DE3413968A1 - Vorrichtung zur verbrennungsunterstuetzung fuer einen oel- oder gasbrenner - Google Patents

Vorrichtung zur verbrennungsunterstuetzung fuer einen oel- oder gasbrenner

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DE3413968A1
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gas
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Axel Dr. 6719 Göllheim Eschner
Stella 4458 Osterwald Raudzus
Hermann 4520 Melle Seiler
Hermann 6209 Seitzenhahn Stein
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Seiler Ing Buero GmbH
Didier Werke AG
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Seiler Ing Buero GmbH
Didier Werke AG
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Description

  • Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung für einen Öl-oder
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 %.
  • Alle Verluste zusammen können leicht 50 % der gesamten, überhaupt verfügbaren Energie ausmachen. Hinzu kommt, daß die Verbrennungsrückstände erhebliche Umweltbelastungen ergeben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ist sowohl bei Öl- oder Gasgebläsebrennern als auch bei atmosphärischen Gasbrennern mit Vorteil einsetzbar.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die wenigstens eine Stauscheibe hat dabei vorzugsweise einen Außenquerschnitt, der genau oder im wesentlichen den Innenquerschnitt der Brennkammer entspricht.
  • Die wenigstens eine mit oder ohne zusätzliche Durchtrittsöffnungen versehene Stauscheibe kann aber auch einen nur geringen Durchtrittsspalt zwischen ihrem Außenumfang und der Brennkammer freilassen.
  • 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.
  • 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.
  • Wenigstens eine der Stauscheiben kann auch mit einer größeren zentralen Durchtrittsöffnung und einem diesen umgebenden Kranz von Durchtrittsöffnungen geringeren Querschnitts versehen sein.
  • 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.
  • Dabei können bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens die Durchtrittsöffnungen zur brennerzugewandten und/oder abgewandten Seite der Stauscheibe düsenartig verjüngen, bzw. erweitern.
  • Die Verwendung von zwei oder mehreren Stauscheiben axial hintereinander ist besonders vorteilhaft. An der zweiten heißen Stauscheibe kann dabei eine Nachverbrennung erfolgen.
  • 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.
  • Insbesondere kann auch der Abstand der Stauscheiben untereinander veränderbar sein.
  • 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.
  • Die Anordnung der Stauscheiben kann aber auch umgekehrt sein.
  • Ferner können beispielsweise auch zwei gleiche Stauscheiben mit einem Feld von Durchtrittsöffnungen Einsatz finden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise besteht die wenigstens eine Stauscheibe aus Metall und/oder keramischem, z.B. faserkeramischem Material.
  • Insbesondere letzteres läßt eine kostengünstige Herstellung bei den gewünschten thermischen Eigenschaften zu.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Brennkammer kann ferner zur Nutzung des hohen Wärmegehaltes des Heizgases ein Wärmetauscher nachgeordnet oder in der Brennkammer ein solcher Wärmetauscher angeordnet sein.
  • 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.
  • 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.
  • Das Wärmetauscherrohr weist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein Außenrippenrohr auf, welches mit einem Innenmantel an den ersten Kesselwassermantel angrenzt.
  • Das Wärmetauscherrohr kann ferner ein weiteres Innenrippenrohr aufweisen, welches mit seinem Außenmantel an einen zweiten Kesselwassermantel angrenzt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn eine Kondensatsammelstelle im Endbereich der Abgasführung mit einer Ableitung in ein Kondensat-Absorbergerät vorgesehen ist.
  • 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.
  • 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.
  • Es zeigt: Fig. 1 in Schrägansicht, teilweise weggebrochen, eine die Erfindung aufweisende Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach Fig.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (32)

