DE19648677A1 - Verbesserung von Feuerungsanlagen für gasförmige und Flüssigbrennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizungsbrenner wobei der Brennstoff z. B. Heizöl aus dem Kraftstofftank mit Hilfe einer Brennstoffpumpe in den Brennraum gelangt und dort mit Luft, die über einen Luftkanal in den Brennraum gelangt, verbrannt wird.

Bei allen Heizungsbrennern wird der Brennstoff mit Hilfe von Luftüberschuß verbrannt und die Energiedifferenz zwischen dem flüssigen sowie gasförmigen Brennstoff und den Verbrennungsprodukten, in der Regel Abgase, genutzt.

Für die Versorgung der Heizungsbrenner ist es bekannt, Kraftstoffpumpen vorzusehen, die den Brennstoff aus einem Brennstofftank zum Brennraum fördern. Gleichwohl ist auch die Gravitation als Kraftstoffpumpe wirksam, wenn entsprechende Anordnungen getroffen werden.

Die für den Verbrennungsvorgang notwendige Luft wird über einen Luftkanal angesaugt. In diesem Luftkanal können entsprechend den vorgenannten Verwendungen der Heizungsbrenner eine Vielzahl von weiteren Elementen angeordnet sein, zum Beispiel Luftfilter, Lüfterrad (Turbine), Luftregulierklappe oder dergleichen. Der Luftkanal umfaßt den gesamten Bereich, in dem die Luft vom Ansaugkanal bis zum Brennraum geleitet wird. Dieser wird auch als Brennergehäuse oder Flammrohr bezeichnet.

Der Verbrennungsprozeß in Heizungsbrennern, also die Verbrennung von Heizöl, ist denkbar komplex. Um den Brennstoff optimal zu verbrennen, muß bei der Verbrennung das richtige stöchiometrische Verhältnis zwischen Heizöl und Sauerstoff eingehalten werden.

Es ist bekannt, daß die Verbrennung von Öl, insbesondere zum Beispiel in Heizkraftanlagen, prinzipbedingt eine inhomogene Verbrennung ist. Dies bedeutet, daß im Abgas stets unverbrannte Restanteile übrigbleiben und bei der Verbrennung unerwünschte Nebenprodukte, wie Ruß (C_y), Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffmonoxid (NO) oder Stickoxide (NO_x) entstehen.

Die Gefahren der Emissionen von Ruß, Kohlenmonoxiden, Stickoxiden usw. sind hinreichend bekannt. Es werden eine Vielzahl von Versuchen unternommen, insbesondere die Abgase zu reinigen. Hierzu ist es bekannt, Rußfilter oder sonstige Abgasreinigungsvorrichtungen zu verwenden. Solche Mittel sind jedoch nur dazu geeignet, die bei der Verbrennung entstandenen Abgase zu reinigen. Auch ist erkannt worden, daß durch eine bessere Durchmischung des zerstäubten Brennstoffs mit der Luft der Abbrand des Brennstoffs vollständiger erfolgen und auch die Emission von unerwünschten Produkten, wie Ruß, Kohlenmonoxid oder Stickoxiden, reduziert werden kann. Gegenwärtig wird bei Heizungsbrennern durch sehr hohen Luftüberschuß und Vorwärmung des Brennstoffs zwar keine Rußemission erzeugt, wohl aber von NO_x und CO usw.

Doch sind diese Verfahren im Ergebnis nicht optimal, da weiterhin nicht tolerierbare Anteile von Stickoxiden und anderen Schadstoff- Emissionen im Abgas enthalten sind.

Die vorliegende Erfindung hat es sich deswegen zur Aufgabe gemacht, den Verbrennungsprozeß in Heizungsbrennern, wie eingangs erläutert, ökonomischer und ökologisch unschädlicher zu gestalten, insbesondere die Emission von Stickoxiden usw. auf ein Minimum zu reduzieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von eingangs beschriebenen Heizungsbrennern aus und schlägt vor, daß im Brennraum Hydroxylbildner vorgesehen sind, die die Verbrennung des Brennstoffs katalytisch unterstützen.

Wie eingangs beschrieben, ist die Verbrennung von Heizöl in Heizungsbrennern sehr kompliziert. Es ist bekannt, daß Heizöl aus unterschiedlich langen CH-Ketten besteht und im Prinzip der allgemeinen Formel C_nH_2n+2 genügt.

Die Verbrennung des Heizöls erfolgt über eine Radikalenkettenreaktion, das heißt, die relativ langen "Heizölmoleküle" brechen auseinander, bilden Radikale, die dann mit dem Sauerstoff (O₂) der Luft reagieren. Die Bildung der Radikalen erfolgt in herkömmlichen Heizungsbrennern durch die Anwendung von hohen Temperaturen. Dem Abbrand des Heizöls genügt somit folgende Prinzipgleichung I.

C_nH_2n+2 + O₂ → CO₂ + H₂O I

Doch besteht Luft nicht aus 100% Sauerstoff (O₂), sondern weist einen Anteil von Stickstoff (N₂) auf. Die oben genannte Prinzipgleichung müßte also um den Anteil des Stickstoffs ergänzt werden.

