DE3738623C2 - Heizkessel mit Rauchgasrezirkulation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel mit Rauchgasrezirkulation gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Insbesondere betrifft die Erfindung Heizkessel mit einer Leistung bis zu 250 kW, vorzugsweise bis zu 100 kW. Derartige Heizkessel weisen einen Feuerungsraum auf, in den die Flamme des Brenners etwa horizontal eingeblasen wird und der von einem Doppelmantel für das zu erwärmende Wasser umgeben ist. In dem Feuerungsraum kann eine heiße Brennkammer in Form eines zum Brenner hin offenen Brenntopfes angeordnet sein, dessen Boden mit feuerfestem Material ausgekleidet ist. In dem Brenntopf wird das Rauchgas umgelenkt, so daß es zunächst in Richtung auf den Brenner und danach in entgegengesetzter Richtung in einem Ringspalt zwischen Brenntopf und Wassermantel zum Rauchgasstutzen fließt. Üblicherweise ist der Brenner an einer Kesseltür angeordnet. Primärluft wird durch ein Gebläse und über ein Brennerrohr, an dessen Ende sich eine einstellbare Stauscheibe befindet der Flamme zugeführt. Unter Rezirkulation wird hier die Rückleitung eines Teiles des Rauchgases zur Flamme mit Hilfe strömungstechnischer Maßnahmen, also ohne zusätzliches Gebläse, verstanden.

Die Rückführung von Rauchgas und die Zumischung zur Verbrennungsluft sind bekannt. Die Übertragung von aus dem Großkesselbau bekannten Maßnahmen auf die vorliegenden Heizkessel würde jedoch einen unangemessenen hohen Aufwand ergeben.

Nach DE 36 28 293 A1 wird die Flamme innerhalb des Brenntopfes von einem ein- oder mehrteiligen Injektorrohr umgeben. Die Gasströmung der Flamme zieht einen Teil des aus dem Brenntopf herausströmenden Abgases, dessen Temperatur niedriger ist als die Temperatur der Flamme, in das Injektorrohr hinein, so daß durch das Abgas die Flammentemperatur vermindert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für kleine Kessel mit einfachen konstruktiven Mitteln erreichbare Verminderung der Flammentemperatur durch Rezirkulation von Rauchgas zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Am brennerseitigen Ende des Injektorkanals ist eine Umlenkscheibe angeordnet, wobei zwischen ihr und der Kesseltür ein kreisförmiger Kanal gebildet wird, in dem das in das Injektorrohr und an die Flamme zurückströmende Rauchgas sich abkühlen kann, da erfahrungsgemäß die Kesseltür und insbesondere die auf diese Weise umströmten Rippen des Wassermantels kälter sind als jede andere Stelle innerhalb des Brenntopfes. Gegebenenfalls können an der Umlenkscheibe Elemente angeordnet sein, die der Rauchgasströmung einen Drall verleihen, um unter anderem die Aufenthaltsdauer des Rauchgases in diesem Kanal zu verlängern.

Es ist vorteilhaft, eine Umlenkscheibe aus hitzebeständigem Stahl auf ihrer von der Kesseltür abgewandten Seite mit einem Material von geringer Wärmeleitung und vorzugsweise auch geringem Wärmespeichervermögen zu bedecken. Als Material wird eine Matte aus Keramikfasern bevorzugt. Durch eine solche Matte wird die Abkühlung der Rauchgase in dem kreis- oder ringförmigen Kanal während ihrer im wesentlichen radial verlaufenden Rückführung an die Flamme verbessert. Es ist möglich, die Umlenkscheibe im wesentlichen aus verdichteten und verfestigten Keramikfasern zu formen.

Neben einer Reduzierung des Gehaltes an Stickoxiden im Abgas durch Senkung des Sauerstoff-Partialdrucks werden erfindungsgemäß auch Abstrahlungsverluste durch die Kesseltür verringert und der Kesselwirkungsgrad verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Dicke der Umlenkscheibe im Bereich ihres Umfangs vergrößert, womit der Strömungsweg des rezirkulierten Rauchgases an den Rippen des Wassermantels verlängert und die Kühlung verbessert wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung der bevorzugten Beispiele. Das in der Zeichnung

Fig. 1 schematisch dargestellte Beispiel zeigt einen Kessel mit Brenner im Längsschnitt, die

Fig. 2 und 3 zeigen bevorzugte Ausführungen von Umlenkscheiben.

