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Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung für einen Öl-oder
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Gasbrenner Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Verbrennungsunterstützung für einen Öl- oder Gasbrenner, bei welcher die Brennerflamme
von einer, z.B. rohrförmigen, vorzugsweise an der Brennerflamme abgewandten Stirnseite
eine Heizgasaustrittsöffnung aufweisende Brennkammer aus keramischem Material oder
Metall und keramischem Material umgeben ist, wobei in der Brennerkammer wenigstens
eine quer zur Brennkammerachse stehende Scheibe angeordnet ist.
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Eine derartige Vorrichtung ist an sich bekannt. Bei ihr steht eine
vergleichsweise kleine rechteckige Lochscheibe als Prallstein am Ende der Brennerflamme
in einer ebenfalls aus Lochsteinen gebildeten Brennkammer. Der Prallstein, der nur
einen
geringen Bruchteil der Querschnittsfläche der Brennkammer
ausmacht, soll in einer zu großen Brennkammer die Brennkammertiefe entsprechend
der Brennerleistung begrenzen. Den Verbrennungsgasen steht ein großer freier Strömungsquerschnitt
um den Prallstein herum zur Verfügung.
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Bei einer aus der DE-OS 32 31 211 bekannten Vorrichtung ist zur Energieeinsparung
vorgeschlagen, daß das Speichermaterial eine der Brennerflamme zugewandte Innenschicht
mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Temperaturwechselbeständigkeit und eine der
Brennerflamme abgewandte Außenschicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und hoher
Wärmespeicherfähigkeit aufweist. Diese Anordnung ist im wesentlichen zur feuerungstechnischen
Optimierung bestehender Kesselanlagen bestimmt.
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Gebräuchliche Öl- und Gasgebläsebrenner arbeiten mit einer Heizgastemperatur
zwischen etwa 800" C und 1100e C. Auf dieser Basis ist die gesamte Kesselanlage
nutzungstechnisch und isolationstechnisch aufgebaut. Dadurch ergeben sich aber erhebliche
Energieverluste. Diese Verluste setzen sich wie folgt zusammen: Ein großer Verlustfaktor
sind die Stillstandsverluste (Betriebsbereitschaftsverluste). Sie hängen hauptsächlich
von der Bauart des Brenners ab. Bei alten Brennern mit einer Luftklappe können diese
bis zu 14 % betragen, bei modernen Brennern noch bis zu 5 %. Stillstandsverlust
ist die Wärme, die der Heizkessel während der Pausen, in denen der Brenner nicht
arbeitet, ungenutzt an die Umgebung und an den Schornstein abgibt. In die Stillstandsverluste
gehen ein die Vorhaltung des meist zu große bemessenen Warmwasservorrats im Boiler
für das gesamte Jahr, also auch im Sommer, wenn die Heizungsanlage eine kombinierte
Anlage für die Erzeugung des Heizwassers und des Brauchwassers ist. Weitere, sogenannte
Abstrahlungsverluste ergeben sich aus unzureichender Isolierung
des
Kessels. Hinzu kommen Abgasverluste, die nach der Siegert'schen Formel berechnet
werden können. Diese Verluste sind bei Neuanlagen ab 1. Januar 1983 auf 11 bis 14
% begrenzt.
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Der größte Verlustfaktor ist der Umwandlungsverlust. Er ergibt sich
durch die unvollständige Verbrennung von z.B. Heizöl, die nur zu 85 % im Regelfall
erfolgt. Bei vollständiger Verbrennung von Heizöl EL beträgt im Abgas der CO2-Wert
15,4 %. Jedes Prozent weniger ergibt, daß die in einem Kilogramm Heizöl EL enthaltene
Energie von Hu = 10200 kcal nicht vollständig in Wärme umgesetzt worden ist. 10
% CO2 bedeuten also bereits Umwandlungsverluste von ca. 35 %.
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Alle Verluste zusammen können leicht 50 % der gesamten, überhaupt
verfügbaren Energie ausmachen. Hinzu kommt, daß die Verbrennungsrückstände erhebliche
Umweltbelastungen ergeben.
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Bei allen diesen Verlusten ist man bisher davon ausgegangen, daß der
Umwandlungsverlust, der sich aus nicht vollständiger Umsetzung des zu verbrennenden
Heizöls oder des zu verbrennenden Gases ergibt, nicht mehr reduziert werden kann.
