EP3425274A1 - Heizeinrichtung - Google Patents

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EP3425274A1
EP3425274A1 EP18178604.7A EP18178604A EP3425274A1 EP 3425274 A1 EP3425274 A1 EP 3425274A1 EP 18178604 A EP18178604 A EP 18178604A EP 3425274 A1 EP3425274 A1 EP 3425274A1
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EP
European Patent Office
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heater head
heating device
heat engine
heater
region
Prior art date
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Application number
EP18178604.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3425274B1 (de
Inventor
Herbert Ortner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oekofen Forschungs und Entwicklungs GmbH
Original Assignee
Oekofen Forschungs und Entwicklungs GmbH
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Publication date
Application filed by Oekofen Forschungs und Entwicklungs GmbH filed Critical Oekofen Forschungs und Entwicklungs GmbH
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Priority to RS20200489A priority patent/RS60206B1/sr
Publication of EP3425274A1 publication Critical patent/EP3425274A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B80/00—Combustion apparatus characterised by means creating a distinct flow path for flue gases or for non-combusted gases given off by the fuel
    • 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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0024—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for combustion apparatus, e.g. for boilers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0026—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for combustion engines, e.g. for gas turbines or for Stirling engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers

Definitions

  • the invention relates to a heating device, in particular a heating boiler, with a combustion chamber for combustion of solid fuel, in particular biomass, and a flame tube whose inflow region faces the combustion chamber for flue gases released from combustion and whose outflow region faces a subsequent outlet region for removing the flue gases
  • a heater head thermally coupled to the high temperature region of a heat engine for converting heat energy of a working gas into mechanical energy is disposed in the outflow region having a jacket surface tapering in the direction of the inflow region and surrounded by an inflow unit defining the outflow region with an inner surface facing the heater head is, whose light cross-section widens in the direction of the exit region, and between the lateral surface of the heater head and the inner surface of the Anströmaji an annular gap f r the outflowing flue gases is formed, according to the preamble of claim. 1
  • Such heaters are known for example from the applicant's AT 513,734 and serve to heat a medium for use as hot water or for heating purposes by means of the combustion of a solid fuel.
  • an additionally arranged heat engine such as a Stirling engine
  • a conversion of heat into kinetic energy can be made.
  • a closed working gas such as air, helium or hydrogen is heated externally in a first region, the so-called high temperature region, and cooled in a second region.
  • the working gas expands in the heated cylinder space and contracts again in the cold cylinder, resulting in usable mechanical work.
  • This kinetic energy can be subsequently converted by an electric generator into electrical energy.
  • the increasing contamination, in particular of the lateral surface of the heater head and the inner surface of the Anströmaji also causes the speed of the induced draft fan, with which the flue gases are sucked off, must be adjusted in order to prevent deterioration of the thermal performance of the heater.
  • the inflow unit surrounding the heater head can be formed, for example, by an inner jacket surface of the flame tube, or by its own structural unit, for example through the inner jacket surface of a tube arranged in the outflow region of the flame tube, which surrounds the heater head and its inner jacket surface slightly from the jacket face of the heater head is spaced.
  • the flue gases are guided by means of a suction, which is arranged approximately downstream in the flue gas duct.
  • the intake draft speed of this intake must be increased with increasing deposits in the annular gap in order to optimize the combustion To ensure pressure conditions in the combustion chamber and the flame tube up to the outflow area.
  • the required power increase of the induced draft fan deteriorates again the efficiency of the system.
  • cleaning devices have been proposed, for example in the form of cleaning nozzles, which are directed onto the surface of the heater head and / or the inner surface of the inflow unit surrounding the heater head and through which a cleaning fluid (for example compressed air) is introduced in order to remove particle deposits.
  • the cleaning nozzles allow easy cleaning of the heater head and / or the Anströmaji, but usually only incomplete cleaning, so frequent cleaning with short cleaning intervals between each cleaning operations is to make.
  • the cleaning of the heater deposits in particular in the annular gap between the lateral surface of the heater head and the inner surface of the Anströmaji thus increases the maintenance of the heater.
  • the cleaning fluid must be introduced under pressure, which also causes an energy expenditure, which reduces the efficiency of the entire system.
  • the object of the present invention is therefore to provide a heater in which an efficient transfer of the heat of combustion of solid fuels to the high-temperature part of a heat engine, such as the heater head of a Stirling engine, is possible.
  • a heat engine such as the heater head of a Stirling engine.
  • the deposition of combustion particles on flown surfaces, in particular those components which serve to transfer heat, should be reduced. On the one hand, this should result in a more efficient use of the heat of combustion for the conversion into mechanical energy and an improved one Efficiency of the system lead, and on the other hand allow a reduction in maintenance.
  • Claim 1 relates to a heating device, in particular a boiler, with a combustion chamber for combustion of solid fuel, in particular biomass, and a flame tube, the inflow for combustion liberated flue gases facing the combustion chamber and its outflow area a subsequent exit region for the removal of flue gases is facing, wherein a thermally coupled to the high temperature region of a heat engine for converting heat energy of a working gas into mechanical energy heater head is disposed in the outflow, which has a tapered in the direction of Einström Suitees lateral surface and of a Ausström Scheme limiting Anströmmati with the heater head facing inner surface is surrounded, whose light cross section widens in the direction of the exit region, and between the lateral surface of the heater head and the inner surface of the Anströmech an annular gap is formed for the outflowing flue gases.
  • an adjusting mechanism which alters the relative positioning of the heater head to the inflow unit is provided, as well as a control and regulation unit for the adjustment mechanism with which the clear cross section of the annular gap formed between the jacket surface of the heater head and the inflow unit inner surface is controllably changeable , wherein the control and regulation unit for the adjustment of a cleaning mode, in which the control unit controls a predetermined adjustment of the adjustment, in an operating mode in which the control unit regulates the adjustment mechanism performance optimized, is switchable.
  • the cleaning of the lateral surface of the heater head and the inner surface of the Anströmaji is thus achieved according to the invention via a movement of the heater head relative to the Anströmaji.
  • the heater head of the heat engine in a certain positioning relative to the oncoming unit is firmly mounted and allowed in the mounted state no mobility relative to the Anströmech more.
  • the heater head is moved by means of an adjusting mechanism and a corresponding control and regulating unit relative to the inflow to change in this way the clear cross-section of formed between the lateral surface of the heater head and the inner surface of the Anströmaji annular gap, in particular via physical contact of the lateral surface the heater head with the oncoming unit.
  • the change in the annular gap cross section causes a change in the flow velocity of the flue gases.
  • the mobility of the heater head according to the invention relative to the inflow unit also allows an improved operation of the heating system.
  • the increasing contamination, in particular of the annular gap between the lateral surface of the heater head and the inner surface of the Flow unit that the speed of the induced draft fan, with which the flue gases are sucked off, must be adjusted in order to prevent a deterioration of the thermal performance of the heater.
  • the intake speed of this intake must be increased with increasing deposits in the annular gap in order to ensure the optimal combustion conditions for pressure in the combustion chamber and the flame tube up to the outflow area.
  • the invention further proposes that the control and regulation unit for the adjustment of a cleaning mode in which the control unit controls a predetermined adjustment of the adjustment, in an operating mode in which the control unit regulates the adjustment mechanism performance optimized, switchable is.