C_nH_2n+2 + O₂ + N₂ → CO₂ + H₂O + NO_x II

Hierbei ist insbesondere zu beachten, daß der Stickstoffanteil (N₂) 77% und der Sauerstoffanteil nur ca. 20% beträgt. Aufgrund der hohen Temperaturen im Brennraum (1.800°-2.000°C) wird die Reaktion, wie in Gleichung II. dargestellt, dahingehend beeinflußt, daß Stickoxide entstehen, wodurch der Sauerstoff nicht ausschließlich für eine Bildung von CO₂ zur Verfügung steht. Das Ergebnis ist in der folgenden Gleichung III angedeutet:

C_nH_2n+2 + O₂ + N₂ → CO₂ + H₂O + NO_x + C_y III

Hierbei ist insbesondere zu beachten, daß aufgrund der Stickstoffkonzentration in der Luft und den hohen Verbrennungstemperaturen im Brennraum Stickoxide gebildet werden, die an sich schon unerwünscht sind, desweiteren aber der Kohlenstoff bzw. die zerrissenen CH-Ketten des Brennstoffs nicht vollständig mit Sauerstoff oxidieren können, da dieser z. T. mit dem Stickstoff reagiert, somit für die Verbrennung nicht mehr zur Verfügung steht, so daß freie CH-Moleküle sowie freie C-Moleküle in Form von Ruß übrigbleiben.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Hydroxylbildnern wird ein fast idealer Abbrand gemäß Gleichung I erreicht. Hydroxylbildner sind hierbei Stoffe, die ein
freies oder ein quasi freies Elektron und somit eine gewisse Reaktionsfreudigkeit besitzen.

Hierbei ist es nicht notwendig, daß Hydroxylbildner als Hydroxylionen, zum Beispiel OH - vorliegen, es reicht beispielsweise auch schon eine lokale Konzentration in dein Molekül aus, so daß dieses Molekül als Katalysator an der Verbrennung teilnimmt.

Die Wirkung des Hydroxylbildners ist nun eine Spaltung der Heizölmoleküle, und zwar bereits ohne die sonst notwendigen hohen Temperaturen.

Im Ergebnis erreicht man dadurch eine erhöhte Reaktionsfähigkeit der gespaltenen Heizölmoleküle, und zwar noch bevor die maximale Temperatur erreicht ist. Die hohen Temperaturen, die für die Spaltung der Heizölmoleküle notwendig waren, sind somit nicht mehr erforderlich, und das Zeitintervall, in dem ein Abbrand erfolgen kann, wird dadurch verlängert. Gleichzeitig besteht ein größerer Durchmischungsgrad der dissoziierten Heizölmoleküle einerseits und den Luft-, insbesondere Sauerstoffmolekülen andererseits. Da im Ergebnis die hohen Temperaturen in diesem Verbrennungsverfahren nicht mehr erreicht werden, wird auch die Produktion der schädlichen Stickoxide (NO_x) stark reduziert, wenn nicht sogar eliminiert. Da somit die Stickoxide nicht mehr als Konkurrent um die Verbrennung von Sauerstoff auftreten können, kann auch der Kohlenstoff ganz oxidiert werden und somit bleibt kein Ruß (C_y) zurück.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Brennstoff vollständig umgesetzt werden kann. Daraus folgt eine rationellere Ausnutzung des Kraftstoffes bzw. eine Erhöhung des Wirkungsgrades erfindungsgemäß ausgestalteter Heizungsbrenner.

Desweiteren kann auf leistungsmindernde, kostenaufwendige Abgasreinigungs­ vorrichtungen wie Rußfilter, Katalysatoren etc. verzichtet werden.

Als Hydroxylbildner stehen zum Beispiel Peroxide (beispielsweise H₂O₂), Ozon (O₃), atomarer Sauerstoff Alkohole, zum Beispiel einwertige wie Äthanol, Propanol usw., wie auch mehrwertige wie Glykol usw., zur Verfügung. Desweiteren können als Hydroxylbildner Hydroxylamin (H₂N-OH) oder Persäuren, beispielsweise Perchlorsäure (HCLO₄)und Harnsäure Verwendung finden.

Es ist günstig, wenn ein Vorratstank für den Hydroxylbildner vorgesehen ist, der über eine Zuflußleitung mit dem Brennraum verbunden ist. Unter Umständen ist es günstig, den Hydroxylbildner mit dem Heizöl zu mischen. Hierbei muß durch entsprechende Durchmischer im Tank sichergestellt sein, daß sich der Brennstoff und der Hydroxylbildner nicht entmischen.

Desweiteren sieht die Erfindung vor, daß im, dem Brennraum nachgeschalteten, Abgasbereich ein Kondensierer für die Rückgewinnung des Hydroxylbildners aus dem Abgas vorgesehen ist.

Aufgrund der katalytischen Wirkung des Hydroxylbildners nimmt dieser an der Verbrennung des Heizöles zwar teil, wird aber chemisch nicht verändert. Um einen Kreislauf aufzubauen, ist es von Vorteil, den beispielsweise verdampften Hydroxylbildner aus den Abgasen wieder abzuscheiden, was zum Beispiel mit einem Kondensierer geschehen kann.

Durch die Verwendung eines Kondensierers kann dieser auch mit dem Vorratstank verbunden werden, wodurch dann ein geschlossener Kreislauf entsteht und eine Nachbetankung des Hydroxylbildners entbehrlich ist.

Desweiteren ist es von Vorteil, wenn eine Steuerung, insbesondere eine mikroprozessorüberwachte Steuerung vorgesehen ist, die die Parameter des Heizungsbrenners erfaßt und hieraus die erforderliche Hydroxylbildnermenge bestimmt. Die Dosierung der einzusetzenden Hydroxylbildnermenge erfolgt zum Beispiel über eine elektronische Steuerung, welche die Lastverhältnisse des Brenners erfaßt und darüber hinaus beispielsweise noch einen mit einer empirisch festzulegenden Kennlinie versehenen Parametereingang besitzt. Die Steuerung kann hierbei sowohl mechanisch ausgebildet sein als auch elektronisch arbeiten, wobei hierbei sowohl eine Realisierung mit analogen Bausteinen als auch mit digitalen Bausteinen (mikroprozessorüberwachte Steuerung) möglich ist. Ferner sind als Parameter für die Steuerung die Durchflußmengen des Heizöls und des Hydroxylbildners von Interesse, wie auch die Temperatur des Abgases bzw. die Temperatur der Luft kurz vor und hinter dem Brennen (Abgas).

