DE4114490A1 - Feuerungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuerungsvorrichtung mit einer von einer Wandung rundum umgebenen Brennstelle, einer Luftzuführung zur Brennstelle, einer Abzugsein­ richtung zum Abführen der entstehenden Gase und einer Luftzuführung zum Zuführen von Luft zu den entstehenden Gasen während ihres Aufstiegs.

Derartige Feuerungsvorrichtungen dienen vielfach zum Verbrennen von Holz zur Beheizung von Wohnräumen und werden dann als Kamine bezeichnet. Dabei sind im Gegen­ satz zu früheren Zeiten diese Kamine schon aus Energie­ einsparungsgründen und auch zur geringeren Abgasbelästi­ gung der umgebenden Räume rundum abgeschlossen und nicht mehr offen. Häufig sind in der Wandung Sichtschei­ ben vorgesehen.

Eine Vielzahl von solchen Feuerungsvorrichtungen sind bereits bekannt. Zur Verbesserung der Verbrennung wird in einigen Vorschlägen in die aufsteigenden Verbren­ nungsgase möglichst vorgewärmte Luft eingebracht, damit die wärmeerzeugende Reaktion beschleunigt oder verbessert abläuft. Diese Luftzuführung läuft auch unter dem Schlagwort "Sekundärluft". So beschreibt etwa die DE 36 14 177 A1 eine Sekundärluftzuführung mit vertikal verlaufenden Sekundärluftlanzen, die lotrecht in den Feuerraum hineinragen und seitlich Perforationen aufweisen, um eine verwirbelte Durchmi­ schung der aufsteigenden Verbrennungsgase mit der Sekundärluft zu bewirken.

Ein Heizofen mit einer Sekundärluftzufuhreinrichtung ist auch in der DE 31 40 498 A1 beschrieben. In diesem Falle besteht die Sekundärzufuhreinrichtung aus einer Rohrleitung, die den Brennraum durchsetzt und oberhalb eines Rostes mit einer Luftaustrittsöffnung versehen ist.

Die FR 25 95 135 A1 zeigt eine Sekundärluftzufuhr durch verschiedene Perforationen eines Rohres in unter­ schiedlichen Höhen auf der Rückseite der Feuerstelle.

Aus der JP 60-20 005 A2 ist ein Feststoffbrenner bekannt, bei dem von der Außenwandung her durch Lufteintrittsöff­ nungen vorerwärmte Luft einströmen kann, die zuvor durch Kontakt mit der Innenwandung des Brenners vorer­ wärmt wird.

Das zunehmende Umweltbewußtseins verlangt weiter nach einer Verbesserung der Energieausnutzung regenerativer Brennstoffe, um die es sich bei dem hier vorwiegend eingesetzten Holz handelt. Die geringe Heizwirkung der meisten im Handel erhältlichen offenen und geschlos­ senen Kamine hat dazu geführt, daß diese im allgemeinen nur noch wegen des optischen Eindrucks und der Atmosphäre der Flammen eingesetzt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Feuerungsvorrichtung vorzuschlagen, die eine bessere Ausnutzung der vorhandenen Brennstoffe ermöglicht, insbesondere für in Haushalten einsetzbare Feuerungsvorrichtungen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß oberhalb der Brennstelle die Innenwandung der Feuerungsvorrichtung eine konzentrische Einschnürung aufweist, durch die die entstehenden Gase aufsteigen und in der Vorrich­ tungen für die Luftzuführung zu den entstehenden Gasen während ihres Aufstiegs angeordnet sind, die eine Verbrennung der aufsteigenden Gase in und oberhalb der Einschnürung ermöglichen.

Mit der Erfindung werden folgende chemischen und physika­ lischen Hintergründe vorteilhaft ausgenutzt:
Die Wärmegewinnung in solchen Feuerungsvorrichtungen verläuft derart, daß zunächst die festen Bestandteile des Holzes (Zellulose etc.) in gasförmige umgewandelt werden. Diese Umwandlung geschieht während des Ver­ brennungsvorganges am Orte des Holzes. Die entstehenden Gase steigen bedingt durch den Unterdruck im Schornstein durch die Abzugseinrichtung auf, da sie wesentlich wärmer und damit leichter als die umgebende Luft sind. Die gasförmigen Bestandteile besitzen aufgrund ihrer chemischen Verschiedenheit unterschiedliche Flammpunkte, das bedeutet, sie entzünden sich bei verschiedenen Temperaturen. Auch wenn es sich im wesentlichen um Kohlenwasserstoff handelt, können diese Flammpunkte recht weit auseinanderliegen und bei einigen der Be­ standteile bis zu 800°C betragen.

Um sich zu entzünden und zur Wärmeabstrahlung der Gesamtmenge beizutragen, ist es erforderlich, daß genugend Sauerstoff in der Umgebung zur Verfügung steht.

Durch den Verbrennungsvorgang, der chemisch gesehen ein Oxidationsprozeß ist, entsteht Wärme, die an die Umgebung abgestrahlt werden kann. Für das Auge sichtbar ist darüber hinaus auch die entstehende optische Strah­ lung, die als Flamme erscheint.

Problematisch ist nun, daß zwar während der Verbrennung der Gasstrom an Temperatur durch die entstehende Wärme zunimmt, daß aber die zuströmende Luft von Zimmer­ temperatur, die den für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoff beistellt, ständig zu einer Abkühlung des Gasstromes führt. Die bereits direkt zum Brennmaterial in der Brennstelle zuströmende Luft wird sehr rasch verbraucht und kann in dem Bereich oberhalb der Brenn­ stelle nur noch ungenügend Sauerstoff beistellen.

