Schneidawind-Technologie
üblich erfolgte, sondern um der besseren Vergleichbarkeit mit einer
erfindungsgemäßen und deswegen deutlich verbesserten Einstellung vorbereitet
und nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wurde. Daher liegen
die Meßergebnisse mit dem Heizeinsatz von Schneidawind-Technologie näher
bei denen des erfindungsgemäßen Einsatzes als bei nach dem Stand der
Technik eingestellten Anlagen. Obwohl der Einsatz und der Heizeinsatz
geometrisch ähnlich und für eine vergleichbare Leistung ausgelegt sind, wird
der Heizeinsatz in diesem Versuch bereits bei so hoher Leistung betrieben, daß
er bei Fortführung dieses Versuches innerhalb kurzer Betriebszeit von
wahrscheinlich einem oder wenigen Tagen verzundert und zerstört werden
würde.
Der für diese Versuche eingesetzte erfindungsgemäße Einsatz wies im Vergleich
zu dem hierbei parallel verwendeten Heizeinsatz von Schneidawind-Technologie
folgende Abmessungen und Öffnungen auf:
Tabelle 4 verdeutlicht den überraschend hohen Einfluß der geometrischen
Auslegung der Injektionsöffnungen.
Die Versuche B. 7 bis B. 9 verdeutlichen beispielhaft mit der Variation der Zahl
und Größe der Injektionsöffnungen und der Zahl der Reihen, wie empfindlich
eine Kleinfeuerungsanlage unter gleichen Betriebsbedingungen und
Einstellungen auf geometrisch unterschiedlich ausgelegte Einsätze reagiert. Es
wurden vergleichbare Einsätze aus silicatisch gebundener Siliciumcarbidkeramik
verwendet. Die innerhalb dieser drei Versuche besten Ergebnisse wurden beim
Beispiel 8 mit einer Reihe von 12 Injektionsbohrungen von 13 mm ⌀ erzielt. Im
Versuch B. 10 wurde ermittelt, daß noch bessere Ergebnisse mit einem Einsatz
mit einer Reihe von 12 Injektionsbohrungen von 12,5 mm ⌀ erreicht werden.
Wenn die Injektionsöffnungen auf der Mantelfläche des Verzögerungsbereichs
zu kleine Querschnittsflächen aufweisen, ergibt sich eine geringere
Leistungsumsetzung, ein hoher, schneller Feinzug, ein höherer Luftbedarf, ein
kleineres Flammenvolumen und eine höhere Abgastemperatur.
Wenn die Injektionsöffnungen auf der Mantelfläche des Verzögerungsbereichs
zu kleine Querschnittsflächen aufweisen, treten hohe CO-Emissionen, ein hoher
Luftüberschuß, eine zu geringe Vermischung der Gase im Einsatz und ein
Zerschlagen der Flamme auf.
Wenn die Injektionsöffnungen nicht auf der Mantelfläche des
Verzögerungsbereichs, sondern im vorderen bis mittleren Teil des
Verdampfungsbereichs angeordnet sind, treten erhöhte CO- und geringere CO₂-
Emissionen auf, die Flamme brennt sehr unruhig und die Wärmeübertragung
fällt ab.
Wenn der Beschleunigungsbereich zu kurz ist, wird eine geringere Menge an
Rezirkulationsgas durchgesetzt, die Leistungsumsetzung nimmt ab. Der Flamme
fehlt die Bündelung im Einsatz und brennt sehr unruhig, wobei die Verbrennung
wegen der verminderten Sogwirkung instabil ist.
Wenn der Beschleunigungsbereich zu lang ist, schlägt die Flamme an die Wände
des Beschleunigungsbereiches und bildet CO und Ruß.
Wenn der Verzögerungsbereich zu kurz oder sich zu wenig aufweitend ist,
können sich die rezirkulierenden Gase nicht mit dem Flammenkern vermischen,
was zu einer schlechteren Leistungsumsetzung führt.
Wenn der Verzögerungsbereich zu lang oder sich zu weit aufweitend ist, wird
die Gasgeschwindigkeit zu sehr reduziert, und die Umlaufgeschwindigkeit der
Gase um den Einsatz nimmt zusammen mit der Leistungsumsetzung ab.
Wenn der Verdampfungsbereich zu kurz ist, steigt der NOx-Gehalt wieder an.
Wenn der Verdampfungsbereich zu lang ist, ist die Flamme kühler, und der CO-
Gehalt steigt.
Wenn die Querschnittsflächen des Einlasses zu gering sind, nimmt die
rezirkulierte Gasmenge ab. Der Flammendurchmesser ist dann zu groß, die
Flamme stößt an den Wänden des Einsatzes an, und CO und Ruß werden
gebildet.
Wenn die Querschnittsflächen des Einlasses zu groß sind, ist die Sogwirkung zu
schwach und die rezirkulierte Gasmenge nimmt ab.