Es ist von Vorteil, daß, durch ständige Messungen und Auswertungen des Abgases durch eine integrierte Elektronik usw., sich die Parameter zwischen Hydroxylbildner und Heizöl verändern, d. h. mehr oder weniger Hydroxylbildner dem Brenner/Brenn­ raum zugeführt werden und dadurch alterungs- und betriebsbedingte Schwankungen der Eigenschaften des Heizungsbrenners ausgeglichen werden.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Heizöl und Hydroxylbildner bei normalem Betrieb des Heizungsbrenners eine Konstante ist. Bei einer solchen Ausgestaltung besteht zwischen der zeitlich umgesetzten Menge an Heizöl und Hydroxylbildner eine direkte Proportionalität. Ein normaler Betriebszustand besteht zum Beispiel, wenn der Heizungsbrenner die normale Betriebstemperatur erreicht hat.

Desweiteren ist es günstig, wenn die Steuerung entsprechend den Betriebs­ bedingungen, insbesondere beim Starten und Abschalten des Heizungsbrenners, sich die Konstante zeitlich ändert.

Für ein sicheres Starten des Heizungsbrenners ist in der Regel reines Heizöl erforderlich. Insbesondere können die Hydroxylbildner und dessen Rückstände, bei abgestelltem Heizungsbrenner, Beschädigungen durch Korrosionen usw. im Einspritzsystem oder Brennraum hervorrufen.

Auch ist es günstig, wenn ein Hydroxylbildnermischer vorgesehen ist, der mit dem Vorratstank verbunden ist und den Hydroxylbildner der Luft oder dem Heizöl beimischt oder den Hydroxylbildner direkt in den Brennraum einbringt. Der Hydroxylbildnermischer wirkt mit der Steuerung zusammen und mengt entsprechend den Vorgaben der Steuerung den Hydroxylbildner einem oder beiden Verbrennungsmedien (Heizöl oder Luft) zu. Eine andere Möglichkeit der Realisierung des Hydroxylbildnermischers besteht darin, diesen bei der Einbringung des Hydroxylbildners in den Brennraum vorzusehen.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Hydroxylbildnermischer durch eine Rücklaufleitung mit dem Vorratstank verbunden ist. Über diese Rücklaufleitung kann überschüssiger Hydroxylbildner von dem Hydroxylbildnermischer zurückgeführt und wieder verwendet werden. Über eine Rücklaufleitung ist auch eine Entlüftung der Zuleitung möglich.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn als Hydroxylbildner Wasser vorgesehen ist. Hierbei kann vorgesehen werden, daß das Wasser als demineralisiertes Wasser Verwendung findet. Wasser zeichnet sich durch seine relative Reaktionsarmut aus und bildet somit einen optimalen Katalysator.

Desweiteren ist es auch vorteilhaft, wenn als Hydroxylbildnermischer ein elektrisch betriebener Verdampfer vorgesehen ist, oder einer der mir einer Abwärmequelle des Heizungsbrenners verbunden ist und den Hydroxylbildner als nicht gesättigten Dampf der Luft beimischt. Es ist möglich, den Hydroxylbildner zum Beispiel mittels einer Zerstäuberdüse zu vernebeln, also fein zu verteilen, oder aber einen Verdampfer zu verwenden, der über einen bestehenden oder separaten zusätzlichen Heizkreislauf als Wärmetauscher funktioniert und den Hydroxylbildner als gasförmigen, nicht gesättigten Dampf erzeugt.

Hierbei sieht die Erfindung in einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, daß als Wärmequelle das Abgassystem des Heizungsbrenners vorgesehen ist und die Luft durch einen vom Abgassystem erwärmten Verdampfer strömt. Als weitere Abwärmequellen können beispielsweise auch elektrisch gespeiste Verdampfer Verwendung finden.

Insbesondere die Verwendung des Abgasbereiches ist vorteilhaft, da die hier abströmenden Gase eine sehr hohe Temperatur (über 200°C) aufweisen und sonst keine nutzbare Energie mehr beinhalten.

Es ist günstig, wenn in den Hydroxylbildner-Zuleitungen bzw. den Heizölzuleitungen jeweils ein Durchflußsensor vorgesehen ist, der die ermittelten Daten der Steuerung zuleitet. Hierdurch ist es der Steuerung möglich, die exakt benötigten Hydroxylbildnermengen zu bestimmen und diese dem Hydroxylbildnermischer entsprechend mitzuteilen.

Die Steuerung der Hydroxylbildnermenge kann jedoch auch durch Förderpumpen für das Heizöl und den Hydroxylbildner erfolgen, deren Förderprinzip eine gleichwertige exakt dosierte Mengen- bzw. Volumensteuerung ermöglicht, so daß beim Fördern jeweils entsprechende Mengen Heizöl und Hydroxylbildner in richtiger Dosierung in den Brennraum gefördert werden. Solche Pumpen funktionieren beispielsweise nach dem Prinzip zeitlich konstanter Volumenförderung wie z. B. oder Zahnradpumpen.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuerung ein Zeitglied aufweist, das beim Starten des Heizungsbrenners in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur die Mischungskonstante Brennstoff/Hydroxylbildner bestimmt. Wie vorher beschrieben, ist es von Vorteil, wenn beim Starten des Heizungsbrenners kein Hydroxylbildner verwendet wird. Mit zunehmender Temperatur ist es möglich, entsprechend die Hydroxylbildner, zum Beispiel Wasser oder andere Stoffe, beizumengen, wobei diese dann aufgrund des erwärmten Heizungsbrenners an den Luftkanalwandungen nicht mehr kondensieren.