Aus diesem Grunde sind die obenerwähnten und weitere Vorschläge zur Zuführung vorgeheizter Luft oberhalb der Brennstelle, auch Sekundärluft genannt, gemacht worden.

Die erfindungsgemäße konzentrische Einschnürung oberhalb der Brennstelle läßt die aufsteigenden Verbrennungsgase physikalisch bedingt besonders rasch durchströmen. Gerade in diesem Bereich wird nun erfindungsgemäß die Luftzuführung für insbesondere vorerwärmte Luft angeordnet. An dieser kritischen Stelle der gesamten Feuerungsvorrichtung wird dadurch eine Nachverbrennung bewirkt. In diesem Bereich haben die aufsteigenden Gase bereits eine hohe Temperatur; die leicht verbrennba­ ren Bestandteile sind auch für den Nichtfachmann leicht erkennbar bereits in der Brennstelle verbrannt, während in diesem Bereich es nur um schwerer brennbare Gase geht. Darüber hinaus ist gerade bei einem im unteren Bereich guten Verbrennungsvorgang hier im Raum der Einschnürung oberhalb der Brennstelle an sich bereits der vorhandene Sauerstoff verbraucht. Gerade der entste­ hende Sauerstoffschub in diesem sauerstoffarmen Bereich und die gleichzeitige besonders gute Durchmischung in den empfindlichen Gasstrom hinein führt zu einer verbesserten Verbrennung.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Einschnü­ rung mit einem Einsatz versehen ist, durch welchen zugeführte vorerwärmte Luft verteilt und bis in den zentralen Bereich der Einschnürung geführt wird.

Durch einen solchen Einsatz kann nicht nur die Verwirbe­ lung verbessert werden; darüber hinaus wirkt das Material des Einsatzes wie ein Katalysator.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Einsatz aus einem Ring mit den Ring sternförmig nach außen verbindenden Kanälen besteht, die ihrerseits mit einer Zufuhr von vorerwärmter Luft verbunden sind.

Bei einem derart ausgebildeten Einsatz ist eine besonders günstige und gleichmäßige Verteilung der vorerwärmten Luft mitten in den aufsteigenden Gasstrom gewährleistet.

Eine weitere Verbesserung der Verteilung ergibt sich, wenn die Kanäle Perforationen aufweisen, durch die die erwärmte Luft in den Zwischenraum zwischen den Kanälen treten kann.

Sind darüber hinaus die Perforationen in den Kanälen in vertikaler Richtung höhenverteilt, so verbessert dies die Verwirbelung der aufsteigenden Gasströme, die auf diese Weise aus ständig wechselnden Richtungen mit vorerwärmter Luft beaufschlagt werden.

Bevorzugt ist es außerdem, wenn die Zufuhr der vor­ erwärmten Luft in den Einsatz an zwei diametral einander gegenüberliegenden Bereichen erfolgt und in einen äußeren Ring eintritt, der die sternförmigen Kanäle miteinander verbindet.

Eine Zufuhr von zwei diametral einander gegenüberliegen­ den Bereichen aus vergleichmäßigt die Versorgung mit vorerwärmter Luft innerhalb des Einsatzes. Der äußere Ring, der die sternförmigen Kanäle miteinander verbin­ det, ermöglicht eine gleichmäßige Versorgung des Ein­ satzes von außen her mit der zuströmenden vorerwärmten Luft.

Weiter bevorzugt ist es, wenn die Zufuhr durch den Bereich zwischen Brennstelle und Einsatz tretende Zuleitung aufweist, die Luft aus dem Außenraum dem Einsatz zuführt, die durch den Kontakt mit den aufstei­ genden Verbrennungsgasen und Flammen vorerwärmt wird.

Dies ist eine besonders energiesparende Möglichkeit, vorerwärmte Luft für den Einsatz bereitzustellen. Die Zuleitungen streben durch den von den Flammen umspülten und mit den aufsteigenden Verbrennungsgasen gefüllten Raum oberhalb des Kaminholzes. Dabei lassen sie zweckmäßigerweise genügend Bewegungsraum für das aufzuschichtende Kaminholz bzw. die sonstigen zu verbren­ nenden Stoffe und Materialien. Die beiden Zuleitungen bestehen außerdem zweckmäßigerweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Zuleitun­ gen jeweils auf den ihren Lufteintritten diametral gegenüberliegenden Seiten mit dem Einsatz verbunden sind.

Sie schlingen sich auf diese Weise einmal durch den Feuerraum und werden so besonders effektiv mit Wärme beaufschlagt.

Eine alternative Möglichkeit für die Zuleitungen besteht darin, die Wandung um die Brennstelle doppelwandig auszuführen und zwischen den beiden Wandungen die aufsteigende Luft sich erwärmen zu lassen. Dieser Zwischenraum dient dann als Zufuhr zum Einsatz.

Besonders bevorzugt ist der Einsatz mit metallischen Drähten versehen, welcher eine Reaktion der zuströmenden vorerwärmten Luft mit den aufsteigenden Verbrennungs­ gasen begünstigen.