  • the cleaning mode is assumed, in which the control and regulation unit controls a predetermined adjustment path of the adjustment mechanism.
  • This adjustment can be chosen approximately so that starting from a current positioning of the heater head, the heater head is moved so that a minimum distance between the heater head and Anströmech is taken up to the physical contact of the heater head with the Anströmech. Thereafter, the heater head can be moved so that a maximum distance between the heater head and Anströmech is taken. After reaching the maximum spacing, the control unit can be switched back to the operating mode, in which the adjustment mechanism is regulated performance optimized.
  • Such a performance-optimized control can be accomplished, for example, by pressure sensors in the combustion chamber of the heater measure the pressure conditions and transmit this data to the control and regulating unit, which positions the heater head relative to the Anströmaji so that the annular gap cross-section occupies a suitable for optimum operation of the heater value ,
  • a preferred embodiment of the adjusting mechanism provides that the adjusting mechanism is designed as a lifting and lowering device which moves the heater head and / or the inflow unit in the axial direction of the flame tube. Due to the jacket face of the heater head, which tapers in the direction of the inflow region, and the clear cross section of the inflow unit that widens in the direction of the exit region, the clear cross section of the annular gap between the heater head and the inflow unit is changed during a relative axial movement between the heater head and the inflow unit.
  • the heater head is moved by attaching the lifting and lowering device to the housing of the heat engine and kinematically coupling the heater head to the housing.
  • the heater head constitutes a part of the heat engine that is outside a housing of the heat engine to be exposed to heat. It carries the heat to the high temperature area of the heat engine, which is inside the housing. Regardless of the specific embodiment of the attachment of the heater head to the heat engine, it is kinematically coupled to the housing of the heat engine, so that movements of the housing transferred directly to the heater head. If the lifting and lowering device is attached to the housing, thus not only the housing of the heat engine is lifted and lowered, but also the heater head via the kinematic coupling.
  • the lifting and lowering device is preferably arranged on the side facing away from the flame tube of a top surface of the heating device arranged above the flame tube.
  • the lifting and lowering device is thus located in a region of the heater, which is little loaded in terms of temperature, whereby the arrangement and design of the lifting and lowering device is facilitated.
  • the lifting and lowering device may comprise approximately an axial guide for the housing of the heat engine, and via a motor-operated pivot arms which are fixed to the housing.
  • the heat engine is arranged via an elastic seal in a breakthrough of a top surface of the heater, wherein the elasticity of the seal allows an axial displacement of the attached to the heat engine heater head of at least 1 cm.
  • the housing of the heat engine is located above this top surface, and the heater head below the top surface in the outflow of the flame tube.
  • the elastic seal may in particular be designed as a sealing ring, which is arranged in the opening of the top surface and on which the housing of the heat engine is arranged.
  • two contact switches delimiting the axial adjustment path of the heater head are provided, which are each formed from a stationary contact part and a contact part moving together with the housing of the heat engine, an upper stationary contact part moving in physical contact with an upper one Contact part defines an uppermost position of the heater head and a lower stationary contact part in physical contact with a lower moving contact part defines a lowermost position of the heater head.
  • end positions of the adjustment can be defined, which can be used for example in the context of the predetermined adjustment path in the cleaning mode.
  • the lowest position of the heater head can first be approached, in which the lower stationary contact part touches the lower moving contact part.
  • the contact thus produced signals the control unit to reach the lowest position.
  • the adjusting mechanism is controlled by the control and regulation unit so that an uppermost position of the heater head is approached, wherein the upper stationary contact part touches the upper moving contact part.
  • the contact thus produced signals the control unit to reach the uppermost position.
  • the control unit then switches back to the operating mode in which a performance-optimized control of the positioning of the heater head takes place, for example on the basis of the measured values of pressure sensors in the combustion chamber and / or other sensors.
  • the heater head and the inflow unit are configured such that the inner surface of the Anströmech frusto-conical and arranged in the Ausström Scheme lateral surface of the heater head are conical, wherein the inner surface of the Anströmech and the heater head are each arranged coaxially to the flame tube.
  • the outflow region of the flame tube which is formed by the inner and outer vicinity of the outlet opening of the flame tube, there is usually a largely laminar flow of the flue gases.
  • the conical design of the heater head and the frusto-conical design of the inflow unit maintains an approximately laminar flow of flue gases so that turbulence that would cause heat transfer degradation and depletion enhancement can be avoided. Both leads to an effective heat transfer to the high temperature region of the heat engine.
  • the heater is designed for the combustion of free-flowing fuel, preferably as a pellet boiler or pellet stove, and may be in the form of a boiler, as part of a heating system, central heating and / or buffer memory.
  • a generic heating device has been described in Applicant's AT 513,734 described.
  • a burning plate is arranged, to which the solid fuel is supplied approximately in the form of free-flowing or pourable fuel (eg pellets) during the combustion process.
  • the ash collects and is transported by an ash slug into the ash container.
  • the combustion chamber has a lateral opening, can be promoted via the pourable combustible material by means of a conveyor to the burning plate.
  • the conveyor may be about an automatically controlled auger.
  • a flame tube 1 (see Fig. 1 ) arranged vertically, whose inflow area in the Fig. 1 not apparent combustion chamber faces and opens into the combustion chamber.
  • the flame tube 1 is made of appropriate thickness and of a thermally insulating material, preferably ceramic material or (fire) concrete.
  • the flue gases escape in an outflow region of the flame tube 1 bounded by an inflow unit 6 in an approximately laminar flow and pass via an outlet region into a subsequent flue gas channel, via which they are removed from the heating device.
  • the flame tube 1 and sections of the flue gas channel are surrounded by liquid-filled, in particular water-filled spaces. In these rooms is the medium to be heated for heating purposes or for use as hot water.
  • a heater head 3 is arranged, which is thermally coupled to the high-temperature region of the heat engine 4, preferably a Stirling engine.
  • the heater head 3 has a jacket surface for the flue gas, which is directed onto the flame tube 1 and which tapers in the direction of the inflow region of the flame tube 1, that is, against the flow direction of the flue gas. In the illustrated embodiment according to Fig. 1 this lateral surface is conical.
  • the heater head 3 is about formed from a solid metal block, preferably a copper block, and attached to a base portion 5 of the heat engine 4. This embodiment is particularly advantageous if the base section 5 is already integrated as standard on the Stirling engine.
  • the outflow region of the flame tube 1 is bounded by the inflow unit 6 with an inner surface facing the heater head 3, the clear cross section of which widens in the direction of the exit region for the flue gases, so that an annular gap 2 between the outer surface of the heater head 3 and the inner surface of the inflow unit 6 outgoing flue gases is formed.
  • the inner surface of the inflow unit 6 is frusto-conical and surrounds the conical heating head 3.
  • the exit region for the flue gases is limited in its upper region, ie in the axial extension of the flame tube 1, by a cover surface 7.
  • the heat engine 4 is arranged in a breakthrough of the top surface 7, wherein the housing 8 of the heat engine 4 is located on the side facing away from the flame tube 1 of the top surface 7.
  • the heater head 3 is located below the top surface 7 in the outflow region of the flame tube 1.
  • the top surface 7 is made of a thermally resistant material.
  • the heat engine 4 is connected via an elastic seal 9, which in the embodiment of Fig. 1 and 2 is designed as an elastic silicone gasket, arranged in the opening of the top surface 7, wherein the elasticity of the seal 9 allows an axial displacement of the heat engine 4 fixed to the heater head 3 of up to 4 cm.
