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Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Verbrennung von festen Brennstoffen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Gattungsgemäße Heizkessel bestehen im Wesentlichen aus einem Heizmedium führenden Kesselkörper aus gusseisernen Kesselgliedern oder aus verschweißten Stahlblechen. Dieser beinhaltet einem Füllraum für Brennstoff mit einer oberen oder seitlichen Befüllöffnung, einem Brennrost mit einem darunter angeordnetem Aschekasten. Dabei erfolgt eine pyrolytische Verbrennung oberhalb des Brennrostes und somit an der Unterseite der Brennstoffmenge im Füllraum. Brennstoff rutscht somit laufend durch das Eigengewicht von oben her nach. Im Füllraum erfolgt auch die Primärluftzufuhr.
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Über eine Heizgasaustrittsöffnung gelangen die Pyrolysegase in eine nachgeschaltete Brennkammer. Die hier entstehenden Verbrennungstemperaturen werden in einem sich anschließenden Wärmetauscher abgebaut, indem die Wärme an das umgebende Heizmedium abgegeben wird. Danach strömen die Heizgase zu einem Abgasstutzen. Weiterhin übernimmt eine Regeleinrichtung die Steuerung des Verbrennungsablaufs und diverse Sicherheitsfunktionen.
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Zur Verbrennung von festen Brennstoffen sind so genannte Feststoffkessel für Scheitholz, Hackschnitzel oder Pelletkessel bekannt. Im ersten Fall dient die Tür lediglich als vorderer oder oberer Abschluss und Zugangsmöglichkeit, und im zweiten Fall nimmt sie einen entsprechenden Pelletbrenner auf. Verbreitet sind spezielle Feststoffkessel mit Feuerungsrosten und jeweils mindestens einem darunter angeordneten Aschekasten. Wesentlichen Einfluss auf die Verbrennung haben die üblicherweise eingesetzten Abgas- und/oder Verbrennungsluftgebläse zur Versorgung der Verbrennung mit Primärluft im Bereich der Pyrolysezone im Füllraum und Sekundärluft im Bereich einer Nachverbrennungszone.
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Beispielsweise ist aus der
DE 195 10 263 A1 ein Zentralheizungskessel für großvolumiges Stückholz bekannt, bei dem vor einer Wirbelkammer Sekundärluft von unten her zugeführt wird. Die Verbrennungsgase strömen dabei durch einen Überleitungskanal aus dem Füllraum tangential in die Wirbelkammer, wobei die Sekundärluft aus einem Seitenkanal in den Überleitungskanal eintritt. Generell wird dabei eine Wirbelkammer bisher sehr großvolumig dimensioniert, weil diese als Sekundärbrennkammer dient, um das Verbrennungsgas vollständig zu oxidieren. Dazu ist eine ausreichende Wegstrecke innerhalb der Wirbelkammer erforderlich. An deren Ende sollte eine möglichst gute Temperaturvergleichmäßigung und Durchmischung erreicht sein.
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In einem stationären Betriebszustand erreichen gut ausgelegte Wirbelbrennkammern mit diesem Prinzip auch akzeptable Emissionswerte. Möglicherweise liegen dagegen diese in instationären Phasen, wie zum Beispiel beim Anfahren oder beim modulierenden Betrieb mit einer Teilleistung, aber deutlich über den zulässigen Grenzwerten. Ursache dafür sind insbesondere die sich deutlich ändernden Strömungsverhältnisse, zum Beispiel durch nachlassende Wirbelbildung, bei geringeren Volumenströmen der gasförmigen Medien.
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Auch die
DE 296 05 801 U1 zeigt einen Heizkessel mit zwei Wirbelkammern in Form von von unten nach oben durchströmten, vertikalen, zylindrischen Verbrennungsschächten. Im Bodenbereich jeder Wirbelkammer sind mehrere Öffnungen für den Eintritt von Sekundärluft angeordnet, und über dem Bodenbereich strömen tangential die flüchtigen Verbrennungsprodukte aus dem benachbarten Füllschacht in die Wirbelkammer ein.