Es ist gefunden worden, daß es günstig ist, wenn 1 mol Heizöl zwischen 0,01 und 2 mol Hydroxylbildner zugesetzt wird. Mol bedeutet hier molekulare Massen. Hierbei kann dieses Mischungsverhältnis im Brennstoff bestehen oder von der Steuerung über den Hydroxylbildnermischer im Brennraum realisiert werden.

Auch ist gefunden worden, daß gute Ergebnisse erreicht werden, wenn das Volumenverhältnis zwischen dem flüssigen Hydroxylbildner Wasser und dem Heizöl in einem Bereich von 1 : 10 bis 2 : 1 liegt. Hierbei kann dieses Mischungsverhältnis im Brennstoff bestehen oder von der Steuerung über den Hydroxylbildnermischer vorgesehen werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betreiben des Heizungsbrenners, wie eingangs geschildert, wird vorgeschlagen, daß der Hydroxylbildner in den Luftkanal eingebracht wird.

Günstigerweise kann dies mit einer oder mehreren Zerstäuberdüsen geschehen, die als Hydroxylbildnermischer den Hydroxylbildner im Luftkanal des Brennergehäuses vor, in die oder hinter die Flamme kontinuierlich einspritzten.

Die Zerstäuberdüsen Spritzen hierbei die von der Steuerung vorgegebene Hydroxylbildnermenge in die eingebrachte Luft ein. Für eine optimale Verbrennung wird der eingespritzte Nebel durch Wärmeüberführung an heißen Flächen verdampft. Es ist auch von Vorteil, die Düsen außerhalb des Brennergehäuses zu positionieren und von dort aus den Hydroxylbildner vernebelnd vor, in die oder hinter die Flamme zu spritzen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hydroxylbildner dem Heizöl beigemengt wird und die so erzeugte Emulsion von einer der Förder- bzw. Einspritzpumpe über eine Düse in den Brennraum eingespritzt wird, wobei nach der Einspritzpumpe überschüssige Emulsion über eine Rückleitung zu einem Heizöl-Brennstoff-Wasser-Abscheider geleitet, die Emulsion getrennt wird und Brennstoff dem Brennstofftank und der Hydroxylbildner Wasser dem Vorratstank zugeleitet werden.

Ebenso ist vorgesehen, über getrennte Pumpen und deren Systeme und Leitungen über eine Doppeldüse den Hydroxylbildner in den Brennraum einzubringen. Das heißt, daß es sich um einen Düsenkörper handelt mit einer zentrischen Öffnung für den Hydroxylbildner oder der Brennstoff und mit einer ringförmigen Öffnung um diese zentrische Öffnung für das jeweils andere Medium.

Alle Ausgestaltungen welche die Art und Weise der Einbringung des Hydroxylbildners in den Brennraum beschreiben sind sowohl für den flüssigen als auch dampfförmigen Zustand des gleichen ausgelegt.

Funktionsbeschreibung und Erklärung der Bauteile eines herkömmlichen Brenners:

In Fig. 1 ist die typische Anordnung der Brennerelemente eines normalen bzw. eines sich auf dem Stand der Technik befindenden Brenners aufgezeigt. Diese zeigt auch die im Prinzip simple Funktionsweise eines Heizungsbrenners.

Der Brennstoff wird über die Pumpe 3 aus dem Tank angesaugt. 2 stellt ein Absperr­ ventil welches in der Zuleitung und 1 ein Rückschlagventil welches in der Rücklaufleitung liegt, dar. Die Pumpe 3 ist im Druck 4 regelbar welcher über das Manometer angezeigt wird. In der Leitung 6 zur Brennerdüse 10 hegt ein Magnetventil 5 welches über die Steuerung 17, wie auch alle anderen Aggregate des Brenners, gesteuert wird.

Die Nr. 7 stellt das Brennergehäuse, 8 das Flammrohr, 9 die Stauscheibe, 11 die Zündelektroden, 12 den Flammenfühler, 13 das Lüfterrad, 14 den Zündtrafo, 15 den Motor für das Lüfterrad, 16 die Luftregulierklappe, 18 den Elektrischen Anschluß vom Kessel, 19 den Sicherheitstemperaturbegrenzer, 20 den Temperaturregler, 21 den Hauptschalter des Brenners, 22 den Heizölvorwärmer, 23 das Regelmodul für 22, 24 Steuermotor für 16 und 25 die eingezogene Luft da.

Die Vorlauftemperatur im Wasserkessel und oder Heizkreislauf sinkt unter Solltemperatur. Der Temperaturregler 20 meldet den Zustand der Steuerung 17, und diese schaltet nun die Pumpe 3 an, diese beginnt nun den Heizöldruck im System aufzubauen. Gleichzeitig öffnet sich die Luftregulierklappe und der Lüftermotor 15, mit Lüfterrad 13, beginnen mit der Vorbelüftung des Brenners. Ebenfalls gleichzeitig wird das noch als Restmenge befindliche Öl in der Düse 10 und in der Leitung 6 durch den Ölvorwärmer auf ca. 75°C erwärmt.

Weiterhin gleichzeitig wird nun das Ventil 5 geöffnet und das dann vernebelnd austretende Heizöl aus Düse 10 von dem Funken der Zündelektroden 11, über den Zündtrafo 14, entzündet. Der Brenner läuft bzw. brennt nun so lange bis der Temperaturregler 20 die erreichte Soll- bzw. Vorlauftemperatur des Systems meldet. Nun schaltet die Steuerung 17 in folgender Reihenfolge das System ab:
Das Magnetventil 5 unterbricht die Heizölzufuhr (keine Tropfen können in den Brennraum gelangen), die Pumpe 3, die Heizölvorwärmung 22, den Lüftermotor 15 mit Lüfterrad 13 und dann wird die Luftregulierklappe geschlossen.

