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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen von festen Brennstoffen,
wie etwa Pellets, aufweisend eine Kartusche, die in einen zentralen
Heizer eingeführt
werden kann, wobei die Kartusche eine Verbrennungskammer begrenzt,
die relativ zum Inneren des Heizers offen ist und einen Boden aufweist,
unter dem zumindest ein Hohlraum vorhanden ist, der nach außen offen
ist, ausgehend vom zentralen Heizer, jedoch einwärts geschlossen, und dem Hohlraum
von außen
Luft zugeführt
werden kann, wobei der Boden entlang gegenüberliegenden Längsseiten
in vorspringende Seitenwände übergeht,
in denen Öffnungen
für die
Luftzufuhr aus dem Hohlraum in die Verbrennungskammer vorgesehen sind,
um ein brennbares Gasgemisch gemeinsam mit vergasten Bestandteilen
von einer Glutfeuerung zu erzeugen, die auf dem Boden angeordnet
ist, dem Feuerungsbrennstoff von oben über einen Brennstoffzufuhrkanal
zugeführt
wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Während der
letzten Dekaden sind mehrere unterschiedliche Brenner zum Verbrennen
von Pellets oder anderen festen Brennstoffen entwickelt und kommerzialisiert
worden, üblicherweise
für biologisches
Material als hauptsächliches
Rohmaterial. Das gemeinsame Merkmal bislang bekannter Brenner ist, dass
sie einen mäßigen Wirkungsgrad
auf Grund unvollständiger
Verbrennung besitzen. In der Praxis ist der Grund für diese
unvollständige
Verbrennung darin zu finden, dass die von außen entnommene Zufuhrluft in
mäßiger Weise
mit den Bestandteilen gemischt wird, die von der Glutfeuerung vergast
wer den, die durch den Brennstoff erzeugt wird, und dass der Brennstoff
in der Glutfeuerung teilweise auf Grund unzureichender Luftsauerstoffzufuhr
unverbrannt bleibt. Beitragende Ursache ist außerdem, dass das Gasgemisch,
das in der Verbrennungskammer gebildet wird, in der Kammer begrenzte
Aufenthaltszeit besitzt. Abgesehen davon, dass dies allgemein zu
schlechter Wirtschaftlichkeit führt,
führt die unvollständige Verbrennung
zu einer Anzahl von sekundären
Nachteilen, wie etwa zu einer unnötig großen Aschenverbrennung, rauchigen
Abgasen und dergleichen.
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Als
Beispiel bislang bekannter Brenner wird auf die US-A-4593629 Bezug genommen,
die einen Brenner der eingangs allgemein festgelegten Art beschreibt.
In Übereinstimmung
mit diesem bislang bekannten Brenner wird die benötigte Luft
der Brennkammer über
eine Anzahl kleiner Öffnungen
zugeführt,
die lediglich in den Seitenwänden
der Kartusche vorgesehen und im Wesentlichen gleichmäßig entlang
ihrer gesamten Länge
verteilt sind. Dies bringt mit sich, dass die Zufuhr von sauerstoffreicher Luft
zum Innern der Glutfeuerung mäßig ist.
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Aufgaben und
Merkmale der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend genannten
Nachteile bislang bekannter Brenner zum Verbrennen von festen Brennstoffen
zu überwinden
und einen verbesserten Brenner zu schaffen. Eine primäre Aufgabe
der Erfindung besteht darin, einen Brenner mit der Fähigkeit
zu schaffen, einerseits optimale Mengen an sauerstoffreicher Luft
dem Innern einer errichteten Glutfeuerung zuzuführen und andererseits das Gasgemisch
zu homogenisieren, das aus vergasten Brennstoffbestandteilen und
zuströmender
Sekundärluft
besteht, und eine vergleichsweise lange Aufenthaltsdauer für dieses Ge misch
in der Verbrennungskammer zu gewährleisten.
Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Brenner zu schaffen,
der konstruktiv einfach und kostengünstig herzustellen und der
gleichzeitig kompakt ist, d. h., in Verbindung mit einem zentralen
Heizer minimalen Raum einnimmt. Eine weitere Aufgabe besteht darin,
einen Brenner zu schaffen, der während langer
Zeitdauern ohne Wartung, primär
in Form von Ascheentfernung arbeiten kann, und der außerdem bei
den selten auftretenden, jedoch notwendigen Wartungsgelegenheiten
problemlos handhabbar ist. Außerdem
sollte der Brenner in einfacher Weise demontierbar und montierbar
sein.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird zumindest die primäre Aufgabe durch die Merkmale gelöst, die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 festgelegt sind. Vorteilhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Brenners
sind außerdem
in den abhängigen
Ansprüchen
festgelegt.