Selbst neueste Untersuchungen haben ergeben, daß auch die modernsten Brenner im
Schnitt nur etwa 85 % des Heizöls in Heizenergie umwandeln.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung
zur Verbrennungsunterstutzung zu schaffen, um eine annähernd 100 %-ige Energieumwandlung
zu erhalten und dadurch einen erheblich wirtschaftlicheren Betrieb zu gewährleisten;
außerdem sollen die Verbrennungsrückstände wesentlich reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst,
daß die wenigstens eine Scheibe als Stauscheibe bis auf die Durchtrittsöffnungen
den Brennkammerquerschnitt ganz oder im wesentlichen ausfüllt. Durch diese Maßnahme
wird Mehreres gleichzeitig erreicht: Die wenigstens eine Stauscheibe bewirkt damit
eine Druckerhöhung in der Brennkammer. Aufgrund dieser verbrennungsbegünstigenden
Anordnung der einen oder mehreren Stauscheiben wird dadurch die Brennerflamme in
ihrem Ausbrand so unterstützt, daß die technisch höchstmöglichen Temperaturen erreicht
werden. Dementsprechend erfolgt auch der Gewinn des Heizgases in wesentlich höheren
Temperaturbereichen als bisher üblich. Es erfolgt eine bessere Umwandlung von Öl
und Gas in Wärmeenergie und eine Reduzierung der Verbrennungsrückstände.
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Die höhere Temperatur ermöglicht es ferner, mit einem Abgaskatalysator
zu arbeiten, so daß ein erheblicher Anteil an Schadstoffen aus dem Abgas ausgeschieden
werden kann. Die höhere Heizgastemperatur kann in entsprechenden Wärmetauschern
wirtschaftlich genutzt werden; somit ergibt sich eine erhebliche Reduzierung des
Energieverbrauchs.
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Die Erfindung ist sowohl bei Öl- oder Gasgebläsebrennern als auch
bei atmosphärischen Gasbrennern mit Vorteil einsetzbar.
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Die Stauscheibe kann ein Element sein, das über einen wesentlichen
Bereich in einer Ebene senkrecht zur Brennerachse verläuft, also eine im wesentlichen
flache Scheibe. Sie kann aber statt flach auch einseitig oder beidseitig konkav
oder konvex gekrümmt, kalottenförmig, kegelig, tellerförmig od.
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dgl. Form haben. Ist die Stauscheibe tellerförmig, so weist der aus
der Tellerebene abstehende Tellerrand vorzugsweise in Richtung der Brennerflamme,
um den Staueffekt zu verbessern.
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Wesentlich ist lediglich, daß sich die Stauscheibe bzw. die Stauscheiben
in den Weg der Brennerflamme bzw. der entstehenden
Heizgase stellt
bzw. stellen und zur Erzielung eines Stau-oder Druckerhöhungseffektes bis auf die
Durchtrittsöffnungen den Innenquerschnitt der Brennkammer ausfüllen.
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Es ist eine Brennkammer an sich bekannt, mit der bereits versucht
wurde, den Wirkungsgrad eines Brenners zu verbessern und die Umweltbelastung zu
verringern. Hierbei besteht die Brennkammer jedoch aus einem auf der der Brennerflamme
abgewandten Stirnseite geschlossenen Kammer aus hitzebeständigem Edelstahl. Die
Heizgase werden in dieser Brennkammer im Gegenzug zur Flamme wieder zurückgezogen.
Zur Erzielung dieses Umkehreffektes in der Brennkammer ist es erforderlich, eine
lange schlanke Flamemnform zu erreichen. Voraussetzung ist hierbei die Verwendung
einer Düse mit einem geringen Sprühwinkel. Die bekannte Brennkammer läßt hinsichtlich
Nutzungsgrad und Umweltbelastung zu wünschen übrig. Die Umwandlungsver luste sind
aufgrund ungünstiger Verbrennungsverhältnisse noch zu hoch; die bekannte Anordnung
ist ferner ungeeignet für den Katalysatoreinsatz. Bei der erfindungsgemäßen Lösung
ist demgegenüber eine Flammumkehrung innerhalb der Brennkammer nicht erforderlich.