Der dargestellte Kessel besteht aus einem Feuerungsraum (1), der als Brennerkammer anzusehen ist. Dieser Raum ist von einem hohlzylindrischen Wassermantel (5) umgeben. An der Kesseltür (4) ist das Brenneraggregat (6) angeordnet. Die Flamme (7) erstreckt sich horizontal in den Feuerungsraum (1). In den Feuerungsraum (1) ist ein Brenntopf (8) aus hitzebeständigem Stahlblech eingesetzt, an dessen Boden (9) innen ein Isolierstein (10) eingebracht ist. Zwischen Brenntopf (8) und Wassermantel (5) befindet sich ein Ringspalt (11), wobei innen am Wassermantel (5) Rippen (12) aus Stahl oder Stahlguß angeordnet sind. Die Flamme bzw. die Verbrennungsgase werden an dem Isolierstein (10) umgelenkt, strömen entlang der Innenwand des Brenntopfes (8) in Richtung der Kesseltür, werden am Öffnungsrand des Brenntopfes erneut umgelenkt und fließen dann in dem Ringspalt (11) zwischen den Rippen (12) zum Rauchgasstutzen (13) ab.

Im Feuerungsraum (1) ist mit Abstand von dem Brennerende (69), an dem sich die Düse und eine hier nicht näher beschriebene Stauscheibe für den Luftaustritt befindet ein Injektorrohr (3) angeordnet, an dessen brennerseitigem Ende sich eine Umlenkscheibe (31) befindet, so daß zwischen dieser und der Kesseltür (4) ein etwa kreisförmiger Kanal entsteht, in dem Rauchgas, im wesentlichen radial durch das Injektorrohr angesaugt, zur Flamme (7) fließt. Zur Verbesserung der Abkühlung in dem Kanal (32) ist die dem Brenntopf (8) zugekehrte Seite der Umlenkscheibe (31) von einer Matte (33) aus keramischen Fasern abgedeckt. Injektorrohr (3) und der tragende Teil der Umlenkscheibe (31) bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls aus hitzebeständigem Stahlblech. Die Umlenkscheibe (31) kann jedoch auch im wesentlichen aus einem keramischen oder feuerfesten Material, insbesondere aus einer verfestigten Faserstoffmatte, gebildet sein.

Versuche haben ergeben, daß es zweckmäßig ist, den Außendurchmesser der Umlenkscheibe (31) etwa gleich oder nur wenig kleiner als den Durchmesser des Brenntopfes (8) zu wählen, wobei jedoch ein für den Abzug der Rauchgase in den Spalt (11) noch ausreichender Strömungsquerschnitt zwischen der Umlenkscheibe (31) und dem Öffnungsrand des Brenntopfes (8) erhalten bleiben muß. Es wurde weiter festgestellt, daß der Innendurchmesser der Umlenkscheibe (31), der dem Anfangsdurchmesser des Injektorrohres (3) entspricht, mindestens so groß sein muß wie der Durchmesser des Brennerendes (69), das die Stauscheibe für den Austritt von Luft enthält. Der Durchmesser des Brennerrohres (62) beträgt üblicherweise 80 mm und kann bei größeren Kesseln bis zu 100 mm erreichen. Nahe dem Austrittsende verjüngt sich das Brennerrohr (62) auf einen Durchmesser von 60 bis 65 mm, und dieses ist etwa der maximale Ausströmquerschnitt der Primärluft. Der Durchmesser (b) des Injektorrohres sollte 60 mm keineswegs unterschreiten und kann bis zu 100 mm betragen. Für eine Kesselleistung bis zu 100 kW wird als Durchmesser des Injektorrohres und somit auch als Innendurchmesser der Umlenkscheibe etwa 80 mm bevorzugt.

Es wurde weiter ermittelt, daß der Abstand (a) zwischen dem Ende des Brennerrohres (62) und der Umlenkscheibe (31) den Stickoxidgehalt der Abgase beeinflußt. Dieser Abstand sollte zwischen 5 und 25 mm liegen. Bei untersuchten Kesseln wurden die besten Abgaswerte bei einem Abstand (a) von 15 bis 20 mm erhalten. Das Maß (x), um das das Brennrohr aus der Kesseltür vorspringt, wird jeweils nach der Kesselgröße und der gewünschten Länge der Flamme eingestellt und beträgt etwa 60 mm.

