WO1998043019A1

WO1998043019A1 - Mit einem brenner ausgerüsteter heizkessel

Info

Publication number: WO1998043019A1
Application number: PCT/CH1998/000112
Authority: WO
Inventors: Jörg Füllemann; Heinrich Boner; Andreas Allemann; Marco Allemann
Original assignee: Vth Verfahrenstechnik Für Heizung Ag
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1998-10-01
Also published as: DE59802337D1; CA2284706A1; AU6606498A; EP0970327B1; US20010031440A1; EP0970327A1; ATE210266T1; US6579086B2; US6305331B1

Abstract

Für Wandheizgeräte oder Kücheneinbauheizgeräte geeigneter, mit einem Brenner ausgerüsteter Heizkessel (11), bei welchem ein mantelförmiger Wärmetauscher (15) aus parallel und/oder in Serie geschalteten Rohrelementen (43) den Kesselraum in eine Brennkammer (17) und eine Abgaskammer (19) aufteilt. Der Wärmetauscher (15) weist über seine Mantelfläche verteilt Dürchlässe (41) für heisse Verbrennungsgase auf. Der in der Brennkammer angeordnete Brennerkopf ist für die Verbrennung von Öl geeignet und weist ein Flammrohr (23) mit einer axialen Flammöffnung (37) auf und in Abstand von der Flammöffnung (37) ist ein Flammenumlenkteil (39) angeordnet, welches so ausgebildet ist, dass die Flamme in den Raum zwischen Flammrohr (23) und Wärmetauscher (15) umgelenkt wird. Zusätzlich kann zwischen Wärmetauscher (15) und Flammrohr (23) ein Flammraummantel angeordnet sein zum Schutz des Wärmetauschers (15) vor direktem Kontakt mit der Flamme.

Description

Mit einem Brenner ausgerüsteter Heizkessel

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit einem Brenner ausgerüsteten Heizkessel oder Durchlauferhitzer, mit einem einen Kesselraum umhüllenden Gehäuse, einem mantelformigen W rmetauscher, welcher den Kesselraum in eine Brennkammer und eine Abgaskammer aufteilt und über die Mantelflache verteilt Durchlasse für heisse Verbrennungsgase aufweist, und einem in der Brennkammer angeordneten Brennerkopf.

Stand der Technik

Ein solcher Heizkessel oder Durchlauferhitzer ist m der französischen Patentschrift Nr. 93 00498 offenbart. Dann sind eine Reihe von Anordnungen von Heizkesseln aufgezeichnet, welche die oben angeführten Merkmale aufweisen. Diese Heizkessel sind auf Gasbrenner ausgerichtet, welche einen stirnseitig verschlossenen, zylindrischen Mantel aufweisen, auf dessen Mantelfläche verteilt eine Vielzahl von Flammoffnungen angeordnet sind. Ein solcher Gas-Heizkessel oder Durchlauferhitzer ist sehr platzsparend und benotigt keinen separaten Heizungsraum.

Schon lange besteht ein Bedürfnis nach einer derart platzsparenden Heizanlage, welche mit dem Brennstoff 01 betrieben werden kann. Denn ein Nachteil des Brennstoffs Gas ist, dass seine Vorrathaltung bedeutend aufwendiger ist, als die Vorrathaltung von 01. So ist eine Gasfeuerung entweder auf einen teuren Drucktank oder einen Anschluss an ein Verteilnetz für Gas angewiesen, wogegen 01 bereits in Tausenden von installierten Tanks problemlos und in genügender Menge vor Ort gelagert wird. Auch die Versorgung bzw. das Auffüllen des Öltanks mit 01 st wesentlich einfacher und weniger gefährlich als beim Gas.

Aufgabe der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Feuerungsanlage zu schaffen, welche mit einem Olbrenner betrieben werden kann, ohne dass sie deswegen grosser als eine Gasfeuerungsanlagen ist. Zudem soll die Heizanlage mit einem 01- oder Gasbrenner betrieben werden können. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Feuerungsanlage zu schaffen, die sich durch sehr niedrige Abgaswerte und kleine Warmeverluste und auch einen niedrigen Gerauschpegel auszeichnet .

Beschreibung der Erfindung

Erfmdungsgemass wird dies dadurch erreicht, dass der Brennerkopf ein Flammrohr mit einer axialen Flammoffnung aufweist und m Abstand von der Flammoffnung ein Flammenumlenkteil angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass die Flamme m den Raum zwischen Flammrohr und Wärmetauscher umgelenkt wird.

Ein Vorteil des erfmdungsgemassen Heizkessels liegt darin, dass er mit Brennern beheizt werden kann, welche eine lanzenforange Flamme aufweisen. Eine solche Flamme benotigt normalerweise einen in Flammenrichtung langgezogenen Feuerraum. Ein erfmdungsgemass angeordnetes Flammenumlenkteil ermöglicht πedoch, die Lange des Feuerraumes wesentlich zu verkurzen. Das Umlenkteil lenkt die Flamme zurück zu ihrem Ausgangspunkt und verkürzt den Kesselraum damit auf etwa halbe Lange. Dadurch ist die Brennkammer mit einer Flamme fast ausgefüllt, welche aus einem Flammrohr hinaus m die eine Richtung und am Umlenkteil umgelenkt m die entgegengesetzte Richtung brennt. Hierbei bildet der hintere Teil der Flamme eine axiale Kernstromung herum angeordnete gegenläufige Mantelstromung. Die R ckführung der Flamme zu ihrer Wurzel hat weiter den Vorteil, dass sofort nach Entfachen der Flamme um das Flammrohr herum heisse Gase vorliegen, welche für die Verbesserung des Kaltstartverhaltens genutzt werden können. Von Vorteil ist weiter, dass durch das Wenden der Flamme der Feuerungsraum besser ausgenutzt ist und kompakter gestaltet werden kann, als bei langer, dunner Flammenform. Insbesondere ist die ganze Lange des Feuerraumes praktisch gleichmassig zur Wärmeübertragung auf ein War etauschermedium geeignet, weil der Brennkopf von der Flamme ummantelt ist.

