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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Holzöfen und
insbesondere auf einen Holzvergaserkessel.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es
sind allgemein Holzöfen
bekannt, die bspw. auch als Kaminofen in Wohnräumen aufgestellt werden. Manche
Holzöfen
sind als Holzvergaserkessel ausgebildet, bei denen das Brennmaterial, wie
bspw. Holz, nur unvollständig
verbrannt wird und die bei der Verbrennung entstehenden Gase in
einem zweiten Schritt weiter oxidiert werden.
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Bekannte
Holzvergaserkessel arbeiten zur Verbrennung der Verbrennungsgase
im zweiten Schritt im Luftüberschussbetrieb,
d. h. das stöchiometrische
Gleichgewicht zur Verbrennung ist zugunsten des Sauerstoffes verschoben.
Typische Lambdawerte, liegen dabei zwischen 1,6 und 1,8, wobei ein
Lambdawert von 1,0 ideal wäre,
da bei diesem das stöchiometrische
Gleichgewicht liegt und somit die ideale Menge von Sauerstoff zur
vollständigen
Oxidation zur Verfügung
steht.
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Der
Betrieb bekannter Holzvergaserkessel mit einem derartigen Luftüberschuss
führt zu
einem schlechten Wirkungsgrad, da die Erwärmung der überschüssigen Luft Energie benötigt, die
dann bspw. nicht mehr als Heizenergie zur Verfügung steht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Holzvergaserkessel
zur Verfügung
zu stellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Nach
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Holzvergaserkessel
bereit, umfassend: einen Brennraum mit einer Primärluftzufuhr,
der derart wärmeisolierend
ausgestaltet ist, dass sich bei Verbrennung von Brennstoff eine
wärmeisolierte
Glutzone ausbildet; einen Nachverbrennungsraum; und eine Mischereinrichtung,
wobei die Mischereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie im Brennraum
entstehende Verbrennungsgase mit Sekundärluft aus einer Sekundärluftzufuhr
vermischt, und wobei die mit der Sekundärluft vermischten Verbrennungsgase
im Nachverbrennungsraum verbrannt werden.
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Weitere
Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen, der
beigefügten
Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung beschreiben, in der:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Holzvergaserkessels mit einer passiven Mischereinrichtung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittansicht
veranschaulicht; und
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines Holzvergaserkessels mit einer aktiven Mischereinrichtung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittansicht
veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Holzvergaserkessels 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht. Vor einer detaillierten Beschreibung
folgen zunächst
allgemeine Erläuterungen
zu den Ausführungsbeispielen
und deren Vorteile.
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Wie
bereits weiter oben erwähnt,
führt bei bekannten
Holzvergaserkesseln der Luftüberschussbetrieb
zu einem geringeren Wirkungsgrad. Der Grund für den Luftüberschussbetrieb sind die höheren Anforderungen
an die einzuhaltenden Abgaswerte. Bei bekannten Holzvergaserkesseln
führt eine Verringerung
der Luftzufuhr in Richtung eines Lambdawertes von 1,0 zu einer Verschlechterung
der Oxidation der Verbrennungsgase. Dadurch erhöht sich der Ausstoß an unvollständig verbrannten
Gasbestandteilen, wie bspw. von NOx. Der
Grund für
die schlechten Verbrennungseigenschaften bekannter Holzvergaserkessel
liegt in der schlechten Durchmischung der Verbrennungsgase mit Sekundärluft. Die schlechten
Vermischungsverhältnisse
liegen bspw. an geringen Unterdrücken,
kleinen Strömungsgeschwindigkeiten
oder geringe bis keine Turbulenzen in der Mischungszone von Verbrennungsgas
mit Sekundärluft.
Um die schlechte Vermischung auszugleichen, werden bekannte Holzvergaserkessel mit
einem entsprechenden Luftüberschuss
betrieben, um wenigstens so genügend
Sauerstoff zur weiteren Oxidation von NOx bereitzustellen.
