EP2515036A2 - Heizkessel - Google Patents

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EP2515036A2
EP2515036A2 EP12164206A EP12164206A EP2515036A2 EP 2515036 A2 EP2515036 A2 EP 2515036A2 EP 12164206 A EP12164206 A EP 12164206A EP 12164206 A EP12164206 A EP 12164206A EP 2515036 A2 EP2515036 A2 EP 2515036A2
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EP
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combustion gases
vortex chamber
outlet
combustion
chamber
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Joerg Jockel
Frank Weber
Carsten Rein
Michael Schwenk
Tino Scherr
Damian Both
Markus Lischke
Paulo Jorge Ferreira Goncalves
Marcel Georg
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23B10/02—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers including separate secondary combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
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    • F23B5/04—Combustion apparatus with arrangements for burning uncombusted material from primary combustion in separate combustion chamber; on separate grate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23B60/00—Combustion apparatus in which the fuel burns essentially without moving
    • F23B60/02—Combustion apparatus in which the fuel burns essentially without moving with combustion air supplied through a grate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23B80/04—Combustion apparatus characterised by means creating a distinct flow path for flue gases or for non-combusted gases given off by the fuel by means for guiding the flow of flue gases, e.g. baffles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/006—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber being arranged for cyclonic combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L9/00—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel 
    • F23L9/04—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel  by discharging the air beyond the fire, i.e. nearer the smoke outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24B—DOMESTIC STOVES OR RANGES FOR SOLID FUELS; IMPLEMENTS FOR USE IN CONNECTION WITH STOVES OR RANGES
    • F24B5/00—Combustion-air or flue-gas circulation in or around stoves or ranges
    • F24B5/02—Combustion-air or flue-gas circulation in or around stoves or ranges in or around stoves
    • F24B5/021—Combustion-air or flue-gas circulation in or around stoves or ranges in or around stoves combustion-air circulation
    • F24B5/025—Supply of secondary air for completing combustion of fuel

Definitions

  • the invention relates to a boiler for burning solid fuels, according to the preamble of claim 1.
  • Generic boilers essentially consist of a heating medium leading boiler body made of cast iron boiler elements or welded steel sheets. This includes a filling space for fuel with an upper or lateral filling opening and a combustion grate with an ash box arranged therebelow. In this case, a pyrolytic combustion takes place above the combustion grate and thus at the bottom of the fuel quantity in the filling space. Fuel thus continuously slips by the weight from above. In the filling room, the primary air supply takes place.
  • Solid fuel boilers for firewood or pellet boilers are known for burning solid fuels.
  • the door serves only as a front or top closure and access, and in the second case it receives a corresponding pellet burner.
  • Special solid fuel boilers with firing grates and in each case at least one ash box located underneath are widespread.
  • Substantially influence on the combustion have the exhaust gas and / or combustion air blowers usually used to supply the combustion with primary air in the area of the pyrolysis zone in the filling space and secondary air in the area of a post-combustion zone.
  • a central heating boiler for large-volume firewood is known in which secondary air is supplied from below before a vortex chamber.
  • the combustion gases flow through a transfer channel from the filling space tangentially into the vortex chamber, wherein the secondary air enters from a side channel in the transfer channel.
  • a vortex chamber is so far very large volume dimensioned because it serves as a secondary combustion chamber to completely oxidize the combustion gas. This requires a sufficient distance within the vortex chamber. At the end of a good temperature uniformity and mixing should be achieved.
  • DE 296 05 801 U1 shows a boiler with two vortex chambers in the form of flowed through from bottom to top, vertical, cylindrical combustion shafts.
  • a plurality of openings for the entry of secondary air are arranged, and above the floor area, the volatile combustion products flow tangentially from the adjacent hopper into the swirl chamber.
  • the invention is therefore based on the object to optimize the quality of combustion of boilers and furnaces for the combustion of solid fuels.
