DE19715918A1

DE19715918A1 - Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgers

Info

Publication number: DE19715918A1
Application number: DE19715918A
Authority: DE
Inventors: Andreas P Rosteuscher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 1998-10-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgers mit einem zur Erzeugung einer Wärmequelle aus gebildeten Feuerungsmittel, einem Wärmeträgerbereich und einer zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbereich befindlichen Wandung, insbesondere einer Kessel- oder Rohr wandung.

Als Wärmequelle in einer derartigen Vorrichtung dienen üb licherweise bei einem im Feuerungsmittel stattfindenden Verbrennungsvorgang entstehende Flammen und erhitzte Abga se.

Eine bekannte Vorrichtung der genannten Art ist beispiels weise durch einen Flammrohr-/Rauchrohr-Heizkessel in 3-Zug-Bauweise gegeben, welcher als Feuerungsmittel einen Brenner enthält, in dem bei Betrieb des Kessels eine Verbrennung stattfindet. Bei dieser Verbrennung entsteht eine Flamme in einem Flammrohr sowie Abgas, welches den Kessel durch die nachfolgend angeordneten Rauchrohre verläßt. Die Flamme und das Abgas dienen als Wärmequelle: Über die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre geben sie Wärme ab in einen Wärmeträgerbereich, der von als Wärmeträger verwendetem Wasser durchströmt wird. Die von dem Wasser aufgenommene Wärme dient also zu dessen Erhitzung. Die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre sind in den bekannten Vor richtungen mit bestimmten Eigenschaften versehen: Bei spielsweise besitzen sie dem konstruktiven Aufbau des Kes sels angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten und Elastizi tät sowie ausreichende chemische Unempfindlichkeit.

Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß nur ein unzureichender Teil der vom Feuerungsmittel erzeug ten und von der Wärmequelle abgegebenen Wärme vom Wärmeträ ger aufgenommen wird. Das die Vorrichtung verlassende Abgas enthält noch einen zu hohen Anteil der erzeugten Wärme, insbesondere besitzt es im Vergleich zum erhitzten Wärme träger eine hohe Temperatur. Der Wärmeübertrag von der Wär mequelle auf den Wärmeträger ist somit nicht optimal.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art den Übertrag der Wärme von der Wärmequelle über die Wandung auf einen im Wärmeträgerbe reich befindlichen Wärmeträger zu verbessern und den Wir kungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine an mindestens einer Seite der Wandung befindliche, die Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung in der Wandung begünstigende und/oder die Emission der von der Wandung stammenden Wärmeleistung in Richtung der Wärme quelle behindernde selektive Schicht.

Erfindungsgemäß wird also der Netto-Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf die zwischen der Wärmequelle und dem Wärme trägerbereich befindliche Wandung erhöht. Diese Erhöhung erfolgt durch eine an oder in der Wandung angebrachte se lektive Schicht, die folgende Funktionen besitzt:
Zum einen erhöht sie die in der Wandung stattfindende Ab sorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung. Der Großteil dieser Wärmeleistung wird in Form von Wär mestrahlung zur Wandung übertragen. Eine Erhöhung der Ab sorption dieser Wärmestrahlung in der Wandung kann dabei bereits dadurch erreicht werden, daß die selektive Schicht die Reflexion der Wärmestrahlung an der Wandung verringert.

Zum anderen verringert die selektive Schicht die Emission von Wärmeleistung aus der Wandung zurück in Richtung der Wärmequelle. Ein derartiger Wärmeübertrag erfolgt aufgrund der Eigentemperatur der Wandung: Wärme in Form von Tempe raturstrahlung wird von der Wandung unter anderem in uner wünschter Weise auch in Richtung der Wärmequelle abgegeben.

Die Emission von Temperaturstrahlung hängt jedoch nicht nur von der Eigentemperatur der Wandung, sondern beispielsweise auch von ihrer Oberflächenbeschaffenheit ab. Die selektive Schicht an der Wandung kann so beschaffen sein, daß sie die Emission von Temperaturstrahlung von der Wandung in andere Richtungen als die des Wärmeträgerbereichs hemmt.