Hierdurch wird der Betrieb wesentlich zuverlässiger, der Nutzungsgrad günstiger
und die Umweltbelastung niedriger. Die erfindungsgemäße Lösung stellt demnach gegenüber
dem bekannten Vorschlag eine wesentliche Verbesserung dar. Durch die Anordnung der
Stauscheiben wird nämlich eine wesentlich höhere Temperatur der Heizgase erzielt,
als bisher üblich. Dadurch wird nicht nur der Wirkungsgrad erheblich verbessert,
sondern auch die Möglichkeit eines Katalysatoreinsatzes geschaffen.
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Die wenigstens eine Stauscheibe hat dabei vorzugsweise einen Außenquerschnitt,
der genau oder im wesentlichen den Innenquerschnitt der Brennkammer entspricht.
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Die wenigstens eine mit oder ohne zusätzliche Durchtrittsöffnungen
versehene Stauscheibe kann aber auch einen nur geringen Durchtrittsspalt zwischen
ihrem Außenumfang und der Brennkammer freilassen.
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Bei der Erfindung kann wenigstens eine Stauscheibe nur im Bereich
der auf sie auftreffenden Brennerflammer Durchtrittsöffnungen aufweisen, durch welche
die Brennerflamme beim Ausbrennen hindurchtreten kann.
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Dabei ist die wenigstens eine Stauscheibe vorzugsweise mit einem Feld
von Durchtrittsöffnungen von im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen
Abstand voneinander versehen. Auf diese Weise wird trotz der wirksamen Erhöhung
der Heizgastemperatur die Erstreckung der Brennerflamme über praktisch die gesamte
Länge der Brennkammer nicht beeinträchtigt.
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Wenigstens eine der Stauscheiben kann auch mit einer größeren zentralen
Durchtrittsöffnung und einem diesen umgebenden Kranz von Durchtrittsöffnungen geringeren
Querschnitts versehen sein.
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Es besteht die Möglichkeit, daß die Durchtrittsöffnungen als düsenartige
Bohrungen oder Schlitze ausgebildet sind, um den gewünschten Stau- und Druckerhöhungseffekt
mit einem wirksamen Abtransport der Heizgase zu kombinieren.
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Dabei können bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
die Durchtrittsöffnungen zur brennerzugewandten und/oder abgewandten Seite der Stauscheibe
düsenartig verjüngen, bzw. erweitern.
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Die Verwendung von zwei oder mehreren Stauscheiben axial hintereinander
ist besonders vorteilhaft. An der zweiten heißen Stauscheibe kann dabei eine Nachverbrennung
erfolgen.
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Um die Wirksamkeit der Stauscheibe für jeden Brenner auf die günstigste
Lage einstellen zu können, ist die wenigstens eine Stauscheibe in der Brennkammer
bei einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens axial verschieblich angeordnet.
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Insbesondere kann auch der Abstand der Stauscheiben untereinander
veränderbar sein.
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Günstige Ergebnisse wurden erzielt, wenn eine - vom Brenner aus gesehen
- erste Stauscheibe mit einem Feld von Durchtrittsöffnungen von im wesentlichen
gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen Abstand und eine zweite Stauscheibe
mit einer größeren zentralen Durchtrittsöffnung und einem diese umgebenden Kranz
von Durchtrittsöffnungen geringeren Durchmessers in axialem Abstand voneinander
eingesetzt wurden.
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Die Anordnung der Stauscheiben kann aber auch umgekehrt sein.
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Ferner können beispielsweise auch zwei gleiche Stauscheiben mit einem
Feld von Durchtrittsöffnungen Einsatz finden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Stauscheibe in einem
Bereich zwischen etwa einem Viertel und der Hälfte der Brennerflammenlänge und die
zweite Stauscheibe im Bereich des Endes der Brennerflamme angeordnet sind.
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Als weitere vorteilhafte Alternative für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens
kommt in Frage, daß zwei Stauscheiben mit einem Feld von Durchtrittsöffnungen von
vorzugsweise im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen Abstand
mit ihren einander zugekehrten Stirnflächen unmittelbar
aneinanderliegend
angeordnet sind. Je nach Drehstellung der Stauscheiben zueinander ist der wirksame
Durchtrittsquerschnitt, der sich aus der Überdeckung der Durchtrittsöffnungen ergibt,
verschieden groß.