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Kurze Beschreibung
der anliegenden Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch einen zentralen Heizer und einen erfindungsgemäßen Brenner,
der mit dem Heizer verbunden ist,
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2 einen
schematischen Schnitt unter Darstellung von lediglich dem Brenner
in vergrößertem Maßstab,
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3 eine
teilweise transparente perspektivische Ansicht des Brenners in noch
stärker
vergrößertem Maßstab, und
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4 eine
perspektivische Explosionsansicht verschiedener Bestandteile, die
in dem Brenner enthalten sind.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 einen zentralen Heizer mit einer internen
Verbrennungskammer 2 und einem Auslass 3 für Abgas
bzw. Rauchgas. In Verbindung mit einer Öffnung 4 in einer vorderen
Wand 5 des Heizers ist ein Brenner in Übereinstimmung mit der Erfindung
vorgesehen und insgesamt mit 6 bezeichnet. Wie aus 1 und 3 hervorgeht,
umfasst dieser Brenner eine Kartusche 7, die in den zentralen
Heizer einsetzbar ist und die Verbrennungskammer 8 begrenzt,
die relativ zum Innern des Heizers offen ist und aus einem oberen
Teil 9 und einem unteren Teil 10 besteht. Der
untere Kartuschenteil 10 besteht aus einer Kastenkonstruktion, die
ausgehend vom Heizer nach außen
offen, jedoch einwärts
geschlossen ist, mit einem liegenden zentralen Boden 11 und
zwei Seitenwänden 12,
die von dem Boden vorstehen, wobei in den Seitenwänden Öffnungen
für die
Zufuhr von Luft in die Verbrennungskammer vorgesehen sind. Neben
dem Boden 11 und den Seitenwänden 12 umfasst die
Kastenkonstruktion 10 außerdem einen sekundären Boden 13, der
auf einer Höhe
unter dem Boden 11 angeordnet ist. Entlang gegenüberliegenden
Längsseiten
geht der sekundäre
Boden 13 in zwei vertikale Seitenelemente 14 über, die
an ihren oberen Enden in ebene horizontale Abschnitte 15 übergehen,
die ihrerseits an Innenrändern
in die Seitenwände 12 übergehen. Wie
in 3 gezeigt, verlaufen die Seitenwände 12 vorteilhafterweise
geneigt (bezogen auf die Auf/Abwärtsrichtung),
um eine trog- oder nutförmige
Konfiguration zusammen mit dem ebenen horizontalen Boden 11 zu
bilden. Die Teile 11, 12, 13, 14 und 15 begrenzen
gemeinsam einen im Querschnitt im Wesentlichen U-förmigen Hohlraum 33 (siehe 2), der
an einem Innenende mittels einer Gabelwand 16 verschlossen
ist. An seinem gegenüberliegenden Ende
ist der Hohlraum jedoch offen.
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Soweit
bislang erläutert,
entspricht der Brenner im Wesentlichen demjenigen, der in der vorstehend
genannten PCT/DK83/00114 offenbart ist.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist die Kartusche 7 lösbar mit
einem Außengehäuse 17 verbunden,
das, wenn es montiert ist, auf der Außenseite des zentralen Heizers
zu liegen kommt. Mehr im Einzelnen wird der untere Teil 10 der Kartusche
in eine erste Öffnung 18 (siehe 4)
in einer vorderen Wand 19 des Gehäuses 17 eingeführt. Außerhalb
von der vertikalen vorderen Wand 19 erstreckt sich eine
im Querschnitt viereckige Abdeckung mit zwei vertikalen Seitenwänden 20 und zwei
horizontalen oberen und unteren Wänden 21, 22.