Vorteilhaft weist der Wärmetauscher bei oder nahe wenigstens einem Ende ein Abschlussorgan auf, welches die Brennkammer der Längsrichtung begrenzt. Dadurch ist zusätzlich zur Abgaskammer um den Wärmetauscher herum auch noch eine weitere Kammer gebildet, welche Abgas aus der Abgaskammer fliesst. Dieses Abgas ist nun durch den Wärmetauscher bereits gekühlt und kann zur Kühlung der Flamme teils m das Flammrohr rezirkuliert und teils durch ein Kamm abgelassen werden. Vorteilhaft teilt ein Abschlussorgan auf seiner der Brennkammer abgewandten Seite vom Kesselraum eine mit einem Kamm verbindbare Ausstromkammer ab. Eine solche AusStromkammer liegt axial im Kessel. Dadurch nimmt sie das Rauchgas aus der Peripherie gleichmassig auf. Einseitige Belastungen des Wärmetauschers können damit vermieden werden. Vorteilhaft teilt ein Abschlussorgan vom Kesselraum eine Rezirkulationskammer ab. Durch diese Rezirkulationskammer kann gekühltes Abgas zur Kühlung der Flamme s Flammrohr rezirkuliert werden. Die Rezirkulationskammer kann gleichzeitig auch die Ausstromkammer sein. Vorteilhaft ist die durch ein Abschlussorgan abgeteilte Abgasausstromkammer oder/und die Rezirkulationskammer vom Wärmetauscher ummantelt. Dadurch wird das in diese Kammern einströmende Abgas zusätzlich gekühlt, bevor es den Heizraum verlasst, bzw. seine kühlende Aufgabe wahrnimmt. Das Abgas wird durch den zweimaligen Kontakt mit dem Wärmetauscher bis auf etwa 80 Grad abgek hlt, und dies selbst im Dauerbetrieb unter Volleistung. Dadurch kann das Rauchgas nach dem Kessel direkt in ein Kunststoffkämm abgelassen werden.

Vorteilhaft weist das Abschlussorgan zwischen Brennkammer und Abgasausstromkammer eine Ausbuchtung zur Abgasausstromkammer hm auf, damit die Brennkammer verlängert werden kann und die Ausstromkammer nicht unnötig viel Platz beansprucht. Zweckmassigerweise wird durch eine solche Ausbuchtung die Warmetauscherflache um die AbgasausStromkammer herum im Verhältnis zu deren Volumen gross gehalten.

Vorteilhaft bildet das Flammenumlenkteil ein Abschlussorgan, damit die Anzahl der benotigten Teile reduziert werden kann. Zudem hat die Anordnung des Umlenkteils mit Abstand zur Gehausewand auch akustische Vorteile. Zweckmassigerweise ist dieses Abschlussorgan oder Flammenumlenkteil zur AusStromkammer hm ausgebuchtet . In der Ausbuchtung geschieht zweckmassigerweise die U lenkung der Flamme, ohne dass dabei Warmetauscherelemente beteiligt sind, und die gesamte Warmetauscherflache kann genutzt werden, weil das Umlenkteil keine Durchlasse für heisses Rauchgas verdeckt. Zweckmassigerweise weist das Flammenumlenkteil einen auf der Flammenachse angeordneten, der Flamme entgegenstehenden Flammenteller und um diesen herum eine ringförmige Umlenkrinne auf. Der Flammenteller teilt die Flamme auseinander und die Umlenkrinne fuhrt die Flammenteile so, dass deren Stromungsrichtung um 180° gewendet wird. Die Umlenkrinne ist vorteilhaft umlaufend gleichmassig ausgestaltet, so dass die Flamme auch nach der Umlenkung eine gleichmassige Form aufweist.

Vorteilhaft besteht der Mantel des Wärmetauschers aus mit Zwischenraum nebeneinander aufgereihten Rohren, welche die Brennkammer umfangend angeordnet und an eine Zu- und eine Ableitung angeschlossen sind. Zweckmassigerweise sind die Warmetauscherrohre schraubenförmig gewickelt. Ein solcher Warmetauschermantel ist einfach der Herstellung, weist eine grosse Oberflache und Durchlasse zwischen den Rohren auf. Rohre können zusätzlich, im Vergleich zu Gussteilen, eine geringere Wandstarke und damit eine dynamischere Wärmeübertragung aufweisen, was sich durch eine höhere Leistung bei geringem Platzbedarf bemerkbar macht. Vorteilhaft ist der Mantel des Wärmetauschers aus einer Mehrzahl von Warmetauscheremheiten zusammengefugt. Die einzelnen Warmetauscheremheiten weisen dadurch gegenüber einem Wärmetauscher mit einem einzigen, dafür umso längeren Rohr, eine kleinere Rohrleitungslange auf, wodurch die Durchflussgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Zweckmassigerweise sind die Warmetauscheremheiten deshalb parallel an die Zu- und Ableitung angeschlossen. Mit Vorteil werden Warmetauschere heiten ge ass den im franzosischen Patent Nr. 93 00498 beschriebenen Warmetauscherelementen angewendet. Diese zeichnen sich unter anderem durch einen flachgedruckten Rohrquerschnitt aus, wodurch die Austauschoberflache gegenüber runden Querschnitten zusätzlich vergrossert wird. Unter anderem besteht ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung dieser Warmetauscheremheiten auch darin, dass ihre Produktion bereits für Gas-Durchlauferhitzer lauft und sie deshalb ausgezeichneter Qualltat auf dem Markt käuflich vorliegen.