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Eine Optimierung der Funktion der Stauscheiben kann dabei erzielt
werden, wenn wenigstens eine Stauscheibe um die Brennkammerachse drehbar angeordnet
ist. Liegen beispielsweise zwei Stauscheiben unmittelbar aneinandergrenzend aneinander
und ist wenigstens die eine Stauscheibe um die Brennkammerachse drehbar und haben
in der Ausgangsstellung die beiden Stauscheiben vollständig zueinander fluchtende
Durchtrittsöffnungen, so kann der effektiv frei bleibende Durchtrittsquerschnitt
durch Verdrehen der einen Stauscheibe gegenüber der anderen verändert werden. Haben
zwei benachbarte Stauscheiben einen axialen Abstand voneinander in der Brennkammer,
so können durch Verdrehen der Stauscheiben gegeneinander mindestens die Strömungsverhältnisse
variiert werden, bis eine optimale Einstellung erfolgt.
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Vorzugsweise besteht die wenigstens eine Stauscheibe aus Metall und/oder
keramischem, z.B. faserkeramischem Material.
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Insbesondere letzteres läßt eine kostengünstige Herstellung bei den
gewünschten thermischen Eigenschaften zu.
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Mit besonderem Vorteil ist die Erfindung einsetzbar, wenn wenigstens
eine Stauscheibe einen z.B. Platin enthaltenden Katalysator zur Abgaskatalyse aufweist
bzw. dieser Stauscheibe ein derartiger Katalysator zugeordnet ist. Hierdurch können
schädliche Bestandteile des Heizgases katalytisch beseitigt werden, insbesondere
NO . Als Katalysatoren können beispielsx weise diejenigen Einsatz finden, die auch
für die Reinigung von Automobilabgasen vorgeschlagen werden. Auch andere Katalysatoren
sind aber verwendbar.
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Es hat sich gezeigt, daß besonders gute Ergebnisse der Abgasreinigung
dann erzielt werden, wenn der wenigstens einen Stauscheibe der Katalysator im Bereich
einer Heiztemperatur von 300° C bis 500° C nachgeordnet ist. Der Katalysator kann
dabei als austauschbares Element in dem Heizgasstrom angeordnet sein.
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Zur Vermeidung der Abstrahlungsverluste der gesamten Kessel an lage
kann vorgesehen sein, daß die Brennkammer innerhalb eines Hochleistungsaußenisoliermantels,
vorzugsweise aus organischkeramisch gebundenem keramischem Fasermaterial mit einer
Dichte von über 300 kg/m3, vorzugsweise etwa 600 kg/m3 und einer Dicke von mindestens
10 mm, vorzugsweise mindestens 35 mm angeordnet ist bzw. einen solchen Hochleistungsaußenisoliermantel
aufweist.
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Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung
der zuvor erörterten Art. Dieses zeichnet sich dadurch aus, daß die axiale Lage
und/oder Drehstellung der wenigstens einen Stauscheibe und/oder die Luftklappenstellung
des Brenners in Abhängigkeit von der Temperatur des Verbrennungsgases und/oder dem
CO2-Gehalt des Abgases geregelt werden/wird. Hierdurch wird erreicht, daß sich die
Lage und/oder Stellung der Stauscheiben und/oder der Luftklappe selbsttätig so einregeln/einregelt,
daß die maximale Verbrennungstemperatur und/oder der maximale CO2-Gehalt herrscht.
Dies kann durch Anordnung eines Temperaturfühlers im Verbrennungsgasstrom und/oder
eines CO2-Messers im Abgasstrom bewerkstelligt werden.
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Der Brennkammer kann ferner zur Nutzung des hohen Wärmegehaltes des
Heizgases ein Wärmetauscher nachgeordnet oder in der Brennkammer ein solcher Wärmetauscher
angeordnet sein.
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Im Gegensatz zu den üblichen wassergekühlten Brennkammern ist die
erfindungsgemäße Brennkammer vorzugsweise in an sich bekannter Weise von einem von
dem Heizgas zu durchströmenden Inennrippenrohr eines Wärmetauschers aus Stahl umschlossen,
an dessen Außenmantel ein erster Kesselwassermantel angrenzt. In diesem Innenrippenrohr
strömt allerdings im Gegensatz zu dem bekannten Vorschlag das Heizgas, welches aus
dem stirnseitigen hinteren Ende der Brennkammer austritt, entgegen der Richtung
der Brennerflamme, ohne diese jedoch wie bei dem bekannten Vorschlag zu stören.