Um so effektiv wie möglich den Brennstoff Heizöl in Energie ein- und umzusetzen, wird er mit möglichst viel Luftüberschuß verbrannt. Da durch den sehr hohen Überschuß an Luft die Flamme nun mit bis zu 2000°C verbrennt, entsteht nun entsprechend viel Stickoxide (NO_x) und andere Oxidverbindungen, allein Ruß (C_y) kann sicher vermieden werden.

Ab dem Jahr 1997 werden aber gerade diese Stickoxide (NO_x) im Abgas der Heizungsbrenner erstmalig gemessen.

Um jetzt nach den herkömmlichen Verfahren Stickoxide (NO_x) zu verringern, müßte man zwangsläufig die Effektivität der Umsetzung der Energie zurück nehmen, d. h. mit weniger Luftüberschuß bei der Verbrennung von Heizöl bzw. der anderen Brennstoffe arbeiten.

Das Ergebnis wäre:
Weniger Stickoxide (NO_x). Allerdings würde mehr Ruß (C_y) und Kohlenmonoxid (CO), bei der nun weniger effektiven Verbrennung entstehen.

Die einzige Möglichkeit die nun mehr entstandenen bzw. erst jetzt entstandenen Emissionen zu vermindern, sind nachgeschaltete Katalysatoren die das Abgas nachverbrennen.

Der technische Aufwand der gesteuerten Nachverbrennung ist erheblich groß, wie man in der KFZ-Anwendung sehen kann und kostet obendrein nur noch mehr Energie. Desweiteren wird, durch die nun geringere Effektivität der Verbrennung der Heizungsbrenner, mehr Brennstoff benötigt, denn wenn die Heizungsbrenner mit weniger Flammentemperatur gefahren werden wird die Solltemperatur des Vorlaufs später erreicht.

Nachfolgend sind 4 Beispiele und Lösungsvorschläge einer Heizöl-Hydroxylbildner-Ein­ spritzanlage gezeigt. Als Hydroxylbildner wird in diesen Beispielen Wasser verwendet, ohne jedoch den Schutzbereich auf die Verwendung von Wasser eingrenzen zu wollen.

In diesem und den nachfolgenden Beispielen wird der Hydroxylbildner der Zentralen Wasserversorgung entnommen, ohne jedoch auch hier den Schutzbereich auf die Entnahme des Hydroxylbildners Wasser aus der zentralen Wasserversorgung eingrenzen zu wollen. Dieses gilt auch für die Anordnung der Elemente 28 bis 30 in Fig. 2 bis 5, über die der Hydroxylbildner in den Brennraum gelangt. Die oben genannten Elemente sind das im Vordruck regulierende Absperrventil 28, der Feinfilter 27, die Pumpe 29 und das Druckregulierventil 30.

Beispiel 1 Einspritzen bzw. Einbringen des Hydroxylbildners bzw. Wassers durch Zumischung in die Brennstoff- Leitung der Brennerdüse

Bei diesem Verfahren wird das für die Hydroxylbildung verantwortliche Wasser mittels eines Magnetventils gem. Fig. 2, Nr. 5.1, dem 3-Wege-Ventil 31, der Leitung 6 und dem Brennstoffvorwärmer 22 zur Düse 10 zugeführt bzw. beigemischt.

Der Ablauf geschieht wie folgt, die Vorlauftemperatur sinkt, der Temperaturregler 20 in Fig. 1 zeigt diesen Zustand der Steuerung 17 an.

Durch die Steuerung wird nun die Luftregulierklappe 16 durch den Motor 24 geöffnet, während der Motor 15 durch das Lüfterrad 13 den Brennraum vorbelüftet.

Gleichzeitig fängt die, im Druck regulierbare 4, Brennstoffpumpe 3 an den Brennstoff zu fördern bzw. den Förderdruck aufzubauen und die Öl-Vorwärmung 22, durch deren Steuerung 23 in Gang gesetzt, beginnt den noch befindlichen Brennstoff in Leitung 6 und Düse 10 zu erwärmen.

Während die Brennstoffzuführung über das nun geöffnete Magnetventil 5 erfolgt, zünden die Zündelektroden 11, über den Zündtrafo 14, die Flamme.

Noch vor der Zündung der Flamme beginnt die ebenfalls im Druck regulierbare 30 Fig. 2, Pumpe 29 den Druck für den Hydroxylbildnerzusatz aufzubauen.

Ist die Flamme gezündet öffnet nun die Steuerung 17 das Magnetventil 5.1 und der Hydroxylbildner vermischt sich über das 3-Wegeventil 31 mit dem Brennstoff und gelangt so zusammen in den Brennraum, in dem er anfängt katalytisch zu wirken.

Ist nun die Solltemperatur erreicht, schaltet die Steuerung 17 in folgender Reihenfolge das System ab:

Erst wird die Hydroxylbildnerzufuhr über das Magnetventil 5.1 unterbrochen in Bruchteilen einer Sekunde danach, über das Magnetventil 5, die Brennstoffzufuhr. Dann werden die beiden Pumpen 29 + 3 abgeschaltet, der Motor 15 in Fig. 1 und dann die Luftregulierklappe über den Motor 24 geschlossen.