Diese Wände
sind gemeinsam mit einer äußeren vertikalen
Wand 23 verbunden, auf der ein Lüfter bzw. Gebläse 24 zum
Blasen von Luft in das Innere des Gehäuses angebracht ist. Durch
das Innere des Gehäuses
erstreckt sich ein Rohr 25, das einen Brennstoffzuführkanal
bildet, dessen eines oberes Ende in einen vertikalen Rohrsockel 26 übergeht,
mit dem eine geeignete Brennstoffzuführleitung, beispielsweise ein
Schlauch, verbunden werden kann. Das gegenüberliegende Ende des Brennstoffzuführkanals
endet in einer Öffnung 27 in
der vorderen Wand 19 des Gehäuses 17. Insbesondere
kommt die Einlassöffnung 27 zentral
unmittelbar über
der Öffnung 18 zu
liegen, in die der untere Kartuschenteil 10 eingeführt ist.
Das Rohr 25, das unter einem geeigneten Winkel, beispielsweise
45°, zwischen
seinen gegenüberliegenden Öffnungen
geneigt verläuft,
kann vorteilhafterweise rechteckige Querschnittsform besitzen, um
eine Welle zu bilden, durch die feste Brennstoffkörper, wie
etwa Pellets, widerstandsfrei fallen oder auf dem Kartuschenboden 11 gleiten.
Es wird bemerkt, dass das Rohr 25 an seinen gegenüberliegenden
Enden luftdicht mit den Wänden 19 und 21 verbunden
ist. Mit anderen Worten kann Luft aus dem Innern des Gehäuses 17 nicht
in das Rohr 25 eindringen.
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In Übereinstimmung
mit einem charakteristischen Merkmal der Erfindung besitzen die
Luftzufuhröffnungen
in dem unteren Kartuschenteil 10 die Form länglicher
Schlitze 28, die in dem Bereich zwischen der zentralen
Bodenplatte 11 und der jeweiligen einzelnen Seitenwand 12 zu
liegen kommen. Insbesondere weist der einzelne Schlitz 28 einen
ersten Abschnitt auf, der die Bodenplatte 11 per se durchsetzt,
und einen zweiten Abschnitt, der die benachbarte Seitenwand 12 durchsetzt.
Wie deutlich aus 3 hervorgeht, verläuft jeder
der Schlitze 28 schräg
relativ zur axialen Erstreckung der Kartusche. In der Praxis können der
Boden 11 und die Seitenwände 12 jeweils aus
2 mm dickem Metallblech hergestellt sein und der einzelne Schlitz 28 kann
eine Breite von 2 bis 2,5 mm und eine Gesamtlänge von 20 bis 40 mm, bevorzugt
etwa 30 mm aufweisen, wobei besonders bevorzugt etwa 2/3 der Gesamtlänge in der
Bodenplatte 11 enthalten ist, während 1/3 in der benachbarten
Seitenwand enthalten ist.
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Unter
einer bestimmten Distanz innerhalb des Außenendes des unteren Kartuschenteils 10 ist eine
vertikale Wand 29 vorgesehen, deren oberer Rand auf derselben
Höhe zu
liegen kommt wie die oberen ebenen Abschnitte 15 des unteren
Kartuschenteils. Wenn der untere Kartuschenteil in der Öffnung 18 angebracht
ist, ist er so verschlossen, dass Luft nicht axial in die Nut hinaus
gelangen kann, die nach oben offen ist, wobei die Nut zwischen den Seitenwänden 12 und
der Bodenplatte 11 begrenzt ist. Luft, die die Schlitze 28 durchsetzen
soll, wird zwangsweise durch den Hohlraum 33 in den unteren Kartuschenteil 10 geleitet.
Wie deutlich aus 3 sowie 4 hervorgeht,
sind die Schlitze 28 lediglich entlang einem be schränkten Bereich
der Gesamtlänge
der Bodenplatte 11 vorgesehen. Insbesondere sind die Schlitze
in einem Bereich benachbart zu der Luftabsperrwand 29 vorgesehen.
In der Praxis kann die Länge
dieses Bereichs im Bereich von 25 bis 50%, bevorzugt etwa 33% der
Distanz zwischen der Wand 29 und der gegenüberliegenden
Gabelwand 16 liegen. Der Abschnitt der Bodenplatte 11,
der sich zwischen dem am weitesten innen liegenden Schlitz 28 und
der Gabelwand 16 erstreckt, ist frei von jeglicher Art
von Löchern.
Andererseits ist in jede Seitenwand 12 zumindest eine Öffnung 30 eingetieft,
die relativ nahe zum inneren freien Ende des unteren Kartuschenteils
zu liegen kommt. Tertiärluft
kann dem Gasgemisch in der Verbrennungskammer durch diese Öffnung 30 zugeführt werden.