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Außerdem ist die Einleitung von Sekundärluft in die Flammenzone bei nach unten brennenden Pyrolysekesseln bekannt, welche dafür eine Art Düsenplatte mit seitlichen, im rechten Winkel zur Verbrennungsgasströmung angeordneten Sekundärluftöffnungen im Einmündungsbereich des in die Wirbelkammer führenden Überleitungskanals aufweist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Verbrennungsqualität von Heizkesseln und Öfen zur Verbrennung von festen Brennstoffen zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wurde dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßer Heizkessel dadurch, dass die Wirbelkammer vorzugsweise aus einem zylindrischen Raum besteht, in den in der Nähe einer Stirnseite tangential von außen her Primärluft und Verbrennungsgase eintreten, und dass die Wirbelkammer in Strömungsrichtung nach diesem Einströmbereich eine ringförmige Sekundärluftzufuhrvorrichtung mit einer Drallerzeugungseinrichtung für die axial gerichtete Strömung von Verbrennungsgasen und/oder der radial eintretenden Sekundärluft aufweist. Dabei wird Sekundärluft von außen her im Bereich der Drallerzeugungseinrichtung über mindestens eine Ausmündung beigemischt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Drallerzeugungseinrichtung innerhalb der ringförmigen Sekundärluftzufuhrvorrichtung mehrere verstellbare Leitschaufeln auf.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die verstellbaren Leitschaufeln der Drallerzeugungseinrichtung mindestens im äußeren Durchmesserbereich der Wirbelkammer, also relativ dicht an deren Innenwand, angeordnet sind. Dabei ist die mindestens eine Ausmündung für die Sekundärluft am Umfang zwischen benachbarte Leitschaufeln gerichtet. Bei mehreren über den Umfang des Wirbelkammer-Mantels verteilten Ausmündungen kann die Sekundärluft diesen Austrittsstellen auch in einer ringförmig außen um den Wirbelkammer-Mantel gelegten Verteilkammer gleichmäßig zugeführt werden.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist im Zentrum der Leitschaufeln innerhalb der Sekundärluftzufuhrvorrichtung ein freier Querschnitt vorgesehen, dessen Durchmesser vorzugsweise weniger als die Hälfte des Innendurchmessers der Wirbelkammer beträgt.
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Ergänzend dazu ist in einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform im Zentrum der Leitschaufeln innerhalb der Sekundärluftzufuhrvorrichtung eine Düse für die axial gerichtete Strömung von Verbrennungsgasen angeordnet. Diese wird vorzugsweise mit einer Blende auf einem außerhalb der Düse liegenden Teilkreis mit in Strömungsrichtung gerichteten Düsenbohrungen als Ausmündung zum Zuführen von Sekundärluft kombiniert. Mit der Düse wird eine Beschleunigung des Kernstromes erreicht und über die auf einem größeren Teilkreis ringsum befindlichen Düsenbohrungen kommt die Sekundärluft, schon in die Hauptströmungsrichtung umgelenkt, direkt in den Bereich der Leitschaufeln. So wird ein innerer und ein äußerer Teilstrom in der Wirbelkammer ausgebildet, um damit die Vermischung zu intensivieren.
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Vorteilhafterweise sind die Leitschaufeln an einem gemeinsamen Stellelement fixiert, welches von einer Regeleinrichtung zu betätigen ist. Dabei sind die Leitschaufeln zur Beeinflussung der axial gerichteten Strömung von Verbrennungsgasen und/oder der radial eintretenden Sekundärluft in radialer und/oder axialer Richtung verstellbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich die mindestens eine mit der Verbrennungsgasaustrittsöffnung im Füllraum verbundene Zuführungsöffnung für Verbrennungsgase in der Nähe der stromaufwärtigen Stirnseite im Mantel der Wirbelkammer, so dass diese Strömung radial und tangential an den Innendurchmesser der Wirbelkammer angepasst, von außen her in die Wirbelkammer eintritt.
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Mit der Erfindung wird die Verbrennungsqualität von Heizkesseln und Öfen zur Verbrennung von festen Brennstoffen optimiert, denn es werden niedrige Emissionswerte, insbesondere hinsichtlich unverbrannter Kohlenwasserstoffe und CO, bei der Scheitholz-, Hackschnitzel und Pelletverbrennung gewährleistet. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass der Sekundärluftvolumenstrom über eine Sekundärluftzufuhrvorrichtung innerhalb der Wirbelkammer gezielt in den bereits vorher eingetretenen Strom aus Primärluft und Verbrennungsgasen zugeführt wird. Dazu sind die entsprechenden Ausmündungen den Leitschaufeln zugeordnet und auf deren Geometrie und Anordnung abgestimmt.
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Die erfindungsgemäßen positiven Effekte werden insbesondere dadurch erreicht, dass die Sekundärluft mit veränderlichem und somit situationsgerecht optimiertem Drallwinkel zugeführt wird. So kann variabel auf Lastpunkte wie beispielsweise Teillast, Volllast und andere instationäre Betriebspunkte, eingegangen werden, weil diese jeweils einen Bedarf für unterschiedliche Sekundärluftmassenströme mit sich bringen. Bisher wird die aus dem Stand der Technik bekannte Drallerzeugung, zum Beispiel durch eine entsprechende Wirbelkammergeometrie, immer auf einen festen Betriebspunkt bei konstantem Sekundärluftmassenstrom ausgelegt. Bei variablen Sekundärluftströmen wird somit bisher in abweichenden Lastpunkten kein optimaler Durchmischungsgrad erzielt.