Unter Innenrippenrohr wird im wesentlichen ein zylindrischer Mantel verstanden,
welcher auf seiner Innenseite der Brennkammer zugekehrte Rippen aufweist, wodurch
die heizgasseitige Wärme aufnehmende Fläche gegenüber der wasserseitigen Wärmeabgabefläche
wesentlich erhöht ist. Statt Rippen können auch andere Oberflächenvergrößerungselemente
eingesetzt werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Kesselwassermantel
von einem von dem Heizgas nach dem Innenrippenrohr zu durchströmenden Wärmetauscherrohr
umschlossen ist. Hierdurch findet noch einmal ein wirksamer Wärmeübergang vom Heizgas
auf das Kesselwasser statt, so daß die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entstehenden
relativ hohen Heizgastemperaturen hinreichend abgesenkt werden können.
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Das Wärmetauscherrohr weist bei einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung ein Außenrippenrohr auf, welches mit einem Innenmantel an den ersten
Kesselwassermantel angrenzt.
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Das Wärmetauscherrohr kann ferner ein weiteres Innenrippenrohr aufweisen,
welches mit seinem Außenmantel an einen zweiten Kesselwassermantel angrenzt.
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Ferner kann der Wärmetauscher zur Verbesserung seiner Wirksamkeit
im stirnseitigen Aufprallbereich der aus der Brennkammer austretenden Heizgase einen
mit Oberflächenvergrößerungselemen ten versehenen Flächentauscher aufweisen, der
mit dem zuvor geschilderten Rippentauscher in Verbindung steht.
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Für den Wärmetauscher ist es ferner für die Verbesserung der Wirksamkeit
nützlich, wenn das Flächenverhältnis von aus dem Heizgas Wärme aufnehmender Oberfläche
zu der in das Kesselwasser wärme abgebenden Oberfläche in an sich bekannter Weise
zwischen etwa 5:1 und 7:1 liegt. Dieses Verhältnis berücksichtigt den Umstand, daß
das Kesselwasser von der Wärme abgebenden Fläche der Innenrippenrohre bzw. des Außenrippenrohres
und des Flächentauschers schneller aufnehmen kann, als das Heizgas Wärme an die
Rippenflächen abgeben kann.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es auch von besonderem Vorteil,
wenn Umlenkklappen zur Leitung eines einstellbaren Anteils des Heizgases durch das
Innenrippenrohr und/oder den äußeren Wärmetauscher und/oder den Flächenwärmetauscher
vorgesehen sind. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung
zur optimalen Wärmeausnutzung betrieben werden.
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Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn eine Kondensatsammelstelle im
Endbereich der Abgasführung mit einer Ableitung in ein Kondensat-Absorbergerät vorgesehen
ist.
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Um die erfindungsgemäße Kesselanlage an besondere Anforderungen anpassen
zu können, kann der Abgasführung im Endbereich ferner ein Nachwärmetauscher zugeordnet
sein. Dieser ist zweckmäßigerweise als selbständige Einheit an die Abgasführung
und die Kesselwasserführung anflanschbar.
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand
der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen
oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigt: Fig. 1 in Schrägansicht, teilweise weggebrochen, eine die
Erfindung aufweisende Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung, Fig. 2 einen Längsschnitt
durch die Vorrichtung nach Fig.
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1, Fig. 3a und 3b stirnseitige Ansichten zweier verschiedener Ausführungsformen
der nach der Erfindung vorgesehenen Stauscheiben, Fig. 4a und 4b zwei weitere Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäß ausgestalteten Kesselanlagen, Fig. 5a und 5b einen Querschnitt
durch die Kesselanlage nach Fig.
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4b entsprechend der Schnittlinie B-B bzw. einer ähnlichen Kesselanlage
mit anderer Isolationsmantelform,
Fig. 6 einen Vertikalschnitt
durch eine Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung bei Verwendung eines atmosphärischen
Gasbrenners, Fig. 7a und 7b im Vertikal schnitt die besondere Ausgestaltung einer
düsenartigen Ausbildung der Durchtrittsöffnungen einer ersten und einer zweiten
dieser zugeordneten Stauscheibe, Fig. 8a und 8b eine Darstellung gemäß Fig. 7a und
7b mit einer anderen düsenartigen Form der Durchtrittsöffnungen, und Fig. 9 im Horizontalschnitt
eine tellerartige Stauscheibe mit der Brennerflamme zugekehrten Rändern.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 zur Verbrennungsunterstützung für
einen Öl- oder Gasgebläsebrenner 2 wird die Brennerflamme 3 von einer rohrförmigen,
an der der Brennerflamme 3 abgewandten Stirnseite mit einer Öffnung 4 zum austritt
der Heizgase offenen Brennkammer 5 aus keramischem Material umgeben.