Beispiel 2 Einspritzen des Hydroxylbildners über eine eigene Düse oder eine Düse mit zwei Öffnungen innerhalb des Brennergehäuses

In diesem Beispiel wird die Einbringung des Hydroxylbildners über eine autarke Düse, die neben der bestehenden montiert wird, oder eine integrierte Doppeldüse 10.1 in Fig. 3 vorgeschlagen. Die Funktion bzw. der Ablauf der Steuerung ist im Prinzip die gleiche wie in Beispiel 1 beschrieben.

Es wird vorgeschlagen, die integrierte Doppeldüse 10.1 wie folgt zu gestalten:
Um die eigentliche zentrische Düsenöffnung, durch die entweder der Hydroxylbildner oder der Brennstoff vernebelnd in den Brennraum gelangt, wird eine weitere ringförmige Düsenöffnung konstruiert bzw. hergestellt, die dann wahlweise das jeweils andere Medium vernebelnd in den Brennraum gespritzt. Die jeweilige Düsenöffnung ist mit der dann jeweiligen Leitung, über einen gemeinsamen oder eigenen Vorwärmer 22 mit der jeweiligen Pumpe 29 + 3 über die Magnetventile 5 + 5.1 verbunden. Der Ablauf des Brennzyklus ist der ebenfalls gleiche wie in Beispiel 1.

Beispiel 3 Einspritzen des Hydroxylbildners mit Einzeldüsen außer- oder innerhalb des Brennergehäuses bzw. Flammrohrs sowie vor, in die oder hinter die Flamme

In den vorhergehenden und nachfolgenden Beispielen sind 1-5 Düsen mit einer einzel-, kreis- oder sternförmigen Hydroxylbildnerversorgung zu sehen und beschrieben, ohne jedoch den Schutzbereich auf die Verwendung von 1-5 Düsen und der einzel-, kreis- oder sternförmigen Hydroxylbildnerversorgung oder deren Plazierung einschränken zu wollen.

Der Ablauf der Steuerung und der Brennzyklus ist hier der gleiche wie in dem Beispiel 2, lediglich die Art und Weise die Einbringung des Hydroxylbildners vor, in oder hinter die Flamme außer- und/oder innerhalb des Brennergehäuses bzw. Flammrohres weicht vom Beispiel 2 ab.

Wie in Abb. 33 in der Seitenansicht gem. Fig. 4 sowie in Fig. 6, 7 und 8 zu sehen ist, sind die Düsen in verschiedenartigen Konstruktionen und Positionen untergebracht. Der Hydroxylbildnermischer in Fig. 4, Abb. 33 wird durch eine ringförmige Rohrkonstruktion über dort angebrachte Düsen in den Brennraum, innerhalb des Brennergehäuses, vor oder in die Flamme vernebelnd eingebracht.

Damit der Hydroxylbildner gleichmäßig über dieses ringförmige Rohr und dessen Düsen in den Brennraum eingebracht wird, ist es von Vorteil an mehreren Stellen des Rohres, den Hydroxylbildner zu zuführen gem. Fig. 6, Abb. 38 und 39. Diese Zuleitungen laufen dann zum Sammelpunkt 38 zusammen und von dort über eine Leitung über das Magnetventil 5.1 in Fig. 3 usw.

In Fig. 7 ist der Düsenkörper sternförmig dargestellt. Dieser hat nur eine Hydroxylbildnerzuleitung 39 gem. Fig. 8 und ist wie in Fig. 6 als ringförmiger Düsenkörper ausgestaltet. Die Hydroxylbildnereinspritzung erfolgt hier allerdings von der Außenseite des Flammrohrs bzw. Brennergehäuses aus, in bzw. hinter die Flamme.

In Fig. 9 ist die Hydroxylbildnereinspritzung über Einzeldüsen stilistisch dargestellt, wobei hier nur Beispiele der Anordnung der Düsen 38 sowie des Brennerkopfes 40 dargestellt sind. Wichtig hierbei ist, daß der Hydroxylbildner entweder in, vor und/oder hinter die Flamme vernebelnd eingebracht wird.

Beispiel 4 Einspritzen des Hydroxylbildners als nicht gesättigter Dampf

Auch in diesem Beispiel ist die Steuerung, der Ablauf und der Brennzyklus der gleiche wie schon im 2. und 3. Beispiel beschrieben. Lediglich der Hydroxylbildner wird in Form von nicht gesättigtem Dampf in den Brennraum eingebracht.

Sämtliche Düsenanordnungen und Varianten der Düsenkörper wie in Beispiel 2 + 3 beschrieben, können auch für dieses Beispiel Verwendung finden.

Der Steuerung 17 in Fig. 2 + 3 von Abb. 27 bis 30 wird nun, siehe Fig. 4 + 5, ein Rückschlagventil 1, ein Verdampfer 36 der von dem Temperaturregler 32 gesteuert wird und ein Druckbehälter 34 hinzugefügt. Der Verdampfer 36 kann sowohl an den bestehenden oder einen eigenen Heizkreislauf angeschlossen, als auch durch Strom betrieben werden. Benötigt werden ca. 0,6 bis 1,3 KW Heizenergie um den Hydroxylbildner in den Zustand von nicht gesättigten Dampf zu überführen bzw. umzuwandeln.

Da die durchfließende Menge nicht hoch ist, ca. 0,005-0,020 Liter/min, fällt der Verdampfer 36 und der Druckkessel bzw. Druckspeicher 34 entsprechend klein aus. Das Magnetventil 35 mit Manometer messen und steuern den Durchlaß bzw. entlassen bei Überdruck den gleichen in den Brennraum.

Beschreibung

Der Ablauf geschieht wie folgt, die Vorlauftemperatur sinkt, der Temperaturregler 20 in Fig. 1 zeigt diesen Zustand der Steuerung 17 an.