Wie in der Einleitung erwähnt,
liegt der Luftüberschuss
im Lambdawertbereich von 1,6 bei Nennlast bis 1,8 bei Teillast, das
bedeutet, das 60% bis 80% zuviel Luft durchgeschleust werden.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
umfasst ein Holzvergaserkessel daher neben einem Brennraum mit einer
Primärluftzufuhr
auch einen Nachverbrennungsraum und eine Mischereinrichtung. Der
Brennraum ist wärmeisolierend
ausgestaltet, sodass sich bei der Verbrennung von Biomasse-Brennstoff,
wie bspw. Holz in Form von Scheitholz, Pellets, Hackschnitzelgut
oder dergleichen, im Brennraum eine wärmeisolierte Glutzone ausbildet. Die
Mischereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie im Brennraum
entstehende Verbrennungsgase mit Sekundärluft aus einer Sekundärluftzufuhr
vermischt. Die mit der Sekundärluft
vermischten Verbrennungsgase werden dann im Nachverbrennungsraum
verbrannt, das heißt
weiter oxidiert.
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Der
Holzvergaserkessel kann für
verschiedene Zwecke ausgestaltet sein, bspw. als Kaminofen für einen
Wohnraum ausgeführt
oder als Zentralheizung, die auch Warmwasser bereitstellt bis zu
hin einem Blockheizkraftwerk.
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Normalerweise
geschieht die Vergasung von Brennstoffen, wie bspw. auf Holz basierenden
Brennstoffen, im unterstöchiometrischen
Bereich, d. h. bei Lambdawerten zwischen 0 und weniger als 1. Die Vergasung
liegt also zwischen der Pyrolyse, bei der der Lambdawert gleich
Null ist und der Verbrennung, bei der der Lambdawert größer als
1 ist. Bei Holzvergaserkesseln steht als Vergasungsmittel normalerweise
Luft zur Verfügung,
wodurch die Holzvergasung einer gesteuerten Verbrennung von Holz
unter Luftmangel entspricht. Die für die Reaktion notwendige hohe
Temperatur entsteht durch die Reaktion des Brennstoffes mit dem
chemisch gebundenen Sauerstoff und der zugeführten Luft. Damit der Prozess nicht
zum Erliegen kommt, ist es einerseits erforderlich, die richtige
Luftmenge zur Verfügung
zu stellen und andererseits, eine gewisse Mindesttemperatur nicht
zu unterschreiten. Daher ist bei manchen Ausführungsbeispielen auch der Brennraum
entsprechend wärmeisolierend
ausgestaltet, damit genügen Wärme zur
Unterstützung
der chemischen Reaktion zur Holzvergasung bereitsteht. Weiterhin
wird ein Teil des Brennstoffes verbrannt, um entsprechende Wärme bereitzustellen.
Bei den Ausführungsbeispielen wird
demnach nicht unbedingt der Brennstoff vollständig in bspw. Holzgas umgesetzt,
sondern ein Teil des Brennstoffes wird verbrannt und ein anderer
Teil in Holzgas überführt. Neben
der Wärme
aus der Teilverbrennung des Brennstoffes kann bei manchen Ausführungsbeispielen
auch zusätzlich
Wärme von außen zugeführt werden.
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Bei
manchen Holzvergasern lässt
sich der Brennraum in vier Zonen einteilen, in denen unterschiedlichen
Prozesse stattfinden: Trocknungszone, Pyrolysezone, Oxidationszone
und Rektionszone.
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In
der Trocknungszone herrschen typischerweise Temperaturen von weniger
als 200°C.
Bei dieser Temperatur verdampft Wasser, welches in der Biomasse
(Holz) enthalten ist und bei Holz bspw. treten aufgrund der Austrocknung
makros- und mikroskopische Risse auf.
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In
der Pyrolysezone herrschen typischerweise Temperaturen von 200–500°C. Bei diesen
Temperaturen findet eine Zersetzung des Holzes statt, wie bspw.
in: Schwelgas (schwerflüchtige
Teere, höhere Kohlenwasserstoffe,
CO2, Methanol, organische Säuren), Kohlenstoff
in Form von Kohle und Kondensat. Die Pyrolyse ist ein komplizierter
chemischer Prozess, dessen Verlauf nicht nur von der Temperatur
sondern auch von der Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs ab.