  • a lifting and lowering device 10 is further arranged, via which the heat engine 4 and thus the heater head 3 can be raised and lowered. This way will an axial displacement of the heater head 3 accomplished by several centimeters.
  • the elastic seal 9 is compressed during lowering of the housing 8 and slightly stretched when lifting.
  • the lifting and lowering device 10 includes a motor 11 with which a threaded spindle 12 can be rotated.
  • the threaded spindle 12 is engaged with a threaded bushing 22 which is non-rotatable about its threaded spindle parallel to the threaded spindle 12, but is rotatably mounted about a horizontal axis on a first pivot arm 13a.
  • the threaded bushing 22 is thus moved axially along the threaded spindle 12, as soon as the threaded spindle 12 is rotated by the motor 11, since it is rotatably mounted about its parallel to the threaded spindle 12 thread axis on the first pivot arm 13 a, wherein the axial movement of the threaded bushing 22 in a Pivoting movement of the first pivot arm 13 a is converted to a shaft 14.
  • the rotatable about a horizontal axis support of the threaded bushing 22 on the first pivot arm 13a compensates for the pivot angle of the first pivot arm 13a, also traverses the threaded spindle 12 an elongated opening in the first pivot arm 13a, to sufficient movement of the threaded spindle 12 relative to the first pivot arm 13a to care.
  • the pivoting movement of the first pivot arm 13a is transmitted to a second pivot arm 13b, which is arranged on an opposite side of the housing 8.
  • the first pivot arm 13 a and the second pivot arm 13 b carry a suspension 15, which is attached via rubber buffers 21 at an upper portion of the housing 8 of the heat engine 4.
  • a support frame 16 is fixed, which is guided via sliding bushes 17 in an axial guide 18 formed by vertical guide rods.
  • the support frame 16 provides with the axial guide 18 exclusively axial movement - usually in the vertical direction - the heat engine 4 safe, the rubber buffers 21 from the axial direction deviating motion forces exerted by the pivot arms 13 on the housing 8, cushion.
  • Two contact switches 19, 20 limiting the axial displacement path of the heater head are also provided on the second pivot arm 13b, each of which is formed by a stationary contact part 19a, 20a and a contact part 19b, 20b moving with the second pivot arm 13b and thus the housing 8 of the heat engine 4 wherein an upper stationary contact part 19a in physical contact with an upper moving contact part 19b defines an uppermost position of the heater head 3 and a lower unmoved contact part 20a in physical contact with a lower moving contact part 20b defines a lowermost position of the heater head 3.
  • the electrical contact of the control unit thus produced signals the reaching of the uppermost position.
  • the annular gap 2 is regulated so that the thermal performance of the heater and thus the overall efficiency of the system is optimized.
  • the control unit of the heater switches to a cleaning mode in which, starting from a current positioning of the heater head 3, the heater head 3 is moved so that a minimum distance between the heater head 3 and Anströmech 6 is taken up to the physical contact of the heater head 3 with the Anströmech 6.
  • This lowermost position of the heater head 3 is ensured by physical contact of the lower contact switch 20, which reliably prevents a further downward movement of the heater head 3 in order to avoid damage.
  • Already formed Ruß stipulaten between the inner surface of the Anströmaji 6 and the heater head 3 can be destroyed in this downward movement and deposits are relaxed. In physical contact between the heater head 3 and the inner surface of the Anströmech 6 also deposits can be knocked off and scraped.
  • the heater head 3 is moved so that a maximum distance between the heater head 3 and approach unit 6 is taken. This uppermost position of the heater head 3 is detected by physical contact of the upper contact switch 19, which stops further upward movement of the heater head 3. After reaching the maximum spacing, the control and regulation unit switches back to the operating mode, in which the adjustment mechanism is regulated with optimized performance.

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Abstract

Heizeinrichtung mit einem Brennraum zur Verbrennung von festem Brennstoff sowie einem Flammrohr (1), dessen Einströmbereich dem Brennraum zugewandt ist und dessen Ausströmbereich einem anschließenden Austrittsbereich zur Abfuhr der Rauchgase zugewandt ist, wobei ein mit einer Wärmekraftmaschine (4) verbundener Erhitzerkopf (3) im Ausströmbereich angeordnet ist, der eine sich in Richtung des Einströmbereiches verjüngende Mantelfläche aufweist und von einer den Ausströmbereich begrenzenden Anströmeinheit (6) umgeben ist, deren lichter Querschnitt sich in Richtung des Austrittsbereiches erweitert, und zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes (3) und der Innenfläche der Anströmeinheit (6) ein Ringspalt (2) für die ausströmenden Rauchgase gebildet wird. Es wird vorgeschlagen, dass eine die relative Positionierung des Erhitzerkopfes (3) zur Anströmeinheit (6) verändernde Verstellmechanik vorgesehen ist, sowie eine Steuer- und Regeleinheit für die Verstellmechanik, mit der der lichte Querschnitt des zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes (3) und der Innenfläche der Anströmeinheit (6) ausgebildeten Ringspalts (2) steuerbar veränderbar ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung, insbesondere Heizkessel, mit einem Brennraum zur Verbrennung von festem Brennstoff, insbesondere Biomasse, sowie einem Flammrohr, dessen Einströmbereich für aus der Verbrennung freigesetzte Rauchgase dem Brennraum zugewandt ist und dessen Ausströmbereich einem anschließenden Austrittsbereich zur Abfuhr der Rauchgase zugewandt ist, wobei ein mit dem Hochtemperaturbereich einer Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von Wärmeenergie eines Arbeitsgases in mechanische Energie thermisch gekoppelter Erhitzerkopf im Ausströmbereich angeordnet ist, der eine sich in Richtung des Einströmbereiches verjüngende Mantelfläche aufweist und von einer den Ausströmbereich begrenzenden Anströmeinheit mit einer dem Erhitzerkopf zugewandten Innenfläche umgeben ist, deren lichter Querschnitt sich in Richtung des Austrittsbereiches erweitert, und zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit ein Ringspalt für die ausströmenden Rauchgase gebildet wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Derartige Heizeinrichtungen sind etwa aus der AT 513.734 der Anmelderin bekannt und dienen der Erwärmung eines Mediums zur Nutzung als Warmwasser oder zu Heizzwecken mithilfe der Verbrennung eines festen Brennstoffes. Mithilfe einer zusätzlich angeordneten Wärmekraftmaschine, etwa einem Stirlingmotor, kann auch eine Umwandlung von Wärme in Bewegungsenergie vorgenommen werden. In einer Wärmekraftmaschine wird ein abgeschlossenes Arbeitsgas wie beispielsweise Luft, Helium oder Wasserstoff von außen in einem ersten Bereich, dem so genannten Hochtemperaturbereich, erhitzt, und in einem zweiten Bereich gekühlt. Das Arbeitsgas dehnt sich dabei im erwärmten Zylinderraum aus und zieht sich im kalten Zylinder wieder zusammen, wobei nutzbare mechanische Arbeit entsteht. Diese Bewegungsenergie kann in weiterer Folge durch einen elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.