Claims (37)
1. Einsatz mit mindestens drei Bereichen zur Verbrennung der Brennstoffe Gas,
Öl oder/und Feststoff mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen
weniger als 1 mm in einer gas- und wasserdichten Kesselanlage mit einem
Brenner, dem der Einsatz im Brennraum nachgeschaltet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß sich einem rohrförmigen Beschleunigungsbereich ein sich
aufweitender Verzögerungsbereich mit Injektionsöffnungen und ein rohrförmiger
Verdampfungsbereich mit größerer Querschnittsfläche als beim
Beschleunigungsbereich anschließen, wobei das Innere frei von Lamellen ist, die
die Ausbildung einer vergleichsweise schmalen langen Flamme beeinträchtigen.
2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einteilig in
Keramik ausgeführt ist.
3. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrteilig
ausgeführt ist und mindestens eines der Teile aus Keramik ist.
4. Einsatz zur Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl oder/und Feststoff mit
einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen weniger als 1 mm in einer
gas- und wasserdichten Kesselanlage mit einem Brenner, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rohr des Brenners und der nachgeschaltete Einsatz
zusammen einteilig oder mehrteilig ausgeführt sind, daß zwischen dem
Rohrabschnitt und dem Einsatzabschnitt mindestens eine Saugöffnung
eingebracht ist und daß der Einsatzabschnitt im Inneren frei von Lamellen ist,
die die Ausbildung einer vergleichsweise schmalen langen Flamme
beeinträchtigen, und mindestens drei Bereiche aufweist, wobei sich einem
rohrförmigen Beschleunigungsbereich ein sich aufweitender
Verzögerungsbereich mit Injektionsöffnungen und ein rohrförmiger
Verdampfungsbereich mit größerer Querschnittsfläche als beim
Beschleunigungsbereich anschließen.
5. Einsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in Keramik
ausgeführt ist.
6. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Injektionsöffnungen in Form von Bohrungen, verrundeten Ausnehmungen,
Polygonen oder Schlitzen ausgeführt sind.
7. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Injektionsöffnungen regelmäßig angeordnet sind.
8. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Injektionsöffnungen in mindestens einer Reihe senkrecht zur Mittellinie des
Einsatzes auf der Mantelfläche angeordnet sind.
9. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er
senkrecht zur Mittellinie kreisrunde Querschnitte aufweist und die
Injektionsöffnungen innerhalb jeder Reihe äquidistant angeordnet sind.
10. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Injektionsöffnungen senkrecht auf die Mittellinie gerichtet sind.
11. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, daß
seine Wandstärke mindestens 1 mm und maximal 25 mm beträgt.
12. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis des Volumens des Verdampfungsbereiches zum Volumen des
Beschleunigungsbereiches 5 : 1 bis 15 : 1 beträgt.
13. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis des Volumens des Verdampfungsbereiches zum Volumen des
Verzögerungsbereiches 2 : 1 bis 6 : 1 beträgt.
14. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der freien Querschnittsfläche am Auslaß des Einsatzes zur
Summe der Flächen der Injektionsöffnungen auf der Mantelfläche des
Verzögerungsbereichs 3 : 1 bis 15 : 1 beträgt.
15. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der freien Querschnittsfläche des Auslasses des Einsatzes zu der
des Einlasses 1,1 : 1 bis 5 : 1 beträgt.
16. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der Länge des Einsatzes in Richtung der Mittellinie zum
Querschnitt an seinem Auslaß als Äquivalentkreisdurchmesser 1 : 1 bis 2 : 1
beträgt.
17. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß er längs oder/und quer geteilt ist.
18. Einsatz nach Anspruche 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des
Einsatzes ineinandergesteckt, geklemmt oder/und zusammengekittet sind.
19. Einsatz nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß
er aus Silicatkeramik, Siliciumcarbidkeramik oder Siliciumnitridkeramik besteht.
20. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß
er auf einem Auflager gelagert ist und daß das Auflager des Einsatzes aus
Keramik ist.
21. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß
er über Bohrungen, punktförmige oder/und linienförmige Kontakte auf einem
Auflager gelagert ist.
22. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß
er über Befestigungsmittel wie Stege, Überstände, Ösen, Haken gelagert oder
aufgehängt ist.
23. Gas- und wasserdichte Kesselanlage mit einem Brenner und einem Einsatz
zur Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl oder/und Feststoff mit einer
Feststoffteilchengröße von im wesentlichen weniger als 1 mm, dadurch
gekennzeichnet, daß sie mit einem Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 22
ausgerüstet oder nachgerüstet ist.
24. Kesselanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überlappung des Rohrs des Brenners mit dem Einsatz auf einer Länge bis zur
Länge des Beschleunigungsbereichs oder der Saugabstand zwischen dem Rohr
des Brenners und dem Einlaß des Einsatzes bis zur 2,5-fachen Länge des
Beschleunigungsbereiches beträgt oder bei einem mit dem Rohr des Brenners
zusammen ausgeführten Einsatz mindestens eine Saugöffnung von insgesamt
mindestens 1000 mm² aufweist.