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Die
eigentliche Oxidation findet im Temperaturbereich von 500–2000°C, meistens
bei über
700°C statt.
Dabei oxidiert bspw. Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenmonoxid
oder -dioxid und Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser.
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In
der Reduktionszone, die bei ca. 500°C liegt, findet eine Reduktion
der Oxidationsprodukte CO2 und H2O an der glühenden Holzkohle statt, wodurch
das Holzgas entsteht. Als Reaktion kommen dabei bspw. die Boudard-Reaktion
(C + CO2 ↔ 2CO), die Wassergasreaktion
(C + H2O ↔ CO + H2)
und die Methanreaktion (C + 2H2 ↔ CH4) in Betracht.
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Nebenbei
werden bei Temperaturen über 1000°C langkettige
Kohlenwasserstoffverbindungen, wie bspw. Teer, ”gecrackt”. Dieser Prozess ermöglicht die
weitere Verbrennung der aufgespaltenen Kohlenwasserstoffe.
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Holzvergaserkessel
mit einem Festbett, d. h. Brennstoff der auf einem festen Bett gelagert
ist, können
auf verschiedene Art und Weise realisiert werden und man kann sie
bspw. durch ihre unterschiedliche Gasführung, wie Gleichstrom, Gegenstrom
oder Querstrom unterscheiden.
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Bei
dem Gleichstrom-Vergaser ist die Bewegung von Brennstoff und Gas
im Gleichstrom. So kommt bspw. Brennstoff von oben in dem Brennraum auf
einen Rost und das Verbrennungsgas (bspw. Holzgas) gelangt aus der
oberhalb des Rostes befindlichen Glutzone durch den Rost nach unten
aus dem Verbrennungsraum. Mit anderen Worten bewegen sich bspw.
Brennstoff und Gas beide von oben nach unten in Richtung der Schwerkraft.
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Beim
Gegenstrom-Vergaser erfolgt die Bewegung im Gegenstrom, d. h. der
Brennstoff bewegt sich bspw. von oben nach unten und das Gas wird nach
oben aus dem Brennraum abgeführt.
Die Primärluftzufuhr
befindet sich dabei typischerweise unterhalb des Brennstoffes, der
bspw. auf einem Rost liegt. Die Verbrennungsgase werden dabei durch
die heiße
Glutzone gezogen, was bspw. die Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe
begünstigt.
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Beim
Querstrom-Vergaser wird das Gas quer zur Bewegungsrichtung des Brennstoffes
abgeführt.
Ist also bspw. die Bewegungsrichtung des Brennstoffes von oben nach
unten, so wird das Gas quer, bspw. senkrecht zur Brennstoffbewegungsrichtung,
seitlich aus dem Brennraum abgeführt.
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Die
bei der Verbrennung des Brennstoffs im Brennraum entstehenden Verbrennungsgase
umfassen alle Gase, die bei aufgrund Verbrennung, Holzvergasung
oder sonstiger thermischer oder chemischer Prozesse entstehen. Die
Verbrennungsgase, die mit Sekundärluft
durch die Mischereinrichtung vermischt werden haben eine hohe Temperatur, bspw.
von 1000°C
bis 1100°C.
Im Extremfall bei bspw. extrem trockenem Brennstoff kann die Temperatur
an 1200°C
heranreichen.
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Folglich
ist die Mischereinrichtung bei manchen Ausführungsbeispielen derart ausgestaltet, dass
sie heiße
Gase mit einer Temperatur von 1000°C bis 1200°C mit Sekundärluft auf bspw. Zimmertemperatur
vermischen kann. Bei manchen Ausführungsbeispielen kommen dabei
bestimmt Materialien, wie bspw. Keramik, zum Einsatz, die derart
hohen Temperaturen widerstehen können.
