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Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Verbrennung von festen Brennstoffen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Gattungsgemäße Heizkessel bestehen im Wesentlichen aus einem Heizmedium führenden Kesselkörper aus gusseisernen Kesselgliedern oder aus verschweißten Stahlblechen. Dieser beinhaltet einem Füllraum für Brennstoff mit einer oberen oder seitlichen Befüllöffnung, einem Brennrost mit einem darunter angeordnetem 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.
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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.
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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.
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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.
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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, zum Beispiel durch nachlassende Wirbelbildung, bei geringeren Volumenströmen der gasförmigen Medien.
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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.
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Außerdem ist die Einleitung von Sekundärluft in die Flammenzone bei nach unten brennenden Pyrolysekesseln bekannt, welche dafür eine Art Düsenplatte mit seitlichen, im rechten Winkel zur Verbrennungsgasströmung angeordneten Sekundärluftöffnungen im Einmündungsbereich des in die Wirbelkammer führenden Überleitungskanals aufweist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Verbrennungsqualität von Heizkesseln und Öfen zur Verbrennung von festen Brennstoffen zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wurde dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßer Heizkessel dadurch, dass die Wirbelkammer vorzugsweise aus einem zylindrischen Raum besteht, in den an einer Stirnseite in Axialrichtung und/oder in der Nähe dieser Stirnseite radial von außen her Verbrennungsgase eintreten, und dass die Wirbelkammer etwa im Zentrum eine Sekundärluftzufuhrvorrichtung mit einer axial gerichteten, in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase zeigenden Ausmündung aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführung erstreckt sich die Sekundärluftzufuhrvorrichtung auf einem Teilbereich entlang der Achse der Wirbelkammer und besteht aus einem an eine Sekundärluftzufuhrleitung angeschlossenen Rohr, welches entweder radial durch den Mantel oder axial durch die Stirnseite in die Wirbelkammer hineingeführt ist.
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Vorteilhafterweise ist die in Strömungsrichtung der Heizgase zeigende Ausmündung der Sekundärluftzufuhrvorrichtung mit einer Drallerzeugungseinrichtung versehen und stromabwärts der mindestens einen Zuführungsöffnung für Verbrennungsgase in der Wirbelkammer angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Drallerzeugungseinrichtung über den gesamten Innenquerschnitt der Ausmündung der Sekundärluftzufuhrvorrichtung und besteht aus mehreren schaufelartig gestalteten und angestellten Einbaukörpern, welche im Zentrum des Innenquerschnittes zusammen laufen oder an einem gemeinsamen Mittelelement fixiert sind.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Sekundärluftzufuhrvorrichtung über weniger als die Hälfte der Länge des zylindrischen Raumes der Wirbelkammer und der Außendurchmesser der Sekundärluftzufuhrvorrichtung weist weniger als die Hälfte des Innendurchmessers der Wirbelkammer auf.
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Die mindestens eine Zuführungsöffnung für Verbrennungsgase befindet sich in einer ersten Ausführungsvariante in einer Stirnseite in der Wirbelkammer, vorzugsweise in einer symmetrischen Verteilung über die Stirnseite, und ist mit der Verbrennungsgasaustrittsöffnung im Füllraum verbunden.
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Dagegen kann die mindestens eine Zuführungsöffnung für Verbrennungsgase in einer zweiten Ausführungsvariante in der Nähe einer Stirnseite im Mantel der Wirbelkammer angeordnet sein, so dass diese Strömung radial oder weitgehend zentrisch von außen her in die Wirbelkammer eintritt, und dass diese mit der Verbrennungsgasaustrittsöffnung im Füllraum verbunden ist. Vorzugsweise besitzt die mindestens eine Zuführungsöffnung für Verbrennungsgase im Mantel der Wirbelkammer einen im Wesentlichen rechteckförmigen, sich auf einem Teilbereich der Mantelfläche in Längsrichtung erstreckenden Querschnitt. Dabei kann der Eintrittsstrahl aus der Einströmöffnung tangential und/oder frei in den Innenraum gerichtet sein. Auch ein geringer Anstellwinkel ist denkbar, um die eintretende Strömung in die Haupt-Strömungsrichtung innerhalb der Wirbelkammer zu lenken.