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Im Innenraum 6 der Brennkammer 5 sind im axialen Abstand hintereinander
zwei Stauscheiben 7 und 8 angeordnet, deren Außenquerschnitt genau oder im wesentlichen
dem Innenquerschnitt der Brennkammer 5 entspricht. Der Brennkammerquerschnitt wird
dadurch also durch die Stauscheiben 7, 8 bis auf darin enthaltene Durchtrittsöffnungen
10, 11, 12 ausgefüllt, um dadurch einen Rückstau und eine Druckerhöhung mit verbundener
Temperatursteigerung zu erzielen. Die Stauscheiben 7, 8 sind beide flach; ihre Ebenen
stehen senkrecht zur Brennkammerachse A. Die Stauscheiben 7, 8 können jedoch auch
von der
flachen Form abweichend z.B. gekrümmt sein. Die beiden
Stauscheiben 7, 8 haben unterschiedliche Anordnung der Durchtrittsöffnungen 10,
11, 12. Die Stauscheibe 7 hat einen lochfreien Randbereich 9, welcher ein Feld von
Durchtrittsöffnungen 10 von im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen
Abstand umgibt. Die Stauscheibe 8 hat eine größere zentrale Durchtrittsöffnung 11,
die von einem Kranz von Durchtrittsöffnungen 12 geringeren Durchmessers umgeben
ist. Die Stauscheiben 7, 8 sind einfach durch Stauscheiben mit anderen Anordnungen
und Durchmessern der Durchtrittsöffnungen austauschbar, um eine optimale Anpassung
an die Brennverhältnisse erzielen zu können. Beide Stauscheiben 7, 8 können axial
in der Brennkammer 5 in ihre günstigste Lage verschoben werden.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Stauscheibe
7 - vom Brenner 2 aus gesehen - im Bereich zwischen einem Viertel und der Hälfte
der Brennerflammenlänge, die hintere Stauscheibe 8 im Bereich des Endes der Brennerflamme
3. Die beiden Stauscheiben 7, 8 können ferner um die Brennkammerachse A drehbar
sein. Die Stauscheiben 7, 8 bestehen vorzugsweise aus faserkeramischem Material.
Der hinteren Stauscheibe 8 ist ein austauschbarer Platin-Katalysator 26 zur katalytischen
Beseitigung von Stickoxiden aus dem Heizgas zugeordnet. Der Katalysator 26 kann
auch in der Stauscheibe 8 selbst untergebracht sein, wobei in beiden Fällen auf
eine möglichst große wirksame Oberfläche zu achten ist. Auch andere Katalysatoren
können vorgesehen sein.
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In den Fig. 3a und 3b sind in Draufsicht die bei der Vorrichtung gemäß
den Fig. 1 und 2 verwendeten Stauscheiben veranschaulicht. Fig. 3c zeigt in stirnseitiger
Ansicht die Anordnung zweier stirnseitig unmittelbar aneinandergrenzender Stauscheiben
7, 8 gemäß Fig. 3a, die gegeneinander verdreht werden können. Es ist ersichtlich,
daß durch die Drehung der
effektive Durchtrittsquerschnitt zur
Einstellung einer optimalen Flammtemperatur verändert werden kann. Axiale Verschiebung
und/oder Verdrehung der Stauscheiben 7, 8 dient der Einstellung auf maximale Verbrennungstemperatur
und/oder maximalem CO2-Gehalt des Abgases.
