AT503814B1 - Leistungsregler für manuell mit festbrennstoffen beheizte kaminöfen und herde - Google Patents

Description

  Die Erfindung betrifft einen Leistungsregler in Kombination mit einem Oxydationskatalysator für mit Festbrennstoffen beheizte Kaminöfen und Herde.
Stand der Technik
Mit Festbrennstoffen befeuerte Kaminöfen und Herde (nachfolgend als Ofen oder Öfen bezeichnet) sind, was die Leistung (Wärmeabgabe) betrifft, nur schlecht oder kaum regelbar ohne einen unakzeptabel hohen Schadstoffausstoss hinnehmen zu müssen. Das Problem: die Brennstoffzugabe, das Nachlegen erfolgt nicht kontinuierlich in infinitesimal kleinen Dosen, wie dies bei Gas oder Öl der Fall ist, sondern z. B. als Holzscheit, chargenweise.

   Folgerichtig ist die hier vorgeschlagene Technik auch nicht primär für Pellet- oder Hackschnitzelheizungen gedacht, bei denen die Brennstoffzufuhr automatisch und kontinuierlich, in sehr kleinen Dosen, also beinahe kontinuierlich erfolgt, sondern für manuell, mit dem erwähnten Holzscheit beschickte, nicht automatisch geregelte Feuerungsanlagen wie Kaminöfen und Festbrennstoffherde. Damit sollen aber a priori weder automatisch beschickte und/oder geregelten Anlagen, ausgeschlossen werden soll, noch soll die Beschickungseinheit auf "Holzscheit" beschränkt werden, da diese je nach Art des Beschickungssystems und des verwendeten Brennstoffes auch ein Kübel, eine Schaufel oder jede sonstige geeignete Mengeneinheit sein kann.

   Entscheidend ist hier lediglich der Charakter einer chargenweisen, diskontinuierlichen Beschickung im Gegensatz zur kontinuierlichen.
Diese chargenweise Beschickung bedingt nun, dass sich der in der Brennkammer vorhandene Brennstoffmix - und damit zusammenhängend - die Brerinrauminnentemperatur kontinuierlich verändert.

   Legt man auf die Grundglut ein neues (kaltes) Holzscheit, so muss dieses erst erwärmt werden, insbesondere muss das im Holz vorhandene Wasser verdampft werden wodurch die Temperatur in der Brennkammer absinkt, dann beginnt das Holzscheit zu gasen (Pyrolysephase, die eigentliche Brennphase, die heisseste Phase der Verbrennung) um anschliessend langsam auszubrennen (Vergasung von festem Kohlenstoff), die Brennraumtemperatur sinkt wieder langsam, aber stetig ab.
Das Problem ist dabei im Allgemeinen nicht die ausreichende Zufuhr von Verbrennungsluft, auch nicht die Dosierung über die verschiedenen Abbrandphasen hinweg (diese regelt sich teilweise aufgrund des im Kamin unterschiedlich stark entstehenden Unterdruckes selbst), sondern das Aufrechterhalten einer genügend hohen Temperatur, um die Verbrennung in Gang zu halten.

   Bei der Verbrennungsgüte kommt es nämlich insbesondere auf die Verweildauer des brennbaren Gas-Luftgemisches in einer genügend heissen Umgebung an. Denn nur durch eine möglichst lange Verweildauer im Reaktionsraum kann gewährleistet werden, dass jedes COMolekül auch seinen Sauerstoffpartner zur vollständigen Oxydation findet.

   Dies wird u. a. dadurch erreicht, dass der Brennraum thermisch isoliert und die Luftführung derart gestaltet wird, dass ein möglichst rasches und vollständiges Durchmischen von Verbrennungsluft mit brennbarem Gas erreicht wird - trotzdem: dies alles ändert nichts an der Tatsache, dass durch die Zugabe von (kaltem) Luftsauerstoff und die Abgabe von Strahlungs- und Konvektionswärme die Temperatur auf dem Weg vom Brennraum zum Rauchfang kontinuierlich absinkt und irgendwo eine kritische Temperatur, die Zündtemperatur von CO (diese liegt bei ca. 550[deg.]C) unterschreitet.

   CO-Moleküle, die bis zu diesem Zeitpunkt noch keinen Oxydationspartner gefunden haben, bleiben unverbrannt und sind daher ein giftiges Abgasprodukt.
Eine Verbesserung liesse sich (theoretisch) auf zwei Arten erzielen: die eine wäre eine Erhöhung der Verweildauer durch eine Vergrösserung des Brennraumvolumens. Allerdings ginge dies mit einer gleichzeitigen Vergrösserung der Brennraumoberfläche und somit einer erhöhten Wärmeabgabe einher; sprich: es würde zu kalt. Die andere - und u. E. einzig gangbare Art - ist der Einsatz eines Oxydationskatalysators (Beschichtung: z.B.

   Palladium, Platin, Rhodium) wodurch die Zündtemperatur von CO auf etwa 250[deg.]C herabgesetzt und die Verweildauer im zündfähigen Zustand dementsprechend stark verlängert wird - ohne die Brennraumgeometrie AT 503 814 B1 verändern zu müssen.
So schwierig es schon ist, den Schadstoffausstoss über die einzelnen Phasen des Abbrandes hinweg in den Griff zu bekommen, noch schwieriger ist es, das Feuer gezielt zu regeln. Nimmt man an, dass man gerade ein grosses Scheit nachgelegt hat, dass sich dieses mitten in seiner grössten Gasphase befindet und dass man die Leistung des Ofens reduzieren möchte, dann geht dies ganz einfach: man drosselt die Luftzufuhr, das Feuer wird umgehend kleiner, es erstickt.