  • a boiler according to the invention is characterized in that combustion gases and / or secondary air enter the vortex chamber in the vicinity of an end face in the radial direction from the outside, and in that the vortex chamber has a cross-sectional reduction at the opposite end face in the region of the outlet for the combustion gases.
  • the cross-sectional reduction is designed symmetrically to the axis of the swirl chamber, wherein the swirl chamber and the outlet for the combustion gases preferably have a cylindrical cross-section.
  • the effectiveness of the measures according to the invention is also given in other, for example, rectangular geometries.
  • the diameter of the orifice for the combustion gases is at least 30% smaller than the inner diameter of the vortex chamber.
  • the cross-sectional reduction in the region of the outlet for the combustion gases consists of an inwardly projecting collar formed on the vortex chamber.
  • the cross-sectional reduction in the region of the outlet for the combustion gases may consist of a diaphragm fixed to the vortex chamber, which has a core hole.
  • the aperture in the region of the outlet for the combustion gases may be designed to be adjustable and / or have a plurality of radial guide vanes for swirl generation, in particular in order to influence the downstream combustion gas flow.
  • diaphragms can be very well adapted or exchanged as separate parts depending on the performance, so that different firing capacities can be realized with a vortex chamber basic body.
  • the invention optimizes the quality of combustion of boilers and solid fuel burning furnaces, as it ensures lower emission levels, especially with regard to unburned hydrocarbons and CO in burning firewood.
  • This is achieved essentially by the fact that the combustion gases enter tangentially into the vortex chamber and thereby come into rotation. This is reinforced with the principle according to the invention of the so-called fluid-dynamic stirring within the vortex chamber. Particularly conducive to this effect is the flow constriction according to the invention in the outlet area, which controls the rotation of the Combustion gases amplified. This results in better, more uniform mixing of the combustion gases. Thus, the oxidation is more effective and the combustion is lower emissions.
  • the same mixing effect is achieved with approximately half of the available installation space in comparison with vortex chamber concepts from the prior art.
  • For the functionally important homogeneous mixing of the gaseous media therefore, according to the invention, for example, only half of the flow path within the vortex chamber is sufficient. And this with the same or longer residence time of the combustion gases in the vortex chamber.
  • the boiler consists essentially of a heating medium-carrying boiler body 1, a filling chamber 2 for fuel with an upper filling opening 3, a combustion grate 4 with an ash pan 5 arranged below, a combustion gas outlet opening 6 in a downstream vortex chamber 7 and a subsequent, not shown heat exchanger for the heating gas.
  • the vortex chamber 7 consists of a cylindrical space into which combustion gases and / or secondary air enter radially from the outside on one end face. At the opposite end face, the swirl chamber 7 has a cross-sectional reduction in the region of the outlet 8 for the combustion gases, which is designed symmetrically to the axis of the swirl chamber 7 and have a cylindrical cross-section.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Verbrennung von festen Brennstoffen, mit einem Heizmedium führenden Kesselkörper (1), einem Füllraum (2) für Brennstoff mit einer oberen oder seitlichen Befüllöffnung (3), einem Brennrost (4) mit einem darunter angeordnetem Aschekasten (5), einer Primärluftzuführung im Bereich des Füllraumes, einer Verbrennungsgasaustrittsöffnung (6) in eine nachgeschaltete Wirbelkammer (7) sowie mit einem sich anschließenden Wärmetauscher für das Heizgas. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Verbrennungsqualität von Heizkesseln und Öfen zur Verbrennung von festen Brennstoffen zu optimieren. Erfindungsgemäß treten in die Wirbelkammer (7) in der Nähe einer Stirnseite in Radialrichtung von außen her Verbrennungsgase und/oder Sekundärluft ein und die Wirbelkammer (7) weist an der gegenüberliegenden Stirnseite eine Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung für die Verbrennungsgase auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Verbrennung von festen Brennstoffen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Gattungsgemäße Heizkessel bestehen im Wesentlichen aus einem Heizmedium führenden Kesselkörper aus gusseisernen Kesselgliedern oder aus verschweißten Stahlblechen. Dieser beinhaltet einen Füllraum für Brennstoff mit einer oberen oder seitlichen Befüllöffnung sowie einen Brennrost mit einem darunter angeordneten Aschekasten. Dabei erfolgt eine pyrolytische Verbrennung oberhalb des Brennrostes und somit an der Unterseite der Brennstoffmenge im Füllraum. Brennstoff rutscht somit laufend durch das Eigengewicht von oben her nach. Im Füllraum erfolgt auch die Primärluftzufuhr.
