DE19732607A1 - Nachbrenner für ein Heizungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Nachbrenner für ein Heizungsgerät mit Brennerraum und darin angeordne­ tem Brenner, wobei der Nachbrenner im wesentlichen ein Hohlzylinder ist, der sich über den gesamten Strömungsquerschnitt des Brenners erstreckt, auf einem Kreis liegende Öffnungen mit dazwischen auf der Innenseite des Hohlzylinders angeordneten La­ mellen aufweist, eine Querschnittsverengung inner­ halb des Brennerraumes bildet und im Bereich des Auslasses des Brennerrohres im Abstand hierzu ange­ bracht ist.

Ein derartiger auf denselben Anmelder zurückgehen­ der Nachbrenner (EP 0 266 377 B 2) wird in Heizkes­ selanlagen verwendet, die mit einem öl- oder gasbe­ triebenen Gebläse- oder Zerstäubungsbrenner ausge­ stattet sind und beispielsweise zur Raumheizung oder zur Warmwasserproduktion eingesetzt werden. Dabei ist der Nachbrenner im Brennerraum in einer Achse mit dem Brennerrohr und im Abstand zu dessen Mündung angeordnet. Aufgrund der Tatsache, daß sich der Querschnitt des Nachbrenners über den gesamten Strömungsquerschnitt des Brenners erstreckt, müssen die austretenden Flammen und Abgase vollständig in den Nachbrenner eintreten und diesen passieren. Da sie dort eine höhere Strömungsgeschwindigkeit auf­ weisen als sie die Gase in der umliegenden Brenn­ kammer besitzen, ergibt sich im Nachbrenner ein niedrigerer statischer Druck, durch den warmes Gas aus der Brennkammer durch die Öffnungen in den Nachbrenner eingesaugt wird, wo es sich mit den Ab­ gasen turbulent vermischt, ein Prozeß, der durch die zwischen den Öffnungen befindlichen Lamellen noch zusätzlich unterstützt wird. Diese Durchmi­ schung des Abgas-Luft-Gemisches führt in Verbindung mit den durch das heiße Abgas bis zum Glühen aufge­ heizten Wandungen des Nachbrenners zu einer Ver­ brennung von bisher unverbrannten Bestandteilen des Brennstoffes. Insgesamt bewirkt der Nachbrenner also eine wesentlich bessere und vollständigere Verbrennung des eingesetzten Brennstoffes und damit einen geringeren Brennstoffbedarf sowie eine schadstoffärmere Zusammensetzung der Abgase bei weitgehender Rußfreiheit und eine Selbstreinigung des Brennerraumes.

Für eine wirtschaftlich arbeitende Heizkesselanlage ist eine weitgehend verlustfreie Weiterleitung der bei der Verbrennung freigesetzten thermischen Ener­ gie an die Wärmetauscherplatten und damit an das beheizte Medium wesentlich. Dieser Wärmetransport erfolgt hauptsächlich durch Konvektion, deren Effi­ zienz sich durch geeignete Strömungen und Verwirbe­ lungen der Verbrennungsgase steigern läßt. Darüber­ hinaus spielt auch der Energietransport durch elek­ tromagnetische Strahlung vom Nachbrenner zum Wärme­ tauscher noch eine Rolle.

Vor diesem Hintergrund hat es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gesetzt, derartige Nachbren­ ner im Hinblick auf eine Verbesserung der Gasumwäl­ zung und der Wärmeabstrahlung weiter zu entwickeln, um die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit von Heizkesselanlagen weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Nachbrenner auf dem Umfang axial verlau­ fende und nach außen weisende Rippen besitzt, an seinem Ende einen umlaufenden Ringwulst aufweist und aus einem keramischen Werkstoff besteht.

Der umlaufende Ringwulst an der Abgasaustrittsseite des Nachbrenners dient als Leitfläche zur Führung der Gasströmung. Er fördert eine großräumige Ab­ gasumlenkung, die einerseits die Gasrückführung in den Nachbrenner durch die dafür vorgesehenen Öff­ nungen verbessert, vor allem aber die Verweildauer der Abgasmassen im Brennerraum verlängert, wodurch sich eine bessere Wärmeabgabe der heißen Verbren­ nungsgase an die Wärmetauscherfläche ergibt. In Verbindung mit den axial verlaufenden und in ihn mündenden Rippen bildet der Ringwulst eine Art tra­ gendes Gerüst, das dem Körper des Wärmetauschers eine hohe Stabilität verleiht, die es ermöglicht, die Wandungen des Wärmetauschers sehr dünn zu ge­ stalten, wodurch ein guter Wärmeübergang aus dem Inneren des Wärmetauschers an seiner Außenseite ge­ währleistet ist. Darüberhinaus stabilisieren Ring­ wulst und Rippen den Körper des Nachbrenners auch gegen radiale Schwingungen, die durch Pulsationen der Brennerflamme angeregt werden, und vermindern somit unerwünschte Geräuschemissionen bei Betrieb des Nachbrenners und erhöhen gleichzeitig seine Le­ bensdauer. Ein zusätzlicher Vorteil der Rippen be­ steht darin, daß sie die Abstrahlfläche des Nach­ brenners beträchtlich vergrößern und damit den Energietransport zu den Wärmetauscherflächen durch elektromagnetische Strahlung begünstigen. Die Ver­ wendung eines keramischen Werkstoffs für den Nach­ brenner verleiht diesem eine hervorragende Tempera­ turbeständigkeit und Resistenz gegen aggressive chemische Substanzen im Abgas, wie insbesondere schwefelhaltige Verbindungen, beispielsweise Schwe­ feldioxid oder schweflige Säure, die bei Verwendung schwefelhaltiger Brennstoffe entstehen. Diese Ei­ genschaften stellen eine notwendige Voraussetzung für eine hohe Lebensdauer des Nachbrenners dar.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Außenseite des Nachbrenners mit einer vorzugs­ weise axial verlaufenden Riffelung versehen werden. Auf diese Weise wird die Oberfläche des Nachbren­ ners weiter vergrößert und dadurch ihre Abstrah­ lung, sowie der Wärmeübergang auf umgebendes küh­ leres Gas gefördert.

