DE102009038242A1

DE102009038242A1 - Holzvergaserkessel

Info

Publication number: DE102009038242A1
Application number: DE200910038242
Authority: DE
Inventors: Thomas Bauer
Original assignee: Het Heiz & Energietechnik Entwicklungs GmbH; Het Heiz- & Energietechnik Entwicklungs GmbH
Current assignee: Het Heiz & Energietechnik Entwicklungs GmbH; Het Heiz- & Energietechnik Entwicklungs GmbH
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Holzvergaserkessel, umfassend: einen Brennraum (2; 22) mit einer Primärluftzufuhr (6; 26), der derart wärmeisolierend ausgestaltet ist, dass sich bei Verbrennung von Brennstoff eine wärmeisolierte Glutzone (5; 25) ausbildet; einen Nachverbrennungsraum (3; 23); und eine Mischereinrichtung (4; 24), wobei die Mischereinrichtung (4; 24) derart ausgebildet ist, dass sie im Brennraum entstehende Verbrennungsgase mit Sekundärluft aus einer Sekundärluftzufuhr (7; 21) vermischt, und die mit der Sekundärluft vermischten Verbrennungsgase im Nachverbrennungsraum (3; 23) verbrannt werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Holzöfen und insbesondere auf einen Holzvergaserkessel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Holzvergaserkessel zur Verfügung zu stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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.
Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der beigefügten Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschreiben, in der:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Holzvergaserkessels mit einer passiven Mischereinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittansicht veranschaulicht; und
2 ein Ausführungsbeispiel eines Holzvergaserkessels mit einer aktiven Mischereinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittansicht veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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.
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 NO_x. 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 NO_x 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.
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.
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.
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.
Bei manchen Holzvergasern lässt sich der Brennraum in vier Zonen einteilen, in denen unterschiedlichen Prozesse stattfinden: Trocknungszone, Pyrolysezone, Oxidationszone und Rektionszone.
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.
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.
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.
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.
Nebenbei werden bei Temperaturen über 1000°C langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen, wie bspw. Teer, ”gecrackt”. Dieser Prozess ermöglicht die weitere Verbrennung der aufgespaltenen Kohlenwasserstoffe.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es gibt bei den Ausführungsbeispielen im Wesentlichen zwei Arten von Holzvergaserkesseln, nämlich welche mit einer aktiven und welche mit einer passiven Mischereinrichtung.
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.
Die passive Mischereinrichtung umfasst bspw. als Vermischungsstruktur einen Expansionstrichter (Diffusor), einen Zyklonmischer, einen Schermischer oder dergleichen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bei manchen Ausführungsbeispielen basiert das Mischerrad auf einer flüssigsilizierten Kohlenstoff-Siliziumcarbidmischung (C/SiC).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die von dem Mischerrad 16 mit Sekundärluft vermischten Verbrennungsgase oxidieren in dem Nachverbrennungsraum 23 und werden dann über einen Rauchgasauslass 30 abgeführt.
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.

Claims

Holzvergaserkessel, umfassend: – einen Brennraum (2; 22) mit einer Primärluftzufuhr (6; 26), der derart wärmeisolierend ausgestaltet ist, dass sich bei Verbrennung von Brennstoff eine wärmeisolierte Glutzone (5; 25) ausbildet; – einen Nachverbrennungsraum (3; 23); und – eine Mischereinrichtung (4; 24), wobei die Mischereinrichtung (4; 24) derart ausgebildet ist, dass sie im Brennraum entstehende Verbrennungsgase mit Sekundärluft aus einer Sekundärluftzufuhr (7; 21) vermischt, und die mit der Sekundärluft vermischten Verbrennungsgase im Nachverbrennungsraum (3; 23) verbrannt werden.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 1, bei welchem die Mischereinrichtung (4) passiv ausgebildet ist.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 2, wobei die Mischereinrichtung (4) einen Expansionstrichter umfasst.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 3, bei welchem die Verbrennungsgase und die Sekundärluft axial durch den Expansionstrichter strömen.
Holzvergaserkesseln nach Anspruch 4, wobei der Expansionstrichter eine Strömungsverengung aufweist, durch welche die Sekundärluft strömt.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 2, wobei die Mischereinrichtung (4) einen Zyklonmischer umfasst.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 6, wobei der Zyklonmischer von der Verbrennungsluft und der Sekundärluft tangential angeströmt wird.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 2, bei welchem die Mischereinrichtung (4) einen Schermischer umfasst.
Holzvergaserkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem die Sekundärluftzufuhr (7) eine Gebläseeinrichtung (8) umfasst.
Holzvergaserkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mischereinrichtung (4) einen keramischen Werkstoff umfasst.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 10, bei welchem der keramische Werkstoff auf einer Mischung aus Kohlenstoff und Siliziumcarbid basiert.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 1, bei welchem die Mischereinrichtung (24) aktiv ausgebildet ist.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 12, bei welchem die Mischereinrichtung ein Mischerrad (16) und eine Antriebseinrichtung (18) aufweist, die das Mischerrad (16) antreibt.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 13, bei welchem das Mischerrad (16) in einem Heiß-Gleitlager auf Keramikbasis gelagert ist.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem die Antriebseinheit (18) und das Mischerrad (16) magnetisch gekoppelt sind.
Holzvergaserkessel nach einem der Ansprüche 12 bis 14, weiter eine Wellendurchführung (27) umfassend, durch die eine Antriebswelle (17) für das Mischerrad (16) zur außerhalb des Nachverbrennungsraumes (23) angeordneten Antriebseinheit (18) geführt ist.
Holzvergaserkessel nach Anspruch 16, bei welchem die Wellendurchführung (27) eine Labyrinthdichtung aufweist.
Holzvergaserkessel nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei das Mischerrad (16) auf einer flüssigsilizierten Kohlenstoff-Siliziumcarbidmischung basiert.