  1. Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung für einen Öl- oder Gasbrenner Patentansprüche: Vorrichtung zur Verbrennungsunterstützung für einen Öl-oder Gasbrenner (2), bei welcher die Brennerflamme (3) von einer, z.B. rohrförmigen, vorzugsweise an der der Brennerflamme (3) abgewandten Stirnseite eine Heizgasaústrittsöffnung (4) aufweisende Brennkammer (5) aus keramischem Material oder Metall und keramischem Material umgeben ist, wobei in der Brennkammer (5) wenigstens eine quer zur Brennkammerachse (A) stehende Scheibe (7, 8) mit Durchtrittsöffnungen (10, 11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Scheibe (7, 8) als Stauscheibe bis auf die Durchtrittsöffnungen (10, 11, 12) den Brennkammerquerschnitt ganz oder im wesentlichen ausfüllt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Stauscheibe (7, 8) einen Außenquerschnitt aufweist, der genau oder im wesentlichen dem Innenquerschnitt der Brennkammer (5) entspricht.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Stauscheibe (7, 8) nur im Bereich der auf sie auftreffenden Brennerflamme (3) Durchtrittsöffnungen (10, 11, 12) aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Stauscheibe (7, 8) einen nur geringen Durchtrittsspalt zwischen ihrem Außenumfang und der Brennkammerinnenfläche freiläßt.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stauscheibe (7) nur im Bereich der auf sie auftreffenden Brennerflamme (3) mit einem Feld von Durchtrittsöffnungen (10) von im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen Abstand versehen ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stauscheibe (8) mit einer größeren zentralen Durchtrittsöffnung (11) und einem diese umgebenden Kranz von kleineren Durchtrittsöffnungen (12) geringeren Durchmessers versehen ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (10, 12) als düsenartige Bohrungen oder Schlitze ausgebildet sind.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Durchtrittsöffnungen (10, 12) zur brennerzugewandten und/oder abgewandten Seite der Stauscheibe (7, 8) düsenartig verjüngen bzw. erweitern.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Stauscheiben (7, 8) axial hintereinander vorgesehen sind.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Stauscheibe (7, 8) in der Brennkammer (5) axial verschieblich angeordnet ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine - vom Brenner aus gesehen - erste Stauscheibe (7) mit einem Feld von Durchtrittsöffnungen (10) von im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen Abstand und eine zweite Stauscheibe (8) mit einer größeren zentralen Durchtrittsöffnung (11) und einem diese umgebenden Kranz von Durchtrittsöffnungen (12) geringeren Durchmessers in axialem Abstand voneinander.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine - vom Brenner aus gesehen - erste Stauscheibe (7) mit einer größeren zentralen Durchtrittsöffnung (11) und einem diese umgebenden Kranz von Durchtrittsöffnungen (12) geringeren Durchmessers und einer zweiten Stauscheibe (8) mit einem Feld von Durchtrittsöffnungen (10) von im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen Abstand in axialem Abstand voneinander.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch zwei in axialem Abstand voneinander angeordnete Stauscheiben (7, 8) mit einem Feld von Durchtrittsöffnungen (10) von vorzugsweise im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen Abstand.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stauscheibe (7) in einem Bereich zwischen etwa einem Viertel und der Hälfte der Brennerflammenlänge und die zweite Stauscheibe (8) im Bereich des Endes der Brennerflamme (3) angeordnet sind.
  15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stauscheiben (7, 8) mit einem Feld von Löchern (10) von vorzugsweise im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichem gegenseitigen Abstand mit ihren einander zugekehrten Stirnflächen unmittelbar aneinanderliegend angeordnet sind.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stauscheibe (7, 8) um die Brennkammerachse (A) drehbar angeordnet ist.
  17. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Stauscheibe (7, 8) aus Metall undtoder keramischem, z.B. faserkeramischem, Material besteht.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stauscheibe (7, 8) einen z.B. Platin enthaltenden Katalysator zur Abgaskatalyse aufweist bzw. dieser Stauscheibe (7, 8) ein derartiger Katalysator (26) zugeordnet ist.
  19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens einen Stauscheibe (7, 8) ein Katalysator (26, 26') im Bereich einer Heizgastemperatur von 300 e C bis 500° C nachgeordnet ist.
  20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (5) innerhalb eines Hochleistungsaußenisoliermantels (25), 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 (25) aufweist.
  21. 21. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Lage und/oder Drehstellung der wenigstens einen Stauscheibe (7, 8) und/oder die Luftklappenstellung des Brenners (2) in Abhängigkeit von der Temperatur des Verbrennungsgases und/oder dem CO2-Gehalt des Abgases geregelt werden/wird.
  22. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer (5) ein Wärmetauscher (17) nachgeordnet oder in der Brennkammer (5) ein Wärmetauscher (17) angeordnet ist.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (5) von einem von dem Heizgas zu durchströmenden Innenrippenrohr (13) eines Wärmetauschers (17) aus Stahl umschlossen ist, an dessen Außenmantel (14) ein erster Kesselwassermantel (15) angrenzt.
  24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kesselwassermantel (15) von einem von dem Heizgas nach dem Innenrippenrohr (13) zu durchströmenden Wärmetauscherrohr (27) umschlossen ist.
  25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherrohr (27) ein Außenrippenrohr (16) aufweist, welches mit einem Innenmantel (18) an den ersten Kesselwassermantel (15) angrenzt.
  26. 26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherrohr (27) ein weiteres Innenrippenrohr (21) aufweist, welches mit seinem Außenmantel (20) an einen zweiten Kesselwassermantel (24) angrenzt.
  27. 27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) im stirnseitigen Aufprallbereich der Heizgase einen mit Oberflächenvergrößerungselementen (28) versehenen Flächentauscher (29) aufweist.
  28. 28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Wärmetauscher (17) 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.
  29. 29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, gekennzeichnet durch Umlenkklappen zur Leitung eines einstellbaren Anteils des Heizgases durch das Innenrippenrohr (13) und/oder das Wärmetauscherrohr (27).
  30. 30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, gekennzeichnet durch eine Kondensatsammelstelle (30) im Endbereich der Abgas führung.
  31. 31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasführung im Endbereich ein Nachwärmetauscher (31) zugeordnet ist.
  32. 32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachwärmetauscher (31) als selbständige Einheit an die Abgasführung und die Kesselwasserführung anflanschbar ist.
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