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Je
nach Ausführungsbeispiel
gelangt das bei der Verbrennung entstehende Verbrennungsgas aus dem
Brennraum, bspw. durch Leitungen oder dergleichen, in die Mischereinrichtung,
in die Sekundärluft eingeleitet
wird. Die Mischereinrichtung vermischt nun die heißen Verbrennungsgase
mit der Sekundärluft
und gibt diese Mischung an einen Nachverbrennungsraum ab, in dem
dann die Verbrennungsgase mithilfe der Sekundärluft weiter oxidiert werden
können.
Durch die innige Vermischung der heißen Verbrennungsgase mit Sekundärluft ist
kein hoher Luftüberschuss
erforderlich, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Außerdem gewährleistet
die Vermischung, dass für
die Nachverbrennung der Verbrennungsgase ausreichend Sauserstoff
zur Verfügung steht
und somit eine möglichst
saubere Oxidation.
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Die
Mischereinrichtung selbst kann dabei grundsätzlich an beliebiger Stelle
in dem Holzvergaserkessel angeordnet sein, da sowohl die Verbrennungsgase
als auch die Sekundärluft
durch entsprechende Leitungen an die gewünschte Stelle geleitet werden
können.
Um eine übermäßige Abkühlung der Verbrennungsgase
zu verhindern, befindet sich bei manchen Ausführungsbeispielen die Mischereinrichtung
möglichst
nahe dem Brennraum, sodass die Überleitung
der Verbrennungsgase von dem Brennraum aus der Glutzone zur Mischereinrichtung
möglichst
kurz ist. Die Sekundärluftzufuhr
für die
Mischereinrichtung ist bei machen Ausführungsbeispielen so ausgestaltet,
dass sie bspw. Wärme
von der in dem Brennraum stattfindenden Verbrennung aufnehmen kann,
sodass die geleitete Sekundärluft
erwärmt wird.
Dadurch verringert sich bei manchen Ausführungsbeispielen die Temperaturdifferenz
zwischen den Verbrennungsgasen und der der Mischereinrichtung zugeführten Sekundärluft.
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Es
gibt bei den Ausführungsbeispielen
im Wesentlichen zwei Arten von Holzvergaserkesseln, nämlich welche
mit einer aktiven und welche mit einer passiven Mischereinrichtung.
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Eine
passive Mischereinrichtung nutz bspw. die Konvektionsströmung der
Verbrennungsgase und/oder der Sekundärluft aus, um diese durch eine bspw.
feststehende Verwirbelungs- oder Vermischungsstruktur zu leiten,
die dazu ausgelegt, die Gase, d. h. die Verbrennungsgase und die
Sekundärluft,
zu vermischen.
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Die
passive Mischereinrichtung umfasst bspw. als Vermischungsstruktur
einen Expansionstrichter (Diffusor), einen Zyklonmischer, einen
Schermischer oder dergleichen.
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Der
Expansionstrichter ist dabei bspw. so ausgestaltet, dass die Verbrennungsgase
und die Sekundärluft
axial durch ihn hindurchströmen.
Der Expansionstrichter hat dabei im Wesentlichen eine Form, die
so gestaltet ist, dass die Gase bei der Durchströmung in Axialrichtung expandieren,
wie es bspw. bei einer konusartigen Form der Fall ist. Außerdem kann
der Expansionstrichter eine Strömungsverengung
aufweisen, durch welche die Sekundärluft strömt und eine sich an die Strömungsverengung
anschließende
Expansionszone. Die Strömungsverengung
ist dabei bspw. in einem Bereich angeordnet in dem auch die Verbrennungsgase
einströmen,
sodass die Sekundärluft
beim Durchströmen
der Strömungsverengung
einen Unterdruck erzeugt, der die Verbrennungsgase mit in den Expansionstrichter
und in die sich an die Strömungsverengung
anschließende
Expansionszone zieht. Durch die gemeinsame Expansion der Verbrennungsgase
und der Sekundärluft
in der Expansionszone entstehen Turbulenzen, die zu einer Vermischung
führen.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
umfasst die Mischereinrichtung einen Zyklonmischer, der im Prinzip
wie ein umgekehrter Fliehkraftabscheider (Zyklonfilter) funktioniert.