Diese matallischen Drähte werden, wie Versuche ergeben haben, rot- bis sogar weißglühend. An diesen Drähten werden dadurch - gerade aufgrund der ebenfalls in diesen Bereich zutretenden sauerstoffhaltigen Gase - auch Verbrennungsgase mit Flammpunkten von ca. 600° bis 1000°C oxydiert, die bei herkömmlichen Feuerungs­ vorrichtungen unverbrannt als Abgas entweichen.

Die Reaktion der zuströmenden vorerwärmten Luft mit den aufsteigenden Verbrennungsgasen wird weiter be­ günstigt, wenn die Drähte spiralförmig mit im wesent­ lichen horizontaler Spiralachse und in horizontaler Richtung voneinander beabstandeten Spiralwindungen angeordnet sind.

Die Drähte bedecken dann nämlich praktisch flächen­ deckend den Bereich des Einsatzes, ohne die Verbren­ nungsgase am Aufsteigen wesentlich behindern zu können. Diese winden sich lediglich beim Aufsteigen um die Drähte herum. Darüber hinaus führt gerade dies spiral­ förmige Anordnung zu einer weiteren Verwirbelung der aufsteigenden Verbrennungsgase.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn jeder Draht sowohl nach oben als nach unten aus dem Einsatz herausragt.

Die Katalysatorwirkung tritt dadurch aucn in den Be­ reichen knapp unterhalb der Zufuhr der vorerwärmten Luft ein und nutzt andererseits auch den Umstand, daß die aufsteigenden Verbrennungsgase die Luft in den Bereich oberhalb des Einsatzes mitnehmen und damit auch oberhalb des Einsatzes noch günstige Bedingungen für eine Verbrennung vorhanden sind. Die Experimente ergaben, daß die heißesten Bereich knapp oberhalb des Einsatzes entstehen.

Daher ist es daher darüber hinaus bevorzugt, wenn weitere Drähte in Schneckenform mit im wesentlichen vertikaler Achse oberhalb des Einsatzes voneinander beabstandet angeordnet sind. Diese Drähte dienen vor allem der Stabilisierung der Oxydation und bedingt durch die andersförmige Anordnung der Drähte zum Ab­ fangen bisher noch nicht beaufschlagter Gasmoleküle.

Der beste Verbrennungseffekt entsteht, wenn jeder Zwi­ schenraum zwischen je zwei Kanälen mit Drähten versehen ist.

Bevorzugt ist ein Stellmechanismus vorgesehen, der eine Luftmengenregulierung für die durch die Zuleitung strömende Luft vornimmt.

Dadurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, daß etwa nach dem Verbrauch des Brennmaterials, etwa des Kaminholzes, eine weitere Zufuhr von vorerwärmter Luft nicht effektiv ist und unter Umständen sogar zur Abkühlung des Bereiches um den Einsatz führen kann.

Vorteilhafterweise wird dieser Stellmechanismus von einem Thermofühler gesteuert, der die äußeren Bedingungen abfühlt.

Um den Hochtemperaturbereich unmittelbar oberhalb der Einschnürung am besten ausnutzen zu können, ist dort ein Abschnitt vorgesehen, der von einer Isolierung gegenüber dem Außenraum umgeben ist.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn dieser Bereich oberhalb der Einschnürung aus Glas bestehende Sichtfen­ ster aufweist.

Dies ermöglicht eine Beobachtung des Flammenspiels oberhalb des Einsatzes. Es ist nun sehr attraktiv, die zunächst roten und dann über das Gelbliche ins Bläuliche übergehenden Flammen zu beobachten, die schließlich bei besonders hohen Brenntemperaturen optisch unsichtbar werden. Gerade durch die Beobachtung der Flammenfärbung ist für den Benutzer auch ein Rück­ schluß auf die gerade herrschenden Temperaturen und damit eine evtl. Regulierung auch des Brennmaterialnach­ schubs möglich.

Eine effektive Raum- und Brennmaterialausnutzung ist besonders dann gegeben, wenn die Einschnürung kreis­ förmig ausgebildet ist. Gleiches gilt auch, wenn die Brenn­ stelle kreisförmig ist.

Wird oberhalb der Einschnürung ein Verteiler aufgehängt, der die zentral aufsteigenden Verbrennungsgase an den Rand lenkt, der in diesem Bereich von einem gut leit­ fähigen Material gebildet wird, so können die in diesem Bereich heißesten zentral aufsteigenden Verbrennungs­ gase mit gut leitfähigem Material in Kontakt gebracht werden. Hier kann ein effektiver Wärmetausch stattfinden.

Eine Optimierung der Feuerungsvorrichtung auch im Bereich der Brennstelle wird möglich, wenn zwei andere Zuleitungen vorgesehen werden, die vorerwärmte Luft in zwei übereinanderliegenden Ebenen der Brennstelle zuführen.

Diese Zuleitungen können beispielsweise ein- oder mehrfach um die Brennstelle herumführen und so bereits die Wärme aus diesem Bereich der in ihr befindlichen Luft zuführen.

Besonders bevorzugt weisen diese Zuleitungen Perfora­ tionen auf, die ein Ausströmen der vorerwärmten Luft zur Brennstelle hin erlauben. Diese Perforationen können dann gleichmäßig verteilt werden und so ein Rundum-Anströmen des Brennmaterials gewährleisten.

