Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, bei welchem man in einer mindestens annähernd als Rotationskörper ausgebildeten, keine feuerfeste Materialien aufweisenden, gekühlten Brennkammer das Brennstoff-Luftgemisch in Form von mindestens einem Treibstrahl mindestens eines Brenners einführt, wobei der Brenner exzentrisch bezüglich der Drehachse der Brennkammer auf einem Zuströmstutzen für das Gemisch befestigt ist, sowie einen Heizkessel zur Ausführung des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Verfahrens zum Verbrennen von Brennstoffen in einer Brennkammer, welche einen breiten Leistungsbereich erlaubt, und in welcher auf einen insbesondere hochbelasteten Heizkessel angewandt, eine wirtschaftlich optimale, geräuscharme Verbrennung ermöglicht wird. Es wird dabei gleichfalls eine sehr hohe spezifische Wärmebelastung in der Brennkammer und eine hohe, aber gleichmässige Wärmeaufnahme der Brennkammerwand erstrebt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man den aus dem Brenner austretenden Treibstrahl, umfassend Verbrennungsluft, Brennstoff, brennende Teile und Verbranntes, aufteilt und dass man die daraus entstehenden Rauchgase in unterschiedlichen Richtungen aus der Brennkammer ausströmen lässt.
Der Heizkessel zur Ausführung des Verfahrens weist eine als Rotationskörper ausgebildete Brennkammer auf, bei welcher das zu erhitzende Medium und die Flammengase ausschliesslich durch Brennkammerwand voneinander getrennt sind und welche Brennkammer zwei oder mehr, einander mindestens annähernd gegenüberliegende Rauchgasabgänge aufweist, wobei die Strömungsquerschnittsfläche jedes Abganges wesentlich kleiner ist als der grösste Brennkammerquerschnitt, das Ganze derart, dass in der Brennkammer eine Wirbelsenke aus einer rotierenden Brenngasmasse entsteht, welche durch den eingeblasenen Luft- und Brennstoffstrom in Bewegung gehalten wird und Luft und Brennstoff allseitig von heissen Brenngasen umgeben werden, um eine einwandfreie, fortlaufende Zündung trotz vollständig gekühlter Brennkammer zu erreichen und zu verhindern,
dass Brennstoffteilchen die gekühlte Brennkammerwand berühren und um ferner zu erreichen, dass in der Brennkammer infolge kräftiger Wirbelbildung eine intensive Durchmischung von Luft, Brennstoff und Feuergasen entsteht, wobei die schnelle und vollständige Verbrennung derart gefördert wird, dass aus der Brennkammer keine Flammen austreten und dass ferner durch Steigerung der Drallwirkung in der unmittelbaren Umgebung des Rauchgasabganges allfällige unverbrannte Brennstoffteilchen am Austreten aus der Brennkammer verhindert werden.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel für flüssige Brennstoffe gemäss Linie I-I der Fig. 2;
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II des Heizkessels, gemäss Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Heizkessel nach Linie Jil-Jil der Fig. 1;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen liegenden Heizkessel, gemäss Linie IV-IV der Fig. 5;
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Kessel nach Linie 111-111 der Fig. 4;
Fig. 911 verschiedene Ausführungen von Brennkammern im Meridianschnitt;
Fig. 12 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel für flüssige Brennstoffe, gemäss Linie VI-VI der Fig. 13;
;
Fig. 13 einen Querschnitt durch den Heizkessel nach Linie V-V der Fig. 12;
Fig. 14 Anfahrdruckschwingungen in der Brennkammer eines bekannten, modernen Heizkessels in graphischer Darstellung;
Fig. 15 die in gleicher Weise aufgenommenen Anfahrdruckschwingungen des erfindungsgemässen Heizkessels.
Der in den drei Fig. 1-3 dargestellte Heizkessel, ein Dampfkessel, besitzt eine vollständig im Wasser eingetauchte Brennkammer 1, welche im dargestellten Beispiel praktisch hohlkugelförmig ausgebildet ist, jedoch auch zylindrisch oder doppelkegelförmig sein kann. Diese Brennkammer 1 weist eine Brennerrohröffnung 5 mit einer Brennerachse 3 auf. Ein Brennerrohrstutzen 7 ist an seinem freien Ende mit einem Flansch 9 zum Befestigen eines Gebläses 11 versehen. In Fig.