Dabei werden an der verjüngten
Seite des Zyklonmischers sowohl die Verbrennungsgase als auch die
Sekundärluft
tangential eingeleitet. Durch das tangentiale Einleiten der Verbrennungsgase
und der Sekundärluft
werden beide in dem trichterartigen Zyklonmischer in Rotation versetzt.
Der Zyklonmischer weitet sich in axialer Richtung, sodass die Umströmungsgeschwindigkeit
mit zunehmender Weitung abnimmt und sich die Verbrennungsgase und
die Sekundärluft
durch die dabei entstehenden Turbulenzen vermischen. Die Verbrennungsgase
und die Sekundärluft
treten an der (breiteren) Basis des Zyklonmischers ebenfalls in
tangentialer Richtung aus und das Gasgemisch gelangt in den Nachverbrennungsraum
in dem es dann weiter oxidiert.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
umfasst die Mischereinrichtung einen Schermischer. Der Schermischer
weist bspw. eine Struktur auf, die zu starken Turbulenzen führt, wenn
er in axialer Richtung durchströmt
wird. Zum Beispiel strömen
die Verbrennungsgase und die Sekundärluft an einer Seite in den
Schermischer ein und werden dann durch die darin befindlichen Strukturen
stark umgelenkt und dadurch verwirbelt und dementsprechend miteinander
vermischt. Dabei hat der Schermischer bspw. eine längliche
Form, in der eine schraubenartige Struktur angeordnet ist, welches
die Turbulenzen bei der Durchströmung
verursachen.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
umfasst die Sekundärluftzufuhr
eine Gebläseeinrichtung,
die die Sekundärluft
bspw. unter Druck durch die passive Mischereinrichtung leitet. Dadurch
kann die Strömungsgeschwindigkeit
durch die passive Mischereinrichtung hindurch gesteuert werden.
Zusätzlich
kann durch die Strömungsgeschwindigkeit die
Stärke
des Unterdruckes gesteuert werden, den die durch die passive Mischereinrichtung
strömende Sekundärluft erzeugt
Der Unterdruck sorgt bei manchen Ausführungsbeispielen dafür, dass
die über eine
Verbrennungsgaszufuhr eingeleiteten Verbrennungsgase entsprechend
angesaugt und so zusammen mit der Sekundärluft durch die passive Mischereinrichtung
geleitet werden.
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Wie
weiter oben bereits erwähnt,
haben die Verbrennungsgase eine hohe Temperatur von bspw. über 1000°C. Zusätzlich enthalten
die Verbrennungsgase auch aggressive Chemikalien, wie bspw. Alkalien,
Chloride, Dämpfe
von organischen Säuren
oder dergleichen.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
umfasst die Mischereinrichtung einen keramischen Werkstoff, insbesondere
an den Stellen, die mit den Verbrennungsgasen in Kontakt kommen.
Der keramische Werkstoff basiert bei manchen Ausführungsbeispielen
auf einer Mischung aus Kohlenstoff und Siliziumcarbid.
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Bei
der aktiven Mischereinrichtung treibt bei manchen Ausführungsbeispielen
eine Antriebseinheit eine Mischerstruktur an, die die Gase, d. h.
die Verbrennungsgase und die Sekundärluft, vermischen. Als Mischerstruktur
kommt bei manchen Ausführungsbeispielen
bspw. ein Mischerrad zum Einsatz, das über eine Welle von der Antriebseinheit,
wie bspw. einem Motor angetrieben wird.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
ist das Mischerrad in einem Heiß-Gleitlager
auf Keramikbasis gelagert, damit es den hohen Verbrennungsgastemperaturen
und den aggressiven Chemikalien im Verbrennungsgas widerstehen kann.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
sind Antriebseinheit und das Mischerrad magnetisch gekoppelt. Dadurch
kann die Antriebseinheit außerhalb des
Nachverbrennungsraums und das Mischerrad im Inneren angeordnet werden,
ohne, dass sie mechanisch miteinander verbunden sein müssen.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
weist der Holzvergaserkessel eine Wellendurchführung auf, durch die eine Antriebswelle
für das
Mischerrad zur außerhalb
des Nachverbrennungsraumes angeordneten Antriebseinheit geführt ist.