Ein erheblicher Nachteil bei bisherigen Feuerungsvor­ richtungen liegt nämlich darin, daß gerade bei der Verwendung von Holz als Brennmaterial dort eine Zufuhr von sauerstoffhaltiger Luft an den Holz-Stirnseiten erfolgen sollte, da auch dort die Ausgasung erfolgt. Statt dessen wird die sauerstoffhaltige Luft, wenn überhaupt, dann nur von einem festen Punkt oder einer Längskante (im allgemeinen der Vorderkante) der Brenn­ stelle aus zugeführt und auf diese Weise ein erheblicher Teil der an sich in dem Brennmaterial vorhandenen Verbrennungsgase von vornherein vergeudet.

Besonders effektiv können diese Zuleitungen wirken, wenn ihre Lufteintrittsöffnungen einander diametral gegenüberliegen.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal besteht darin, daß beabstandet oberhalb des Einsatzes Schamottesteine angeordnet sind, welche zwischen sich Schlitze aufweisen, durch die die aufsteigenden Verbrennungsgase abziehen können.

Dies hat den Vorteil, daß die aufsteigenden Verbren­ nungsgase nicht unverzüglich durch den Abzug entfernt werden, sondern sich in dem Bereich zwischen den Scha­ mottesteinen und dem Einsatz ein geringfügiger Stau mit entsprechenden Druckverhältnissen bildet, der die Verbrennung weiter fördert.

Ferner ist es bevorzugt, wenn im Bereich der Schamott­ steine eine zusätzliche Aufstiegsmöglichkeit für die Verbrennungsgase durch eine Durchtrittsöffnung in der den Aufstiegsschacht umgebenden Wandung vorgesehen ist. Darüber hinaus gewährleisten die Schamottsteine aufgrund ihrer Wärmespeicherung die Erhaltung der hohen Tempera­ tur.

Diese Durchtrittsöffnung wird von den aufsteigenden Verbrennungsgasen - wie Experimente ergeben haben - erst genutzt, wenn eine gewisse Druckschwelle über­ schritten ist. Dadurch kann evtl. auftretenden Über­ drücken problemlos begegnet werden und andererseits die vorerwähnte gewünschte leichte Drucksteigerung gewährleistet bleiben.

Für die Montage besonders günstig ist es, wenn die horizontal übereinanderliegenden Bereiche als vorgefer­ tigte transportable Bauelemente ausgeführt sind.

Eine weitere Verbesserung der Wäremübergangsmöglich­ keit wird dadurch geschaffen, daß durch den Bereich oberhalb des Verbrennungsbereiches oberhalb der Ein­ schnürung ein schrägverlaufender Konvektionsschacht im Wärmetauscher vorgesehen ist.

Schon aus optischen Gründen ist es bevorzugt, wenn außerhalb der Außenwandung der Brennstelle und des Aufstiegschachtes der Verbrennungsgase ein Außenge­ häuse vorgesehen ist.

Dieses ermöglicht es zudem, daß zwischen der Außen­ wandung und dem Außengehäuse schwenkbare Klappen ange­ ordnet sind, die sich bei entsprechenden Druckverhältnis­ sen selbsttätig öffnen.

Der Bereich zwischen der Außenwandung und dem Außengehäu­ se wird nämlich besonders intensiv von der Innenwärme miterwärmt. Durch die schwenkbaren Klappen kann ein Ausströmen gerade bei bestimmten Temperaturverhältnissen sichergestellt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungs­ gemäße Feuerungsvorrichtung;

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch die Ausführungs­ form aus Fig. 1, von der Seite gesehen;

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform;

Fig. 4 einen horizontalen Schnitt durch einen Bereich der Fig. 1;

Fig. 5 eine Skizze zur Gasvermischung;

Fig. 6 eine alternative Ausführungsform zur Fig. 4;

Fig. 7 einen vertikalen Schnitt durch den unteren Bereich der Feuerungsvorrichtung;

Fig. 8 einen vertikalen Schnitt durch den Bereich aus Fig. 6;

Fig. 9 drei Schnittdarstellungen zu Fig. 7;

Fig. 10 eine Schnittdarstellung alternativ zu Fig. 8;

Fig. 11 einen Horizontalschnitt durch Fig. 10;

Fig. 12 eine schematische Darstellung des elementenwei­ sen Aufbaus verschiedener Ausführungsformen;

Fig. 13 eine alternative Ausführungsform der Luftzu­ fuhr; und

Fig. 14 eine vergrößerte Darstellung eines Einzelmerk­ mals.

Kernpunkt einer jeden Feuerungsvorrichtung ist die Brennstelle 10. In ihr ist während des Verbrennungsvor­ gangs das Brennmaterial 11, insbesondere Holz, ange­ ordnet. Das Brennmaterial 11 wird in Gase 12 umge­ wandelt, die aufsteigen. Sichtbar werden sie insbesondere durch eine Flamme.

Die Gase 12 steigen durch einen Brennraum 14 nach oben in Richtung zu einer Abzugseinrichtung 20 auf.

Um einen Verbrennungsvorgang des Brennmaterials 11 in der Brennstelle 10 zu ermöglichen, sind Öffnungen 15 in der seitlichen Wandung vorgesehen. Durch diese wird sauerstoffhaltige Luft der Brennstelle 10 zuge­ führt.

Der Brennraum 14 mit dem Brennmaterial 11 ist rundum umgeben von einer Innenwandung 31. Die Innenwandung 31 besteht aus Metall, beispielsweise Edelstahl. Dabei ist in der untersten Mulde eine Auflage von Schamotte 32 vorgesehen, auf der das brennende Material in einer Art Mulde ruht. Diese dient auch zur Nachglut, da die Asche verbleiben muß.