Vorteilhaft ist der Brenner für Abgasrezirkulation ausgerüstet, um die heute vorgeschriebenen Abgaswerte, insbesondere auch bei häufigem Kaltstart, zu unterschreiten. Wenn auch Gasbrenner im erfmdungsgemassen Kessel Verwendung finden können, so ist der Brenner doch vorteilhaft ein Olbrenner, weil 01 in einfachen Tanks bevorratet werden kann und diese einfach nachgefüllt werden können. Die Abhängigkeit von einem Leitungsnetz kann so vermieden werden. Die Handhabung von 01 ist zudem wesentlich weniger gefährlich als die Handhabung von Gas, welches, so es nicht durch ein Netz verteilt wird, unter Druck m entsprechende Drucktanks abgefüllt werden muss . Vorteilhaft ist der Brenner umstell- oder umschaltbar auf Gasbetrieb. Wenn der Brennerkopf sowohl für 01 wie für Gas geeignet ist, können diese beiden Medien alternativ, mit geringem zusatzlichem Installationsaufwand, in der gleichen Anlage genutzt werden. Dies hat die Vorteile, dass z.B. auf Preisentwicklungen reagiert werden kann, dass eine höhere Sicherheit gegenüber Lieferengpässen vorliegt oder durch Installation eines provisorischen Öltanks auf eine projektierte Erstellung einer Gaszuleitung gewartet werden kann, usw.

Vorteilhaft sprüht bei Olbetrieb des Brenners eine Olduse das 01 zum Verdampfen in in das Flammrohr rezirkuliertes Abgas und sind die Einlassoffnungen m das Flammrohr für die Luft bzw. das Abgas derart ausgebildet, dass sich die Luft und das Abgas in einer hohlzylindrischen oder hohlkegelstumpfformigen Wirbelzone vermischen. Das mit dem Abgas vermischte Öl ist dadurch vollständig verdampft, bevor es mit der Luft vermischt wird. Dadurch ergeben sich sehr vorteilhafte Abgaswerte und ein ausgezeichnetes Startverhalten des Brenners.

Zweckmassigerweise ist bei Gasbetrieb des Brenners ein Zuluftkanal als Mischrohr f r die Beimischung von gasformigem Brennstoff ausgebildet. Vorteilhaft sind die Einlassoffnungen in das Flammrohr für das Brennstoff/Luft-Gemisch bzw. das rezirkulierte Abgas derart ausgebildet, dass sich das Brennstoff/Luft-Gemisch und das Abgas in einer hohlzylindrischen oder hohlkegelstumpfformigen Wirbelzone vermischen. Durch diese ähnlichen Methoden bedingt, kann das gleiche Flammrohr sowohl für 01 wie f r Gas Verwendung finden. Es können sogar die Olduse bei Gasbetrieb, beziehungsweise die gaszuführenden Mittel bei Olbetrieb in der Anlage verbleiben, so dass eine Zweimedien-Feuerunganlage mit einem einzigen Brenner vorliegt. Zusatzlich werden mit diesen Brennern Abgaswerte von unter 60 mg NO_x pro kW für 01 und unter 20 mg N0_X bei Gas erreicht. Auch die CO-Werte liegen mit 16 mg/kW auf einem tiefen Niveau. Abgesehen davon wird mit diesem Brenner ein ausgezeichnetes Kaltstartverhalten erzielt.

Vorteilhaft ist in der Brennkammer zwischen Brennrohr, bzw. umgelenkter Flamme und Wärmetauscher ein zylindrischer Flammraummantel angeordnet, welcher Durchlasse für heisse Rauchgase aufweist. Dieser Flammraummantel gewährleistet eine gleichmassige Verteilung der heissen Rauchgase auf den Wärmetauscher und bildet einen Aschenfanger . Er schützt den Wärmetauscher vor direktem Kontakt mit der Flamme. Dadurch kann der Abstand zwischen Flamme und Wärmetauscher sehr klein gehalten werden. Zusätzlich wirkt sich dieser Flammraummantel positiv auf die Larmdammung aus. Vorteilhaft sind die Durchlasse so angeordnet, dass die Rauchgase etwa tangential aus dem Flammraummantel ausströmen, weil sie so m einer gemeinsamen Drehrichtung geordnet den Warmetauschermantel etwa tangential durchströmen. Dadurch ist die Wärmeübertragung gegenüber der Wärmeübertragung bei radialer Durchstromungsrichtung verbessert .

Vorteilhaft weist das Gehäuse den Einbau m ein Wandheizgerat oder Kuchenemschubgerat ermöglichende Abmessungen auf. Das Gehäuse mit Luftzuleitung und Abgaskanal kann dazu eine Lange von bis zu ca. 50 cm aufweisen. Eine kurze Ausfuhrungsform kommt mit gut 30 cm Kessellange aus. Damit kann auf einen eigenen Raum für diese Heizung verzichtet werden. Sie kann in einem Schrank untergebracht werden. Vorteilhaft ist eine Zuluftleitung im Gegenstrom um das Rauchgasrohr angeordnet, damit die Luft durch die Abwarme im Rauchgas vorgeheizt wird. Zweckmassigerweise ist das Geblase neben dem Gehäuse angeordnet und ein Zuluftkanal vom Geblase auf eine Stirnseite des Gehäuses und an den Brennkopf gefuhrt, um die Lange oder Tiefe der Anlage möglichst klein zu halten.

Vorteilhaft sind an den Stirnseiten der Brennkammer feuerfeste Platten mit labyrinthischer innerer Struktur angeordnet. Dieee schützen die darunterliegenden Metallteile, isolieren das Gehäuse gegenüber der Hitze der Flamme und dämmen die Schallemissionen des Brenners. Zweckmassigerweise ist eine Stirnseite des Gehäuses durch einen entfernbaren Deckel verschlossen. Vorteilhaft ist der Brenner am Deckel befestigt. Dadurch ist der Kesselraum und der Brenner leicht zuganglich.