Ferner ergab sich, daß ein langes Injektorrohr (3) keinen weiteren Vorteil für die Stickoxidreduzierung bringt. Die Länge (l) des Injektorrohres (3) sollte wenigstens 20 mm betragen und braucht 80 mm nicht zu übersteigen.

Die angegebenen Werte gelten für Kessel mit Leistungen bis etwa 100 kW, bei denen der Durchmesser der die heiße Brennkammer bildenden Töpfe zwischen etwa 235 und 500 mm liegt. Änderungen der angegebenen Werte können sich bei abweichenden Größen von Brenner und Kessel ergeben.

Fig. 2 zeigt eine Umlenkscheibe (31) aus Stahl, die an ihrem äußeren Umfang in einem zylindrischen Ansatz endet, dessen Durchmesser etwa gleich dem des Brenntopfes (8) ist, wobei dieser Ansatz einen die Umlenkscheibe (31) am Rande verdickenden Wulst (34) ergibt. Auch der Ansatz ist innen mit isolierendem keramischen Material beschichtet.

Fig. 3 stellt eine Umlenkscheibe (31) aus hitzebeständigem Stahl dar, die ebenfalls einen zylindrischen Ansatz aufweist, aber hier ist das keramische Material als Wulst (35) auf der äußeren Seite des Ansatzes ausgeformt.

Bei den Ausführungen nach Fig. 2 und 3 wird das um den Wulst (34 bzw. 35) rezirkulierende Rauchgas veranlaßt, einen Teil seines Wärmeinhalts an die durch den Wassermantel (5) gekühlten Rippen (12) abzugeben, wobei der Weg des Rauchgases entlang den Rippen größer als gemäß Fig. 1 ist.

Injektorrohr (3) und Umlenkscheibe (31) können durch geeignete, nicht dargestellte Halterungen im Feuerungsraum (1), an der Kesseltür (4) oder am Brennrohr befestigt werden, wobei auch vorgesehen werden kann, daß der Abstand (a) gegebenenfalls entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen des Kessels eingestellt werden kann.

Claims (9)

1. Heizkessel mit Rauchgasrezirkulation für die Verbrennung flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoffe mit einer heißen Brennkammer und einem vor der Brennkammer angeordneten Brenner sowie mit einem mit Abstand vor dem Brennerende angeordneten, die Flamme teilweise umgebenden Injektorkanal, durch den ein Teil des Rauchgases aus der heißen Brennkammer an die Flamme zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an dem brennerseitigen Ende des Injektorkanals (3) zwischen der Innenseite der Kesseltür (4) und dem Austrittsende des Brennerrohres (6) einerseits und einer auf dem brennerseitigen Ende des Injektorkanals (3) angeordneten Umlenkscheibe (31) andererseits ein kreisförmiger Kanal zur Abkühlung und radialen Rückführung von Rauchgas in den Injektorkanal (3) und an die Flamme (7) gebildet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkscheibe (31) wenigstens auf ihrer von der Kesseltür (4) abgewandten Seite aus einem Material (33) von geringer Wärmeleitung und Wärmespeicherung besteht.

3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkscheibe (31) eine Matte (33) aus verdichteten und verfestigten Keramikfasern umfaßt.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen Austrittsende des Brennerrohres (6) und Umlenkscheibe (31) 5 bis 25 mm, vorzugsweise 15 bis 20 mm beträgt.

5. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Umlenkscheibe (31) etwa gleich oder kleiner als der Durchmesser des Brenntopfes (8) ist.

6. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Umlenkscheibe (31) gleich oder größer als der Durchmesser des Austrittsendes des Brennerrohres (6) ist.

7. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Umlenkscheibe (31) und der entsprechende Durchmesser des Injektorrohres (3) 60 bis 100 mm, vorzugsweise 80 mm, beträgt und die Länge des Injektorrohres (3) nicht größer als 80 mm ist.

8. Heizkessel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkscheibe (31) im Umfangsbereich einen verdickenden Wulst (34, 35) aufweist.

9. Heizkessel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Material von geringer Wärmeleitung und Wärmespeicherung versehen Umlenkscheibe (31) im Umfangsbereich einen zylindrischen Ansatz aus hitzebeständigem Stahl aufweist.