   Aber was heisst das? Das Holzscheit hat ja nicht von einem Augenblick auf den anderen aufgehört, in brennbares Gas zu zerfallen! Das Gas kann nun aber mangels Sauerstoff nicht mehr verbrannt werden, es ist Abgas.
Eine Leistungsregelung mittels Reduktion der Verbrennungsluftzufuhr mag daher funktionieren, sie geht aber eindeutig zu Lasten der Umwelt.

   Wenn man nun das nach der Drosselung weiterhin entstehende brennbare Gas an einem Ort der genügend weit vom Brennstoff entfernt ist, verbrennen könnten, sodass die hierbei frei werdende Energie den Pyrolyseprozess nicht aufrechterhalten kann, dann würde durch das Abkühlen des Brennraumes die Gasproduktion zurückgehen und die Leistungsabgabe vermindert ohne dabei den Schadstoffausstoss zu erhöhen.
In der Praxis ist es aber an jenem weit entfernten Ort zu kalt, die Rauchgastemperatur liegt unter den erwähnten 550[deg.]C, das Rauchgas zündet nicht mehr. Der Verbrennungsprozess kann aber dann aufrecht erhalten werden, wenn er in einem katalytischen Umfeld stattfindet! Da hier der Zündpunkt für CO bei nur ca. 250[deg.]C liegt.

   Leitet man daher das noch nicht vollständig verbrannte Rauchgas durch einen Oxydationskatalysator, und stellt gleichzeitig sicher, dass genügend Verbrennungsluft zur vollständigen Oxydation vorhanden ist, dann kann die primäre Verbrennung gedrosselt werden, ohne gleichzeitig die Emissionen zu erhöhen.

   Es muss ja nur sichergestellt werden, dass das Pyrolysegas nicht in der Hauptbrennkammer, sondern erst im Katalysator verbrannt wird, weit genug vom Ort der Pyrolyse selbst entfernt wodurch diese schliesslich erlischt.
Allerdings ist es dem Benutzer kaum zumutbar, dass er permanent vor dem Ofen sitzt, und mit mehreren Schiebern, Klappen oder Drehreglern, Primärluft, Scheibenspülluft, Sekundärluft und nun auch noch Katalysatorluft regelt.
Die vorliegende Erfindung löst die gestellte Aufgabe, in dem die Verbrennungsluft mit Hilfe nur eines Reglers auf zumindest zwei Luftkanäle aufgeteilt wird. In den Zeichnungen Fig. 1-5 wird der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Demnach wird ein Kanal zu Austrittsöffnungen 6 vor einem Oxydationskatalysator 2 und der andere Kanal in oder unter den Brennräum 7 geführt.

   Dadurch bekommt der Ofen die Hauptluftmenge zur Verbrennung entweder in die eigentliche Brennkammer (dann braucht er nur noch wenig Sauerstoff zur katalytischen Oxydation) - oder er bekommt nur wenig Luft zur Primärverbrennung (was normalerweise einen erhöhten CO-Ausstoss zur Folge hätte) dafür aber mehr zur Nachverbrennung im Katalysator; das Resultat ist jedenfalls immer eine sehr saubere, beinahe rückstandsfreie Verbrennung.
Ausblick
Für einen regelbaren Ofen ergäben sich u. a. folgende Anwendungen:<>Steuerung mittels Thermostat.
<>Dauerbrandfunktion, da das Feuer auf kleiner Stufe über viele Stunden am Brennen gehalten werden kann.<>Einsatz einer kalten Brennkammer: anstatt teurer, hochtemperaturbeständiger Isoliermate

Claims (8)

1. rialien (Vermiculit, mikroporöse Platten, Siliziumkarbid, extraleichte Spezialschamotte) könnte wesentlich billigerer Schamott eingesetzt werden.

   Zu guter Letzt könnte durch die Verminderung der Verbrennungstemperatur auch der Stickoxydausstoss reduziert werden.

   Patentansprüche: 1. Leistungsregler (1 ) in Kombination mit einem Oxydationskatalysator (2) für mit Festbrennstoffen beheizte Kaminöfen und Herde, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft mit Hilfe nur eines Reglers auf zumindest zwei Luftkanäle (3), (4) aufgeteilt wird.
2. 2. Leistungsregler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dieser z.B. als Schieber (1A), Drehregler (1 B) oder Klappe (1 C) ausgeführt sein kann.
3. 3. Leistungsregler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch ihn zumindest zwei Luftkanäle in der Art verbunden sind, dass, wenn der Luftstrom in einem Kanal geöffnet wird, gleichzeitig der im anderen Kanal zumindest teilweise geschlossen wird und umgekehrt.
4. 4. Luftkanal (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er einen Verbrennungsluftstrom (5) direkt zu Austrittsöffnungen (6) vor einem Oxydationskatalysator führt.
5. 5. Luftstrom (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser den Sauerstoff für die Sekundärverbrennung des Rauchgases im Katalysator liefert.
6. 6. Luftkanal (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er einen Verbrennungsluftstrom (8) in oder unter den Brennraum (7) leitet.
7. 7. Luftstrom (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser den Sauerstoff für die Primärverbrennung im Brennraum liefert.
8. 8. Luftkanäle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kanäle in ihrem Querschnitt und/oder Form aufgrund unterschiedlicher Strömungsverhältnisse und unterschiedlicher zuzuführender Luftmengen nicht notwendigerweise gleich gross sein müssen.