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In
der Praxis kann die Länge
der Bodenplatte 11 – zwischen
den beiden Wänden 16, 29 berechnet – im Bereich
von 150 bis 300 mm, beispielsweise bei 200 mm liegen, und die Breite
der Bodenplatte kann von 40 bis 90 mm betragen, beispielsweise 50
bis 60 mm.
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In Übereinstimmung
mit der in den Zeichnungen gezeigten, bevorzugten Ausführungsform
sind die beiden Löcher
in Form von Rohrelementen 31 auf jeder Seite der Brennstoffzuführeinlassöffnung 27 zum
Zuführen
von Luft in die Verbrennungskammer 8 vorgesehen. Mittels
des Gebläses 24 wird
ein Überdruck
im Innern des Gehäuses 17 erzeugt,
wodurch Luft die Rohrelemente 31 durchsetzt, während im Wesentliche
axiale Luftstrahlen in der Verbrennungskammer erzeugt werden.
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Wie
aus 3 und 4 hervorgeht, verläuft der
obere Teil 9 der Kartusche 7 im Querschnitt gekrümmt. Bevorzugt
verläuft
der zentrale Teil halbkreisförmig
gekrümmt,
wobei die Halbkreisform in ebene vertikale Seitenelemente beschränkter Höhe übergeht.
Besonders bevorzugt ist der obere Teil 9 lösbar mit
dem unteren Teil 10 durch geeignete Mittel verbunden, die
nicht näher
gezeigt ist.
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Es
wird bemerkt, dass ein aufwärts
weisender zentraler Rand 32 der Gabelwand 16 ein
wenig höher
zu liegen kommt als die Bodenplatte 11. Der vorstehende
Teil der Gabewand 16 bildet einen Anschlag, der dem Herunterfallen
von Brennstoff von der Bodenplatte 11 entgegenwirkt.
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Funktion und
Vorteile des Brenners in Übereinstimmung
mit der Erfindung
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Wenn
der Brenner, nachdem er in dem zentralen Heizer in der in 1 gezeigten
Weise angeordnet worden ist, in Betrieb versetzt wird, wird in geeigneter
Weise auf der Bodenplatte 11 des unteren Kartuschenteils 10 eine
Glutfeuerung bewirkt und das Gebläse 24 wird gestartet
und Brennstoff wird von einer geeigneten Brennstoffquelle (nicht
gezeigt), genauer gesagt über
das Zuführeinlassrohr 25 zugeführt. Mittels
des Gebläses
wird Zufuhrluft in den Hohlraum 33 des unteren Kartuschenteils über das auswärts offene
Ende geblasen und die Luft wird durch die Schlitze 28 gepresst.
Daraufhin führen
die Abschnitt der Schlitze 28, die in der Bodenplatte 11 enthalten
sind, im Wesentlichen Primärluft
zu, die durch die Glutfeuerung in Richtung von unten hindurch dringt,
während
die Luft, die durch die Abschnitte der Schlitze hineingepresst wird,
die in den Seitenwänden
enthalten sind, hauptsächlich
Sekundärluft
bildet, die teilweise die Glutfeuerung durchsetzt und teilweise
entlang der Oberseite der Glutfeuerung nach vorne auswandert bzw.
abgelenkt wird. Durchgeführte
Tests haben gezeigt, dass die Luft, die die Schlitze 28 durchsetzt,
gegenseitig unabhängige drehende
Wirbel bildet, die, sobald sie die Glutfeuerung durchsetzt haben
(d. h., der feste Brennstoff während
der Pyrolyse), aus brennbarem Gas bestehen. Indem die Wirbel in
Drehung versetzt werden, werden die Gase miteinander vermischt und
gleichzeitig sorgt die Drehbewegung für eine vergleichsweise lange
Aufenthaltsdauer in der Verbrennungskammer. Sekundärluft wird
außerdem über die
beiden Rohrelemente 31 in Form von zwei getrennten Strahlen
zugeführt,
die, wenn sie auf die sich drehenden Gaswirbel treffen, Anlass zu
Turbulenz geben, zu einer intensiven Vermischung der Gase mit der
Sekundärluft
führen,
während
ein homogenes Gasgemisch gewährleistet
wird. Dieses Gasgemisch wird während
seines weiteren Transports in Richtung zur Auslassöffnung der
Kartusche verbrannt, um schließlich
als Flamme im Innern des zentralen Heizers zu brennen. Insbesondere
findet die letztendliche Verbrennung des Gasgemisches um den Bereich
der Öffnungen 30 statt,
durch die Tertiärluft
in die unmittelbare Nachbarschaft der Öffnung der Verbrennungskammer
geführt
wird.