Durch eine oder mehrere der genannten Funktionen der selek tiven Schicht läßt sich das Verhältnis von Absorption der Wärmeleistung in der Wandung zu Emission in Richtung der Wärmequelle erhöhen. Dieses Verhältnis, bezüglich dessen Größe ein möglichst hoher Wert wünschenswert ist, wird als Selektivität bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert somit den Net to-Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf die Wandung durch Erhöhung der Selektivität der Wandung. Indem die Erfindung es ermöglicht, die in der Wandung absorbierte Wärmeleistung zu erhöhen und die von der Wandung in Richtung der Wärme quelle remittierte Wärmeleistung zu verringern, wird auch ein höherer Wärmeübertrag von der Wandung an den Wärmeträ ger erreicht, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung er heblich verbessert wird.

Aufgrund der vorstehend genannten vorteilhaften Eigenschaf ten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind gegenüber her kömmlichen Anordnungen konstruktive Neugestaltungen und Vereinfachungen realisierbar:
Durch die Erhöhung des Wärmeübertrags von der Wärmequelle auf die Wandung bzw. den Wärmeträger ist eine Verringerung der benötigten Wärmeübertragsfläche möglich.

Insbesondere gegenüber Heizkesseln des herkömmlichen 3-Zug-Aufbaus kann aufgrund des verbesserten Wärmeübertrags und des erhöhten Wirkungsgrads auf einen oder zwei Züge ver zichtet werden, so daß erfindungsgemäß letztlich mit einem 1-Zug-Aufbau (Sturzbrenner) der gleiche Wirkungsgrad er reicht werden kann, wie mit einem aus dem Stand der Technik bekannten 3-Zug-Aufbau.

Ein erfindungsgemäßer Sturzbrenner besitzt somit einen ver gleichsweise hohen Wirkungsgrad. Bei einem erfindungsgemä ßen Sturzbrenner kann das Flammrohr in Edelstahl ausgeführt sein. Edelstahl ist insbesondere unempfindlich gegenüber bei erfindungsgemäß erzielter niedriger Abgas-Endtemperatur entstehendem Abgaskondensat.

Die Ausgestaltung verschiedener Bereiche der Wandung mit Schichten unterschiedlicher Selektivität ermöglicht einen innerhalb der Vorrichtung gleichmäßigen Wärmeübertrag. Dies gestaltet den Wärmeübertrag mitunter effizienter und ermög licht den Wegfall aufwendiger konstruktiver Maßnahmen, die zur Schadenverhütung in thermisch hochbelasteten Bereichen der Vorrichtung bzw. ihrer Wandungen getroffen werden müß ten.

Die Erfindung ermöglicht außerdem eine geringere Flammen temperatur, wodurch die Emission von Schadstoffen (z. B. NO_x) vermindert wird und eine vollständigere Verbrennung erzielt wird.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine verringerte Temperatur des von der Vorrichtung abgegebenen Abgases. Dadurch kann der Taupunkt von Bestandteilen des Abgases unterschritten werden; auf grund der freiwerdenden Kondensationswärme kann somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung noch weiter erhöht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich die selektive Schicht nur auf ei ner Seite der Wandung, insbesondere auf der der Wärmequelle zugewandten Seite.

Die selektive Schicht kann so ausgebildet sein, daß eine erhöhte Selektivität durch Ausnutzung der unterschiedlichen spektralen Verteilung der von der Wärmequelle ausgehenden Wärmestrahlung und der von der Wandung ausgehenden Tempera turstrahlung erreicht wird. Insbesondere kann der Absorpti onsgrad und/oder der Emissionsgrad eine Wellenlängenabhän gigkeit aufweisen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Selektivität der se lektiven Schicht in einem oder mehreren Wellenlängenberei chen der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ein Maximum aufweist; insbesondere können diese Wellenlängenbe reiche jenen Wellenlängenbereichen entsprechen, an denen ein Intensitätsmaximum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung vorhanden ist. Das Spektrum der von der Wär mequelle emittierten Wärmestrahlung ist nämlich nicht unbe dingt kontinuierlicher Art; im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, daß dieses Spektrum auch ein oder mehrere Intensi tätsmaxima besitzen kann. Solche Intensitätsmaxima können charakteristisch sein für den verbrannten Brennstoff bzw. die Zusammensetzung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases. Insbesondere weist das Spektrum einer rußfreien, bei der Verbrennung von kohlenstoffarmen Brennstoffen ent stehenden Flamme derartige Intensitätsmaxima im µm-Bereich (Infrarotstrahlung) auf.