  • Beim Einsatz von Stirlingmotoren ergeben sich bei der Verbrennung von festem Brennmaterial, insbesondere Biomasse, hinsichtlich der Übertragung von Verbrennungswärme auf den Hochtemperaturbereich jedoch mitunter Probleme, und zwar nicht nur wegen der unterschiedlichen Temperatur der Rauchgase, sondern insbesondere auch wegen der im Rauchgas enthaltenen Verbrennungspartikel, die im Laufe der Zeit Ablagerungen an allen angeströmten Komponenten verursachen. Die abgelagerten Partikel verhindern einen effizienten Wärmetransfer zum Hochtemperaturbereich der Wärmekraftmaschine. Es wird vermutet, dass die im Rauchgas enthaltenen Partikel eine thermisch isolierende Schicht sowohl innerhalb der Strömung, als auch in Form der erwähnten Ablagerungen bilden. Diese Ablagerungen bewirken daher eine zunehmend ineffiziente Übertragung von Verbrennungswärme auf den Hochtemperaturbereich und verschlechtern daher den Wirkungsgrad der Anlage.
  • Die zunehmende Verschmutzung insbesondere der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit bewirkt zudem, dass die Drehzahl des Saugzugventilators, mit dem die Rauchgase abgesaugt werden, angepasst werden muss, um eine Verschlechterung der thermischen Leistung der Heizeinrichtung hintanzuhalten. Die den Erhitzerkopf umgebende Anströmeinheit kann etwa durch eine innere Mantelfläche des Flammrohres gebildet werden, oder durch eine eigene bauliche Einheit, beispielsweise durch die innere Mantelfläche eines im Ausströmbereich des Flammrohres angeordneten Rohres, das den Erhitzerkopf umgibt und dessen innere Mantelfläche von der Mantelfläche des Erhitzerkopfes geringfügig beabstandet ist. Durch den zwischen der Innenfläche der Anströmeinheit und der Mantelfläche des Erhitzerkopfes gebildeten Ringspalt werden die Rauchgase mithilfe einer Ansaugung, die etwa stromabwärts im Rauchgaskanal angeordnet ist, geführt. Die Saugzugdrehzahl dieser Ansaugung muss bei zunehmenden Ablagerungen im Ringspalt erhöht werden, um die für die Verbrennung optimalen Druckverhältnisse im Brennraum und dem Flammrohr bis in den Ausströmbereich sicherzustellen. Die erforderliche Leistungserhöhung des Saugzugventilators verschlechtert aber wiederum den Wirkungsgrad der Anlage.
  • Diese Ablagerungen müssen daher regelmäßig entfernt werden. Hierfür wurden Reinigungsvorrichtungen vorgeschlagen, etwa in Form von Reinigungsdüsen, die auf die Mantelfläche des Erhitzerkopfes und/oder die Innenfläche der den Erhitzerkopf umgebenden Anströmeinheit gerichtet sind und über die ein Reinigungsfluid (z.B. Druckluft) eingebracht wird, um Partikelablagerungen zu entfernen. Die Reinigungsdüsen erlauben eine einfache Reinigung des Erhitzerkopfes und/oder der Anströmeinheit, jedoch in der Regel nur eine unvollständige Reinigung, sodass eine häufige Reinigung mit kurzen Reinigungsintervallen zwischen den einzelnen Reinigungsvorgängen vorzunehmen ist. Die Reinigung der Heizeinrichtung von Ablagerungen insbesondere im Ringspalt zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit erhöht somit den Wartungsaufwand für die Heizeinrichtung. Zudem muss das Reinigungsfluid unter Druck eingebracht werden, was ebenfalls einen Energieaufwand bewirkt, der den Wirkungsgrad der Gesamtanlage verringert.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin eine Heizeinrichtung bereitzustellen, bei der eine effiziente Übertragung der Verbrennungswärme fester Brennstoffe auf den Hochtemperaturteil einer Wärmekraftmaschine, etwa den Erhitzerkopf eines Stirlingmotors, möglich ist. Die Ablagerung von Verbrennungspartikeln an angeströmten Flächen, insbesondere an jenen Komponenten, die der Wärmeübertragung dienen, soll dabei vermindert werden. Dies soll einerseits zu einer effizienteren Nutzung der Verbrennungswärme für die Umwandlung in mechanische Energie und einem verbesserten Wirkungsgrad der Anlage führen, und andererseits eine Verringerung des Wartungsaufwandes ermöglichen.
  • Dieses Ziel wird mithilfe der Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich dabei auf eine Heizeinrichtung, insbesondere Heizkessel, mit einem Brennraum zur Verbrennung von festem Brennstoff, insbesondere Biomasse, sowie einem Flammrohr, dessen Einströmbereich für aus der Verbrennung freigesetzte Rauchgase dem Brennraum zugewandt ist und dessen Ausströmbereich einem anschließenden Austrittsbereich zur Abfuhr der Rauchgase zugewandt ist, wobei ein mit dem Hochtemperaturbereich einer Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von Wärmeenergie eines Arbeitsgases in mechanische Energie thermisch gekoppelter Erhitzerkopf im Ausströmbereich angeordnet ist, der eine sich in Richtung des Einströmbereiches verjüngende Mantelfläche aufweist und von einer den Ausströmbereich begrenzenden Anströmeinheit mit einer dem Erhitzerkopf zugewandten Innenfläche umgeben ist, deren lichter Querschnitt sich in Richtung des Austrittsbereiches erweitert, und zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit ein Ringspalt für die ausströmenden Rauchgase gebildet wird. Erfindungsgemäß wird hierbei vorgeschlagen, dass eine die relative Positionierung des Erhitzerkopfes zur Anströmeinheit verändernde Verstellmechanik vorgesehen ist, sowie eine Steuer- und Regeleinheit für die Verstellmechanik, mit der der lichte Querschnitt des zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit ausgebildeten Ringspalts steuerbar veränderbar ist, wobei die Steuer- und Regeleinheit für die Verstellmechanik von einem Reinigungsmodus, in der die Steuer- und Regeleinheit einen vorgegebenen Verstellweg der Verstellmechanik steuert, in einen Betriebsmodus, in der die Steuer- und Regeleinheit die Verstellmechanik leistungsoptimiert regelt, schaltbar ist.
  • Die Reinigung der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit wird erfindungsgemäß somit über eine Bewegung des Erhitzerkopfes relativ zur Anströmeinheit erzielt. In herkömmlicher Weise wird der Erhitzerkopf der Wärmekraftmaschine in einer bestimmten Positionierung gegenüber der Anströmeinheit fest montiert und im montierten Zustand keine Beweglichkeit relativ zur Anströmeinheit mehr zugelassen. Erfindungsgemäß wird der Erhitzerkopf hingegen mithilfe einer Verstellmechanik und einer entsprechenden Steuer- und Regeleinheit relativ zur Anströmeinheit bewegt, um auf diese Weise den lichten Querschnitt des zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit ausgebildeten Ringspalts zu verändern, insbesondere auch über physischen Kontakt der Mantelfläche des Erhitzerkopfes mit der Anströmeinheit. Die Veränderung des Ringspaltquerschnitts bewirkt dabei eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase. Je kleiner der Ringspaltquerschnitt, also die Beabstandung des Erhitzerkopfs von der Anströmeinheit, gewählt wird, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase und desto besser ist auch die Mitnahme bereits abgelagerter Rauchgaspartikel. Auch bereits gebildete Rußbrücken zwischen der Innenfläche der Anströmeinheit und dem Erhitzerkopf können auf diese Weise zerstört und Ablagerungen gelockert werden. Bei einem physischen Kontakt zwischen dem Erhitzerkopf und der Innenfläche der Anströmeinheit können außerdem Ablagerungen abgeschlagen und abgeschabt werden.