Zweckmassigerweise sind wesentliche Gehauseteile und/oder der Wärmetauscher aus austenitischem Edelstahl gefertigt, welcher resistent ist gegen die aggressiven Abgase und Kondensate.

Kurze Beschreibung der Figuren

Nachfolgend werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 vier schematische Anordnungen von Heizkesseln,

Fig . 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemassen

Heizkessels, im Längsschnitt,

Fig . 3 ein Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemassen

Heizkessels mit Flammraummantel, im Längsschnitt,

Fig . 4 ein Ausführungsbeispiel gemass Figur 3, im

Querschnitt,

Fig . 5 den Ol-Brennerkopf im Längsschnitt,

Fig . 6 schematisch das Verbrennungsverfahren bei flussigem Brennstoff, Fig. 7 Aufsicht auf einen Blendeneinsatz mit ausgeschnittenen, jedoch noch nicht verdrehten

Führungsflächen, Fig. 8 Schnitt durch den Blendenemsatz nach Fig. 7, wobei die F hrungsflachen zur Drallerzeugung verdreht sind, Fig. 9 den Gas-Brennerkopf im Längsschnitt und schematisch das Verbrennungsverfahren bei

Verwendung von gasformigem Brennstoff. Detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand der Ausfuhrungsbeispiele

Figur 1.1 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemassen Heizkessels 11'. Ein Gehäuse 13 wird von einem Wärmetauscher 15 m eine Brennkammer 17 und eine Abgaskammer 19 aufgeteilt. Ein Flammrohr 23 ist auf einer Stirnseite der Brennkammer 17 angeordnet und aus dem Flammrohr 23 schlagt axial die Flamme 25. Zuluft strömt durch ein Mischrohr 21 in das Flammrohr 23, verbrennt m der Flamme 25 und strömt als heisses Verbrennungsgas oder Rauchgas durch Durchlasse im Wärmetauscher 15 in die Abgaskammer 19 (Pfeile) . Von dort verlasst das Rauchgas den Abgasraum 19 durch eine m Fig. 1 nicht dargestellte Öffnung im Gehäuse 13. Figur 1.2 zeigt eine Variante dazu, bei der m einem Heizkessel 11" ein Abschlussorgan 27 die Brennkammer 17 m der Lange begrenzt.

Der Kesselraum ist dadurch m drei Zonen gegliedert: die Brennkammer 17, die Abgaskammer 19 und eine Abgasausstromkammer 29. Die Abgase strömen nun aus der Abgaskammer 19 zuerst durch den Wärmetauscher 15 hindurch in die Abgasausstromkammer 29 und von dort durch eine Öffnung 31 in ein Kamm. Figur 1.3 zeigt eine vereinfachte Variante der Figur 1.2, bei der der Wärmetauscher 15 die Abgaskammer 19 nicht von der Ausstromkammer 29 trennt, sondern nur die Brennkammer 17 umhüllt. In Figur 1.2 und Figur 1.3 ist durch Pfeile angegeben, wie Abgas m das Flammrohr 23 rezirkuliert wird. In Figur 1.4 ist ein Kessel 11"" gezeigt, in dessen Kesselraum zusatzlich zum Abschlussorgan 27 ein Abschlussorgan 27' angeordnet ist, welches eine Rezirkulationskammer 33 abteilt, so dass rezirkulierendes Abgas von der Brennkammer 17 durch den Wärmetauscher 15 m die Abgaskammer 19 und wieder durch den Wärmetauscher 15 hindurch in die Rezirkulationskammer 33 gelangt und von dort durch Rezirkulationsoffnungen im Flammrohr 23 hindurch m dieses hineingesaugt wird. Figur 2 zeigt m einem Schnitt durch ein Ausfuhrungsbeispiel eines Kessels 11 wiederum den Wärmetauscher 15, die Brennkammer 17 und die Abgaskammer 19. In der Brennkammer 17 ist das Flammrohr 23 angeordnet, welches Rezirkulationsoffnungen 35 und eine Flammoffnung 37 aufweist. Der Wärmetauscher 15 ist aus Rohren 40 mit flachem Querschnitt gebildet, welche schraubenförmig gewickelt sind. Die Rohre 40 sind mit Abstand zueinander angeordnet, so dass im Zwischenraum 41 zwischen den Rohren 40 das Abgas den Wärmetauscher 15 durchströmen kann. Der Wärmetauscher 15 besteht aus einzelnen Elementen 43, welche parallel und/oder m Serie an eine Zu- bzw. Ableitung angeschlossen sind. Der Flammoffnung 37 gegenüber ist ein Umlenkteil 39 angeordnet. Dieses Umlenkteil 39 bildet ein Abschlussorgan 27 oder ist mit einem Abschlussorgan 27 verbunden. Das Abschlussorgan 27 sitzt zwischen zwei Rohren 40 bzw. zwischen zwei Elementen 43, so dass das heisse Abgas durch die Zwischenräume 41 von der Brennkammer 17 in die Abgaskammer 19 und von dort wieder zwischen den Rohren 40 hindurch m die Ausstromkammer 29 strömen muss. Von der Ausstromkammer 29 kann das Abgas dann durch die Öffnung 31 hindurch ein Kamm oder eine Abgasleitung hmubertreten.