2 ist das Ende eines Mischrohres 13 für Brennstoff und Brennluft im Brennerrohr sichtbar. Aus der Brennkammer 1 führen zwei symmetrisch zueinander angeordnete und praktisch eine gemeinsame Längsachse 19 aufweisende Brenn kammeraustritte 15 und 17, deren Achse 19 ebenfalls eine Hauptachse der Brennkammer 1 ist.
Die Brennkammeraustritte 15 und 17 münden in einen Konvektionsteil 21, der sich halbkreisförmig um einen Kes selwassermantel 31 des Dampfkessels erstreckt. Dieser Konvektionsteil ist mit Rauchgasabgangsstutzen 23 verbunden.
Zwei Reinigungsstutzen 25 und 27 erlauben den Zugang zur Konvektionsheizfläche 21. Die Brennkammerwand 29 trennt die Brennkammer 1 vom Kesselwasser 33. Der Konvektionsteil 21 weist Wasserrohre 35 auf. Der Dampfkessel hat eine Hauptachse 37, welche senkrecht auf der Brennerachse 3 steht, die ihrerseits windschief normal zur Achse 19 der Brennkammeraustritte 15, 17 verläuft. Der Dom des sich über dem Kesselwasser befindenden Raum trägt einen Dampfentnahmestutzen 39. Ein Speisewasserstutzen 41 führt das Speisewasser seitlich durch den Kesselwassermantel 31 zu.
Der beschriebene Kessel mit der Brennkammer 1 und dem Kesselwassermantel 31 ist zur Isolierung und zum Schutze mit einer Kesselumhüllung 43 versehen.
Die Brennerachse 3 ist, wie erwähnt, windschief normal zur Brennkammerachse 19 angeordnet, so dass der radial äusserste Stromfaden der einströmenden Flamme mit der Verbrennungsluft nicht in Richtung einer Tangente, sondern in Richtung einer Sekante in die Brennkammer 1 einströmt und, durch die Brennkammerwand 29 abgelenkt, in eine kreisförmige Bahn gezwungen wird.
Wie z. B. aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, gilt dann A+r < R und A > ro wobei r den Radius des Brennerrohrstutzens 7 der Brennkammer, R den grössten Radius der Brennkammer 1, A den Abstand zwischen der Achse 19 der Brennkammeraustritte 15, 17 und er Achse des Brennerrohres und n den Radius der Mischeinrichtung 13 des Brenners bedeuten.
einrichtung 13 des Brenners bedeuten.
Auf diese Weise entstehen in der Brennkammer 1 zwei Wirbelsenken, welche bezüglich der Ebene durch die Achse 37 und die Brennerachse 3 symmetrisch verlaufen. Hohe Tangentialgeschwindigkeiten ergeben zusätzlich zur Strahlung einen erheblichen Anteil an konvektivem Wärmeübergang.
Durch Drall (erhöhte Turbulenz) entsteht im unmittelbar nachgeschalteten Rauchgasteil ein sehr guter Wärmeübergang.
Die Rauchgase strömen durch die beiden Brennkammeraustritte 15 und 17 beidseits der Brennkammer 1 in die Konvektionsheizfläche 21, wo sie sich, nachdem sie einen wesentlichen Teil ihrer Wärme an die Wasserrohre 35 abgegeben haben, im Rauchgasabgangsstutzen 23 treffen, der sie zum Kamin (nicht dargestellt) führt.
Der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Heizkessel weist ebenfalls eine kugelförmige Brennkammer 1 auf, in welche die bezüglich der Rotationsachse 19 der Brennkammer 1 radial äusserste, durch die Brennkammer in Richtung der Brennerachse 3 fortgesetzt, radial äusserste Mantellinie des Brennerrohrstutzens 7 als Sekante im grössten Brennkammer querschnittskreis ausgebildet ist. Es handelt sich also bei dieser radial äussersten Mantellinie nicht um eine Tangente bezüglich des grössten Brennkammerquerschnittskreises, sondern um eine Sekante. Das Gebläse 11 ist mittels des Befestigungsflansches 9 am Brennerrohrstutzen 7 angeflanscht. Die Brennkammerwand 29 ist kugelförmig. Im Längsschnitt durch den Kessel gemäss Fig. 4 ist ferner die Kesselummantelung 46 ersichtlich sowie ein von dieser umbauter Wassermantel 48 zur äusseren Begrenzung eines Wasserraumes 49.