Die selektive Schicht kann dadurch ausgebildet sein, daß die Hervorhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, die ins besondere eine Mikrostruktur bilden. Eine derartige Mi krostruktur kann beispielsweise als flächige Nadel-, Tra pez- oder Pyramidenstruktur ausgebildet sein, welche ein sich wiederholendes Muster aufweist, dessen Periodizi tätsintervall insbesondere in der Größenordnung einer Wel lenlänge maximaler Intensität der von der Wärmequelle emit tierten Wärmestrahlung liegen kann. Die Mikrostruktur kann auch eine flächige zweidimensionale oder eine dreidimensio nale Kristallgitterstruktur umfassen.

In bevorzugter Ausführungsform kann die selektive Schicht durch Behandlung einer Oberfläche der Wandung hergestellt sein. Diese Behandlung kann beispielsweise durch Kathoden zerstäubung (Sputtern), Galvanisierung, Kerbung, Bürsten, Polieren, Schleifen, Beaufschlagung mit Laserstrahlung oder weiteren dem Fachmann bekannten Methoden der Oberflächenbe handlung durchgeführt werden. Die Herstellung der selekti ven Schicht kann jedoch auch durch Aufbringen einer zusätz lichen Schicht auf die Wandung erfolgen, insbesondere durch galvanische Beschichtung, Aufsintern, Aufdampfen, Aufbrin gen von Folien, Aufbringen von Filtern, insbesondere Inter ferenz- und Halbleiterfiltern, oder durch eine Kombination hiervon.

Die Erhöhung der Selektivität der selektiven Schicht kann beispielsweise unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, Absorption durch Gitterschwingungen oder ionischer Absorp tion von Wärmestrahlung erreicht werden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Wandung der Vorrich tung einen Absorptionsgrad von ungefähr 95% gegenüber einem spektralen Bereich oder dem gesamten Spektrum der Wär mestrahlung der Wärmequelle aufweist und einen Emissions grad von Wärmestrahlung in Richtung der Wärmequelle von un gefähr 5% besitzt. Auch mit schlechteren Werten von Absorp tions- und Emissionsgrad ist die Erfindung jedoch noch in vorteilhafter Weise einsetzbar.

Die selektive Schicht ist vorzugsweise temperaturbeständig; insbesondere ist sie gegenüber der Betriebstemperatur der Vorrichtung beständig.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung liegt au ßerdem vor, wenn die Flamme oder die Abgase der Wärmequelle durch Verbrennung von wasserstoffhaltigem und/oder kohlen stoffhaltigem Brennstoff, insbesondere Erdgas, Wasserstoff, Heizöl oder Kohle, erzeugbar sind. Die Flamme oder die Ab gase können gleichermaßen durch Verbrennung von anderen an organischen oder organischen Brennstoffen oder von Abfall brennstoff, insbesondere von Haus- und Industriemüll, Klär schlamm, Rechengut, Filtergut, Faulgas oder pflanzlichem Abfall, erzeugbar sein.

Weiterhin kann die Wandung zumindest durch einen Teil eines Flammrohrs, eines Rauchrohrs, eines Abgasrohrs, eines Flamm- und/oder Rauchrohrkessels mit einem oder mehreren Zügen, eines Strahlungskessels, eines Abhitzekessels, einer Strahlungsheizfläche, eines Feuerungsraums oder einer Wär metauscherfläche gebildet sein.

Schließlich ist der Wärmeträgerbereich vorzugsweise zur Aufnahme von flüssigen, gasförmigen und/oder festen, insbe sondere jeweils strömenden Wärmeträgern ausgelegt.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Un teransprüchen offenbart, wobei auch andere Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen möglich sind, als in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:

Fig. 1a das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 3-Zug-Bauweise,

Fig. 1b das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 1-Zug-Bauweise,

Fig. 2 das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Ver brennungsofens mit Strahlungsheizfläche und 3-Zug-Strahlungskessel,

Fig. 3 den Prinzipverlauf des bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff emittierten elektromagnetischen Spektrums, und

Fig. 4a, 4b zwei verschiedene Möglichkeiten der Realisierung einer erfindungsgemäßen selektiven Schicht.

Fig. 1a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung ei nes Flammrohr-/Rauchrohrkessels in 3-Zug-Bauweise. Inner halb eines zylinderförmigen Flammrohrs 1 ist eine Flamme 2 gezeigt, die aus einem Verbrennungsvorgang resultiert, der in einem außerhalb des Flammrohrs 1 befindlichen Brenner 3 stattfindet.