Das Umlenkteil 39 bildet auf der Achse 45 des Flammrohres 23 bzw. des Kessels 11 eine Erhöhung 47, welche der Flamme entgegensteht und sie symmetrisch teilt. D e Flamme wird durch die Umlenkrinne 49 m eine der ursprünglichen Flammenrichtung entgegengesetzte Richtung umgelenkt und schlagt zwischen dem Flammrohr 23 und den Warmetauscherrohren 40 gegen die Flammenwurzel zurück. Dadurch entsteht ein etwa zylindrischer Flammenkorper von etwa doppeltem Flammrohrdurchmesser und die heissen Abgase werden über die ganze Lange der Brennkammer 17 durch die Zwischenräume 41 zwischen den Rohren 40 hindurchgefordert, wo ein Energieaustausch mit dem m den Rohren 40 fliessenden Warmetragermedium stattfindet. Das Umlenkteil 39 ist beckenformig ausgebildet und sitzt mit seinem Boden 49 nahe der dem Flammrohr gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses 13. Der aussere Beckenrand 51 schliesst nahezu bundig mit dem ausseren Rinnenrand 53 der Umlenkrinne 49 zwischen den Warmetauscherrohren 40 an diese an und die Beckenwand 55 lauft vom Rand 51 schräg von den Warmetauscherrohren 40 weg, so dass keines der Rohre 40 durch die vom Umlenkteil 39 beanspruchte Tiefe abgedeckt wird. Der vom beckenfόrmigen Umlenkteil 39 beanspruchte Platz geht auf Kosten der Ausstromkammer 29, welche dadurch auf ein notwendiges Minimalmass reduziert wird. Die Brennkammer 17 wird hingegen durch diese Form des Abschlussorgans 27 gegen die Ausstromkammer 29 hin verlängert. Damit kann die Lange des Kesselraumes minimalisiert werden.

Auf der brennerkopfseitigen Stirnseite des Kessels 11 ist ein Deckel 57 angeordnet, welcher mit dem Gehäuse 13 verschraubt ist. Der Deckel 57 weist eine Öffnung 59 auf, auf deren Innenseite eine Stauscheibe oder Blende 61 sitzt, an welche das Flammrohr 23 befestigt ist. Um das Flammrohr 23 herum und mit Abstand dazu ist eine ringförmige Scheibe 63 angeordnet, welche aus einem feuerfesten, porösen oder filzartigen Material besteht und dadurch eine isolierende Wirkung hat sowohl für Warme wie für Schall. Die gleiche Struktur und damit den gleichen Effekt hat das Umlenkteil 39.

Nahe der Stauscheibe 61 weist das Flammrohr 23 Rezirkulationsoffnungen 35 auf, durch welche Abgas aus dem Raum 65 zwischen Wärmetauscher 15 und Flammrohr 23 m das Flammrohr rezirkuliert werden. Das Abgas ummantelt im Flammrohr 23 einen zentral eingelassenen Luftstrom. Dadurch ist das Flammrohr sofort nach der Zündung einer Flamme von heissem Abgas eingehüllt und wird sofort selber heiss. Für flüssigen Brennstoff ist eine Olduse 67 vorgesehen, welche den Brennstoff durch den zentralen Luftstrom hindurch in den Abgasmantel sprüht. Im Abgasmantel verdampft der Brennstoff. Der verdampfte Brennstoff wird nun zusammen mit dem Abgas mit der Luft verwirbelt. Die Flamme brennt blau, weil der gesamte Brennstoff vor der Flammenbildung vergast wird.

Für den Betrieb mit Gas kann der selbe Brennerkopf verwendet werden. Nur wird der gasformige Brennstoff, vorzugsweise auf der Unterdruckseite im Geblase der Luft beigemengt. Ein Abgasmantel, rezirkuliert durch die Rezirkulationsoffnungen 35 m Flammrohr 23, ummantelt den zentral eingelassenen Luft/Brennstoff-Strom, vermischt sich mit diesem in der Wirbelzone zwischen Mantel- und Kernstromung und die Flamme brennt in der Folge sehr ahnlich wie bei der mit vergastem flussigen Brennstoff gespeisten Flamme. Bei beiden Betriebsarten wird das Flammrohr 23 heiss und übertragt eine gewisse Menge von Energie auf den Wärmetauscher 15 durch Strahlung. Dieser Effekt ist erwünscht, insbesondere weil blau brennende Flammen sonst wenig Strahlungsenergie abgeben. Bei beiden Betriebsarten liegen die Abgaswerte sehr tief: Die NO_x-Emissιonen liegen bei Olbrand unter 60 mg/kW und bei Gasbrand unter 20 mg/kW. Die CO-Werte liegen unter 16 mg/kW.

Nach der soeben beschriebenen Weise gebaute und funktionierende Brenner sind in den beiden gleichentags eingereichten Europaischen Anmeldungen "Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von flussigem Brennstoff" und "Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von gasformigem Brennstoff" ausfuhrlich beschrieben, welche auf den Schweizerischen Prioritatsanmeldungen Nr. 1997 0718/97 bzw. 0719/97 basieren.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemassen Kessels. Figur 3 ist ein Längsschnitt, Figur 4 ein Querschnitt desselben Kessels. In diesem Kessel 11" ist das Abschlussorgan 27 beispielsweise als vereinfachtes Umlenkteil ohne eine spezifische Form ausgestaltet. Weiter ist als Hauptunterschied zum Kessel 11 der Figur 2 ein Flammraummantel 69 brennkammerseitig des Wärmetauschers 15 m der Brennkammer 17 angeordnet. Der Flammraummantel 69 weist auf seinem zylindrischen Mantel Schlitze 71 und Leitbleche 73 auf, welche die heissen Rauchgase aus dem inneren Bereich der Brennkammer 17 entlassen und einer um die Achse 45 rotierenden Strömung durch die Zwischenräume 41 zwischen den Rohren 40 des Wärmetauschers 15 leiten (Pfeile m Fig. 4). Die Flamme schlagt nun zwischen dem Flammrohr 23 und dem Flammraummantel 69 zurück zur flammrohrseitigen Stirnseite des Gehäuses 13. Der Flammraummantel lenkt die Abgase m eine spiralige Bewegung um.