In den Wasserraum 49 münden ein Vorlaufstutzen 50 und Rücklaufstutzen 52. Auch bei dieser Ausführung weist die Brennkammer 1 zwei sich diametral gegenüberliegende Brennkammeraustritte 54 und 55 mit einer gemeinsamen Achse 19 auf, die ebenfalls, wie erwähnt, eine Hauptader der Brennkammer 1 ist. Diese beiden Austritte 54 und 55 münden in eine untere Rauchgaskammer 57, aus welcher Rauchgasrohre 58 in eine obere Rauchgaskammer 59 führen. Die beiden Rauchgaskammern 57 und 59 sind durch eine Trennwand 61 voneinander getrennt. Im hinteren Teil des Wasserraumes 49 sind, wie Fig. 4 zeigt, die Rauchgasrohre 58 angeordnet und zwar in zwei zueinander parallel liegenden senkrechtenBündeln, zwischen denen (Fig. 5) ein Verbrauchs- warmwasserbereiter 63 mit Zellen 64 angeordnet ist.
Nach Durchströmen der Rauchgasrohre 58 sammeln sich die Rauchgase in der Rauchgaskammer 59 und verlassen diese durch einen Rauchgasabgang 66.
In den Fig. 6 und 7 sind zwei Brennkammern 70 mit Wänden 71 dargestellt, welche Wände je aus einer gewölbten Wand 73, 74 sowie einem dazwischenliegenden zylindrischen Mittelstück 75 zusammengesetzt sind. Sich gegenüberliegende koaxiale Abzugsstutzen 77 und 78 erlauben das Abströmen der aufgeteilten Rauchgase in entgegengesetzten Richtungen. Die beiden Abzugsstutzen 77 und 78, welche in die Brennkammer 70 hineinragen, sind als Kühlwasser führende Ringmäntel 80 ausgebildet.
In diesen beiden Fig. 6 und 7 ist ferner der Brennerrohrstutzen 82 ersichtlich, welcher bezüglich der entsprechenden Brennkammer derart angeordnet ist, dass den in die Brennkammer 70 einströmenden Medien in dieser eine Drehbewegung vermittelt wird, welche zusammen mit den beiden einander gegenüberliegenden Abzugsstutzen 77 und 78 das Aufreissen und Mischen der Flamme mit Verbrennungsluft, Brennstoff und Verbrennungsgasen bewirkt.
In der Ausführung gemäss Fig. 6 ist ein Leitblech 84 eingebracht, welches zur Lenkung der Strömung dient.
Die in die Brennkammer 70 gemäss Fig. 7 angeordneten Ringe 86 und 87 haben die Aufgabe, auftretende Querströmungen, wie sie bei Rotationsströmungen als sogenannte Sekundärströmungen bekannt sind, zu begrenzen bzw. zu dämpfen.
In Fig. 8 ist die Brennkammer 90 kugelförmig. Auch hier sind die beiden Abgangsstutzen 92 und 93 koaxial zueinander und sich gegenüberliegend angeordnet, wobei diese Stutzen etwas in die Brennkammer 90 hineinragen. Sie sind mittels Böden 95 und 96 abgeschirmt, um Kurzschluss-Strömungen zu verhüten und zu erreichen, dass die Rauchgase dem durch die Pfeile angedeuteten Strömungsweg folgen (Wirbelsenken). Diese Lösung ist bei ausserordentlich hohen Brennkammer-Belastungen vorteilhaft.
Die in Fig. 9 dargestellte Brennkammer 98 ist zylindrisch.
Auch sie weist zwei Abzugsstutzen 100 und 101 auf, die mit Kühlwasserringmänteln 103 und 104 versehen sind.
Die Ausführung gemäss Fig. 10 stellt eine Kombination der Ausführung nach Fig. 8 mit Abgangsstutzen gemäss Fig.
9 dar, während Fig. 11 eine kugelförmige Brennkammer 107 aufweist, die im Mittelbereich, in den der Brenner einmündet, mit einer Abkantung 108 zur vorteilhafteren Aufteilung der Brennkammer und damit des Flammengebildes versehen ist.
Bei verschiedenen Ausführungen sind die Abzugsstutzen in die Brenakammer hineingeführt, um zu ermöglichen, dass in der Randzone der Brennkammer entlangströmende Gase wieder in die Nähe der heissen Zündzone 6 (Fig. 1) der rotierenden Flamme zurückgeführt werden.
Der in der Fig. 12 und 13 dargestellte Heizkessel oder Dampfkessel hat ebenfalls eine kugelförmige Brennkammer 110, welche von der Verlängerung der radial äussersten Brennerrohrmantellinie des Stutzens 112 als Sekante durchsetzt wird. Der Ölbrenner (nicht dargestellt) wird mittels des Befestigungsflansches 9 am Brennerrohrstutzen 112 befestigt.