  • Über die bewegliche Positionierung des Erhitzerkopfes relativ zur Anströmeinheit können Ablagerungen somit einfach und effektiv entfernt werden. Die erfindungsgemäße Beweglichkeit des Erhitzerkopfs relativ zur Anströmeinheit ermöglicht aber darüber hinaus noch eine verbesserte Betriebsführung der Heizanlage. Wie bereits ausgeführt wurde bewirkt die zunehmende Verschmutzung insbesondere des Ringspalts zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes und der Innenfläche der Anströmeinheit, dass die Drehzahl des Saugzugventilators, mit dem die Rauchgase abgesaugt werden, angepasst werden muss, um eine Verschlechterung der thermischen Leistung der Heizeinrichtung hintanzuhalten. Die Saugzugdrehzahl dieser Ansaugung muss bei zunehmenden Ablagerungen im Ringspalt erhöht werden, um die für die Verbrennung optimalen Druckverhältnisse im Brennraum und dem Flammrohr bis in den Ausströmbereich sicherzustellen. Die erforderliche elektrische Leistungserhöhung des Saugzugventilators verschlechtert aber wiederum den Wirkungsgrad der Anlage. Über eine Veränderung des Ringspaltquerschnitts können der Saugdruck und somit die Druckverhältnisse im Brennraum bei gleichbleibender Saugzugdrehzahl ebenfalls verändert werden. Auf diese Weise können durch eine Veränderung des Ringspaltquerschnitts Leistungsoptimierungen der Heizeinrichtung vorgenommen werden. Daher wird erfindungsgemäß ferner vorgeschlagen, dass die Steuer- und Regeleinheit für die Verstellmechanik von einem Reinigungsmodus, in der die Steuer- und Regeleinheit einen vorgegebenen Verstellweg der Verstellmechanik steuert, in einen Betriebsmodus, in der die Steuer- und Regeleinheit die Verstellmechanik leistungsoptimiert regelt, schaltbar ist. Auf diese Weise kann etwa vorgesehen sein, dass in vorbestimmten Intervallen, etwa nach jeder Saugbefüllung des Brennraumes, der Reinigungsmodus eingenommen wird, bei dem die Steuer- und Regeleinheit einen vorgegebenen Verstellweg der Verstellmechanik steuert. Dieser Verstellweg kann etwa so gewählt werden, dass ausgehend von einer aktuellen Positionierung des Erhitzerkopfes der Erhitzerkopf so bewegt wird, dass ein minimaler Abstand zwischen Erhitzerkopf und Anströmeinheit bis zum physischen Kontakt des Erhitzerkopfes mit der Anströmeinheit eingenommen wird. Daraufhin kann der Erhitzerkopf so bewegt werden, dass ein maximaler Abstand zwischen Erhitzerkopf und Anströmeinheit eingenommen wird. Nach Erreichen der maximalen Beabstandung kann die Steuer- und Regeleinheit wieder in den Betriebsmodus geschaltet werden, bei dem die Verstellmechanik leistungsoptimiert geregelt wird. Eine solche leistungsoptimierte Regelung kann etwa bewerkstelligt werden, indem Drucksensoren im Brennraum der Heizeinrichtung die Druckverhältnisse messen und diese Daten der Steuer- und Regeleinheit übermitteln, die den Erhitzerkopf gegenüber der Anströmeinheit so positioniert, dass der Ringspaltquerschnitt einen für einen optimalen Betrieb der Heizeinrichtung geeigneten Wert einnimmt.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Verstellmechanik sieht vor, dass die Verstellmechanik als eine den Erhitzerkopf und/oder die Anströmeinheit in axialer Richtung des Flammrohres bewegende Hebe- und Senkeinrichtung ausgeführt ist. Aufgrund der sich in Richtung des Einströmbereiches verjüngenden Mantelfläche des Erhitzerkopfes und des sich in Richtung des Austrittsbereiches erweiternden lichten Querschnitts der Anströmeinheit wird der lichte Querschnitt des Ringspalts zwischen dem Erhitzerkopf und der Anströmeinheit bei einer relativen Axialbewegung zwischen dem Erhitzerkopf und der Anströmeinheit verändert.
  • Vorzugsweise wird der Erhitzerkopf bewegt, indem die Hebe- und Senkeinrichtung am Gehäuse der Wärmekraftmaschine befestigt ist und der Erhitzerkopf kinematisch mit dem Gehäuse gekoppelt ist. Wie bereits ausgeführt wurde stellt der Erhitzerkopf einen Teil der Wärmekraftmaschine dar, der sich außerhalb eines Gehäuses der Wärmekraftmaschine befindet, um mit Wärme beaufschlagt zu werden. Er führt die Wärme zum Hochtemperaturbereich der Wärmekraftmaschine, der sich innerhalb des Gehäuses befindet. Unabhängig von der konkreten Ausführung der Befestigung des Erhitzerkopfes an der Wärmekraftmaschine ist er doch kinematisch mit dem Gehäuse der Wärmekraftmaschine gekoppelt, sodass sich Bewegungen des Gehäuses unmittelbar auf den Erhitzerkopf übertragen. Falls die Hebe- und Senkeinrichtung am Gehäuse befestigt ist, wird somit nicht nur das Gehäuse der Wärmekraftmaschine gehoben und abgesenkt, sondern über die kinematische Kopplung auch der Erhitzerkopf.
  • Die Hebe- und Senkeinrichtung ist vorzugsweise auf der dem Flammrohr abgewandten Seite einer oberhalb des Flammrohres angeordneten Deckfläche der Heizeinrichtung angeordnet. Die Hebe- und Senkeinrichtung befindet sich somit in einem Bereich der Heizeinrichtung, der temperaturmäßig wenig belastet ist, wodurch die Anordnung und Ausführung der Hebe- und Senkeinrichtung erleichtert wird.
  • Die Hebe- und Senkeinrichtung kann etwa eine axiale Führung für das Gehäuse der Wärmekraftmaschine umfassen, sowie über einen Motor betätigte Schwenkarme, die am Gehäuse befestigt sind.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Wärmekraftmaschine über eine elastische Dichtung in einem Durchbruch einer Deckfläche der Heizeinrichtung angeordnet ist, wobei die Elastizität der Dichtung einen axialen Verstellweg des an der Wärmekraftmaschine befestigten Erhitzerkopfes von mindestens 1 cm ermöglicht. Das Gehäuse der Wärmekraftmaschine befindet sich dabei oberhalb dieser Deckfläche, und der Erhitzerkopf unterhalb der Deckfläche im Ausströmbereich des Flammrohres. Die elastische Dichtung kann insbesondere als Dichtring ausgeführt sein, der im Durchbruch der Deckfläche angeordnet ist und auf dem das Gehäuse der Wärmekraftmaschine angeordnet ist. Durch die Hebe- und Senkeinrichtung wird die elastische Dichtung beim Absenken des Gehäuses komprimiert und beim Anheben leicht gedehnt. Auf diese Weise wird ein axialer Verstellweg des Erhitzerkopfs von mehreren Zentimetern ermöglicht ohne die Dichtheit der Anordnung der Wärmekraftmaschine an der Deckfläche der Heizeinrichtung zu beeinträchtigen. Ein Verstellweg von einigen wenigen Zentimetern, beispielsweise von maximal 4 cm, hat sich dabei als ausreichend erwiesen.