Im Bodenbereich 75 des Flammraummantels ist eine Zone vorgesehen ohne Schlitze 71. Durch diese Massnahme kann allfallig vorhandene Asche am Flammraummantel 69 hangen bleiben und sich im Bodenbereich 75 sammeln. Von dort ist die Asche leicht entfernbar. Der Flammraummantel 69 ist ein Schutz für den Wärmetauscher 15. Er schützt den Wärmetauscher 15 weitgehend vor direktem Flammenkontakt. Deshalb ist der Flammraummantel an seinem vorderen Ende, nahe dem Abschlussorgan 27 oder dem Umlenkteil 39 geschlossen und weist keine Schlitze 71 auf, durch welche die nicht total umgelenkte Flamme zu den Rohren 40 des Wärmetauschers 15 gelangen konnte.

Die Schraubenwindungen 77 des Wärmetauschers 15 sind mit einem geraden Anschlussteil 79 (Fig. 4) beidseitig an eine Zuleitung 81 bzw. eine Ableitung 83 angeschlossen. Die einzelnen Warmetauscherelemente 43 bestehen aus vier Windungen eines Rohres 40 mit flachem Querschnitt und sind parallel an die Zuleitung 81 und die Ableitung 83 angeschlossen. Ausbuchtungen m der Rohrwandung (nicht eingezeichnet) halten einen Abstand zwischen den Rohren 40 der Windungen 77.

Die Figur 5 zeigt einen Brennerkopf 111 für flussige Brennstoffe, mit einer Stauscheibe 113, welche m eine nicht dargestellte Wandung eines Brennraums 112 montierbar ist. An der Stauscheibe 113 ist m Stromungsrichtung, welche durch den Pfeil 114 angezeigt ist, ein Flammrohr 115 mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Lange von ca. 1 zu 2 angeordnet. Weiter ist zentral auf der Flammrohrachse 117 eine Lanze oder Düse 119 angeordnet. Die Befestigungsmittel für die Düse 119 und die Stauscheibe 113 bilden zusammen z.B. eine Blendeneinheit, wie sie beispielsweise in der EPA 0 650 014 beschrieben ist. Der Dusenkopf 123 sitzt zentrisch einem Blendenemsatz 125. Die Spruhoffnung 121 der Düse 119 liegt in der Ebene der Stauscheibe 113 bzw. des Blendenemsatzes 125. Der Blendenemsatz 125 ist auf der Stauscheibe 113 befestigt und deckt bis auf eine ringförmige Luftoffnung 129 um den Dusenkopf 123 herum die Öffnung 127 m der Stauscheibe 113 ab. Die ringförmige Luftoffnung 129 nimmt eine Flache von ca. 8% der Querschnittflache des Flammrohrs 115 ein.

Die Luftoffnung 129 ist ausserdem mit drallerzeugenden Leitflachen 131 ausgestattet. Diese Leitflachen 131 sind radial ausgerichtet und sind gegenüber der Flammrohrachse 117 und Stromungsrichtung 114 geneigt, so dass durch die Luftoffnung 129 stromende Luft in Rotation um die Achse 117 versetzt wird. Die Lamellen oder Leitflachen 131 sind aus einem Stuck mit dem Blendeneinsatz 125 gefertigt (Fig. 7 und 8) . Bei ihrer Herstellung und Ausrichtung werden sie bis auf eine etwa der gut doppelten Materialstarke entsprechenden Verbindung 132 aus dem Blendeneinsatzblech 134 herausgeschnitten oder gestanzt und danach gegenüber der Blendenemsatzebene um 60 bis 88 Grad verdreht. Dabei sind an den durch die Verdrehung am meisten zu verformenden Stellen der Verbindungen die Langen der sich verformenden Blechkanten durch runde Ausschnitte (136 m Fig. 7) vergrossert, um einer Rissbildung vorzubeugen.

Das Flammrohr 115 ist mit Verbindungsgliedern 133 an der Stauscheibe 113 befestigt. Die Verbindungsglieder 133 sind einstuckig mit der Wandung 139 des Flammrohres 115 gebildet, ragen über das stauscheibenseitige Ende des Flammrohres 115 hinaus und sind durch Schlitze in der Stauscheibe 113 hindurchgesteckt. Stromaufwärts der Stauscheibe 113 werden die Verbindungsglieder 133 nach dem Zusammenstecken verdreht, so dass eine feste Verbindung zwischen Stauscheibe 113 und Flammrohr 115 entsteht.

Die Verbindungsglieder 133 weisen eine abgetreppte, sich verj ngende Silhouette auf. Die Absätze 137 m der Abtreppung stehen fla mrohrseitig an der Stauscheibe 113 an und definieren so die Offnungsweite des Rezirkulationsschlitzes 135. Durch diesen Rezirkulationsschlitz 135 wird Abgas entlang der Stauscheibe 113 und dem Blendenemsatz 125 m das Flammrohr 115 gesaugt, um einer Verrussung dieses Bereiches vorzubeugen. Eine gunstige Offnungsweite liegt um ca. 1 mm. In Stauscheibennahe weist das Flammrohr 115 Rezirkulationsoffnungen 139 auf, durch die das Abgas durch den Unterdruck, der stromabwärts der Stauscheibe 113 aufgrund der Luftströmung entsteht, angesaugt wird. Im gezeigten Fall sind es deren 18 kreisrunde Rezirkulationsoffnungen 139 mit einem jeweiligen Durchmesser von ca. 6 mm. Die Offnungen 139 können aber auch m anderer Anzahl und/oder anderer Form vorliegen.

Das Flammrohr 115 weist einen inneren Durchmesser von etwa 80 mm und eine Lange von etwa 160 mm auf. Am dem Brennraum 112 zugewandten Ende des Flammrohres 15 ist dieses eingeschnürt. Die Einschnürung 141 verengt die Flammenaustrittoffnung 143 gegenüber dem

Flammrohrquerschnitt. Der Randbereich 145 des Flammrohres 115 ist zur Bildung der Einschnürung 141 rund nach innen gewendet .