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Ein Drallgeber mit variabler Turbinengeometrie, d. h. mit variablem Leitschaufelnstellwinkel, hat den Vorteil, dass der Drallwinkel bei allen gefahrenen Betriebszuständen stets optimal eingestellt werden kann. Ist beispielsweise der Anstellwinkel der Leitschaufeln klein bzw. flach gewählt, so ergibt sich ein kleinerer Durchtrittsquerschnitt und damit eine höhere Geschwindigkeit bei gleichem Sekundärluftvolumenstrom. Damit kann ein optimaler Durchmischungsgrad von Sekundärluft und Verbrennungsgasen innerhalb der Wirbelkammer erzielt werden, welcher niedrige Emissionswerte zur Folge hat.
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Sehr effektiv ist dieses Durchmischen auch, denn erfindungsgemäß wird im Vergleich zu Wirbelkammer-Konzepten aus dem Stand der Technik mit etwa der Hälfte des zur Verfügung stehenden Bauraumes derselbe Vermischungseffekt erreicht. Für die funktionswichtige homogene Durchmischung der gasförmigen Medien reicht somit erfindungsgemäß zum Beispiel nur die Hälfte der Strömungs-Wegstrecke innerhalb der Wirbelkammer aus. Und dies bei gleicher oder längerer Verweilzeit der Heizgase in der Wirbelkammer.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt:
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1: einen mit festen Brennstoffen befeuerten Heizkessel im Schnitt,
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2: eine Wirbelkammer in einem im Längsschnitt,
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3: eine Wirbelkammer in einem vertikalen Querschnitt durch den Einströmbereich für Primärluft und Verbrennungsgase,
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4: eine Wirbelkammer einem vertikalen Querschnitt durch die Sekundärluftzufuhrvorrichtung und
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5: eine Wirbelkammer in einem Längsschnitt durch eine Venturidüse als optionaler Zusatz zur Sekundärluftzufuhrvorrichtung.
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Der Heizkessel besteht im Wesentlichen aus einem Heizmedium führenden Kesselkörper 1, einem Füllraum 2 für Brennstoff mit einer oberen Befüllöffnung 3, einem Brennrost 4 mit einem darunter angeordneten Aschekasten 5, einer Verbrennungsgasaustrittsöffnung 6 in eine nachgeschaltete Wirbelkammer 7 sowie mit einem sich anschließenden, nicht dargestellten Wärmetauscher für das Heizgas.
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Die Wirbelkammer 7 besteht aus einem zylindrischen Raum, in den in einen Einströmbereich 8 in der Nähe einer Stirnseite, insbesondere in 2 dargestellt, radial aus dem Mantel der Wirbelkammer 7 und tangential zu deren Innenkontur von außen her Verbrennungsgase V eintreten.
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In Strömungsrichtung nach diesem Einströmbereich 8 weist die Wirbelkammer eine ringförmige Sekundärluftzufuhrvorrichtung 9 mit einer Drallerzeugungseinrichtung 10 für die axial gerichtete Strömung von Verbrennungsgasen V und/oder der radial eintretenden Sekundärluft S auf, welche von außen her im Bereich der Drallerzeugungseinrichtung 10 über mindestens eine Ausmündung 11 beigemischt wird.
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Dazu besitzt Drallerzeugungseinrichtung 10 innerhalb der ringförmigen Sekundärluftzufuhrvorrichtung 9 mehrere verstellbare Leitschaufeln 12 im äußeren Durchmesserbereich der Wirbelkammer 7. Dabei sind die Ausmündungen 11 zwischen benachbarte Leitschaufeln 12 gerichtet, wie 4 zeigt.
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Gemäß 4 ist im Zentrum der Leitschaufeln 12 innerhalb der Sekundärluftzufuhrvorrichtung 9 ein freier Querschnitt vorgesehen. Alternativ oder ergänzend dazu kann gemäß 5 im Zentrum der Leitschaufeln 12 eine Düse 13 für die axial gerichtete Strömung von Verbrennungsgasen V angeordnet sein. Diese beschleunigt die Strömung und Verwirbelung. Eine Blende 14 auf einem außerhalb der Venturidüse 13 liegenden Teilkreis mit in Strömungsrichtung gerichteten Düsenbohrungen als Ausmündungen 11 dient dabei zum Zuführen von Sekundärluft S.
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Mit einer Regeleinrichtung 15 werden die Leitschaufeln 12 über ein gemeinsames, nicht dargestelltes Stellelement in die aktuelle, betriebsabhängige Position gebracht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19510263 A1 [0005]
- DE 29605801 U1 [0007]