Durch die Steuerung 17 wird nun die Luftregulierklappe 16 durch den Motor 24 geöffnet, während der Motor 15 durch das Lüfterrad 13 den Brennraum vorbelüftet.

Gleichzeitig fängt die, im Druck regulierbare Brennstoffpumpe 3 + 4 an den Brennstoff zu fördern bzw. den Förderdruck aufzubauen und die Öl-Vorwärmung 22, durch deren Steuerung 23 in Gang gesetzt, beginnt den noch befindlichen Brennstoff in Leitung 6 und Düse 10 zu erwärmen.

Gleiches gilt für die Hydroxylbildnerpumpe gem. Fig. 4, Abb. 29 + 30, sowie den Regler 32 der den Verdampfer 36 in Funktion setzt, der wiederum den Hydroxylbildner in nicht gesättigten Dampf umwandelt.

Während die Brennstoffzuführung über das nun geöffnete Magnetventil 5 erfolgt, zünden die Zündelektroden 11, über den Zündtrafo 14, die Flamme.

Ist die Flamme gezündet und die Temperatur des Temperaturreglers 23 registriert entsprechende Temperatur vom Verdampfer 36 öffnet nun die Steuerung 17 das Magnetventil 5.1 und der Hydroxylbildner gelangt so in den Brennraum, in dem er dann katalytisch wirkt.

Ist nun die Solltemperatur erreicht, schaltet die Steuerung 17 in folgender Reihenfolge das System ab:
Zusammen mit der Hydroxylbildnerzufuhr über das Magnetventil 5.1 wird die Stromzufuhr bzw. die Heizwasserkreislaufzufuhr vom Verdampfer 36 unterbrochen. In Bruchteilen einer Sekunde danach, wird über das Magnetventil 5, die Brennstoffzufuhr abgebrochen.

Dann werden die beiden Pumpen 29 + 3 sowie der Motor 15 in Fig. 1 abgeschaltet und danach die Luftregulierklappe über den Motor 24 geschlossen.

Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.

Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen weisen auf die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin.

Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

Merkmale, die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden, können im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung, zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild und die Schematik eines modernen Öl-Heizungsbrenners.

Fig. 2 das Schaltbild und die Schematik des erfindungsgemäßen Brenners in der Variante der direkten Zumischung des Hydroxylbildners in den Kraftstoff, über einen eigenen Pumpenkreislauf 28-31 und einem Dreiwegeventil 31, innerhalb des Brennergehäuses.

Fig. 3 das Schaltbild und die Schematik des erfindungsgemäßen Brenners in der Variante der Zuführung des Hydroxylbildners in den Brennraum bzw. die Flamme über die Leitungen 6 und den Pumpenkreislauf 28-31 und eine Doppeldüse, innerhalb des Brennergehäuses.

Fig. 4 das Schaltbild und die Schematik des erfindungsgemäßen Brenners in der Variante der Zuführung des Hydroxylbildners in den Brennraum bzw. die Flamme, über eine Ringkonstruktion mit Düsen 33 und den Pumpenkreis­ lauf 28-31, innerhalb des Brennergehäuses.

Fig. 5 das Schaltbild und die Schematik der Pumpe mit Steuerung des erfindungs­ gemäßen Brenners.

Fig. 6 im Schnitt bzw. Vorderansicht die Ringkonstruktion mit Zerstäuberdüsen des erfindungsgemäßen Brenners, innerhalb des Brennergehäuses.

Fig. 7 im Schnitt bzw. Vorderansicht der Zerstäuberdüsen als Sternkonstruktion mit zentraler Zuführung des Hydroxylbildners, innerhalb des Brennerge­ häuses.

Fig. 8 im Schnitt bzw. Vorderansicht die Ringkonstruktion mit Zerstäuberdüsen des erfindungsgemäßen Brenners, außerhalb des Brennergehäuses.

Fig. 9 die Anwendungsvarianten der Zuführung des Hydroxylbildners des erfindungsgemäßen Brenners, mit einzelnen Zerstäuberdüsen 38 in den Brennraum.

Claims (30)

1. Heizungsbrenner, wobei der flüssige oder gasförmige Brennstoff aus dem Brennstofftank mit Hilfe einer Brennstoffpumpe über Leitungen und entsprechende Düsen in den Brennraum gelangt und dort mit Luft, die über den gleichen Kanal (Brennergehäuse/Flammrohr) wie der Brennstoff in den Brennraum gelangt wird, verbrennt, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennraum Hydroxylbildner vorgesehen sind, die die Verbrennung des Brennstoffes katalytisch unterstützen.

2. Heizungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratstank für den Hydroxylbildner vorgesehen ist, der mit dem Brennraum verbunden ist.

3. Heizungsbrenner nach einem oder beiden vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Hydroxylbildner dem hauseigenen Wassernetz entnommen wird, der über einen Filter und eine Pumpe, die von einer entsprechenden Elektronik gesteuert wird, in den Brennraum gelangt.

4. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im, dem Brennraum nachgeschalteten Abgasbereich, ein Kondensierer für die Gewinnung des Hydroxylbildners vorgesehen ist, der mit dem Brennraum verbunden ist.

5. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung, insbesondere eine mikroprozessorüberwachte Steuerung vorgesehen ist, die die Parameter der bestehenden Feuerungsanlage oder Heizung erfaßt und hieraus die erforderliche Menge, sowie das Ein- und Ausschalten der Zuführung von Hydroxylbildnern bestimmt.

6. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Brennstoff und Hydroxylbildner bei stationären Betrieb der Feuerungsanlage oder Heizung eine Konstante ist.

7. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung entsprechend den Betriebsbedingungen, insbesondere beim Starten und Abschalten der Feuerungsanlage oder Heizung, die Konstante zeitlich ändert.

8. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydroxylbildner sowohl z. B. Wasser, Peroxyde (H₂ O₂), Ozon (O₃), atomarer Sauerstoff, Alkohole wie z. B. einwertige wie Äthanol, Propanol usw., als auch mehrwertige wie Glykol usw. vorgesehen sind. Des weiteren können als Hydroxylbildner Hydroxylamin (H₂N-OH) oder Persäuren, beispielsweise Perchlorsäure (HCLO₄) und Harnstoff Verwendung finden.

9. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hydroxylbildnermischer vorgesehen ist, der mit dem einem Vorratstank oder der zentralen Wasserversorgung verbunden ist und den Hydroxylbildner der Luft oder dem Brennstoff beimischt oder den Hydroxylbildner, über Düsen vernebelnd, direkt in den Brennraum einbringt.

10. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydroxylbildnermischer durch eine Rücklaufleitung mit dem Vorratstank, bzw. mit dem Wasserabfluß verbunden ist.

11. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydroxylbildnermischer ein Verdampfer vorgesehen ist, der entweder mit einer Abwärmequelle des Brennraumes der Heizung oder des Abgassystems oder einem zusätzlichen Wasserheizkreislauf verbunden ist oder aber als elektrisch betriebener Verdampfer ausgeführt ist und den Hydroxylbildner als nicht gesättigten Dampf der Luft im Luftkanal (Brennergehäuse oder Flammrohr) beimischt. Es ist ebenfalls vorgesehen, den nicht gesättigten Dampf durch entsprechend plazierte Düsen innerhalb des Brennraums einzubringen und zwar so, daß der Dampf gezielt in oder vor die Flamme eingespritzt wird.

12. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Abwärmequelle unter anderem das Abgassystem der Heizungsanlage vorgesehen ist und Luft durch einen vom Abgassystem erwärmten Verdampfer strömt.

13. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung beim Starten und Abschalten des Brenners usw. bewirkt, daß bei nicht gezündeter Flamme kein Hydroxylbildner in den Brennraum gelangt.

14. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung über einen Temperatursensor bewirkt, daß vor Erreichen einer Solltemperatur kein Hydroxylbildner in den Brennraum gelangt.

15. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da ß der Heizungsbrenner als Heizung ausgestaltet ist.

16. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung ein Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff und Hydroxylbildner von 1 mol Brennstoff zu 0,01 bis 2 mol Hydroxylbildner bildet.

17. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung ein Volumenverhältnis von Hydroxylbildner zu Brennstoff in einem Bereich von 1 : 10 bis 2 : 1 bildet.

18. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hydroxylbildner Wasser auch alle weiteren Substanzen nach Anspruch 20 beigefügt sein können.

19. Gasförmiger oder Flüssigbrennstoff für Heizungsbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennstoff Hydroxylbildner nach Anspruch 20 beigemengt sind.

20. Brennstoff nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydroxylbildner sowohl z. B. Wasser, Peroxyde (H₂O₂), Ozon (O₃), atomarer Sauerstoff, Alkohole wie z. B. einwertige wie Äthanol, Propanol usw., als auch mehrwertige wie Glykol usw. vorgesehen sind. Des weiteren können als Hydroxylbildner Hyroxylamin (H₂N-OH) oder Persäuren, beispielsweise Perchlorsäure (HCLO₄) und Harnstoff Verwendung finden.

21. Brennstoff nach einem oder beiden vorhergehenden Ansprüchen 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß 1 mol Brennstoff zwischen 0,01 und 2 mol Hydroxylbildner beigemengt sind.

22. Flüssigbrennstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis zwischen Hydroxylbildner, z. B. Wasser und Brennstoff in einem Bereich zwischen 1 : 10 bis 2 : 1 liegt.

23. Verfahren zum Betreiben eines Heizungsbrenners, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Brennstoff mit einem Hydroxylbildner verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydroxylbildner im Luftkanal (Brennergehäuse oder Flammrohr), vor und/oder hinter der Flamme, eingebracht wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydroxylbildnermischer eine oder mehrere Zerstäuberdüsen innerhalb des Luftkanals (Brennergehäuse oder Flammrohr) den Hydroxylbildner vor, in die oder hinter der Flamme kontinuierlich einspritzen.

25. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydroxylbildnermischer eine oder mehrere Zerstäuberdüsen den Hydroxylbildner außerhalb des Luftkanals (Brennergehäuse oder Flammrohr) vor, in die oder hinter der Flamme kontinuierlich einspritzen.

26. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Wasser als Hydroxylbildner dies vor dem Einbringen in den Brennraum demineralisiert wird.

27. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydroxylbildnermischer über eine oder mehrere Düsen den Hydroxylbildner in Form von nicht gesättigtem Dampf sowohl innerhalb des Luftkanals (Brennergehäuse/Flammrohr) vor oder hinter, als auch außerhalb des Luftkanals in die Flamme kontinuierlich einspritzt.

28. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erfindungsgemäße Hydroxylbildner-Ein­ spritzsystem gleichfalls als Bausatz für zukünftige neue bzw. als Nachrüstsatz für bestehende Feuerungsanlagen konzipiert ist.

29. Brennstoff nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff gasförmig ist, wie z. B. Erdgas, Flüssiggas, Stadtgas, Wasserstoffgas, Biogas, Abfallgas usw.

30. Heizungsbrenner nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn gemäß Anspruch 29 der Heizungsbrenner mit gasförmigem Brennstoff wie z. B. Gas- oder Flüssiggas betrieben wird, die Parameter des erfindungsgemäßen Heizungsbrenners angepaßt werden.