  • Über eine Heizgasaustrittsöffnung gelangen die Pyrolysegase in eine nachgeschaltete Brennkammer. Die hier entstehenden Verbrennungstemperaturen werden in einem sich anschließenden Wärmetauscher abgebaut, indem die Wärme an das umgebende Heizmedium abgegeben wird. Danach strömen die Heizgase zu einem Abgasstutzen. Weiterhin übernimmt eine Regeleinrichtung die Steuerung des Verbrennungsablaufs und diverse Sicherheitsfunktionen.
  • Zur Verbrennung von festen Brennstoffen sind so genannte Feststoffkessel für Scheitholz oder Pelletkessel bekannt. Im ersten Fall dient die Tür lediglich als vorderer oder oberer Abschluss und Zugangsmöglichkeit, und im zweiten Fall nimmt sie einen entsprechenden Pelletbrenner auf. Verbreitet sind spezielle Feststoffkessel mit Feuerungsrosten und jeweils mindestens einem darunter angeordneten Aschekasten. Wesentlichen Einfluss auf die Verbrennung haben die üblicherweise eingesetzten Abgas- und/oder Verbrennungsluftgebläse zur Versorgung der Verbrennung mit Primärluft im Bereich der Pyrolysezone im Füllraum und Sekundärluft im Bereich einer Nachverbrennungszone.
  • Beispielsweise ist aus der DE 195 10 263 A1 ein Zentralheizungskessel für großvolumiges Stückholz bekannt, bei dem vor einer Wirbelkammer Sekundärluft von unten her zugeführt wird. Die Verbrennungsgase strömen dabei durch einen Überleitungskanal aus dem Füllraum tangential in die Wirbelkammer, wobei die Sekundärluft aus einem Seitenkanal in den Überleitungskanal eintritt. Generell wird dabei eine Wirbelkammer bisher sehr großvolumig dimensioniert, weil diese als Sekundärbrennkammer dient, um das Verbrennungsgas vollständig zu oxidieren. Dazu ist eine ausreichende Wegstrecke innerhalb der Wirbelkammer erforderlich. An deren Ende sollte eine möglichst gute Temperaturvergleichmäßigung und Durchmischung erreicht sein.
  • In einem stationären Betriebszustand erreichen gut ausgelegte Wirbelbrennkammern mit diesem Prinzip auch akzeptable Emissionswerte. Möglicherweise liegen dagegen diese in instationären Phasen, wie zum Beispiel beim Anfahren oder beim modulierenden Betrieb mit einer Teilleistung, aber deutlich über den zulässigen Grenzwerten. Ursache dafür sind insbesondere die sich deutlich ändernden Strömungsverhältnisse bei geringeren Volumenströmen der gasförmigen Medien, zum Beispiel durch nachlassende Wirbelbildung.
  • Auch die DE 296 05 801 U1 zeigt einen Heizkessel mit zwei Wirbelkammern in Form von von unten nach oben durchströmten, vertikalen, zylindrischen Verbrennungsschächten. Im Bodenbereich jeder Wirbelkammer sind mehrere Öffnungen für den Eintritt von Sekundärluft angeordnet, und über dem Bodenbereich strömen tangential die flüchtigen Verbrennungsprodukte aus dem benachbarten Füllschacht in die Wirbelkammer ein.