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Neben
dem Zuführen
von Sekundärluft
in das Außenende
der Verbrennungskammer 8 bringen die Luftstrahlen, die über die
Rohrelemente 31 eingetragen werden, eine Ejektorwirkung
mit sich, die einer unbeabsichtigten Gasgemischströmungsrichtung entgegenwirkt.
Mit anderen Worten wirken diese Luftstrahlen einem Zurückbrennen
in dem Brenner entgegen.
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Auf
Grund seiner im Querschnitt bogenartigen bzw. gewölbten Form
gewährleistet
der kappenartige obere Teil 9 der Kartusche, dass das Gasgemisch,
das am Außenende
der Verbrennungskammer gewonnen wird, sich mit kleinstmöglichem
Widerstand drehen kann.
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Ähnlich dem
unteren Teil 10 der Kartusche kann der obere Teil 9 vorteilhafterweise
aus einem einfachen Metallblech gebildet sein.
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Zahlreiche
Tests haben gezeigt, dass der offensichtlichste Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners
in der Tatsache besteht, dass die Verbrennung des festen Brennstoffs
nahezu vollständig
verläuft. Dies
bringt mit sich, dass der Wirkungsgrad des Brenners hoch wird, während gleichzeitig
die Bildung von Asche und Ruß auf
ein Minimum reduziert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
dass der Brenner auf Grund seiner konstruktiven Einfachheit kostengünstig hergestellt
werden kann. Gleichzeitig kann die notwendige Wartung problemlos
durchgeführt werden,
primär
auf Grund der Tatsache, dass die Kartusche, die die Verbrennungskammer
begrenzt, lösbar
mit dem Außengehäuse verbunden
ist, durch das Brennstoff- und
Luftzufuhr erfolgt.
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Der
Begriff "länglicher
Schlitz" sollte
im weitesten Sinne interpretiert werden. Anstatt den einzelnen Schlitz
als kontinuierliche Öffnung
zu bilden, ist es möglich,
mehrere kleinere Öffnungen
in einer Reihe hintereinander zu bilden.
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Mögliche Modifikationen
der Erfindung
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Die
Erfindung ist nicht ausschließlich
auf die vorstehend erläuterten
und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Die
Kartusche, die die Verbrennungskammer begrenzt, kann in unterschiedlicher
Weise unter Bezug auf ihre Form und ihre Abmessungen im Umfang der
anliegenden Ansprüche
modifiziert werden. Anstatt die Kartusche aus zwei in Bezug aufeinander
lösbar
verbundenen Teile zusammenzubauen, kann die Kartusche als einteilige
integrierte rohrartige Buchse gebildet werden, auf deren Bodenseite
der notwendige Freiraum für
die Luftzufuhr über
die schrägen
Schlitze vorgesehen ist. Der Boden in der Kartusche, auf dem die Glutfeuerung
ruht, muss ebenfalls nicht eben sein und die sich anschließenden Seitenwände können in anderer
Weise als als ebene Platten oder Wände geformt sein. Es ist damit
möglich,
einen Boden bereit zu stellen, der im Querschnitt bogenförmig ist
und in die jeweiligen Seitenwände
ohne ausgeprägte Bruchlinien
oder Biegungen übergeht.
Es ist deshalb möglich,
die Kartusche als zylindrisches oder im Querschnitt ovales Rohr
zu bilden, in dem zwei Sätze von
Schlitzen auf jeder Seite eines zentralen gewölbten Bodens vorgesehen sind.
Unabhängig
von der geometrischen Form des Kartuschenbodens sollten die Außenenden
der Schlitze jedoch höher
zu liegen kommen als die Innenenden, um für das Einblasen von Primärluft von
unten sowie Sekundärluft
von der Seite zu sorgen. Es wird außerdem bemerkt, dass die Kartusche
in ihrer Gesamtheit dauerhaft mit dem externen Gehäuse verbunden
sein kann.