  • Für einen sicheren Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erforderlich, dass der Verstellweg des Erhitzerkopfes begrenzt wird. Für eine optimale Betriebssicherheit wird hierzu vorgeschlagen, dass zwei den axialen Verstellweg des Erhitzerkopfes begrenzende Kontaktschalter vorgesehen sind, die jeweils aus einem unbewegten Kontaktteil sowie einem mit dem Gehäuse der Wärmekraftmaschine mitbewegten Kontaktteil gebildet werden, wobei ein oberer unbewegter Kontaktteil bei physischem Kontakt mit einem oberen bewegten Kontaktteil eine oberste Position des Erhitzerkopfes definiert und ein unterer unbewegter Kontaktteil bei physischem Kontakt mit einem unteren bewegten Kontaktteil eine unterste Position des Erhitzerkopfes. Auf diese Weise kann zuverlässig ausgeschlossen werden, dass der Verstellweg insbesondere im Betriebsmodus maximale Werte überschreitet. Zudem können Endpositionen des Verstellweges definiert werden, die etwa im Rahmen des vorgegebenen Verstellweges im Reinigungsmodus verwendet werden können. So kann nach dem Umschalten in den Reinigungsmodus zuerst die unterste Position des Erhitzerkopfes angefahren werden, bei dem der untere unbewegte Kontaktteil den unteren bewegten Kontaktteil berührt. Der so hergestellte Kontakt signalisiert der Steuer- und Regeleinheit das Erreichen der untersten Position. Daraufhin wird im Rahmen des im Reinigungsmodus vorgegebenen Verstellweges die Verstellmechanik von der Steuer- und Regeleinheit so gesteuert, dass eine oberste Position des Erhitzerkopfes angefahren wird, bei dem der obere unbewegte Kontaktteil den oberen bewegten Kontaktteil berührt. Der so hergestellte Kontakt signalisiert der Steuer- und Regeleinheit das Erreichen der obersten Position. Die Steuer- und Regeleinheit schaltet sich daraufhin wieder in den Betriebsmodus um, bei dem eine leistungsoptimierte Regelung der Positionierung des Erhitzerkopfes erfolgt, etwa auf Basis der Messwerte von Drucksensoren im Brennraum und/oder anderer Sensoren.
  • Vorzugsweise sind der Erhitzerkopf und die Anströmeinheit so ausgeführt, dass die Innenfläche der Anströmeinheit kegelstumpfförmig und die im Ausströmbereich angeordnete Mantelfläche des Erhitzerkopfes konisch ausgeführt sind, wobei die Innenfläche der Anströmeinheit und der Erhitzerkopf jeweils koaxial zum Flammrohr angeordnet sind. Im Ausströmbereich des Flammrohres, der durch den inneren und äußeren Nahbereich der Austrittsöffnung des Flammrohres gebildet wird, besteht in der Regel eine weitestgehend laminare Strömung der Rauchgase. Durch die konische Ausführung des Erhitzerkopfes und die kegelstumpfförmige Ausführung der Anströmeinheit wird eine annähernd laminare Strömung der Rauchgase beibehalten, sodass Turbulenzen, die eine Verschlechterung des Wärmetransfers und eine Verstärkung der Ablagerungen bewirken würden, vermieden werden können. Beides führt zu einer effektiven Wärmeübertragung auf den Hochtemperaturbereich der Wärmekraftmaschine.
  • Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung auf die Verbrennung von rieselfähigem Brenngut ausgelegt, vorzugsweise als Pelletskessel bzw. Pelletsofen, und kann in Form eines Heizkessels, als Teil einer Heizungsanlage, Zentralheizung und/oder Pufferspeicher ausgebildet sein.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen die
    • Fig. 1 einen oberen Bereich einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung mit einer Ausführungsform der Anströmeinheit, des Erhitzerkopfes und der Hebe- und Senkeinrichtung für die Wärmekraftmaschine, und die
    • Fig. 2 das Gehäuse der Wärmekraftmaschine mit einer Ausführungsform der Hebe- und Senkeinrichtung.
  • Die grundlegende Funktionsweise einer gattungsgemäßen Heizeinrichtung wurde in der AT 513.734 der Anmelderin beschrieben. In einem Brennraum ist hierfür ein Brennteller angeordnet, dem das feste Brenngut etwa in Form von riesel- bzw. schüttfähigem Brenngut (z.B. Pellets) während des Verbrennungsvorganges zugeführt wird. Unterhalb des Brenntellers sammelt sich die Asche und wird von einer Ascheschnecke in den Aschebehälter befördert. Der Brennraum besitzt eine seitlich Öffnung, über die schüttfähiges Brenngut mittels einer Fördereinrichtung zum Brennteller gefördert werden kann. Die Fördereinrichtung kann etwa eine automatisch gesteuerte Förderschnecke sein.
  • Oberhalb des Brenntellers ist ein Flammrohr 1 (siehe Fig. 1) vertikal angeordnet, dessen Einströmbereich dem in der Fig. 1 nicht ersichtlichen Brennraum zugewandt ist und in den Brennraum mündet. Das Flammrohr 1 ist von entsprechender Dicke und aus einem thermisch isolierenden Material, vorzugsweise keramisches Material oder (Feuer)Beton, gefertigt. Am oberen Ende des Flammrohres 1 treten die Rauchgase in einem von einer Anströmeinheit 6 begrenzten Ausströmbereich des Flammrohres 1 in annähernd laminarer Strömung aus und gelangen über einen Austrittsbereich in einen anschließenden Rauchgaskanal, über den sie aus der Heizeinrichtung abgeführt werden. Das Flammrohr 1 und Abschnitte des Rauchgaskanals sind von flüssigkeitsgefüllten, insbesondere wassergefüllten Räumen umgeben. In diesen Räumen befindet sich das für Heizzwecke oder zur Nutzung als Warmwasser zu erwärmende Medium.
  • Im Ausströmbereich des Flammrohres 1 ist ein Erhitzerkopf 3 angeordnet, der thermisch an den Hochtemperaturbereich der Wärmekraftmaschine 4, vorzugsweise ein Stirlingmotor, gekoppelt ist. Der Erhitzerkopf 3 weist eine Mantelfläche für das Rauchgas auf, die auf das Flammrohr 1 gerichtet ist und die sich in Richtung des Einströmbereiches des Flammrohres 1, also gegen die Strömungsrichtung des Rauchgases, verjüngt. In der dargestellten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist diese Mantelfläche konisch ausgebildet. Der Erhitzerkopf 3 ist etwa aus einem massiven Metallblock, vorzugsweise einem Kupferblock, gebildet und an einem Sockelabschnitt 5 der Wärmekraftmaschine 4 befestigt. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Sockelabschnitt 5 bereits serienmäßig am Stirlingmotor integriert ist.