  • Außerdem ist die Einleitung von Sekundärluft in die Flammenzone bei nach unten brennenden Pyrolysekesseln bekannt, welche dafür eine Art Düsenplatte mit seitlichen, etwa im rechten Winkel zur Verbrennungsgasströmung angeordneten Sekundärluftöffnungen im Einmündungsbereich des in die Wirbelkammer führenden Überleitungskanals aufweist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Verbrennungsqualität von Heizkesseln und Öfen zur Verbrennung von festen Brennstoffen zu optimieren.
  • Erfindungsgemäß wurde dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßer Heizkessel dadurch, dass in die Wirbelkammer in der Nähe einer Stirnseite in Radialrichtung von außen her Verbrennungsgase und/oder Sekundärluft eintreten, und dass die Wirbelkammer an der gegenüberliegenden Stirnseite eine Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung für die Verbrennungsgase aufweist.
  • Vorteilhafterweise ist die Querschnittsverringerung symmetrisch zur Achse der Wirbelkammer gestaltet, wobei Wirbelkammer und Ausmündung für die Verbrennungsgase vorzugsweise einen zylindrischen Querschnitt besitzen. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist auch bei anderen, beispielsweise rechteckigen Geometrien gegeben.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchmesser der Ausmündung für die Verbrennungsgase mindestens 30 % kleiner ist als der Innendurchmesser der Wirbelkammer. Mit diesem verengten Austrittquerschnitt kommt es zu einer verstärkten Rotation der Verbrennungsgase innerhalb der Wirbelkammer, so dass die Anzahl der Rotationen, bei Betrachtung eines Stromfadens, zwischen dem Eintritt in die Wirbelkammer und dem Austritt dadurch erhöht wird. Besonders zeigt sich dieser Effekt im stromabwärtigen Bereich der Wirbelkammer, insbesondere im hinteren Drittel.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform besteht die Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung für die Verbrennungsgase aus einem an die Wirbelkammer angeformten, nach innen hervorstehenden Kragen.
  • Weiterhin kann in einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform die Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung für die Verbrennungsgase aus einer an der Wirbelkammer fixierten Blende bestehen, welche ein Kernloch besitzt. In Ergänzung dazu kann die Blende im Bereich der Ausmündung für die Verbrennungsgase verstellbar gestaltet sein und/oder mehrere radiale Leitschaufeln zur Drallerzeugung aufweisen, insbesondere um die nachgeschaltete Verbrennungsgasströmung zu beeinflussen. Auch können Blenden als separate Teile leistungsabhängig sehr gut angepasst oder ausgetauscht werden, so dass mit einem Wirbelkammer-Grundkörper unterschiedliche Feuerungsleistungen realisierbar sind.
  • Mit der Erfindung wird die Verbrennungsqualität von Heizkesseln und Öfen zur Verbrennung von festen Brennstoffen optimiert, denn es werden niedrigere Emissionswerte, insbesondere hinsichtlich unverbrannter Kohlenwasserstoffe und CO bei der Scheitholzverbrennung gewährleistet. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass die Verbrennungsgase tangential in die Wirbelkammer eintreten und dadurch in Rotation kommen. Diese wird mit dem erfindungsgemäßen Prinzip des sogenannten fluiddynamischen Rührens innerhalb der Wirbelkammer verstärkt. Besonders förderlich für diesen Effekt ist die erfindungsgemäße Strömungseinschnürung im Austrittsbereich, welche die Rotation der Verbrennungsgase verstärkt. Es ergibt sich dadurch bessere, gleichmäßigere Durchmischung der Verbrennungsgase. Somit ist die Oxidation effektiver und die Verbrennung emissionsärmer.
