Verfahren zum Betriebe von Feuerungen, besonders für Dampfkessel, Überhitzer oder dergleichen. Der Vorteil von Kohlenstaub-, Gas- oder Ölfeuerungen wird hauptsächlich darin er blickt, dass die Brennstoffe dieser Feuerungen infolge der raschen und innigen Mischung mit der Verbrennungsluft ohne Luftüber:chuss ver brannt werden können und dadurch hohe Temperaturen und guten Feuerungswirkungs- grad erreichen.
Nachdem diese Heizstoffe kei nen Rost benötigen, sondern durch wasser gekühlte Düsen in den Heizraum gebracht werden, so ist auch hohe Vorwärmung der Verbrennungsluft ermöglicht, die zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades beiträgt. Leider können diese Vorteile nicht voll ausgenützt werden, da die Haltbarkeit des Mauerwerkes oder der sonst mit der ersten Flamme in Berührung kommenden Teile die Überschreitung einer gewissen Höchsttempe ratur verbietet. Diese Höchsttemperatur ist bei den heute zur Verfügung stehenden "feuer- festen" Baumaterialien bei etwa 1500 ge legen.
Theoretisch oder auch mit Rücksicht auf die bei zu hohen Wärmegraden eintretende Dissoziation liessen sich tatsächlich wesentlich höhere Temperaturen erreichen, Aber selbst 1500 gilt für Dauerbetrieb im Interesse der Lebensdauer der Feuerraumwandungen als noch zu hoch. Dran ist in der Praxis daher gezwungen, die höchst erreichbaren Tempe raturen zu vermeiden und die Verbrennungs temperaturen durch grösseren oder kleineren Luftüberschuss herabzudrücken. Wird die Ver brennungsluft vorgewärmt, so ist der Luft überschuss um so mehr zu erhöhen, je höher die Vorwärmung getrieben wurde.
Durch den Luftüberschuss geht mau also wieder der wesentlichen Vorteile der staub- und gasförmigen und flüssigen Brennstoffe verlustig und hat, im Falle einer Vorwär- mung der Verbrennungsluft, noch den weite ren Nachteil, dass der Vorwärmer für das grössere Luftquantum zu bemessen ist.
Diese Nachteile sollen durch das vorlie gende neue Verfahren behoben werden. Es besteht darin, dass der verwendete Brennstoff mit möglichst hoher Temperatur verbrannt und hierauf die Flamme durch getrennt von dem Brennstoff und der Verbrennungsluft zu geführte Gase, insbesondere Rauchgase, durch Mischung der Verbrennungsprodukte mit die- sen Gasen gekühlt wird.
Durch die so her beigeführte Mischung der Verbrennungspro dukte des frischen Gemisches mit beispiels weise durch die Abgase erwärmten Gasen oder mit den Abgasen selbst kann die Tem peratur in den Feuerzügen herabgedrückt werden, ohne dass der Wirkungsgrad der Feuerung verschlechtert wird, dies ganz im Gegensatz zur Temperaturregelung durch LTberschussluft, die einen um so schlechteren Wirkungsgrad ergibt, je tiefer die Verbren nungstemperatur gehalten wird.
Der Beweis, dass durch vorliegende Er findung eine ganz wesentliche Erhöhung des Feuerungswirkungsgrades erreicht werden kann, ist rechnerisch leicht zu erbringen. Es sei der Einfachheit halber angenommen, dass sich die spei. Wärme innerhalb der sämt lichen Temperaturbereiche nicht ändern.
Ist Q die je 1 kg frischem Gemisch zugeführte Wärmemenge, L;üb die überschüssige Luft menge, Lab.. die zur Kühlung verwandte Gas menge, beispielsweise zurückgeführte (Umlauf-) Abgasmenge, und ii die Temperatur des fri schen Gemisches vor, t2 bezw. t'2 nach der Verbrennung, ts die Abgastemperatur (im <B>Fuchs),</B> t. die verlangte Höchsttemperatur, die sich entweder durch Luftüberschuss oder durch Beimengung von Abgasen einstellen soll, so gilt 1.
Bei Luftüberschuss
EMI0002.0014
Abgebebene Nutzwärme von je 1<B>kg</B> Gemisch
EMI0002.0016
Zugeführt wurde: Q _-_ <I>(t2</I> -ti) <B>(11-</B> Lab) cp Wirkungsgrad:
EMI0002.0022
nach einiger
EMI0002.0023
z. Bei Mischung mit Abgasen von der Temperatur t3
EMI0002.0026
Gemischtemperatur t$ aus Cp (t'2 -- t.) = Labg Cp (t. - t3)
EMI0002.0035
TV <I>=</I> ep (1g <I>-</I> 13) <I>(1</I> -f Labe nach einiger Umformung:
1Y= ep <I>(t'2 -</I> 13) Wirkungsgrad
EMI0002.0045
Es ergibt sich also der gleiche Ausdruck für beide Verfahren. Der Wirkungsgrad hängt also, solange 1i und ts gleich bleiben, in beiden Fällen lediglich von der Verbrennungstempe ratur t'2 bezw. 12 und nicht von der Mischungs temperatur t, ab. Die Verbrennungstemperatur (t'2 bezw. t2) ist aber um so hüher, je unver dünnter, d. h. mit je weniger Luftüberschuss das Gemisch verbrannte.