In den einzelnen Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 sind die weiteren Ausbildungen unterschiedlich.

Der Brennraum 14 ist in allen Fällen nach oben von einer Einschnürung 40 begrenzt. Der Durchmesser der Einschnürung 40 ist auf die gewünschte Wärmeleistung bezogen. Durch die Einschnürung steigen die beim Ver­ brennungsvorgang entstehenden Gase 12 nach oben in Richtung der Abzugseinrichtung 20.

Dabei ist zu beachten, daß im allgemeinen während dieses Aufsteigens erst die die eigentliche Wärmestrah­ lung erzeugende chemische Reaktion stattfindet.

In der Einschnürung 40 sind Vorrichtungen 42 vorgesehen, die den dort durchsteigenden Verbrennungsgasen vorerwärm­ ten Sauerstoff zuführen.

Diese Vorrichtungen 42 weisen insbesondere einen Einsatz 50 auf, der in den Fig. 4 ff. näher dargestellt und beschrieben ist.

An den Einsatz 50 in der Einschnürung 40 schließt sich nach oben ein weiterer Raum an, in dem die Nachver­ brennung stattfindet. Während die Gase mit niedrigen Flammpunkten bis etwa 400°C im Brennraum 14 verbrennen wird in dem Bereich des Einsatzes 50 und oberhalb davon eine deutlich höhere Temperatur von teilweise über 1000°C erreicht, und es findet dort eine Verbren­ nung der Gase mit höheren Flammpunkten sowie der in den unteren Räumen noch nicht oxydierten sonstigen Verbrennungsgase statt.

Oberhalb dieses Raumes schließt sich dann die eigent­ liche Abzugseinrichtung 20 an.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Darstellungen einer erfin­ dungsgemäßen Feuerungsvorrichtung, die auch als Vorder­ ansicht (Fig. 1) und als Seitenansicht (Fig. 2), jeweils teilweise geschnitten, betrachtet werden können.

Lufteintrittsöffnungen P1 und P2 für zwei Zuleitungen 81 und 82 sind unterhalb der Brennstelle 10 vorgesehen, ferner eine Lufteintrittsöffnung P3, für zwei Zulei­ tungen 61 und 62.

Die Zuleitungen 61 und 62 führen zum Einsatz 50 in der Einschnürung 40 und sind jeweils rohrförmig. Sie gehen zunächst von der mittig unterhalb der Brennstelle 10 angeordneten Lufteintrittsöffnung P3 nach außen, umgehen die Brennstelle 10 mit einem Raum für das Brennmaterial 11 und steigen dann quer durch den Brenn­ raum 14 bis knapp unter den Einsatz 50 hoch. Dort gehen sie wiederum auseinander, um die jetzt vorerwärm­ te, in ihnen befindliche Luft von außen dem Einsatz 50 zuzuführen.

Von den Lufteintrittsöffnungen P1 und P2 dagegen gehen die beiden getrennten Zuleitungen 81 und 82 zu zwei Ringleitungen, die jeweils ringförmig die Brennstelle 10 umgeben. Aus Perforationen in diesen Ringleitungen wird der Brennstelle 10 und dem Brennmaterial 11 von allen Richtungen Luft zugeführt. Diese Luft ist vorer­ wärmt aufgrund des Kontaktes mit der Brennstelle 10, na­ türlich nicht so weitgehend vorerwärmt, wie die Luft in den anderen Zuleitungen 61 und 62. Eine vergrößerte Dar­ stellung, auch aus anderem Sichtwinkel, findet sich in den Fig. 7 und 9.

In der Ausführungsform der Fig. 3 ist dagegen die Innenwandung 31 des Brennraumes 14 von einer Außenwan­ dung 33 umgeben, die an den Außenraum grenzt. Diese Außenwandung 33 besteht aus einem wärmeisolierenden Material. In dem dargestellten Beispiel besitzt sie etwa eine kubische Form; dies ist jedoch nicht erfor­ derlich. Auch eine Quaderform, eine Kugelform oder jede andere denkbare Außengestaltung ist möglich.

Zwischen der Innenwandung 31 und der Außenwandung 33 befindet sich dabei ein Hohlraum 34. Diesem Hohl­ raum 34 wird durch eine Luftzufuhr 35 von unten Luft zugeführt. Diese Luft in dem Hohlraum 34 steigt zwischen Innenwandung 31 und Außenwandung 33 aufwärts. Dabei nimmt sie durch die gut wärmeleitende Innenwandung 31 Wärme auf, was den Aufstieg weiter begünstigt.

Der Hohlraum 34 ist im dargestellten Beipiel ebenfalls kugelschalenförmig mit Erweiterungen zu den Ecken der Außenwandung. Es ist auch möglich, durch geeignete geometrische Gestaltung der Innenseite der Außenwandung 33 hier eine andere, sich erweiternde oder anderwei­ tig variierende Querschnittsform des Hohlraums 34 einzusetzen, um wärmetechnische oder sonstige Vorteile zu nutzen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei kon­ stantem Abstand Innenwandung 31 zur Außenwandung 33 sich aufgrund der Kugelform des Brennraums nicht kon­ stante Querschnitte für den Hohlraum 34 ergeben.

Innen- und Außenwandung 31 bzw. 33 sind an ihrem oberen Ende miteinander verbunden bzw. gehen dort in die Einschnürung 40 über. Die Einschnürung 40 ist kreis­ förmig (wie auch in den anderen Ausführungsformen) .