Die Zundelektroden 147 sind nahe der Peripherie des Flammrohres 115 mit keramischen Isolationsstucken 149 durch die Stauscheibe 13 hmdurchgefuhrt und ragen mit ihren Enden 151 m das Flammrohr 115 hinein. Die Zundstelle 153 liegt m einem Abstand von der Stauscheibe 113 von etwa 2/5 der Lange des Flammrohres 115.

In Figur 6 sind die verschiedenen Zonen wahrend der Verbrennung schematisch dargestellt. Dadurch dass die Luft durch die Luftoffnung 129 geblasen wird entsteht stromabwärts der Stauscheibe 113 ein Unterdruck im Bereich 161. Durch diesen Unterdruck wird Abgas angesaugt, dargestellt durch die Pfeile 163 und 165. Dieses Abgas bildet einen Mantel 167 um die Kernstromung 169. Das entlang Pfeil 165 einströmende Abgas streicht der Oberflache der Stauscheibe entlang und schützt sie vor Russablagerung. Zwischen der Kernstromung 169 und dem Mantel 167 entstehen Wirbel 171, m denen die beiden Medien Luft und Abgas vermischt werden.

Der Brennstoff wird auf kürzestem Wege durch die Luftströmung hindurchgespritzt, dargestellt mit unterbrochenen Linien 172. Der Kegelmantel des versprühten Brennstoffes weist einen Winkel zwischen 60 und 90 Grad auf. Die Düse hat vorzugsweise eine Kegelmantelcharakteπstik mit 80 Grad. In einem Bereich 173 des Abgasmantels 167 vergast der Brennstoff und wird durch Wirbel 175 im Abgasmantel 167 mit dem Abgas vermengt. Da stromaufwärts der Vergasungszone 173 kein vergaster Brennstoff vorliegt, der brennen konnte, und auf dem kurzen Durchdringungsweg, den der Brennstoff durch den Luftstrom 169 hindurch zurücklegen muss, der Brennstoff nicht zu brennen beginnt, wird praktisch samtlicher Brennstoff im Gasmantel 167 vergast und gelangt erst m vergaster Form mit der Luft m einen eine Reaktion auslosenden Kontakt.

Vergaster Brennstoff wird also m den Wirbeln 171 mit dem Abgas zusammen mit der Luft verwirbelt und verbrennt erst im Bereich dieser Wirbel 171 kühl und Schadstoffarm.

Die Flamme beginnt in ihrem Wurzeibereich 177 am Ende des ersten Drittels des Flammrohrs 115. Die Flammenwurzel ist ringförmig zwischen Abgasmantel 167 und Luftstrom 169 eingebettet. Im letzten Drittel des Flammrohrs endet der zentrale Luftstrom 171 im Zentrum der Flamme und kühlt diese. Die Starke des Mantels 167 ist stromabwärts abnehmend, weil das Abgas/ Brennstoffdampf-Gemisch sich auf dieser Strecke mit der Luft vermischt. Der Brennstoffdampf wird über etwa zwei Drittel der Flammrohrlange der Flamme zugeführt. Die Flamme hat somit einen ringförmigen und langgezogenen Wurzeibereich und wird aus dem Mantelbereich 167 heraus genährt. Durch die Einschn rung 141 wird die Mantelzone 167 stromabwärts begrenzt. Das Gas im Mantelbereich 167 wird beim Ausstromen aus dem Flammrohr 115 behindert. Eine Verwirbelung der beiden Medien wird dadurch begünstigt. Die austretende Flamme hält stabil am Flammrohr.

In Figur 9 ist der Brennerkopf 111' für Gas und sind die verschiedenen Zonen während der Verbrennung von gasformigem Brennstoff schematisch dargestellt. Der Brennerkopf 111' entspricht im Wesentlichen dem Brennerkopf 111 für flüssigen Brennstoff. In Strömungsrichtung vor der Stauscheibe 113 ist jedoch mit Abstand zur Stauscheibe 113 ein Lochblech 157 angeordnet. Das Lochblech 157 weist eine Öffnung 158 auf, durch welche der Verdrangungskorper oder die Olduse 119 hindurchstosst . Darum herum sind die Locher angeordnet, welche ein Druckgefälle verursachen, um ein Zurückschlagen der Flamme in den Zufuhrkanal 155 zu verhindern. Am Zufuhrkanal 155 ist eine BrennstoffZuführung und ein Geblase angeordnet (beides nicht dargestellt) .

Dadurch dass das Luft/Brennstoff-Gemisch durch den Durchlass 129 geblasen wird entsteht stromabwärts der Stauscheibe 113 ein Unterdruck im Bereich 161. Durch diesen Unterdruck wird Abgas angesaugt, dargestellt durch die Pfeile 163 und 165. Dieses Abgas bildet einen Mantel 167 um die Kernstromung 169. Das entlang Pfeil 165 einströmende Abgas streicht der Oberfläche der Stauscheibe entlang und schützt sie vor Russablagerung. Zwischen der Kernströmung 169 und dem Mantel 167 entstehen Wirbel 171, in denen die beiden Medien Luft/Brennstoff und Abgas vermischt werden. Gasformiger Brennstoff wird also in den Wirbeln 171 mit der Luft zusammen mit dem Abgas verwirbelt und verbrennt erst im Bereich dieser Wirbel 171 kühl und schadstoffarm.

Die Flamme beginnt in ihrem Wurzelbereich 177 im ersten Drittel des Flammrohrs 115. Die Flammenwurzel ist ringförmig zwischen Abgasmantel 167 und Luft/Brennstoff-Strom 169 eingebettet. Der zentrale Strom 169 endet im Zentrum der Flamme und kühlt diese. Die Starke des Mantels 167 ist stromabwärts abnehmend, weil das Abgas sich auf dieser Strecke mit dem Luft/Brennstoff-Gemisch vermischt. Der Brennstoff brennt ruhig und schadstoffarm.