Die Brennkammerwand 114 ist kugelförmig. Im Längsschnitt durch den Kessel gemäss Fig. 12 sind ferner ein Brennkammeraustritt 116 für die Rauchgase, der in eine Rauchgasumlenkkammer 118 mündet, sowie wassergekühlte, rauchgasführende Rohre 120 ersichtlich, an die ein Rauchgas Sammelraum 122 anschliesst. Zur Rauchgasabführung in den Kamin (nicht dargestellt) dient ein Abgasstutzen 124. Wie aus der Fig. 12 ersichtlich ist, werden die einzelnen rauchgasführenden Rohre 120 jeweils ihrer Länge nach teilweise von einem wasserdurchströmten Rohr 126 ummantelt. Der Wasserabfluss der wasserführenden Rohre 126 wird jeweils durch Verbindungsstutzen 128 gewährleistet. Die rauchgasseitige Reinigung des Heiz- oder Dampfkessels erfolgt über Sutzöffnungen 130 und über eine in der durch Schamotte 132 geschützten Rauchgasumlenkkammer 118 angeordnete Putzöffnung 134.
Es ist bekannt, dass das Anfahrverhalten von Ölbrennern sowie die Geräuschdämpfung an Heizkesseln durch die akustische Kapazität der Brennkammer und die akustische Induktivität der Konvektionsheizfläche stark beeinflusst werden können. Neu ist nun die Erkenntnis, dass durch eine sinnvolle Zirkulation, wie sie erfindungsgemäss in einem rotationssymmetrischen, insbesondere in einer hohlkugelförmigen Brennkammer erzeugt wird, eine starke Reduktion der Anfahr-Druckschwingungen statfindet.
Eingehende Versuche haben bestätigt, dass die Eigendämpfung in einer derartigen Brennkammer bis zu 40 o/o gegenüber den bekannten Brennkammern verbessert werden kann. In Fig. 14 wird eine Anfahr-Druckschwingung dargestellt, wie sie in einem modernen bekannten Hochleistungskessel auftritt, während in Fig. 15 die Anfahr-Druckgschwingung der Brennkammer mit nachgeschalteter Konvektionsheizfläche des erfindungsgemässen Heizkessels ist. Da die Auslegung des Gebläses in erster Linie durch die Grösse der Anfahr-Druckschwingungen bestimmt wird und nicht vom statischen Überdruck in der Brennkammer, kann bei Anwendung einer derartigen Brennkammer mit preislich günstigeren Ölbrennern gearbeitet werden.
Da die Ölflamme bei den bis heute bekannten Ölbrenner- Mischeinrichtungen in ihrem Kern an Luftmangel leidet, während in der Randzone Luftüberfluss herrscht, ist es wünschenswert und zweckmässig, eine Brennkammer zu schaffen, in welcher die von Natur aus ungleichmässige Mischung von Verbrennungsluft und Ölpartikeln, bedingt durch die Brennstoffverteilung in Düsenstrahlen, verbessert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die in Richtung einer Sekante in einer rotationssymmetrischen, vorzugsweise hohlkugelförmigen Brennkammer eingeführten Brennstoffteilchen unter Ausnutzung der in dieser Brennkammer herrschenden Kombination von Umfangs-, Radial- und Querströmungen in nahezu idealer Weise mit der Verbrennungsluft vermischt werden.
Durch diese gute Vermischung, verbunden mit einer zwangsweise Rezirkulation von Verbrennungsgasen in die Zündzone 6 (in Fig. 1 dargestellt) wird der Verbrennungsvorgang intensiviert. Dieser Effekt kann noch verbessert werden, wenn, wie in den Fig. 1 und 3 ersichtlich, durch Anordnung sich gegenüberliegender Brennkammeraustritte eine Aufteilung der Flamme in der beschriebenen Weise vorgenommen wird. Dadurch wird die Mischwirkung und daher zwangsläufig der Verbrennungsvorgang verbessert. Würde nämlich die Zufuhr des Brennstoff-Luftgemisches im betrachteten Querschnitt radial weiter aussen erfolgen, so dass die äusserste Mantellinie der in Richtung der Brennerachse durch die Brennkammer fortgesetzte Brennerrohrlinie tangential oder noch weiter aussen verlaufen würde, so würde der zerstäubte Brennstoff unverbrannt an die Brennkammerwand gelangen.
In bekannten Ausführungen benützt man in Brennkammern zur Sicherstellung der Zündung und um die Reaktionszeit des Brennstoff-Luftgemisches herabzusetzen, feuerfestes Material.