  • Erfindungsgemäß wird im Vergleich zu Wirbelkammer-Konzepten aus dem Stand der Technik mit etwa der Hälfte des zur Verfügung stehenden Bauraumes derselbe Vermischungseffekt erreicht. Für die funktionswichtige homogene Durchmischung der gasförmigen Medien reicht somit erfindungsgemäß zum Beispiel nur die Hälfte der Strömungs-Wegstrecke innerhalb der Wirbelkammer aus. Und dies bei gleicher oder längerer Verweilzeit der Verbrennungsgase in der Wirbelkammer.
  • Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt schematisch einen mit festen Brennstoffen befeuerten Heizkessel:
    • Fig. 1:
    in einem vertikalen Schnitt,
    Fig. 2:
    eine Wirbelkammer in einem Längsschnitt und
    Fig. 3:
    eine Wirbelkammer in einem Querschnitt.
  • Der Heizkessel besteht im Wesentlichen aus einem Heizmedium führenden Kesselkörper 1, einem Füllraum 2 für Brennstoff mit einer oberen Befüllöffnung 3, einem Brennrost 4 mit einem darunter angeordneten Aschekasten 5, einer Verbrennungsgasaustrittsöffnung 6 in eine nachgeschaltete Wirbelkammer 7 sowie einem sich anschließenden, nicht dargestellten Wärmetauscher für das Heizgas.
  • Die Wirbelkammer 7 besteht aus einem zylindrischen Raum, in den an einer Stirnseite radial von außen her Verbrennungsgase und/oder Sekundärluft eintreten. An der gegenüberliegenden Stirnseite weist die Wirbelkammer 7 eine Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung 8 für die Verbrennungsgase auf, welche symmetrisch zur Achse der Wirbelkammer 7 gestaltet ist und einen zylindrischen Querschnitt besitzen.
  • Gemäß Fig. 2 und Fig, 3 besteht die dargestellte Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung 8 für die Verbrennungsgase aus einem an die umgebende Wand der Wirbelkammer 7 angeformten, nach innen hervorstehenden Kragen 9. Dieser kann auch durch eine Blende 10 ersetzt werden.

Claims (8)

  1. Heizkessel zur Verbrennung von festen Brennstoffen, mit einem Heizmedium führenden Kesselkörper (1), einem Füllraum (2) für Brennstoff mit einer oberen oder seitlichen Befüllöffnung (3), einem Brennrost (4) mit einem darunter angeordnetem Aschekasten (5), einer Primärluftzuführung im Bereich des Füllraumes, einer Verbrennungsgasaustrittsöffnung (6) in eine nachgeschaltete Wirbelkammer (7) sowie mit einem sich anschließenden Wärmetauscher für das Heizgas,
    dadurch gekennzeichnet, dass in die Wirbelkammer (7) in der Nähe einer Stirnseite in Radialrichtung von außen her Verbrennungsgase und/oder Sekundärluft eintreten, und dass die Wirbelkammer (7) an der gegenüberliegenden Stirnseite eine Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung (8) für die Verbrennungsgase aufweist.
  2. Heizkessel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung symmetrisch zur Achse der Wirbelkammer (7) gestaltet ist.
  3. Heizkessel nach den Ansprüchen 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass Wirbelkammer (7) und Ausmündung (8) für die Verbrennungsgase einen zylindrischen Querschnitt besitzen.
  4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Ausmündung (8) für die Verbrennungsgase mindestens 30 % kleiner ist als der Innendurchmesser der Wirbelkammer (7).
  5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung (8) für die Verbrennungsgase aus einem an die Wirbelkammer (7) angeformten, nach innen hervorstehenden Kragen (9) besteht.
  6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung im Bereich der Ausmündung (8) für die Verbrennungsgase aus einer an der Wirbelkammer (7) fixierten Blende (10) besteht, welche ein Kernloch besitzt.
  7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (10) im Bereich der Ausmündung (8) für die Verbrennungsgase verstellbar ist.
  8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (10) im Bereich der Ausmündung (8) für die Verbrennungsgase mehrere radiale Leitschaufeln zur Drallerzeugung aufweist.
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