Der erfindungsgemasse Gasbrenner funktioniert praktisch unabhängig von der Form des Feuerungsraumes. Er ist insbesondere geeignet für kompakte Feuerunganlagen mit kurzen Feuerungsräumen. Der erfindungsgemasse Brenner eignet sich nicht nur für die Verbrennung von Gas. Durch Ersetzen des Verdrangungskorpers 119 durch eine Brennstoffduse f r flussigen Brennstoff mit einer Kegelmantelcharakteristik ist er insbesondere zur Verbrennung von Heizöl extraleicht, Okool oder Kerosen geeignet. Der Brenner erreicht mit flussigen Brennstoffen Abgaswerte für NO_x unter 60 mg/kW.

Claims

Patentansprüche

1. Mit einem Brenner ausgerüsteter Heizkessel, mit einem einen Kesselraum umhüllenden Gehäuse, einem mantelformigen Wärmetauscher, welcher den Kesselraum m eine Brennkammer (17,112) und eine Abgaskammer (19) aufteilt und über die Mantelflache verteilt Durchlasse (41) für heisse Verbrennungsgase aufweist, und einem m der Brennkammer angeordneten Brennerkopf (111,111'), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf ein Flammrohr (23,115) mit einer axialen Flammoffnung (37,143) aufweist und m Abstand von der Flammoffnung (37,143) ein Flammenumlenkteil (39) angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass die Flamme (25) m den Raum zwischen Flammrohr (23,115) und Wärmetauscher (15) umgelenkt wird.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (15) bei oder nahe wenigstens einem Ende ein Abschlussorgan (27) aufweist, und dass das Abschlussorgan (27) auf seiner von der Brennkammer

(17,112) abgewandten Seite vom Kesselraum eine mit einem Kamm verbindbare Rauchgasausstromkammer (29) abteilt.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (15) bei oder nahe wenigstens einem Ende ein Abschlussorgan (27') aufweist, und dass das Abschlussorgan (27') vom Kesselraum eine Rezirkulationskammer (33) abteilt.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch ein Abschlussorgan (27,27') abgeteilte Kammer (29, 33) vom Wärmetauscher (15) ummantelt ist.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlussorgan (27) eine Ausbuchtung zur Ausstromkammer (29) hm aufweist.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenumlenkteil (39) einen auf der Flammenachse (45,117) angeordneten, der Flamme (25) entgegenstehenden Flammenteiler (47) und um diesen herum eine ringförmige Umlenkrinne (49) aufweist.

7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenumlenkteil (39) ein Abschlussorgan (27) bildet.

8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (15) aus mit Zwischenraum (41) nebeneinander aufgereihten Rohren (40) besteht, welche die Brennkammer (17,112) umfangend angeordnet und an eine Zuleitung (81) und eine Ableitung (83) angeschlossen sind.

9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmetauscherrohre (40) schraubenförmig gewickelt sind.

10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des Wärmetauschers (15) aus einer Mehrzahl von die Warmetauscheremheiten (43) zusammengefugt ist.

11. Heizkessel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmetauschereinheiten (43) parallel an die Zuleitung

(81) und Ableitung (83) angeschlossen sind.

12. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Verbrennung von 01 und/oder Gas und für Abgasrezirkulation ausgerüstet ist, und dass der Brenner gegebenenfalls auf den Betrieb mit 01 oder Gas umstell- oder umschaltbar ist.

13. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf mit einer zentral angeordneten Brennstoffduse mit

Kegelmantelcharakteristik, einer Stauscheibe mit Luftoffnung und in Stromungsrichtung an die Stauscheibe anschliessend einem Flammrohr, welches m Stauscheibennahe Offnungen zum Einlass von Abgas m ein Unterdruckgebiet in Stromungsrichtung hinter der Stauscheibe aufweist, ausgerüstet ist, und dass die Spruhoffnung (121) der Brennstoffduse (67,123) etwa in der Ebene der Unterdruck erzeugenden Stauscheibe (61,113) liegt und die Stauscheibe (61,113) lediglich eine Öffnung aufweist, welche einen ringförmig konzentrisch um die Brennstoffduse (67,123) herum angeordneten Luftemlass

(129) bildet.

14. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Geblase und einer Brennstoffzufuhrung für gasformigen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhrung für gasformigen Brennstoff m einem solchen Abstand zur Stauscheibe (61,113) im Zufuhrkanal (155) angeordnet ist, dass vor der Stauscheibe (61,113) eine praktisch homogene Durchmischung von Brennstoff und Luft gewährleistet ist, und dass die Stauscheibe (61,113) bis auf einen zentralen Durchlass (129) den Zufuhrkanal

(155) abschliesst.

15. Heizkessel nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftoffnung (129) der Stauscheibe (61,113) mit drallerzeugenden Leitflachen (131) versehen ist.

16. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (17) zwischen Flammrohr (23,115), bzw. umgelenkter Flamme (25) und Wärmetauscher (15) ein zylindrischer Flammraummantel (69) angeordnet ist, welcher Durchlässe (71) für heisse Rauchgase aufweist.

17. Heizkessel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässe (71) so ausgebildet sind, dass die Rauchgase etwa tangential vom Flammraummantel (69) wegströmen, wobei allenfalls der Flammraummantel (69) nahe des Abschlussorgans (27) oder des Flammenumlenkteils

(39) geschlossen ist.

18. Heizkessel nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammraummantel (69) in einem Bodenbereich (75) geschlossen ist.

19. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse neben dem Gehäuse (13) angeordnet ist und ein Zuluftkanal (155) vom Gebläse auf eine Stirnseite des Gehäuses (13) und an das Flammrohr (23,115) geführt ist.

20. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite des Gehäuses (13) mit einem Deckel (57) verschliessbar ist, an welchem der Brennerkopf (111,111') befestigt ist.