  • Der Ausströmbereich des Flammrohres 1 wird von der Anströmeinheit 6 mit einer dem Erhitzerkopf 3 zugewandten Innenfläche begrenzt, deren lichter Querschnitt sich in Richtung des Austrittsbereiches für die Rauchgase erweitert, sodass zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes 3 und der Innenfläche der Anströmeinheit 6 ein Ringspalt 2 für die ausströmenden Rauchgase gebildet wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Innenfläche der Anströmeinheit 6 kegelstumpfförmig ausgeführt und umgibt den konusförmig ausgeführten Erhitzerkopf 3.
  • Der Austrittsbereich für die Rauchgase wird in seinem oberen Bereich, also in axialer Verlängerung des Flammrohres 1, durch eine Deckfläche 7 begrenzt. Die Wärmekraftmaschine 4 ist in einem Durchbruch der Deckfläche 7 angeordnet, wobei sich das Gehäuse 8 der Wärmekraftmaschine 4 auf der dem Flammrohr 1 abgewandten Seite der Deckfläche 7 befindet. Der Erhitzerkopf 3 befindet sich unterhalb der Deckfläche 7 im Ausströmbereich des Flammrohres 1. Die Deckfläche 7 ist aus einem thermisch resistenten Material gefertigt. Die Wärmekraftmaschine 4 ist über eine elastische Dichtung 9, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 als elastischer Silikondichtring ausgeführt ist, im Durchbruch der Deckfläche 7 angeordnet, wobei die Elastizität der Dichtung 9 einen axialen Verstellweg des an der Wärmekraftmaschine 4 befestigten Erhitzerkopfes 3 von bis zu 4 cm ermöglicht.
  • Auf der dem Flammrohr 1 abgewandten Seite der Deckfläche 7 ist ferner eine Hebe- und Senkeinrichtung 10 angeordnet, über die die Wärmekraftmaschine 4 und somit der Erhitzerkopf 3 angehoben und abgesenkt werden können. Auf diese Weise wird ein axialer Verstellweg des Erhitzerkopfes 3 von mehreren Zentimetern bewerkstelligt. Die elastische Dichtung 9 wird dabei beim Absenken des Gehäuses 8 komprimiert und beim Anheben leicht gedehnt.
  • In weiterer Folge soll anhand der Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform der Hebe- und Senkeinrichtung 10 erläutert werden. Die Hebe- und Senkeinrichtung 10 umfasst einen Motor 11, mit dem eine Gewindespindel 12 in Drehung versetzt werden kann. Die Gewindespindel 12 steht mit einer Gewindebuchse 22 in Eingriff, die um ihre zur Gewindespindel 12 parallele Gewindeachse drehfest, aber um eine horizontale Achse drehbar an einem ersten Schwenkarm 13a gelagert ist. Die Gewindebuchse 22 wird somit axial entlang der Gewindespindel 12 bewegt, sobald die Gewindespindel 12 vom Motor 11 in Rotation versetzt wird, da sie um ihre zur Gewindespindel 12 parallele Gewindeachse drehfest am ersten Schwenkarm 13a gelagert ist, wobei die axiale Bewegung der Gewindebuchse 22 in eine Schwenkbewegung des ersten Schwenkarmes 13a um eine Welle 14 umgesetzt wird. Die um eine horizontale Achse drehbare Lagerung der Gewindebuchse 22 am ersten Schwenkarm 13a gleicht dabei den Schwenkwinkel des ersten Schwenkarmes 13a aus, zudem quert die Gewindespindel 12 eine längliche Öffnung im ersten Schwenkarm 13a, um für ausreichendes Bewegungsspiel der Gewindespindel 12 relativ zum ersten Schwenkarm 13a zu sorgen.
  • Über die Welle 14 wird die Schwenkbewegung des ersten Schwenkarmes 13a auf einen zweiten Schwenkarm 13b übertragen, der an einer gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 8 angeordnet ist. Der erste Schwenkarm 13a und der zweite Schwenkarm 13b tragen eine Aufhängung 15, die über Gummipuffer 21 an einem oberen Bereich des Gehäuses 8 der Wärmekraftmaschine 4 befestigt ist. An einem unteren Bereich des Gehäuses 8 ist ein Tragrahmen 16 befestigt, der über Gleitbuchsen 17 in einer durch vertikale Führungsstäbe gebildeten axialen Führung 18 geführt ist. Der Tragrahmen 16 stellt mit der axialen Führung 18 eine ausschließlich axiale Bewegung - in der Regel in vertikaler Richtung - der Wärmekraftmaschine 4 sicher, wobei die Gummipuffer 21 von der Axialrichtung abweichende Bewegungskräfte, die von den Schwenkarmen 13 auf das Gehäuse 8 ausgeübt werden, abfedern.
  • Am zweiten Schwenkarm 13b sind ferner zwei den axialen Verstellweg des Erhitzerkopfes begrenzende Kontaktschalter 19, 20 vorgesehen, die jeweils aus einem unbewegten Kontaktteil 19a, 20a sowie einem mit dem zweiten Schwenkarm 13b und somit dem Gehäuse 8 der Wärmekraftmaschine 4 mitbewegten Kontaktteil 19b, 20b gebildet werden, wobei ein oberer unbewegter Kontaktteil 19a bei physischem Kontakt mit einem oberen bewegten Kontaktteil 19b eine oberste Position des Erhitzerkopfes 3 definiert und ein unterer unbewegter Kontaktteil 20a bei physischem Kontakt mit einem unteren bewegten Kontaktteil 20b eine unterste Position des Erhitzerkopfes 3. Sobald der obere bewegte Kontaktteil 19b aufgrund einer entsprechenden Schwenkbewegung des zweiten Schwenkarmes 13b den oberen unbewegten Kontaktteil 19a berührt, signalisiert der so hergestellte elektrische Kontakt der Steuer- und Regeleinheit das Erreichen der obersten Position. Daraufhin kann ein weiteres Verschwenken der Schwenkarme 13a, 13b und somit die Aufwärtsbewegung des Gehäuses 8 gestoppt werden. In entsprechender Weise kann ein weiteres Verschwenken der Schwenkarme 13a, 13b in die Gegenrichtung und somit eine Abwärtsbewegung des Gehäuses 8 gestoppt werden, sobald der untere bewegte Kontaktteil 20b den unteren unbewegten Kontaktteil 20a berührt. Der so hergestellte elektrische Kontakt signalisiert der Steuer- und Regeleinheit das Erreichen der untersten Position. Auf diese Weise kann zuverlässig ausgeschlossen werden, dass der Verstellweg maximale Werte überschreitet.
  • Im Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung wird die axiale Verstellbarkeit des Erhitzerkopfes 3 und somit die Einstellbarkeit des Ringspalts 2 genutzt, um eine leistungsoptimierte Regelung der Positionierung des Erhitzerkopfes 3 und somit des Ringspalts 2 vorzunehmen, etwa auf Basis der Messwerte von Drucksensoren im Brennraum und/oder anderer Sensoren. Der Ringspalt 2 wird dabei so geregelt, dass die thermische Leistung der Heizeinrichtung und somit der Gesamtwirkungsgrad der Anlage optimiert wird. In vorgegebenen Reinigungsintervallen, etwa während oder nach der Saugbefüllung des Brennraumes, schaltet die Steuer- und Regeleinheit der Heizeinrichtung in einen Reinigungsmodus, bei dem ausgehend von einer aktuellen Positionierung des Erhitzerkopfes 3 der Erhitzerkopf 3 so bewegt wird, dass ein minimaler Abstand zwischen Erhitzerkopf 3 und Anströmeinheit 6 bis zum physischen Kontakt des Erhitzerkopfes 3 mit der Anströmeinheit 6 eingenommen wird. Diese unterste Position des Erhitzerkopfes 3 wird durch physischen Kontakt des unteren Kontaktschalters 20 abgesichert, der eine weitere Abwärtsbewegung des Erhitzerkopfes 3 zuverlässig unterbindet, um Beschädigungen zu vermeiden. Bereits gebildete Rußbrücken zwischen der Innenfläche der Anströmeinheit 6 und dem Erhitzerkopf 3 können bei dieser Abwärtsbewegung zerstört und Ablagerungen gelockert werden. Bei einem physischen Kontakt zwischen dem Erhitzerkopf 3 und der Innenfläche der Anströmeinheit 6 können außerdem Ablagerungen abgeschlagen und abgeschabt werden.