Bei der vorliegenden Erfindung dagegen ist dank der hohen Mischwirkung und der Rückführung heisser Brenngase in die Zündzone kein feuerfestes Material in der Brennkammer nötig. Als besonderen Vorteil ist ferner zu erwähnen, dass die Abbrandgeschwindigkeit in einer solchen Brennkammer derart gross ist, dass trotz der hohen spezifischen Wärmebelastung derselben keine Flammen aus der Brennkammer austreten. Daher ist es auch möglich, die Berührungsheizflächen unmittelbar nach der Austrittsöffnung für die Heizgase aus der Brennkammer anzuordnen.
Es ist ferner festzuhalten, dass die Längsachse des entstehenden Wirbelkernes mit dem Zentrum der Brennkammeraustrittsöffnung mindestens angenähert zusammenfällt.
Es ist im übrigen möglich, mehr als einen Brenner vorzusehen und diese z. B. auf ein und denselben Grosskreis anzuordnen.
Aus vorstehender Beschreibung wird ersichtlich, dass die Brennkammer sowohl von feuerfestem Material als auch von jeglichen Einbauten und Leitblechen frei ist, so dass Wärmestauungen einerseits und unnötige Druckverluste andererseits bewusst vermieden werden können.
Es sind Zyklonfeuerungen für feste Brennstoffe bekannt, deren Hauptverfahrensmerkmal die möglichst vollständige Abscheidung der durch die hohe Brennkammertemperatur verflüssigten Aschenteilchen in der Brennkammer bzw. an der heissen Brennkammerwand darstellt, um einer zu starken Verschmutzung der Nachschaltheizfläche entgegen zu wirken.
Die beschriebene Brennkammer unterscheidet sich aber von den bekannten Brennkammern dadurch, dass die in Richtung einer Sekante in die Brennkammer eingeführten, insbesondere flüssigen Brennstoffteilchen auf keinen Fall die gekühlte Brennkammerwand berühren, womit Koksanlagerungen sicher vermieden werden.
Die erläuterten Eigenschaften der vorbeschriebenen hohlkugelförmigen oder zylinderförmigen Brennkammer werden vor allem dadurch erreicht, dass man die folgenden geometrischen Verhältnisse realisiert:
Abstand A der Brennerachse 3 von der Achse 19 der
Brennkammer: (0,1 . 0,4) D,
Abstand der Brennerdüse von der Vertikalebene zur
Brennerachse 3 durch die Brennkammerachse 19: (0,25 . 0,5) D, grösste Brennkammerausdehnung in Richtung ihrer
Achse 19: höchstens 1,5 . D,
Verhältnis des Gesamtabzugsquerschnittes zum Brenn raumquerschnitt z D2 : höchstens 0,5,
4
Abstand der Brennerachse 3 von der nächstgelegenen
Austrittsöffnung: höchstens 0,75 D.
Dabei bedeutet D den Durchmesser des Brennraumquerschnittes senkrecht zur Achse 19 der Brennkammer, wobei diese Querschnittsebene durch die Brennerachse verläuft und die massgebliche Achse 19 durch die Brennkammeraustritte 15, 17 verläuft.
The present invention relates to a method for burning liquid or gaseous fuels, in which the fuel-air mixture in the form of at least one propellant jet of at least one burner is introduced into a cooled combustion chamber designed at least approximately as a rotating body and having no refractory materials, the burner is attached eccentrically with respect to the axis of rotation of the combustion chamber on an inflow connection for the mixture, as well as a boiler for carrying out the method.
The present invention aims to provide a method for burning fuels in a combustion chamber which allows a wide power range and in which, when applied to a particularly heavily loaded boiler, economically optimal, low-noise combustion is made possible. A very high specific heat load in the combustion chamber and a high, but uniform heat absorption of the combustion chamber wall are also sought.
The method according to the invention is characterized in that the propellant jet emerging from the burner, comprising combustion air, fuel, burning parts and burned material, is divided and that the resulting flue gases are allowed to flow out of the combustion chamber in different directions.