Von dem dem Brenner 3 entgegengesetzten Ende des Flammrohrs 1 Zweigen mehrere Rauchrohre 5 von geringerem Durchmesser als dem des Flammrohrs 1 dergestalt ab, daß sie dem Flamm rohr 1 seitlich benachbart angeordnet sind und ihre Längs achsen parallel und in einem jeweils gleichen ersten Ab stand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verlaufen. In der Hö he des dem Brenner 3 zugewandten Endes des Flammrohrs 1 be sitzt jedes Rauchrohr 5 eine 180°-Krümmung dergestalt, daß es im weiteren Verlauf wieder parallel und in einem jeweils gleichen zweiten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verläuft, wobei dieser zweite Abstand größer ist als der erste Abstand. Jedes der Flammrohre 5 mündet dann in einen Bereich, der sich demnach auf der dem Brenner 3 entgegenge setzten Seite des Kessels befindet und der wiederum in ei ner einzigen Abgasabführung 6 mündet. In der Schnittdar stellung der Fig. 1a zeigen das Flammrohr 1, der in dem er sten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil eines der Rauchrohre 5 und der in dem zweiten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil desselben Rauchrohrs 5 somit einen für ei nen 3-Zug-Kessel charakteristischen S-förmigen Aufbau.

In dem Flammrohr 1, den Rauchrohren 5 und dem in die Ab gasabführung 6 mündenden Bereich befinden sich Abgase 4, die aus den im Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgängen resultieren und in Fig. 1a durch gestrichelte Pfeile ange deutet sind. Auf den Außenseiten des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5 ist ein Wärmeträgerbereich 7 ausgebildet, der demnach im wesentlichen durch die Wandungen des Flammrohrs 1, der Rauchrohre 5 und des Kessels begrenzt ist und ledig lich mit einem Rücklauf 8 und einem Vorlauf 9 Öffnungen zum Kesseläußeren besitzt. Der Wärmeträgerbereich 7 ist mit ei nem Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser, aufgefüllt. In Fig. 1a ist der Wärmeträgerbereich 7 bzw. das Wasser durch die Schraffur gekennzeichnet.

An denjenigen Teilen der Wandungen des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5, die das Innere der Rohre vom Wärmeträgerbe reich 7 trennen, ist eine selektive Schicht 10 angebracht. Diese Schicht ist in Fig. 1a als fett eingezeichnete Linie verdeutlicht.

Bei der Verbrennung eines Brennstoffs, wie beispielsweise Öl, Gas oder Wasserstoff, im Brenner 3 entsteht die Flamme 2, die insbesondere in Form von Strahlung Wärme an das Flammrohr 1 abgibt. Die aus den Verbrennungsvorgängen re sultierenden Abgase 4 strömen vom Flammrohr 1 entlang der Pfeilrichtung durch die Rauchrohre 5. Dabei geben sie eben falls Wärme in Form von Strahlung an die Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 ab. Die Abgase entwei chen schließlich dem Kessel über die Abgasabführung 6.

Das Wasser als Wärmeträger kann über den Rücklauf 8 in den Wärmeträgerbereich 7 eingeführt werden, den Wärmeträgerbe reich 7 durchströmen und durch Kontakt mit den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 erhitzt werden. Über den Vorlauf 9 kann das derart erhitzte Wasser dem Kessel wieder abgeführt werden, so daß im stationären Betrieb des Kessels der Wärmeträgerbereich 7 kontinuierlich durchströmt wird.

Durch die selektiven Schichten 10 an den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 wird die Aufnahme von Wärmeleistung von der Flamme 2 bzw. dem Abgas 4 in den Wan dungen erhöht, die unerwünschte Wärmeabgabe von den Wandun gen in Richtung der Flamme 2 bzw. des Abgases 4 verringert und somit der Netto-Wärmeübertrag von der Flamme 2 und den Abgasen 4 auf das Wasser im Wärmeträgerbereich 7 erhöht.