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Bei der Kesselanlage gemäß Fig. 4a ist der Brennkammer 5 ein Kärmetauscher
17 zugeordnet. Dieser sorgt mit einem die Brennkamemr 5 umgebenden zylindrischen
Teil für die Umlenkung der Abgase nach Austritt aus der hinteren Öffnung 4 der Brennkammer
5, so daß die Abgase zunächst auf der Außenfläche der Brennkammer 5 in Gegenrichtung
zur Brennerflamme 3 zurückgeführt werden. Das brennerseitige Ende der zylindrischen
Ummantelung ist gegenüber der Länge der Brennkammer 5 etwas zurückgesetzt, so daß
die Abgase erneut umgelenkt werden, und zwar in Richtung der Brennerflamme. Der
Wärmetauscher 17 hat im Aufprallbereich der aus der Öffnung 4 austretenden Abgase
einen Flächenwärmetauscher 29 mit Oberflächenvergrößerungselementen 28. Das aus
der Öffnung 4 der Brennkammer 5 austretende heiße Abgas trifft also zunächst auf
den Flächenwärmetauscher 29, wird umgekehrt, umspült die Brennkammer 5 auf ihrer
Außenfläche, wird erneut umgekehrt und streicht dann erneut an dem Flächenwärmetauscher
29 vorbei in ein stirnseitiges Abgasrohr 32. Der äußere Strömungskanal des Abgases
wird von einem Hochleistungsaußenisoliermantel 25 begrenzt, um Abgasverluste weitgehend
zu vermeiden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4a ist entweder kein Katalysator vorgesehen
oder das Katalysatormaterial in die hintere Stauscheibe 8 eingelagert.
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Der Wärmetauscher 17 ist bei der Kesselanlage gemäß Fig. 4b ähnlich
ausgebildet, wie derjenige nach Fig. 4a. Jedoch ist die Brennkammer 5 von einem
von dem Heizgas zu durchströmenden Innenrippenrohr 13 des Wärmetauschers 17 aus
Stahl umschlossen,
an dessen Außenmantel 14 ein erster Kesselwassermantel
15 angrenzt. Der Kesselwassermantel 15 ist seinerseits von einem von dem Heizgas
nach dem Innenrippenrohr 13 zu durchströmenden Wärmetauscherrohr 27 umschlossen.
Dies ist besondere aus den Fig. 5a und 5b ersichtlich. Das Wärmetauscherrohr 27
weist dabei ein Außenrippenrohr 16 auf, welches mit einem Innenmantel 18 an den
ersten Kesselwassermantel 15 angrenzt. Ferner weist das Wärmetauscherrohr 27 ein
weiteres Innenrippenrohr 21 auf, welches mit seinem Außenmantel 20 an einen zweiten
Kesselwassermantel 24 angrenzt. Das Innenrippenrohr 13 hat von seinem Außenmantel
14 radial nach innen gerichtete Rippen 19.
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Das Außenrippenrohr 16 hat von seinem Innenmantel 18 radial nach außen
weisende Rippen 22. Das äußere Innenrippenrohr 21 des Wärmetauscherrohres 27 hat
radial von seinem Außenmantel 20 nach innen weisende Rippen 23. Der Wärmetauscher
17 hat also die Eigenschaft, daß an den inneren Kesselwassermantel 15 beidseitig
Wärme abgegeben wird und außerdem von dem äußeren Wärmetauscherrohr 27 nach beiden
Seiten, einerseits an den ersten Kesselwassermantel 15, andererseits an den äußeren
zweiten Kesselwassermantel 24 Wärme abgegeben wird. Der Hochleistungsaußenisoliermantel
25 der Kesselanlage nach Fig. 4b kann, wie aus den Fig. 5a und 5b ersichtlich, im
Querschnitt rund, aber auch quadratisch oder rechteckig sein. Das Heizgas trifft
somit bei der Kesselanlage nach Fig. 4b nach seinem Austritt aus der stirnseitigen
Öffnung 4 auf den Flächenwärmetauscher 29, wird umgelenkt, in Gegenrichtung zur
Brennerflamme 3 durch das Innenrippenrohr 13 geleitet, erneut umgelenkt und in Richtung
der Brennerflamme 3 durch das äußere Wärmetauscherrohr 27 mit dem Außenrippenrohr
16 und dem Innenrippenrohr 21 geleitet, bis es wieder an dem Flächenwärmetauscher
29 vorbeistreicht. Damit ist eine äußerst wirksame Oberfläche für den Wärmeübergang
auf das Kesselwasser geschaffen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an
das
hintere stirnseitige Ende noch ein Nachwärmetauscher 31 als
selbständige Einheit austauschbar angeflanscht, so daß die aus dem Abgasrohr 32
austretenden Abgase nochmals Wärme abgeben können. Unmittelbr unterhalb des Nachwärmetauschers
31 befindet sich eine Kondensatsammelstelle 30. Hierbei kann der Katalysator 26'
beispielsweise statt an der Stauscheibe 8 auch im Übertrittsbereich von Innenrippenrohr
13 mit äußerem Wärmetauscherrohr 27 in einem Temperaturbereich zwischen 300° C und
500° C gut zugänglich und austauschbar als Katalysatorring angeordnet sein.