The boiler for carrying out the method has a combustion chamber designed as a rotating body, in which the medium to be heated and the flame gases are separated from each other exclusively by the combustion chamber wall and which combustion chamber has two or more flue gas outlets that are at least approximately opposite one another, with the flow cross-sectional area of each outlet being significantly smaller is as the largest combustion chamber cross-section, the whole thing in such a way that a vortex sink is created in the combustion chamber from a rotating fuel gas mass, which is kept in motion by the blown air and fuel flow and air and fuel are surrounded on all sides by hot combustion gases to ensure a perfect, continuous flow To achieve and prevent ignition despite the completely cooled combustion chamber,
that fuel particles touch the cooled combustion chamber wall and also to achieve that in the combustion chamber as a result of strong vortex formation, an intensive mixing of air, fuel and fire gases is created, the rapid and complete combustion is promoted in such a way that no flames escape from the combustion chamber and that further by increasing the swirl effect in the immediate vicinity of the flue gas outlet, any unburned fuel particles can be prevented from escaping from the combustion chamber.
The invention will then be explained using figures, for example. It shows in a purely schematic representation:
1 shows a longitudinal section through a heating boiler for liquid fuels according to line I-I of FIG. 2;
FIG. 2 shows a section along line II-II of the boiler according to FIG. 1;
3 shows a cross section through the heating boiler along line Jil-Jil of FIG. 1;
FIG. 4 shows a longitudinal section through a horizontal heating boiler, along line IV-IV of FIG. 5;
FIG. 5 shows a cross section through the boiler along line 111-111 of FIG. 4;
911 shows various designs of combustion chambers in a meridional section;
FIG. 12 shows a longitudinal section through a heating boiler for liquid fuels, according to line VI-VI of FIG. 13;
;
Fig. 13 is a cross-section through the boiler along line V-V of Fig. 12;
14 shows start-up pressure oscillations in the combustion chamber of a known, modern heating boiler in a graphic representation;
15 shows the start-up pressure oscillations of the heating boiler according to the invention, recorded in the same way.
The boiler shown in the three FIGS. 1-3, a steam boiler, has a combustion chamber 1 completely immersed in water, which in the example shown is practically hollow-spherical, but can also be cylindrical or double-conical. This combustion chamber 1 has a burner tube opening 5 with a burner axis 3. A burner pipe socket 7 is provided at its free end with a flange 9 for attaching a fan 11. In Fig.
2 shows the end of a mixing tube 13 for fuel and combustion air in the burner tube. From the combustion chamber 1 lead two symmetrically arranged and practically a common longitudinal axis 19 having combustion chamber outlets 15 and 17, the axis 19 of which is also a main axis of the combustion chamber 1.
The combustion chamber outlets 15 and 17 open into a convection part 21 which extends semicircularly around a Kes selwassermantel 31 of the steam boiler. This convection part is connected to the flue gas outlet nozzle 23.
Two cleaning nozzles 25 and 27 allow access to the convection heating surface 21. The combustion chamber wall 29 separates the combustion chamber 1 from the boiler water 33. The convection part 21 has water pipes 35. The steam boiler has a main axis 37, which is perpendicular to the burner axis 3, which in turn is skewed normal to the axis 19 of the combustion chamber outlets 15, 17. The dome of the space located above the boiler water has a steam extraction connection 39. A feed water connection 41 supplies the feed water laterally through the boiler water jacket 31.
The boiler described with the combustion chamber 1 and the boiler water jacket 31 is provided with a boiler casing 43 for insulation and protection.
As mentioned, the burner axis 3 is arranged skewed normal to the combustion chamber axis 19, so that the radially outermost flow filament of the inflowing flame with the combustion air does not flow into the combustion chamber 1 in the direction of a tangent but in the direction of a secant and is deflected by the combustion chamber wall 29 , is forced into a circular path.
Such as B. from Figs. 1 and 2, then A + r <R and A> ro applies, where r is the radius of the burner tube connector 7 of the combustion chamber, R is the largest radius of the combustion chamber 1, A is the distance between the axis 19 of the combustion chamber outlets 15, 17 and he mean the axis of the burner tube and n the radius of the mixing device 13 of the burner.
means 13 of the burner.
In this way, two vertebral sinks are created in the combustion chamber 1, which extend symmetrically with respect to the plane through the axis 37 and the burner axis 3. In addition to radiation, high tangential velocities result in a considerable proportion of convective heat transfer.
The swirl (increased turbulence) creates very good heat transfer in the immediately downstream flue gas section.
The flue gases flow through the two combustion chamber outlets 15 and 17 on both sides of the combustion chamber 1 into the convection heating surface 21, where, after they have given off a substantial part of their heat to the water pipes 35, they meet in the flue gas outlet nozzle 23, which leads them to the chimney (not shown) leads.