Beim Arbeiten nach vorliegendem Verfah ren wird man mit der Verbrennungstempera tur des frischen Gemisches so hoch gehen, als es der Brennstoff nur zulässt, die Luft menge also nahezu auf den theoretischen Wert herabbringen.
Dies ergibt im Falle der Vorwärmung der Verbrennungsluft auch die kleinsten Abmes sungen für den Vorwäriner. Die Stelle der Anzapfung für die r,ücluufübrerideri Abgase ist auf den thermischen Wirkungsgrad ohne Einfluss. Ihre Menge wird aber um so gerin ger sein können, je mehr Wärme dieselben bereits abgegeben haben. Im allgemeinen wer den also am besten die Fuchsgase zur Mi schung verwendet, die, falls Luft- oder Kessel- speisewasser-Vorwärmer Anwendung finden, vor den Vorwärmern angezapft werden.
An Stelle der Abgase könnte der Flamme auch frische Luft beigemengt werden. Um hierbei auf den gleichen Wirkungsgrad zu gelangen, müsste die Luft durch die Abgase auf die Temperatur vorgewärmt werden, die im andern Falle die zurückgeführten Abgase besitzen. Dies ist nicht möglich, da zur Wärme übertragung von den Abgasen auf die Zu satzluft ein grösseres Temperaturgefälle erfor derlich ist.
Neben den Anlage-Mehrkosten für die Wärmeaustauschapparate, die infolge des schlechten Wärmeüberganges der Rauchgase grosse Abmessungen benötigen, würde bei Ver- wendung vorgewärmter Überschussluft auch der dem Temperaturgefälle entsprechende Wärmebetrag verloren gehen.
Die Rückführung der Abgase zum Feuer raum kann auf verschiedene Weise erfolgen. Am einfachsten und zuverlässigsten durch einen Ventilator, gegebenenfalls auch durch Strahlwirkung der Brennstoffdüsen. Dieser Ventilator kann auch den "künstlichen Zug", wie er bei Kesselfeuerungen bereits vielfach Anwendung findet, mitbewirken. Sind die zu- rückgeführten Gase vollkommen rein und durchsichtig, so könnte der Fall eintreten, dass durch Strahlung unerwünschte Wärme beträge an die Wand übergehen.
Durch Bei mischung von Russ oder raucherzeugenden Gasen oder Flüssigkeiten kann ein undurch sichtiger Gasschutzmantel erzeugt und damit die Strahlwirkung beseitigt werden.
Die Mischtemperatur und die dieser ent sprechende Umlauf-Abgasmenge richtet sieh nach dein Verwendungszweck der Feuerung. Bei Dampfkesselfeuerungen ist das Mauer werk, bei Lokomotivkesseln die Haltbarkeit der Feuerbüchse, bei Überhitzern die der Rohre massgebend. Bisher hat man sich bei spielsweise gescheut, Überhitzer mit eigener Feuerung zu versehen, da die Gefahr der Verbrennung der Rohre zu nahe lag. Mit der vorliegenden Erfindung hat man es in der Hand, trotz höchster Verbrennungstempera- turen des Brennstoffes, an den Rohren ver hältnismässig tiefe Temperaturen (z.
B. 600 bis 800 ) aufrecht zu erhalten. Durch Ver änderung der Fördermenge des Umlaufventi lators ist auch eine gewisse Regelung der Heizleistung möglich. Besonders gut lässt sich das Verfahren bei Schnellverdampfern, die nur aus einem Röhrensystem ohne Grosswas- sei-raum bestehen, verwenden. Hier erfolgt bei gleichzeitiger Regelung der Brencistoffzufuhr die Veränderung in der Wärmeabgabe durch Vergrösserung oder Verkleinerung der Umlauf abgasmenge, so dass zum Bei,piel ein Ver brennen der Rohre bei vermindertem Dampf verbrauch verhütet ist.
Auch für die Zubehör teile zum Kessel, wie Speisewasser-Vorwärmer, Luftvorwärmer, Fuchs und Schornstein ist die Anwendung des Verfahrens von Bedeu tung. Durch die Verminderung der Zusatz luft werden alle Zuführungskanäle zum und vom Kessel und der Vorwärmer kleiner, fer ner durch die Möglichkeit, ohne Verlust die Rauchgastemperatur am Ende des Kessels zu erhöhen, die Temperaturgefälle in den Vor- wärinerri erhöht, so dass die Oberflächen dieser Apparate entweder kleiner gehalten oder, bei unveränderter Oberfläche,
der Grad der Vor- wärmung vermehrt oder die Temperatur der in den Kamin abziehenden Rauchgase ver mindert werden kann.