Fig. 1b zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung ei nes Flammrohrkessels mit einem zylinderförmigen Flammrohr 1 ohne nachfolgend angeordnete Rauchrohre (Aufbau als Sturz brenner). Dieser Aufbau stellt somit eine erhebliche kon struktive Vereinfachung gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/Rauchrohrkessel gemäß Fig. 1a dar. Die Wandung des Flamm rohrs 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel gewellt. Das Flammrohr 1 des erfindungsgemäßen Sturzbrenners ist an sei ner seitlichen inneren Wandung mit einer in Fig. 1b fett eingezeichneten selektiven Schicht 10 versehen.

Außerhalb des Flammrohres 1, in der Verlängerung seiner Längsachse, befindet sich ein Brenner 3. Die in dem Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgänge erzeugen eine Flamme 2, die sich über einen großen Bereich des Inneren des Flamm rohrs 1 erstreckt, sowie Abgas 4, das sich ebenfalls im In neren des Flammrohres 1 befindet und in Fig. 1b durch ge strichelte Pfeile angegeben ist. An dem dem Brenner 3 abge wandten Ende mündet das Flammrohr 1 in eine Abgasabführung 6, und es besitzt dort ferner einen Abfluß 11.

Auf der äußeren, der Flamme 2 abgewandten Seite der Wandung des Flammrohrs 1 ist, schraffiert eingezeichnet, ein mit dem Flammrohr im wesentlichen konzentrischer Wärmeträgerbe reich 7 vorgesehen, der durch die Wandung des Flammrohrs 1 und die Wandungen des Kessels abgeschlossen ist. Nach außen ist der Wärmeträgerbereich 7 lediglich durch drei Rückläufe 8 geöffnet, die sich an einer Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 abgewandten Endes befinden, und durch einen Vorlauf 9, der sich an einer den Rückläufen 8 gegenüberliegenden Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 zugewandten Endes befindet.

Im stationären Betrieb des Kessels erzeugt ein Verbren nungsvorgang im Brenner 3 die Flamme 2 und das Abgas 4, das kontinuierlich durch das Flammrohr 1 strömt und den Kessel über die Abgasabführung 6 verläßt. Auch in diesem Ausfüh rungsbeispiel dienen die Flamme 2 und deren Abgas 4 der Er hitzung eines den Wärmeträgerbereich 7 durchströmenden Wär meträgers, wie beispielsweise Wasser. Das Wasser kann dem Bereich 7 bei unterschiedlicher Temperatur zugeführt wer den, wobei bei höherer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 nahe des Brenners 3 und bei niedrigerer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 weiter entfernt vom Brenner 3 vorge sehen ist. Dadurch werden ein effizienter Wärmeübertrag auf das Wasser und eine hohe Temperatur des Wassers bei Verlas sen des Wärmeträgerbereichs 7 durch den Vorlauf 9 erreicht.

Die selektive Schicht 10 der Wandung des Flammrohrs 1 er möglicht auch in diesem Ausführungsbeispiel einen verbes serten Übergang der Wärme der Flamme 2 und des Abgases 4 über das Flammrohr 1 in den Wärmeträgerbereich 7. Der somit verbesserte Wirkungsgrad der Vorrichtung erlaubt diese ge genüber dem 3-Zug-Flammrohr-/Rauchrohrkessel gemäß Fig. 1a mit weniger Wärmeübertragungsfläche ausgestaltete, jedoch konstruktiv einfachere Bauweise.

Eine weitere Verbesserung des Wärmeübertrags von der Flamme 2 und dem Abgas 4 in den Wärmeträgerbereich 7 wird in die sem Ausführungsbeispiel durch die gewellte Ausgestaltung der Wandung des Flammrohrs 1 erreicht. Die somit vergrößer te Oberfläche dieser Wandung verbessert insbesondere den Wärmeübergang von der Wandung auf den Wärmeträger. Eine derartige gewellte Ausgestaltung des Flammrohrs 1 ist je doch nicht notwendig, um mit Hilfe der selektiven Schicht 10 an der Wandung einen erfindungsgemäß verbesserten Wärme übertrag zu erreichen.