The boiler shown in FIGS. 4 and 5 also has a spherical combustion chamber 1, in which the radially outermost surface line of the burner tube connector 7 as a secant in the direction of the burner axis 3, continued through the combustion chamber in the direction of the burner axis 3, with respect to the axis of rotation 19 of the combustion chamber 1 largest combustion chamber cross-sectional circle is formed. This radially outermost surface line is therefore not a tangent with respect to the largest combustion chamber cross-sectional circle, but a secant. The fan 11 is flanged to the burner pipe socket 7 by means of the fastening flange 9. The combustion chamber wall 29 is spherical. In the longitudinal section through the boiler according to FIG. 4, the boiler jacket 46 can also be seen, as well as a water jacket 48 surrounded by it for the outer delimitation of a water space 49.
A flow connection 50 and return connection 52 open into the water space 49. In this embodiment, too, the combustion chamber 1 has two diametrically opposite combustion chamber outlets 54 and 55 with a common axis 19, which, as mentioned, is also a main artery of the combustion chamber 1. These two outlets 54 and 55 open into a lower flue gas chamber 57, from which flue gas pipes 58 lead into an upper flue gas chamber 59. The two smoke gas chambers 57 and 59 are separated from one another by a partition wall 61. In the rear part of the water space 49, as FIG. 4 shows, the flue gas pipes 58 are arranged in two perpendicular bundles lying parallel to one another, between which (FIG. 5) a domestic water heater 63 with cells 64 is arranged.
After flowing through the flue gas pipes 58, the flue gases collect in the flue gas chamber 59 and leave it through a flue gas outlet 66.
In FIGS. 6 and 7, two combustion chambers 70 with walls 71 are shown, which walls are each composed of a curved wall 73, 74 and a cylindrical center piece 75 lying in between. Opposing coaxial exhaust connections 77 and 78 allow the divided flue gases to flow out in opposite directions. The two take-off nozzles 77 and 78, which protrude into the combustion chamber 70, are designed as annular jackets 80 carrying cooling water.
In these two FIGS. 6 and 7, the burner pipe socket 82 can also be seen, which is arranged with respect to the corresponding combustion chamber in such a way that the media flowing into the combustion chamber 70 are given a rotary movement therein, which together with the two opposing vent connections 77 and 78 causes the flame to burst and mix with combustion air, fuel and combustion gases.
In the embodiment according to FIG. 6, a guide plate 84 is introduced which serves to direct the flow.
The rings 86 and 87 arranged in the combustion chamber 70 according to FIG. 7 have the task of limiting or damping occurring cross flows, as they are known as secondary flows in the case of rotational flows.
In Fig. 8, the combustion chamber 90 is spherical. Here, too, the two outlet nozzles 92 and 93 are arranged coaxially to one another and opposite one another, these nozzles projecting somewhat into the combustion chamber 90. They are shielded by means of floors 95 and 96 in order to prevent short-circuit currents and to ensure that the smoke gases follow the flow path indicated by the arrows (vortex sinks). This solution is advantageous in the case of extremely high combustion chamber loads.
The combustion chamber 98 shown in FIG. 9 is cylindrical.
It also has two outlet nozzles 100 and 101, which are provided with cooling water ring jackets 103 and 104.
The embodiment according to FIG. 10 represents a combination of the embodiment according to FIG. 8 with the outlet connection according to FIG.
9, while FIG. 11 has a spherical combustion chamber 107 which, in the central area into which the burner opens, is provided with a bevel 108 for a more advantageous division of the combustion chamber and thus the flame structure.
In the case of various designs, the vent connections are led into the furnace chamber in order to enable gases flowing along the edge zone of the combustion chamber to be returned to the vicinity of the hot ignition zone 6 (FIG. 1) of the rotating flame.
The boiler or steam boiler shown in FIGS. 12 and 13 also has a spherical combustion chamber 110, which is penetrated as a secant by the extension of the radially outermost burner tube surface line of the connection 112. The oil burner (not shown) is fastened to the burner pipe socket 112 by means of the fastening flange 9.
The combustion chamber wall 114 is spherical. In the longitudinal section through the boiler according to FIG. 12, a combustion chamber outlet 116 for the flue gases, which opens into a flue gas deflecting chamber 118, as well as water-cooled, flue gas-carrying pipes 120, to which a flue gas collecting space 122 connects, can also be seen. A flue gas nozzle 124 is used to discharge flue gas into the chimney (not shown). As can be seen from FIG. 12, the length of the individual flue gas-carrying pipes 120 is partially surrounded by a pipe 126 through which water flows. The drainage of water from the water-carrying pipes 126 is ensured by connecting pieces 128. The cleaning of the flue gas side of the heating or steam boiler takes place via protective openings 130 and via a cleaning opening 134 arranged in the smoke gas deflection chamber 118 protected by fireclay 132.