In gleicher Weise ist die Erhöhung der Rauchgas--Endtemperatur auf die Erhöhung des mittleren Temperaturgefälles zwischen Feuergasen und Kesselinhalt von Einfluss. Bei gleichbleibender Heizfläche ergibt sich hieraus eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Kessels, bei.gleichbleibender Dampferzeu gung eine kleinere Heizfläche.
Auf den Fig. 1-6 sind die Verhältnisse für eine Feuerung nach dem vorgeschlagenen Verfahren und für eine normale Kesselfeue rung in Sankey-Diagrammform aufgetragen. Es stellen Fig. 1 und 2 einen Kessel ohne Vorwärmer, Fig. 5 und 6 einen Kessel mit Speisewasser-Vorwärmung und Fig. 3 und 4 einen Kessel mit Luftvorwärmung dar. Die Rechnungen erfolgten unter Zugrundelegung praktisch vorkommender Verhältnisse und unter Berücksichtigung mit den Temperaturen veränderlicher spez. Wärmen.
So ergibt zum Beispiel das Verfahren nach Fig. 1 gegenüber dem Verfahren nach Fig, 2 unter Annahme gleicher Temperatur des Brennstoffes und der Verbrennungsluft (20 ) und der Abgase (300 ) und bei gleicher Feuerraumtemperatur (1250 ) eine Verbesserung des Feuerungswirkungs- grades von 11 /o und Verminderung des Ka minquerschnittes von 42 0/0.
Ferner ergibt das Verfahren nach Fig. 5 gegenüber dem Verfahren nach Fig. 6 bei gleichen Gemisch-, - Abgas- und Feuerraum temperaturen (50 0, 150 0 bezw. 1250 0) und gleicher Vorwärmung des Speisewassers (20 auf 110 0) eine Verbesserung des Feuerungs- wirkungsgrades, einschliesslich Speisewasser- Vorwärmung von 4 %, eine Verminderung der Vorwärmeroberflächen von \?5 0jo,
der Kesselheizfläche von 9 % und des Kamin- querschnittes von 4211/0.
Das Verfahren nach Fig. 3 ergibt gegen über dem Verfahren nach Fig. 4 bei gleichen Gxemisch- und Abgastemperaturen vor dem Vorwärme) (20 0 bezw. 350 0), gleichen Feuer- raurntemperaturen (1\.350 0) und gleichen Luft vorwärmer-Oberflächen eine Verbesserung des Feuerungswirkungsgrades von 8 % und eine Verminderung des Kaminquerschnittes von 50 0%.
Strahlungsverluste sind in den Rech- rrungen nicht berücksichtigt.
Die Vorteile des neuen Verfahrens sind um so augenscheinlicher, je mehr die Ver brennungstemperaturen voneinander abwei chen. In den Beispielen wurden für den nor malen Kessel 1250 0, für das treue Verfahren 2000 0 angenommen. Um diese hohe Tempe ratur dauernd aufrecht erhalten zu können, ist neben der Kühlung der Flamme durch getrennt von dem Brennstoff und der Ver brennungsluft zugeführte Gase, insbesondere Rauchgase, auch eine gute Kühlung der Düse vorzusehen. Durch genügend hohe Ausströ- rnungsgeschwindigkeit der Luft und des Brennstoffes aus der Düse wird die Flamme von der Düsenmündung abgehalten.
In Fig. 7 und 8 ist je ein Beispiel einer Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens veranschaulicht.
Fig. 7 zeigt eine kombinierte Brennstoff düse für Gas- oder Kohlenstaub, die am äussern Umfang vor) einer Düse a, durch wel- ehe die Abgase zugeführt werden, umgeben ist. Die in der Mittelachse sich bildende Flamme wird also zunächst ganz von den Abgasen eingehüllt, bis diese sich allmählich mit den Verbrennungsprodukten der Flamme mischen und sie abkühlen.
Fig. 8 zeigt einer) gewöhnlichen Wasser rohrkessel mit Rohölfeuerung. Durch Düse )a wird der Brennstoff eingespritzt, er mischt sich in b mit der erforderlichen Verbrennungs- Irrft und verbrennt. Durch die Schlitze c wird Abgas in einem flachen, z. B. fächerförmigen Strahl eingeführt, der die Verbrennungshitze der Flamme von der Umgebung abhält und sich dann mit dieser rnischt. Das Abgas wird am Fuchs bei d durch den Ventilator e ab gesaugt.
Alle oben angeführten Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens können auch für industrielle, wie zum Beispiel metallurgische, keramische ete. Zwecke angewandt werden, d. h. in aller) Fällen, wo geringere Heiztem- peraturen mit hohen Verbrennungsterr)pera- turen des Brennstoffes erzielt werden sollen.