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In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Brennrost im unteren Bereich des Füllraumes zur mit der nachgeschalteten Wirbelkammer verbundenen Heizgasaustrittsöffnung hin schräg abfallend angeordnet. Vorzugsweise so schräg, dass sich die Heizgasaustrittsöffnung aus dem Füllraum etwa in Höhe des gegenüberliegenden oberen Endes des Brennrostes befindet und dass das der Verbrennungsgasaustrittsöffnung nahe Ende des Brennrostes mindestens unterhalb der Unterkante der Verbrennungsgasaustrittsöffnung liegt.
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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 der Sekundärluftvolumenstrom über eine Sekundärluftzufuhrvorrichtung mit einer axial gerichteten, lanzenartigen, in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase zeigenden Ausmündung zugeführt wird, welche mit einem Drallkörper versehen ist. Dadurch wird eine Rotation auf die Sekundärluft aufgeprägt, so dass diese eine erhöhte kinetische Energie in drei Raumdimensionen erhält und dadurch die Gesamtturbulenz auf das zu vermischende Strömungsgemisch vergrößert wird. Es ergibt sich eine gleichmäßigere und schnellere Vermischung der Brenngase für eine effektivere Oxidation und emissionsarme Verbrennung.
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Die gedrallt eingebrachte Sekundärluft sorgt für eine intensive Durchmischung mit den Verbrennungsgasen. Effektiv ist dieses Durchmischen auch, denn 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 Heizgase in der Wirbelkammer.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt einen mit festen Brennstoffen befeuerten Heizkessel:
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1: in einem vertikalen Schnitt,
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2: eine Wirbelkammer mit axialer Strömungszuführung im Längsschnitt,
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3: eine Wirbelkammer gemäß 2 in einer perspektivischen Ansicht,
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4: eine Wirbelkammer mit radialer Strömungszuführung im Längsschnitt und
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5: eine Wirbelkammer gemäß 4 in einer perspektivischen Ansicht.
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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.
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Die Wirbelkammer 7 besteht aus einem zylindrischen Raum, in den an einer Stirnseite in Axialrichtung, gemäß 2 und 3, und/oder in der Nähe dieser Stirnseite, gemäß 4 und 5, radial von außen her Verbrennungsgase eintreten. Das Zentrum der Wirbelkammer 7 weist eine Sekundärluftzufuhrvorrichtung 8 in Form eines geschlossenen Rohres mit einer axial gerichteten, in Strömungsrichtung von Primärluft und Verbrennungsgasen zeigenden Ausmündung 9 auf, welche sich auf einem Teilstück, mindestens an der Zuführungsöffnung 10 für Primärluft und Verbrennungsgase vorbei, erstreckt.
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Die in Strömungsrichtung der Heizgase zeigende Ausmündung 9 der Sekundärluftzufuhrvorrichtung 8 ist mit einer Drallerzeugungseinrichtung 11 versehen, wobei diese aus mehreren schaufelartig gestalteten und angestellten Einbaukörpern 12 besteht, welche an einem gemeinsamen Mittelelement 13 fixiert sind.
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Gemäß 2 und 3 befindet sich die Zuführungsöffnung 10 für Verbrennungsgase in einer Stirnseite in der Wirbelkammer 7 und ist mit der Verbrennungsgasaustrittsöffnung 6 im Füllraum 2 verbunden.
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Alternativ dazu befindet sich gemäß 4 und 5 die mindestens eine Zuführungsöffnung 10 für Verbrennungsgase in der Nähe einer Stirnseite im Mantel der Wirbelkammer 7, so dass diese Strömung radial von außen her in diese eintritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19510263 A1 [0005]
- DE 29605801 U1 [0007]