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Fig. 6 veranschaulicht die Anwendung des Erfindungsgedankens bei einem
atmosphärischen Gasbrenner, dessen Brennkammer 5 mit vertikaler Achse angeordnet
ist. In dem dargestellten Fall befindet sich in der Brennkammer 5 aus keramischem
Material lediglich eine Stauscheibe 7 mit einem Außenquerschnitt, der dem Innenquerschnitt
der Brennkammer 5 entspricht. Der Stauscheibe 7 ist ferner ein Katalysator 26 nachgeordnet.
Oberhalb des Katalysators 26 befindet sich noch innerhalb der Brennkammer 5 der
Wärmetauscher 17, so daß das Abgas die dem Gasbrenner 2 gegenüberliegende stirnseitige
Öffnung 4 bereits mit entsprechend abgesenkter Temperatur verläßt. Aber auch hier
ist ein Wärmetauscher 17 einsetzbar, wie er in Verbindung mit den Öl- und Gasgebläsebrennern
nach den Fig. 4a bis 5b geschil dert ist. Statt des Katalysators 26 an der Stauscheibe
7 kann auch ein Katalysator 26' bzw- 26'' im Bereich des Wärmetauschers 17 oder
hinter dem Wärmetauscher 17 in dem günstigsten Temperaturbereich angeordnet sein.
Im letzteren Fall kann der Katalysator noch Wärme auf den Wärmetauscher 17 für einen
besseren Wirkungsgrad zurückstrahlen.
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Aus Fig. 7a bis 8b sind verschiedene Formen der Durchtrittsöffnungen
10, 12 ersichtlich, die dazu dienen, den gewünschten
Staueffekt
und Temperaturerhöhung zu erzielen. Dargestellt sind Beispiele, bei welchen die
Öffnungen der ersten, der Brennerflamme 3 näher stehende Stauscheibe 7 der Brennerflamme
3 zugekehrte trichterförmige Aufweitungen 33 haben, während die entsprechenden Aufweitungen
33 der zweiten Stauscheibe 8 auf der der Brennerflamme 3 abgewandten Seite liegen.
Hierdurch wird ein günstiger Düseneffekt erzielt. Bei der Ausführungsform nach Fig.
8a und 8b sind die Aufweitungen 34 nicht trichterförmig, wie nach Fig. 7a und 7b,
sondern kalottenförmig. Es bleibt jeweils ein Durchtrittskanal 35 von vergleichsweise
geringem Querschnitt, der auf die besonderen Brennverhältnisse abgestimmt sein kann.
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Fig. 9 zeigt im Schnitt eine andere Art Stauscheibe 7, die tellerartig
mit Durchtrittsöffnungen 10 ausgebildet ist. Der vorstehende Rand 36 ist der Brennerflamme
3 zuzukehren, um den Staueffekt zu erhöhen. Diese Stauscheibe 7 kann beispielsweise
über Stege an dem Mantel der Brennkammer 5 gehalten sein, wobei zwischen Stauscheibenumfang
und Brennkammerinnenfläche ein schmaler ringförmiger Durchtrittsspalt als ebenfalls
wirksame (weitere) Durchtrittsöffnung freibleibt.
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Bezugszeichenliste: 1 Vorrichtung 2 Brenner 3 Brennerflamme 4 Öffnung
5 Brennkammer 6 Innenraum 7 Stauscheibe 8 Stauscheibe 9 Randbereich 10 Durchtrittsöffnung
11 Durchtrittsöffnung 12 Durchtrittsöffnung 1 3 Innenrippenrohr 14 Außenmantel 15
erster Kesselwassermantel 1 6 Außenrippenrohr 1 7 Wärmetauscher 18 Innenmantel 19
Rippen 20 Außenmantel 21 Innenrippenrohr 22 Rippen 23 Rippen 24 zweiter Kesselwassermantel
25 Hochleistungsaußenisoliermantel 26 Katalysator 27 Wärmetauscherrohr 28 Oberflächenvergrößerungselemente
29 Flächentauscher 30 Kondensatsammelstelle 31 Nachwärmetauscher
32
Abgasrohr 33 Aufweitungen 34 Aufweitungen 35 Durchtrittskanal 36 Rand A Brennkammerachse