Durch den Hohlraum 34 strömt die aufsteigende Luft zum Rand der kreisförmigen Einschnürung 40. In diesem Rand befinden sich Öffnungen, durch die strömende Luft zu den aufsteigenden Verbrennungsgasen 12 treten kann. Auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist jedoch bevorzugt, daß ein Einsatz 50 vorgesehen ist, in den durch die Öffnungen aus dem Hohlraum 34 die vorerwämte Luft eintritt.

Für die Form des Einsatzes 50 in der Einschnürung 40 sind ebenfalls verschiedene alternative Ausführungs­ formen denkbar.

Eine besonders einfache Ausführungsform ist der Fig. 4 zu entnehmen. Ein stern- oder radförmiger Aufbau zeigt Kanäle 51, die vom Rand ins Zentrum der kreis­ förmigen Einschnürung 40 führen. Die Kanäle 51 sind hohl und führen die erwärmte Luft. Darüber hinaus weisen sie verteilt um ihren Umfang Perforationen 52 durch die Luft austreten kann. Die Kanäle 51 münden schließlich in einem dem Zentrum der kreisförmigen Einschnürung 40 benachbarten inneren Ring 53. Dieser Ring dient vor allem zur Stabilisierung der Kanäle 51, deren Enden hier ebenfalls Öffnungen bilden und strömende Luft genau auf das Zentrum der kreisförmigen Einschnürung 40 richten.

Die aufsteigenden Verbrennungsgase 12 werden im Bereich der kreisförmigen Einschnürung 40, also aus verschiede­ nen Öffnungen, mit erwärmter Luft beaufschlagt: Zum einen durch Öffnungen unmittelbar im Rand, der die Innenwandung 31 und die Außenwandung 33 miteinander verbindet, zum zweiten durch Perforationen 52 in den Kanälen 52 in den Kanälen 51, durch die die Luft teilwei­ se auch schräg in die Verbrennungsgase eintritt, also in verschiedenen, geringfügig voneinander unterschiede­ nen Höhenlagen (vgl. auch Fig. 5); und schließlich durch die am inneren Ring 53 austretenden Enden der Kanäle 51.

Durch diese verschiedenen Austrittsrichtungen und -stärken an verschiedenen Positionen findet bereits eine starke Verwirbelung der aufsteigenden Gase mit der vorerwärmten Luft statt. Diese wird noch durch den Einsatz 50 und seine verschiedenen Streben und Kanäle verstärkt. Eine größere Verwirbelung sorgt auch für eine bessere Kontaktierung der miteinander zur chemischen Reaktion kommenden Gasanteile.

Eine alternative, gegenüber der Ausführungsform aus Fig. 4 noch bevorzugte Ausführungsform eines Einsatzes 50 ist in der Fig. 6 dargestellt. Auch dieser Einsatz 50 ist kreisförmig und paßt in die Einschnürung 40. Ihm wird von den Lufteintrittsöffnungen P3 der beiden Zuleitungen 61 und 62 (in Fig. 6 nur schematisch darge­ stellt) Luft zugeführt. Diese tritt auf diametral einander gegenüberliegenden Seiten in den Einsatz 50 ein, und zwar in dessen äußeren Ring 52, der die sternförmigen Kanäle 51 miteinander verbindet. Inner­ halb dieses äußeren Ringes 52 verbreitet sich die vorerwärmte Luft und strömt dann von außen durch die Kanäle 51 in Richtung Zentrum des Einsatzes 50.

Der Bereich zwischen den Kanälen 51 und dem äußeren Ring 52, der also von dem aufsteigenden Gas durchströmt wird, ist von metallischen Drähten 55 durchsetzt. Diese Drähte sind spiralförmig gewunden, wie am besten aus Fig. 10 hervorgeht. Die Achse der Spirale verläuft dabei horizontal und radial vom Zentrum des Einsatzes 50 zum Rand. Die einzelnen Windungen der Spirale sind voneinan­ der beabstandet. Die Drähte 55 der Spirale ragen sowohl nach unten als auch nach oben aus dem Einsatz 50 heraus.

Die steigende Temperatur von unten nach oben gerade innerhalb des Bereiches des Einsatzes 50 ist ein an sich selbst verstärkender Effekt. Jede Verbrennung eines Gasmoleküls erhöht die Temperatur weiter und ermöglicht dadurch die Verbrennung eines Gasmoleküls mit noch höherem Flammpunkt.

So haben experimentelle Bestimmungen ergeben, daß in dem Bereich im Brennraum 14 Temperaturen um 600 bis 800°C herrschen. Im Einsatz 50 steigt die Temperatur des Gases auf 1000°C, die diesen Teil rotglühend wer­ den läßt. In der Nähe der Oberkante des Einsatzes kom­ men 1100°C bis 1200°C vor, gelegentlich auch mehr. Diese Temperaturen bleiben während des Verbrennungsvor­ ganges konstant.

Entsprechend sind die Flammpunkte der Gase, die in den jeweiligen Bereichen noch entzündet werden können. Im Brennraum 14 sind nur Gase mit Flammpunkten bis zu 400°C entzündbar, an der Unterkante des Einsatzes zünden Gase mit einem Flammpunkt von ca. 600°C. Solche zwischen 700° und 900°C können im Bereich des Einsatzes 50 gezün­ det und zur Oxydation, also zur Verbrennung gebracht werden. Im Bereich der oberen Spirale zünden schließ­ lich auch Gase von 1000 bis 1100°C.