  • Daraufhin wird der Erhitzerkopf 3 so bewegt, dass ein maximaler Abstand zwischen Erhitzerkopf 3 und Anströmeinheit 6 eingenommen wird. Diese oberste Position des Erhitzerkopfes 3 wird durch physischen Kontakt des oberen Kontaktschalters 19 detektiert, der eine weitere Aufwärtsbewegung des Erhitzerkopfes 3 stoppt. Nach Erreichen der maximalen Beabstandung schaltet die Steuer- und Regeleinheit wieder in den Betriebsmodus um, bei dem die Verstellmechanik leistungsoptimiert geregelt wird.
  • Auf diese Weise wird nicht nur eine effiziente Übertragung der Verbrennungswärme fester Brennstoffe auf den Hochtemperaturteil der Wärmekraftmaschine 4 ermöglicht, indem die Ablagerung von Verbrennungspartikeln an angeströmten Flächen, insbesondere an jenen Komponenten, die der Wärmeübertragung dienen, vermindert werden, sondern auch eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage erreicht. Zudem verringert sich der Wartungsaufwand.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Flammrohr
    2
    Ringspalt
    3
    Erhitzerkopf
    4
    Wärmekraftmaschine
    5
    Sockelabschnitt
    6
    Anströmeinheit
    7
    Deckfläche
    8
    Gehäuse
    9
    elastische Dichtung
    10
    Hebe- und Senkeinrichtung
    11
    Motor
    12
    Gewindespindel
    13a
    erster Schwenkarm
    13b
    zweiter Schwenkarm
    14
    Welle
    15
    Aufhängung
    16
    Tragrahmen
    17
    Gleitbuchsen
    18
    axiale Führung
    19a
    unbewegter oberer Kontaktschalter
    19b
    bewegter oberer Kontaktschalter
    20a
    unbewegter unterer Kontaktschalter
    20b
    bewegter unterer Kontaktschalter
    21
    Gummipuffer
    22
    Gewindebuchse

Claims (9)

  1. Heizeinrichtung, insbesondere Heizkessel, mit einem Brennraum zur Verbrennung von festem Brennstoff, insbesondere Biomasse, sowie einem Flammrohr (1), dessen Einströmbereich für aus der Verbrennung freigesetzte Rauchgase dem Brennraum zugewandt ist und dessen Ausströmbereich einem anschließenden Austrittsbereich zur Abfuhr der Rauchgase zugewandt ist, wobei ein mit dem Hochtemperaturbereich einer Wärmekraftmaschine (4) zur Umwandlung von Wärmeenergie eines Arbeitsgases in mechanische Energie thermisch gekoppelter Erhitzerkopf (3) im Ausströmbereich angeordnet ist, der eine sich in Richtung des Einströmbereiches verjüngende Mantelfläche aufweist und von einer den Ausströmbereich begrenzenden Anströmeinheit (6) mit einer dem Erhitzerkopf (3) zugewandten Innenfläche umgeben ist, deren lichter Querschnitt sich in Richtung des Austrittsbereiches erweitert, und zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes (3) und der Innenfläche der Anströmeinheit (6) ein Ringspalt (2) für die ausströmenden Rauchgase gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine die relative Positionierung des Erhitzerkopfes (3) zur Anströmeinheit (6) verändernde Verstellmechanik vorgesehen ist, sowie eine Steuer- und Regeleinheit für die Verstellmechanik, mit der der lichte Querschnitt des zwischen der Mantelfläche des Erhitzerkopfes (3) und der Innenfläche der Anströmeinheit (6) ausgebildeten Ringspalts (2) steuerbar veränderbar ist, wobei die Steuer- und Regeleinheit für die Verstellmechanik von einem Reinigungsmodus, in der die Steuer- und Regeleinheit einen vorgegebenen Verstellweg der Verstellmechanik steuert, in einen Betriebsmodus, in der die Steuer- und Regeleinheit die Verstellmechanik leistungsoptimiert regelt, schaltbar ist.
  2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmechanik als eine den Erhitzerkopf (3) und/oder die Anströmeinheit (6) in axialer Richtung des Flammrohres (1) bewegende Hebe- und Senkeinrichtung (10) ausgeführt ist.
  3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebe- und Senkeinrichtung (10) an einem Gehäuse (8) der Wärmekraftmaschine (4) befestigt ist und der Erhitzerkopf (3) kinematisch mit dem Gehäuse (8) gekoppelt ist.
  4. Heizeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebe- und Senkeinrichtung (10) auf der dem Flammrohr (1) abgewandten Seite einer oberhalb des Flammrohres (1) angeordneten Deckfläche (7) der Heizeinrichtung angeordnet ist.
  5. Heizeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebe- und Senkeinrichtung (10) eine axiale Führung (18) für das Gehäuse (8) der Wärmekraftmaschine (4) umfasst, sowie über einen Motor (11) betätigte Schwenkarme (13), die am Gehäuse (8) befestigt sind.
  6. Heizeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (4) über eine elastische Dichtung (9) in einem Durchbruch der Deckfläche (7) der Heizeinrichtung angeordnet ist, wobei die Elastizität der Dichtung (9) einen axialen Verstellweg des an der Wärmekraftmaschine (4) befestigten Erhitzerkopfes (3) von zumindest 1 cm ermöglicht.
  7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei den axialen Verstellweg des Erhitzerkopfes (3) begrenzende Kontaktschalter (19, 20) vorgesehen sind, die jeweils aus einem unbewegten Kontaktteil (19a, 20a) sowie einem mit dem Gehäuse (8) der Wärmekraftmaschine (4) mitbewegten Kontaktteil (19b, 20b) gebildet werden, wobei ein oberer unbewegter Kontaktteil (19a) bei physischem Kontakt mit einem oberen bewegten Kontaktteil (19b) eine oberste Position des Erhitzerkopfes (3) definiert und ein unterer unbewegter Kontaktteil (20a) bei physischem Kontakt mit einem unteren bewegten Kontaktteil (20b) eine unterste Position des Erhitzerkopfes (3).
  8. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Anströmeinheit (6) kegelstumpfförmig und die im Ausströmbereich angeordnete Mantelfläche des Erhitzerkopfes (3) konisch ausgeführt sind, wobei die Innenfläche der Anströmeinheit (6) und der Erhitzerkopf (3) jeweils koaxial zum Flammrohr (1) angeordnet sind.
  9. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung für die Verbrennung von rieselfähigem Brenngut ausgelegt ist, vorzugsweise als Pelletskessel bzw. Pelletsofen.
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