Die Wellendurchführung
weist bspw. eine Labyrinthdichtung auf, die eine entsprechende Abdichtung
des Nachverbrennungsraumes gewährleistet.
Bei manchen Ausführungsbeispielen
ist die Labyrinthdichtung aus keramischem Material gebildet. Der
Antrieb des Mischerrads erfolgt bspw. über ein Kuppelgelenk, wobei
eine keramische Klaue am Mischerrad angebracht ist und eine metallische
Klaue am Antriebsmotor, der außerhalb
der Nachverbrennungskammer angeordnet ist.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
basiert das Mischerrad auf einer flüssigsilizierten Kohlenstoff-Siliziumcarbidmischung
(C/SiC).
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
sind Teile der passiven Mischereinrichtung oder Teile der aktiven
Mischereinrichtung aus flüssig-silizierten
carbonisierten oder grafitisierten Grünkörpern, Oxidkeramiken oder Me-Disiliziden
hergestellt.
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Zum
Beispiel wird das Mischerrad, der Expansionsmischer, der Zyklonmischer
oder der Schermischer aus einem flüssig-silizierten carbonisierten oder
grafitisierten Grünkörper hergestellt.
Diese Werkstoffklasse ist thermisch stabil und hat bei den oben
genannten Einsatztemperaturen von über 1000°C eine Biegefestigkeit von etwa
80 MPa und ein Biegemodul von etwa 170 GPa. Im Vergleich zu SiC
sind diese Keramiken gegenüber
heißen
Verbrennungsgasen resistenter, da diese immer einen Überschuss
an nicht abreagiertem freien Silizium haben, das an der Oberfläche mit
dem Luftsauerstoff eine glasartige SiO2 Siegelschicht
bildet. Solche Materialien sind bspw. aus der Raumfahrttechnologie bekannt,
wobei bspw. das DIR Stuttgart entsprechende Herstellungsverfahren
entwickelt hat und C/SiC Werkstoffe herstellen kann, die eine Temperatur-
und Korrosionsbeständigkeit
bis 1300°C
haben.
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Die
Elemente der passiven Mischereinrichtung, die mit den Verbrennungsgasen
in Kontakt kommen, insbesondere das Mischerrad, können zusätzlich noch
katalytisch bspw. mit Rhodium beschichtet sein, um die Oxidation
der Verbrennungsgase weiter zu verbessern.
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Zurückkommend
zu 1 veranschaulicht diese ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Holzvergaserkessels 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Der Holzvergaserkessel 1 weist eine passive
Mischereinrichtung 4 auf, die bspw. einen wie oben beschriebenen
Expansionstrichter, Zyklonmischer oder Schermischer aufweist. Der
Holzvergaserkessel hat einen Brennraum 2 und einen Nachverbrennungsraum 3,
die durch eine Trennwand 14 voneinander getrennt sind.
In dem Brennraum wird bspw. durch eine Brennraumtür (nicht
gezeigt) Brennstoff, hier Holzscheite 10 von oben in eine
Brennschale 12 eingefüllt.
Die Holzscheite 10 verbrennen unter Zufuhr von Primärluft, die über eine Primärluftzufuhr 6 in
den Brennraum 2 gelangt. Im unteren Bereich der Brennschale 12 entsteht
eine Glutzone 5, in der bspw. eine Holzvergasung stattfindet.