Diese steigenden Temperaturen und Entzündungen der Gase sind darauf zurückzuführen, daß zum einen die Zündtempe­ ratur vorhanden ist, und zwar durch die glühenden Drähte.

Zum zweiten ist der für die Oxydation benötigte Sauer­ stoff durch die zuströmende vorerwärmte Luft vorhanden. Auch die Temperatur der vorerwärmten Luft steigt während des Aufstiegs in den Zuleitungen 61, 62 und noch inner­ halb des Einsatzes 50 weiter an.

Zum dritten besitzt der Sauerstoff bereits eine Tempe­ ratur, die nicht zur schlagartigen Abkühlung und damit Senkung der Temperatur unter den Flammpunkt des aufstei­ genden Gases führt.

Zum vierten schließlich ist gerade im Bereich des Ein­ satzes 50 die für den Oxydationsvorgang erforderliche intensive Vermischung der noch nicht oxydierten Gase mit dem Sauerstoff aus der zugeführten Luft gegeben, so daß die miteinander zur Reaktion zu bringenden Gasmole­ küle (Verbrennungsgas/Sauerstoff) auch in Kontakt mit­ einander kommen können.

Selbstverständlich werden auch Gase mit niedrigen Flamm­ punkten, die in der unteren Brennkammer, dem Innenraum 14, nicht oxydieren konnten, beispielsweise aufgrund Sauerstoffmangels, in diesem Bereich gezündet und verbrannt.

Es hat sich herausgestellt, daß die Verbrennungstempera­ turen so hoch und die Verbrennung so optimal ist, daß praktisch keine Färbung der Flammen in dem Bereich oberhalb des Einsatzes 50 mehr auftritt, wenn die Bedin­ gungen optimal eingestellt werden.

In Fig. 8 ist der Bereich des Einsatzes 50 in der Einschnürung 40 noch einmal verdeutlicht dargestellt.

Unten ist der Brennraum 14 zu erkennen, durch den die Zuleitung 62 Luft zuführt, die aufgrund des Verlaufs der Zuleitung 62 vorerwärmt ist. Die Luft wird in den Ein­ satz 50, und zwar dort in den Ring 52 geführt, den sie über Kanäle 51 (diese sind in Fig. 8 nicht angeschnit­ ten) und Perforationen 52 den durchströmenden Verbren­ nungsgasen zuführen.

Durch den Einsatz 50 schlingt sich spiralförmig der Draht 55, der aufgrund seiner Umgebungstemperatur glü­ hend wird. Er ragt nach oben und unten aus dem Einsatz heraus. In diesem Bereich bewegen sich die Verbrennungs­ gase und die Luftmoleküle sehr verwirbelt; dies aufgrund der verschiedenen Strömungsrichtungen und der diversen Strömungshindernisse, die von den Kanälen, den Drähten usw. gebildet werden.

Oberhalb des Einsatzes 50 befinden sich weitere Drähte 56, die ebenfalls spiralförmig gewunden sind, im Gegen­ satz zu den Drähten 55 jedoch keine horizontal, sondern eine vertikal verlaufende Spiralachse besitzen.

In den Fig. 10 und 11 ist schematisch nochmals der Ein­ satz 50 dargestellt mit seinen spiralförmig gewundenen Drähten 55 bzw. 56 und den diversen Perforationen 52 in den Kanälen 51.

Fig. 9 zeigt in den beiden oberen Schaubildern die Aus­ führungsform des unteren Bereichs der Feuerungsvorrich­ tung aus dem Bereich der Fig. 1 und 2. Die unterste Dar­ stellung in Fig. 9 zeigte eine alternative Ausführungs­ form mit nicht quadratischem, sondern kreisförmigem Querschnitt der Feuerungsvorrichtung.

Die Fig. 13 zeigt eine andere Kombination einer Luft­ zuführung, die eingesetzt werden könnte. Der Rest der Feuerungsvorrichtung ist dabei weggelassen. Der untere Ring zeigt die Zufuhrleitung 81 mit ihren Perforationen, die der Brennstelle 10 Luft von allen Seiten zuführen. Von der Zufuhrleitung 81 geht nach oben die Zufuhrlei­ tung 61 ab, die durch den Brennraum führt und dem Ein­ satz 50 vorerwärmte Luft zuführt. Der Einsatz 50 befin­ det sich wiederum in der Einschnürung 40. Ein Stellmecha­ nismus 60 mit Thermofühlern 64 stellt das Verhältnis der vorerwärmten Luft ein.

In Fig. 12 ist der Aufbau ähnlich Fig. 2 dargestellt, wobei hier der Elementenaufbau für die Montage skizzen­ haft angegeben ist.

Die Fig. 14 schließlich zeigt eine Möglichkeit, wie mittels eines Bimetallstreifens eine temperaturabhän­ gige Regelung für eine Sichtscheibe geschaffen werden kann. Eine rolloähnliche Vorrichtung wird vor eine Sichtscheibe oberhalb der Einschnürung 40 gefahren. Dargestellt ist eine Sicht aus dem Innenraum oberhalb des Einsatzes 50. Die Sichtscheibe kann damit vor hohen Temperaturen geschützt werden.