Da der erfindungsgemäß verbesserte Wirkungsgrad des Sturz brenners gemäß Fig. 1b auch eine niedrigere Temperatur der Flamme 2 und des den dargestellten Kessel verlassenden Ab gases 4 bewirkt, entsteht im Flammrohr 1 Abgaskondensat. Das Abgaskondensat kann über den Abfluß 11 abgeführt wer den. Das Flammrohr 1 kann aus gegenüber dem Abgaskondensat chemisch unempfindlichem Edelstahl gefertigt sein.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Verbren nungsofens, der aus einem Feuerungsraum 12 und einem 3-Zug-Strahlungskessel 13 besteht. Der Feuerungsraum 12 besitzt auf einer Seite eine Brennstoffzuführung 14 und auf der ge genüberliegenden Seite eine unterhalb der Brennstoffzufüh rung 14 befindliche Reststoffabführung 15. Zwischen der Brennstoffzuführung 14 und der Reststoffabführung 15 befin den sich ein in Richtung der Reststoffabführung 15 geneig ter Rost 16 sowie ein unterhalb dieses Rosts 16 angeordne ter Brenner 3. Oberhalb des Rosts 16 sind Flammen 2 und durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnetes Abgas 4 einge zeichnet.

Oberhalb des Rosts 16 besitzt der Feuerungsraum 12 als Teil seiner Wandung eine nach oben geneigte Strahlungsheizfläche 17. Oberhalb der Strahlungsheizfläche 17 verjüngt sich der Feuerungsraum 12 zu einer Ausmündung, an die sich der 3-Zug-Strahlungskessel 13 anschließt.

Der 3-Zug-Strahlungskessel 13 enthält ein Abgasrohr 5, das in einer mäandrierenden Ausgestaltung drei nacheinander parallel angeordnete Abschnitte umfaßt. Das eine Ende des Abgasrohres 5 ist an die Ausmündung des Feuerungsraumes 12 angeschlossen, das andere Ende mündet in einer Abgasabfüh rung 6. Das Abgas 4 befindet sich auch im Abgasrohr 5.

Die dem Feuerungsraum 12 abgewandte Seite der Strahlungs heizfläche 17 und die Außenseite des Abgasrohres 5 sind als ein in Fig. 2 schraffiert eingezeichneter Wärmeträgerbe reich 7 ausgestaltet. Der Wärmeträgerbereich 7 enthält ei nen Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser oder Wasser dampf. Die Strahlungsheizfläche 17 ist an ihrer dem Feue rungsraum 12 zugewandten Seite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. An den Verbindungsflächen zwischen dem Abgas rohr 5 und dem Wärmeträgerbereich 7 ist auch die Wandung des Abgasrohrs 5 an ihrer Innenseite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. Die selektive Schicht ist in Fig. 2 jeweils fett eingezeichnet.

Über die Brennstoffzuführung 14 wird dem Feuerungsraum 12 Brennstoff, beispielsweise in Form von Haus- oder Indu striemüll, Biomasse, Klärschlamm oder Kohle, zugeführt. Dieser Brennstoff wird im Betrieb des Verbrennungsofens auf dem als Feuerungsmittel fungierenden Rost 16 verbrannt. Nichtbrennbare Bestandteile dieses Brennstoffs werden dem Feuerungsraum 12 über die Reststoffabführung 15 abgeführt. Als zusätzliches, die Rostfeuerung unterstützendes Feue rungsmittel kann der Brenner 3 dienen, der hierfür auf nicht eingezeichnete Weise mit einem weiteren Brennstoff versorgt werden müßte.

Von der bei diesen Verbrennungsvorgängen entstehenden Flam me 2 und von dem in Pfeilrichtung durch den Feuerungsraum 12 und das Abgasrohr 5 des 3-Zug-Strahlungskessels 13 strö menden Abgas 4 wird über die Strahlungsheizfläche 17 und über Teile der Wandung des Abgasrohrs 5 Wärme in den Wärme trägerbereich 7 abgegeben. Der Wärmeträgerbereich 7 wird zur Aufnahme und Abführung dieser Wärme kontinuierlich mit dem Wasser oder Wasserdampf als Wärmeträger durchströmt. Hierfür sind am Wärmeträgerbereich 7 ein Rücklauf und ein Vorlauf vorgesehen, die nicht in Fig. 2 eingezeichnet sind.

Zur Erhöhung der von der Flamme 2 und dem Abgas 4 über die Strahlungsheizfläche 17 bzw. die Wandung des Abgasrohrs 5 auf das Wasser oder den Wasserdampf übertragenen Wärmeleis tung sind die Strahlungsheizfläche 17 und die vorerwähnten Teile der Wandung des Abgasrohrs 5 mit der selektiven Schicht 10 versehen.