Der Brennraum 2 ist wärmeisoliert,
so dass Wärmestrahlung
aus der Glutzone 5 in diese zurückreflektiert wird. Verbrennungsgase,
die im Brennraum entstehen, gelangen durch einen unteren Bereich
der Brennschale 12 in eine Verbrennungsgasleitung 9, die
in der passiven Mischereinrichtung 4 mündet. Folglich nehmen der Brennstoff
und die Verbrennungsgase denselben Weg, nämlich von oben nach unten in
Schwerkraftrichtung, womit es sich bei diesem Ausführungsbeispiel
um einen Gleichstrom-Holzvergaser handelt.
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In
der passiven Mischereinrichtung 4 mündet neben der Verbrennungsgasleitung 9 eine
Sekundärluftleitung 7,
die zusätzlich
ein Druckgebläse 8 aufweist.
Das Druckgebläse 8 leitet
die Sekundärluft
aktiv unter Druck in die passive Mischereinrichtung 4, um
die Sekundärluft
mit einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit
durch die passive Mischereinrichtung 4 zu leiten. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Sekundärluft
wird, wie oben beschrieben, bei manchen passiven Mischereinrichtungen 4 zur
Erzeugung eines Unterdrucks verwendet, der die Verbrennungsgase über die
Verbrennungsgasleitung 9 aus der Glutzone 5 herauszieht.
Die passive Mischereinrichtung 4 vermischt die heißen Verbrennungsgase
und die Sekundärluft
bspw. durch Verwirbelung der Verbrennungsgase mit der Sekundärluft. Dadurch
entsteht eine gute Vermischung der Verbrennungsgase mit dem in der
Sekundärluft
enthaltenen Sauerstoff. Dieses Gemisch gibt die passive Mischereinrichtung 4 an
den Nachverbrennungsraum 3 ab.
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Die
passive Mischereinrichtung 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel
direkt im Nachverbrennungsraum 3 angeordnet, der hier als
eigenständiger Raum
neben dem Brennraum 2 in dem Holzvergaserkessel 1 ausgebildet
ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen
befindet sich beispielsweise der Nachverbrennungsraum in einem Bereich,
in dem die Verbrennungsgase aus der Glutzone herausgeleitet werden
und die passive Mischereinrichtung ist direkt in diesem Bereich
angeordnet. Bei solchen Ausführungsbeispielen
kann bspw. die Verbrennungsgasleitung 9 entfallen.
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Das
Gemisch aus Verbrennungsgasen und Sekundärluft wird durch den Nachverbrennungsraum 3 nach
oben geleitet und oxidiert auf dem Weg zu dem Rauchgasauslass 11,
aus dem die Rauchgase abgeleitet werden.
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In
dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Primärluftzuführung 6 und
die Sekundärluftzuführung 7 getrennte
Zugänge.
Bei manchen Ausführungsbeispielen
hingegen kommen die beiden Zuführungen
aus einer gemeinsamen Luftzufuhr, die sich nur am Holzvergaserkessel 1 selbst
in die Primärluftzufuhr
und Sekundärluftzufuhr aufteilt.
Außerdem
ist bei manchen Ausführungsbeispielen
die Primärluftzufuhr
bspw. nicht oberhalb des Brennstoffes sondern, bspw. auf Höhe der Glutzone oder
auf Höhe
der Verbrennungszone, d. h. der sich in dem Brennraum ausbildenden
Oxidationszone, angeordnet.
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Auch
wenn das in 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel
ein Druckgebläse 8 in
der Sekundärluftleitung 7 aufweist,
so ist bei manchen Ausführungsbeispielen
kein derartiges Druckgebläse 8 vorhanden.
Bei solchen Ausführungsbeispielen
reichen die Strömungsgeschwindigkeiten
der Verbrennungsgase und der Sekundärluft aus, um in der passiven
Mischereinrichtung 4 eine entsprechende Verwirbelung und
Vermischung zu erzeugen. Dabei wird im Wesentlichen der Kamineffekt
ausgenutzt, der sich bspw. bei einem Expansionstrichter ausbildet. Auch
der Kaminzug, der durch den Rauchgasauslass 11 in den Nachverbrennungsraum 3 hineinwirkt
ist bei manchen Ausführungsbeispielen
stark genug ausgeprägt,
um die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten
in der passiven Mischereinrichtung 4 herzustellen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Holzvergaserkessels 15 mit einer aktiven Mischereinrichtung 24 ist
in 2 veranschaulicht. Der Holzvergaserkessel 15 weist
einen Brennraum 22 und einen Nachverbrennungsraum 23 auf,
die durch eine Trennwand 28 getrennt sind. In dem Brennraum 22 kann
Brennstoff, bspw. Holzscheite 19, durch eine Ofentüre (nicht
gezeigt) von oben in eine Brennschale 29 eingefüllt werden.