It is known that the start-up behavior of oil burners and the noise reduction in boilers can be strongly influenced by the acoustic capacity of the combustion chamber and the acoustic inductivity of the convection heating surface. What is new is the finding that a meaningful circulation, as it is generated according to the invention in a rotationally symmetrical, in particular in a hollow spherical combustion chamber, results in a strong reduction in the start-up pressure oscillations.
Extensive tests have confirmed that the self-damping in such a combustion chamber can be improved by up to 40% compared to the known combustion chambers. 14 shows a start-up pressure oscillation as it occurs in a modern, known high-performance boiler, while FIG. 15 shows the start-up pressure oscillation of the combustion chamber with a downstream convection heating surface of the boiler according to the invention. Since the design of the fan is primarily determined by the size of the start-up pressure oscillations and not by the static overpressure in the combustion chamber, cheaper oil burners can be used when using such a combustion chamber.
Since the core of the oil flame in the oil burner mixing devices known to date suffers from a lack of air, while there is an excess of air in the edge zone, it is desirable and expedient to create a combustion chamber in which the naturally uneven mixture of combustion air and oil particles causes is improved by the fuel distribution in jet streams. This is achieved by the fact that the fuel particles introduced in the direction of a secant into a rotationally symmetrical, preferably hollow-spherical combustion chamber are mixed with the combustion air in an almost ideal way using the combination of circumferential, radial and transverse flows that prevail in this combustion chamber.
This good mixing, combined with a forced recirculation of combustion gases into the ignition zone 6 (shown in FIG. 1), intensifies the combustion process. This effect can be further improved if, as can be seen in FIGS. 1 and 3, the flame is divided in the manner described by arranging combustion chamber outlets opposite one another. This improves the mixing effect and therefore, inevitably, the combustion process. If the fuel-air mixture were to be fed in radially further outwards in the cross-section under consideration, so that the outermost surface line of the burner tube line continued through the combustion chamber in the direction of the burner axis would run tangentially or further outwards, the atomized fuel would reach the combustion chamber wall unburned.
In known designs, fireproof material is used in combustion chambers to ensure ignition and to reduce the reaction time of the fuel-air mixture.
In the present invention, on the other hand, thanks to the high mixing effect and the return of hot combustion gases to the ignition zone, no refractory material is required in the combustion chamber. It should also be mentioned as a particular advantage that the burning rate in such a combustion chamber is so great that, despite the high specific heat load, no flames emerge from the combustion chamber. It is therefore also possible to arrange the contact heating surfaces immediately after the outlet opening for the heating gases from the combustion chamber.
It should also be noted that the longitudinal axis of the vortex core formed at least approximately coincides with the center of the combustion chamber outlet opening.
It is also possible to provide more than one burner and this z. B. to be arranged on the same great circle.
From the above description it can be seen that the combustion chamber is free of refractory material as well as any built-in components and baffles, so that heat build-up on the one hand and unnecessary pressure losses on the other hand can be deliberately avoided.
Cyclone firing systems for solid fuels are known, the main process feature of which is the complete separation of the ash particles liquefied by the high combustion chamber temperature in the combustion chamber or on the hot combustion chamber wall, in order to counteract excessive contamination of the secondary heating surface.
However, the combustion chamber described differs from the known combustion chambers in that the particularly liquid fuel particles introduced into the combustion chamber in the direction of a secant never touch the cooled combustion chamber wall, which reliably prevents coke deposits.
The explained properties of the previously described hollow spherical or cylindrical combustion chamber are achieved primarily by realizing the following geometric relationships:
Distance A of the burner axis 3 from the axis 19 of the
Combustion chamber: (0.1. 0.4) D,
Distance of the burner nozzle from the vertical plane to
Burner axis 3 through the combustion chamber axis 19: (0.25. 0.5) D, greatest combustion chamber extension in the direction of its
Axis 19: maximum 1.5. D,
Ratio of the total exhaust cross-section to the combustion chamber cross-section z D2: at most 0.5,
4th
Distance of the burner axis 3 from the nearest one
Outlet opening: maximum 0.75 D.
D means the diameter of the combustion chamber cross-section perpendicular to the axis 19 of the combustion chamber, this cross-sectional plane running through the burner axis and the relevant axis 19 running through the combustion chamber outlets 15, 17.