Als keramischer Werkstoff zur Fertigung des Nach­ brenners wird in der bevorzugten Ausbildung der Er­ findung Mullit-gebundenes Siliciumcarbid vorge­ schlagen. Bei Mullit handelt es sich um ein Alumi­ niumsilikat, das sich durch eine hohe Feuerfestig­ keit, eine gute Temperaturwechselbeständigkeit so­ wie eine niedrige thermische Ausdehnung auszeich­ net. Hier dient es vor allem dazu, das den Hauptbe­ standteil der Keramik bildende Silciumcarbid zuver­ lässig zu binden. Die Verwendung von Siliciumcarbid als Werkstoff für den Nachbrenner ist aus mehreren Gründen vorteilhaft. Zunächst einmal ist Silicum­ carbid temperaturbeständig bis zu 2300°C und dabei resistent gegen Chlor, Sauerstoff, Schwefel und starke Säuren. Weiterhin ist bei der Arbeitstempe­ ratur des Nachbrenners eine thermische Abstrahlung hauptsächlich im nahinfraroten Spektralbereich zu erwarten, wo Siliciumcarbid einen sehr hohen spek­ tralen Emissionskoeffizienten besitzt, der zwischen 0,9 und 0,95 liegt, während bei Metallen ein Wert von 0,3 typisch ist. Dies begünstigt eine sehr ef­ fiziente Abstrahlung der Wärmeenergie vom Nachbren­ ner zu den Wärmetauscherflächen. Schließlich för­ dert Siliciumcarbid auch die Verbrennung von Brenn­ stoffresten und Ruß durch einen katalytischen Ef­ fekt in seiner Oberfläche. Dieser ist dadurch be­ dingt, daß das zur Herstellung des Nachbrenners verwendete Siliciumcarbidpulver paramagnetische Ei­ genschaften aufweist. Daher treten an den durch die Porösität des Materials stark vergrößerten Oberflä­ chen magnetische Mikrofelder auf, die angelagerte Brennstoffmoleküle ausrichten, wodurch ein Aufbre­ chen ihrer Bindungen und ihre Reaktion mit Sauer­ stoff begünstigt wird.

Für die Herstellung des Mullit-gebundenen Silicium­ carbid wird eine bevorzugte Mischung vorgeschlagen, die zu 90% aus Silicumcarbidpulver besteht und bei der sich die übrigen 10% aus einem Gemisch aus Ton und Tonerde zusammensetzen.

Bei Verwendung größerer Brennstoffmengen erhöht sich auch der Abgasdurchsatz und damit die Strö­ mungsgeschwindigkeit durch den Nachbrenner. Daher kann es bei zu hohen Abgasdurchsätzen vorkommen, daß die im Abgasstrom enthaltenen Brennstoffreste im Nachbrenner nicht mehr vollständig der Verbren­ nung zugeführt. Um auch unter diesen Bedingungen einen vorteilhaften und wirkungsvollen Einsatz des Nachbrenners zu ermöglichen, wird in einer Fortbil­ dung der Erfindung vorgeschlagen, den Nachbrenner mit zylindrischen Verlängerungsstücken auszustat­ ten, die auf den Nachbrenner aufgesteckt werden, um sein Volumen an erhöhte Gasdurchsätze anzupassen.

Bei Betrieb des Nachbrenners mit erhöhtem Abgas­ durchsatz kann zusätzlich zu einer Verlängerung des Nachbrenners auch eine Vergrößerung der Abgasrück­ führung aus der Brennkammer in den Nachbrenner wün­ schenswert sein. Hierfür wird vorgeschlagen, die Zwischenstücke so zu gestalten, daß zwischen den einzelnen Verlängerungsstücken oder auch zwischen Nachbrenner und erstem Verlängerungsstück Öffnun­ gen, wie beispielsweise Zwischenschlitze entstehen, durch die zusätzliches Gas in den Nachbrenner ein­ treten kann.