Claims (29)

1. Feuerungsvorrichtung mit einer von einer Wandung rundum umgebenen Brennstelle, einer Luftzuführung zur Brennstelle, einer Abzugseinrichtung zum Ab­ führen der entstehenden Gase und einer Luftzuführung zum Zuführen von Luft zu den entstehenden Gasen während ihres Aufstiegs, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Brennstelle (10) die Innenwandung (31) der Feuerungsvorrichtung eine konzentrische Einschnürung (40) aufweist, durch die die entstehen­ den Gase aufsteigen und in der Vorrichtung (42) für die Luftzuführung zu den entstehenden Gasen während ihres Aufstiegs angeordnet sind, die eine Verbrennung der aufsteigenden Gase in und oberhalb der Einschnürung (40) ermöglichen.

2. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einschnürung (40) mit einem Einsatz (50) versehen ist, durch welchen zugeführte vorerwärmte Luft verteilt und bis in den zentralen Bereich der Einschnürung (40) geführt wird.

3. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (50) aus einem Ring mit den Ring sternförmig nach außen verbindenden Kanälen (51) besteht, die ihrerseits mit einer Zufuhr (61, 62) von vorerwärmter Luft verbunden sind.

4. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (51) Perforationen aufweisen, durch die die erwärmte Luft in den Zwischenraum zwischen den Kanälen (51) treten kann.

5. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Perforationen in den Kanälen (51) in vertikaler Richtung höhenverteilt sind.

6. Feuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr (61, 62) der vorerwärmten Luft in den Einsatz (50) an zwei diametral einander gegenüberliegenden Bereichen erfolgt und in einen äußeren Ring (52) eintritt, der die sternförmigen Kanäle (51) miteinander ver­ bindet.

7. Feuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr (61, 62) durch den Bereich zwischen Brennstelle (10) und Einsatz (50) tretende Zuleitungen (61, 62) aufweist, die Luft aus dem Außenraum dem Einsatz (50) zuzu­ führen, die durch den Kontakt mit den aufsteigenden Verbrennungsgasen und Flammen vorerwärmt wird.

8. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Zuleitungen (61, 62) vorgesehen sind, die jeweils auf den ihren Lufteintritten diametral gegenüberliegenden Seiten mit dem Einsatz (50) verbunden sind.

9. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (50) mit metallischen Drähten (55) versehen ist, welche eine Reaktion der zuströmenden erwärmten Luft mit den aufsteigenden Verbrennungsgasen begün­ stigen.

10. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drähte (55) spiralförmig mit im wesentlichen horizontaler Spiralachse und in horizontaler Richtung und von einander beabstande­ ten Spiralverbindungen angeordnet sind.

11. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (55) sowohl nach oben als auch nach unten aus dem Einsatz (50) heraus­ ragt.

12. Feuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Drähte (56) in Schneckenform mit im wesentlichen vertikaler Achse oberhalb des Einsatzes (50) voneinander beab­ standet angeordnet sind.

13. Feuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zwischen­ raum zwischen je zwei Kanälen (51) mit Drähten (55) versehen ist.

14. Feuerungsvorrichtung nach einem vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellmechanismus (60) vorgesehen ist, der eine Luftmengenregulierung für die durch die Zuleitung (61, 62) strömende Luft vornimmt.

15. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmechanismus (60) von einem Thermofühler (64) gesteuert wird.

16. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar oberhalb der Einschnürung (40) ein Abschnitt vorgese­ hen ist, der von einer Isolierung (70) gegenüber dem Außenraum umgeben ist.

17. Feuerungsvorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich oberhalb der Einschnürung (40) aus Glas bestehende Sichtfenster aufweist.

18. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnü­ rung (40) kreisförmig ausgebildet ist.

19. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Einschnürung (40) ein Verteiler aufgehängt ist, der die zentral aufsteigenden Verbrennungsgase an den Rand lenkt, der in diesem Bereich von einem gut leitfähigen Material gebildet wird.

20. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstel­ le (10) kreisförmig ist.

21. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei andere Zuleitungen (81, 82) vorgesehen sind, die vorerwärmte Luft in zwei übereinanderliegenden Ebenen der Brenn­ stelle (10) zuführen.

22. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden anderen Zuleitungen (81, 82) Perforationen aufweisen, die ein Ausströmen der vorerwärmten Luft zur Brennstelle (10) hin erlauben.

23. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteintrittsöffnungen der anderen Zuleitungen (81, 82) einander diametral gegenüberliegen.

24. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beabstandet oberhalb des Einsatzes (50) Schamottsteine angeordnet sind, welche zwischen sich Schlitze aufweisen, durch die die aufsteigenden Verbrennungsgase abziehen können.

25. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Schamottsteine eine zusätzliche Aufstiegsmöglichkeit für die Verbrennungsgase durch eine Durchtrittsöffnung in der den Aufstiegsschacht umgebenden Wandung vorgesehen ist.

26. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontal übereinanderliegenden Bereiche als vorgefertigte transportable Bauelemente ausgeführt sind.

27. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Bereich oberhalb des Verbrennungsbereiches oberhalb der Einschnürung (40) ein schräg verlaufender zusätz­ licher Konvektionsschacht im Wärmetauscher vorgesehen ist.

28. Feuerungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Außenwandung der Brennstelle und des Aufstiegs­ schachtes der Verbrennungsgase ein Außengehäuse vorgesehen ist.

29. Feuerungsvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenwandung und dem Außengehäuse schwenkbare Klappen angeordnet sind, die sich bei entsprechenden Druckverhältnissen selbsttätig öffnen.