25. Kesselanlage nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Ölzerstäubungsdüse mit einem Winkel größer als 30° und kleiner als 60°
eingesetzt ist.
26. Kesselanlage nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einer Kleinkesselanlage eine Ölzerstäubungsdüse für
eine Durchflußmenge kleiner als 0,3 gallons pro Stunde eingesetzt ist.
27. Verfahren zum Abstimmen eines Brenners auf eine gas- und wasserdichte
Kesselanlage mit einem Einsatz zur Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl
oder/und Feststoff mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen
weniger als 1 mm, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kessel zugeführte
Leistung des Brenners, bezogen auf die Nennleistung eines nach dem Stand der
Technik ausgelegten Kessels, um mindestens 10%, jedoch nicht um mehr als
60% unterschritten wird, wobei aber auch der Brennstoffmindestdurchsatz des
Brenners nicht unterschritten werden darf.
28. Verfahren zum Abstimmen eines Brenners auf eine gas- und wasserdichte
Kesselanlage mit einem Einsatz zur Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl
oder/und Feststoff mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen
weniger als 1 mm, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr des Brenners
bei einer nach dem Stand der Technik ausgelegten Anlage um mindestens 10%
in Bezug auf die Normaleinstellung des Brenners auf die Anlage nach dem Stand
der Technik, jedoch um nicht mehr als 60% reduziert wird.
29. Verfahren zum Abstimmen eines Brenners auf eine gas- und wasserdichte
Kesselanlage mit einem Einsatz zur Verbrennung der Brennstoffe Gas, Öl
oder/und Feststoff mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen
weniger als 1 mm, dadurch gekennzeichnet, daß die Pressung an der
Stauscheibe in einem nach dem Stand der Technik ausgelegten Brenner um
mindestens 5% in Bezug auf die Normaleinstellung des Brenners auf die Anlage
nach dem Stand der Technik, jedoch um nicht mehr als 100% erhöht wird.
30. Verfahren zum Starten einer gas- und wasserdichten Kesselanlage, die mit
einem Gemisch aus einem Sauerstoff enthaltenden Fluid und dem Brennstoff
Gas, Öl oder/und Feststoff mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen
weniger als 1 mm über einen Brenner und einen nachgeschalteten Einsatz
betrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff
enthaltende Fluid erst in einen stabilen Umlauf gebracht wird und dabei
teilweise durch Einlaß- und Injektionsöffnungen rezirkuliert wird, bevor der
Brennstoff eingelassen und gezündet wird.
31. Verfahren zum Starten einer Kesselanlage nach Anspruch 30, dadurch
gekennzeichnet, daß die Startphase der Verbrennung ohne Verpuffung und
ohne Explosion sowie mit einem CO-Ausstoß des Abgases von maximal 100 ppm
abläuft.
32. Verfahren zum Betreiben einer gas- und wasserdichten Kesselanlage mit
einem Gemisch aus einem Sauerstoff enthaltenden Fluid und dem Brennstoff
Gas, Öl oder/und Feststoff mit einer Feststoffteilchengröße von im wesentlichen
weniger als 1 mm über einen Brenner und einen nachgeschalteten Einsatz,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch ein Rohr des Brenners und
einen nachgeschalteten Einsatz oder durch entsprechende Abschnitte eines
zusammen mit einem entsprechenden Rohr einteilig oder mehrteilig
ausgeführten Einsatzes geleitet und hierbei unvollständig verbrannt wird, an
Wänden des Brennraums umgelenkt, teilweise durch
Saugöffnung(en)/Einlaßöffnung und Injektionsöffnungen im Einsatz in die
Flamme injiziert und intensiv verbrannt wird, so daß eine vergleichsweise
schmale lange Flamme erzeugt wird.
33. Verfahren zum Betreiben einer Kesselanlage nach Anspruch 32, dadurch
gekennzeichnet, daß der Einsatz aus Keramik ist.
34. Verfahren zum Betreiben einer Kesselanlage nach Anspruch 32 oder 33,
dadurch gekennzeichnet, daß Öl über eine Düse mit einem Winkel größer als
30° und kleiner als 60° zerstäubt und gleichzeitig mit erhöhter Pressung geführt
wird, ohne daß die Flamme abreißt.
35. Verfahren zum Betreiben einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 32
bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kleinkesselanlage Öl durch eine
Ölzerstäubungsdüse gespritzt wird, die für eine Durchflußmenge von kleiner als
0,3 gallons pro Stunde ausgelegt ist.
36. Verfahren zum Betreiben einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 32
bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Stickstoff-armes Öl
verbrannt wird.
37. Verfahren zum Betreiben einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 32
bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Kesselwassertemperatur im ganzen
Wärmetauscher und auch über die Betriebszeit praktisch konstant gehalten
wird.
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