Zusätzlich oder auch alternativ dazu kann die Gas­ zufuhr aus dem Brennerraum zum Nachbrenner auch durch Öffnungen, die auf dem Umfang einzelner Ver­ längerungsstücke angeordnet sind, verbessert wer­ den.

Der Nachbrenner erreicht bei Betrieb sehr hohe Tem­ peraturen und bedarf daher einer entsprechend hit­ zebeständigen Halterung. Hierfür werden keramische Lager vorgeschlagen, die den Nachbrenner tragen und die ihrerseits beispielsweise auf einem feuerfesten Schamottunterbau montiert sein können.

Üblicherweise wird der Nachbrenner in Heizkesselan­ lagen eingesetzt, in denen die erzeugte Verbren­ nungswärme vermittels Konvektion und Strahlung zu Wärmetauschern geleitet wird, die damit ihrerseits ein Heizmedium erhitzen. Als Alternative hierzu wird in einer Weiterbildung vorgeschlagen, die im Betriebszustand sich entwickelnde hohe Oberflächen­ temperatur des Nachbrenners direkt zur Dampferzeu­ gung auszunutzen, indem die zu verdampfende Flüs­ sigkeit, beispielsweise Wasser, auf seine Oberflä­ che gesprüht wird. Diese Technik kann auch dazu eingesetzt werden, Flüssigkeiten von schwerflüchti­ gen Verunreinigungen zu trennen, die beim Verdamp­ fungsprozeß auf der Oberfläche des Nachbrenners zu­ rückbleiben.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand von Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert ist. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht des Nachbrenners in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Frontansicht der Abgaseintrittseite des Nachbrenners.

In der schematischen Seitenansicht des Nachbrenners in Fig. 1 ist links die Eintrittsöffnung (1) dar­ gestellt, durch die die Verbrennungsgase in den Nachbrenner eintreten. In der sich anschließenden konusförmigen Erweiterung des Nachbrenners sind die Öffnungen (2) mit den dazwischen liegenden Lamellen angeordnet, durch die Gas aus dem Verbrennungsraum in den Nachbrenner eingesaugt wird, wo es sich mit den Verbrennungsgasen turbulent vermischt. Die auf dem Umfang axial verlaufenden und nach außen wei­ senden Rippen (3) des Nachbrenners dienen ebenso wie der an seiner Austrittsöffnung umlaufende Ring­ wulst (4) zur Stabilisierung des Körpers, wobei die Rippen zusätzlich die Abstrahlfläche des Nachbren­ ners vergrößern, während der Ringwulst zur Strö­ mungsumlenkung dient.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Frontansicht des Nachbrenners mit der Eintrittsöff­ nung für die Verbrennungsgase (1), den Öffnungen (2) für die Gaszufuhr aus dem Verbrennungsraum. So­ wie den auf dem Umfang axial verlaufenden Längsrip­ pen (3) zu sehen. Zusätzlich erkennt man noch die keramischen Lager (5), auf denen der Nachbrenner ruht.

Insgesamt erhält man einen Nachbrenner, der durch seine abstrahlungs- und strömungstechnischen Eigen­ schaften in Heizkesselanlagen unter Beibehaltung der hervorragenden Abgaswerte bisheriger Systeme eine beträchtliche Brennstoffersparnis (20-30% wur­ den erreicht) bewirkt und damit einen besonders wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb er­ laubt.

Claims (9)

1. Nachbrenner für ein Heizungsgerät mit Brenner­ raum und darin angeordnetem Brenner, wobei der Nachbrenner im wesentlichen ein Hohlzylinder ist, der sich über den gesamten Strömungsquerschnitt des Brenners erstreckt, auf einem Kreis liegende Öff­ nungen (2) mit dazwischen auf der Innenseite des Hohlzylinders angeordneten Lamellen aufweist, eine Querschnittsverengung innerhalb des Brennerraumes bildet und im Bereich des Auslasses des Brennerroh­ res im Abstand hierzu angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Nachbrenner auf dem Umfang axial verlaufende und nach außen weisende Rippen (3) besitzt,
• - an seinem Ende einen umlaufenden Ringwulst (4) aufweist und
• - aus einem keramischen Werkstoff besteht.

2. Nachbrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Riffelung seiner Oberfläche.

3. Nachbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Material Mullit-gebundenes Siliciumcarbid ist.

4. Nachbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mullit-gebundene Siliciumcarbid aus einer Mischung hergestellt ist, die zu 90% aus Silciumcarbid und zu 10% aus einem Gemisch aus Ton und Tonerde besteht.

5. Nachbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch in axialer Richtung aufge­ steckte zylindrische Verlängerungsstücke.

6. Nachbrenner nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Öffnungen, beispielsweise Schlitze zwischen den Verlängerungsstücken und/oder zwischen Nach­ brenner und Verlängerungsstück.

7. Nachbrenner nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeich­ net durch auf dem Umfang der Verlängerungsstücke angeordnete Öffnungen.

8. Nachbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachbrenner auf ke­ ramischen Lagern befestigt ist.

9. Verwendung des Nachbrenners nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufsprühen von Flüssigkeit auf seine Oberflä­ che Dampf erzeugt wird.