Der Brennstoff wird über
eine Primärluftzufuhr 26 im
Brennraum 22 mit Luft (Sauerstoff) versorgt, sodass er
teilweise verbrennt. Bei der Verbrennung bildet sich eine Glutzone 25 in
der Brennschale aus. Der umgebende Brennraum ist entsprechend wärmeisoliert,
sodass Wärmestrahlung,
die in der Glutzone 25 entsteht, in diese zurück reflektiert wird.
Die Wärmeisolation
führt dazu,
dass in der Glutzone 25 sich ein Holzvergasungsprozess
ausbilden kann, wie weiter oben erläutert. Die bei der Verbrennung
und insbesondere bei der Holzvergasung entstehenden heißen Verbrennungsgase
mit bspw. einer Temperatur zwischen 1000°C und 1300°C gelangen durch eine im unteren
Bereich der Brennschale 29 angeordnete Öffnung in einen Verbrennungsgasleitung 20.
Die Verbrennungsgasleitung 20 leitet die heißen Verbrennungsgase
an ein Mischerrad 16 der aktiven Mischereinrichtung 24 weiter,
das in dem Nachverbrennungsraum 23 angeordnet ist. Eine
Sekundärluftleitung 21 führt dem
Mischerrad 16 Sekundärluft
zu, sodass bei Betätigung
des Mischerrades 16 durch einen Motor 18, das
Mischerrad 16 die Sekundärluft und die Verbrennungsgase
vermischt.
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Das
Mischerrad 16 ist in dem Nachverbrennungsraum 23 angeordnet
und ist dementsprechend ausgestaltet, den hohen Temperaturen und
den aggressiven Bestandteilen der Verbrennungsgase zu widerstehen.
Dazu ist das Mischerrad 16, wie oben erläutert, aus
einem flüssig-silizierten
carbonisierten C/SiC Grünkörper hergestellt,
sodass es entsprechend temperaturbeständig und korrosionsfest ist. Das
Mischerrad 16 weist bspw. mehrere Schaufeln oder eine andere
Struktur auf, die geeignet ist Verwirbelungen in einem Gasstrom
hervorzurufen.
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Das
Mischerrad 16 ist über
eine Welle 17 mit dem Motor 18 verbunden. Die
Welle 17 ist über
eine Wellendurchführung 27 in
einer Wand des Nachverbrennungsraumes 23 nach außen zu dem
Motor 18 geführt.
Die Wellendurchführung 27 weist
eine labyrinthartige Keramikdichtung auf, die wie das Mischerrad 16 hitzebeständig und
korrosionsfest ist und den Nachverbrennungsraum 23 abdichtet.
Das Mischerrad 16 ist über
eine keramische Klaue mit der Welle 17 verbunden. Außerhalb
des Nachverbrennungsraumes 23 verbindet eine metallische
Klaue die Welle 17 mit dem Antriebsmotor 18.
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Die
von dem Mischerrad 16 mit Sekundärluft vermischten Verbrennungsgase
oxidieren in dem Nachverbrennungsraum 23 und werden dann über einen
Rauchgasauslass 30 abgeführt.
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Bei
anderen Ausführungsbeispielen
ist, wie oben erwähnt,
das Mischerrad bspw. in einem keramischen Heißlager gelagert und wird bspw. über eine magnetisch
Kopplung von einem außerhalb
des Nachverbrennungsraumes 23 angeordneten Antrieb angetrieben.