Fig. 3 zeigt den typischen Intensitätsverlauf der bei ruß freier Verbrennung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen von der Flamme emittierten Wärmestrahlung, aufgetragen ge gen ihre Wellenlänge. Der für Temperaturstrahlung typischen kontinuierlichen Verteilung sind mehrere ausgeprägte Inten sitätsmaxima überlagert, die mit λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ bezeichnet sind und im µm-Bereich liegen.

Die Selektivität der selektiven Schicht kann so ausgestal tet sein, daß sie Maxima besitzt in Wellenlängenbereichen, die den in Fig. 3 dargestellten Maxima der Wärmestrahlungs emission der Wärmequelle entsprechen.

Fig. 4a zeigt die schematische Schnittdarstellung einer flächigen Nadelstruktur, Fig. 4b die einer flächigen Pyra midenstruktur.

Die beiden dargestellten Flächenstrukturen stellen mögliche Ausführungsformen einer selektiven Schicht dar. Insbesonde re kann das Periodizitätsintervall dieser Strukturen, je weils mit λ_i bezeichnet, mindestens einem der in Fig. 3 aufgezeigten Intensitätsmaxima der Wärmestrahlung der Wär mequelle entsprechen, so daß die selektive Schicht an min destens einem der Intensitätsmaxima ihre höchste Selektivi tät besitzt.

Bezugszeichenliste

1

Flammrohr

2

Flamme

3

Brenner

4

Abgas

5

Rauchrohr bzw. Abgasrohr

6

Abgasabführung

7

Wärmeträgerbereich

8

Rücklauf

9

Vorlauf

10

selektive Schicht

11

Abfluß

12

Feuerungsraum

13

3-Zug-Strahlungskessel

14

Brennstoffzuführung

15

Reststoffabführung

16

Rost

17

Strahlungsheizfläche

Claims

1. Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgers mit einem zur Erzeugung einer Wärmequelle ausgebildeten Feue rungsmittel (3, 16), einem Wärmeträgerbereich (7) und einer zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbe reich (7) befindlichen Wandung, insbesondere einer Kessel- oder Rohrwandung, gekennzeichnet durch eine an mindestens einer Seite der Wandung befindli che, die Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung in der Wandung begünstigende und/oder die Emission der von der Wandung stammenden Wärmelei stung in Richtung der Wärmequelle behindernde selekti ve Schicht (10).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die selektive Schicht (10) auf der der Wärme quelle zugewandten Seite der Wandung befindet.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Selektivität der selektiven Schicht (10) in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ein Maximum aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenbereiche maximaler Selektivität denjenigen Wellenlängenbereichen entsprechen, an denen ein Intensitätsmaximum der von der Wärmequelle emit tierten Wärmestrahlung vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) Hervorhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, die insbesondere eine Mi krostruktur bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) eine Nadel-, Trapez-, Pyramiden- oder Kristallgitterstruktur oder eine Kom bination hieraus umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) durch Behandlung einer Oberfläche der Wandung hergestellt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) durch Kathodenzerstäu bung (Sputtern), Galvanisierung, Kerbung, Bürsten, Po lieren, Schleifen, Beaufschlagung mit Laserstrahlung oder durch eine Kombination der vorgenannten Methoden hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht auf die Wandung hergestellt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schicht durch galvanische Be schichtung, Aufsintern, Aufdampfen, Aufbringen von Fo lien, Aufbringen von Filtern, insbesondere Interfe renz- und Halbleiterfiltern, oder durch eine Kombina tion der vorgenannten Methoden hergestellt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem am oder im Feuerungsmittel (3, 16) stattfindenden Verbrennungsvorgang entstehende Flammen (2) und/oder Abgase (4) als die Wärmequelle dienen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch Verbrennung von wasserstoff haltigem und/oder kohlenstoffhaltigem Brennstoff er zeugbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch Verbrennung von Erdgas, Was serstoff, Heizöl, Kohle oder anderen anorganischen oder organischen Brennstoffen erzeugbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch Verbrennung von Abfallbrenn stoff, insbesondere von Haus- und Industriemüll, Klär schlamm, Rechengut, Filterkuchen, Faulgas oder pflanz lichem Abfall, erzeugbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung zumindest durch einen Bereich eines Flammrohrs (1), eines Rauchrohrs (5), eines Abgasrohrs (5), eines Flamm- und/oder Rauchrohrkessels mit einem oder mehreren Zügen, eines Strahlungskessels (13), ei nes Abhitzekessels, einer Strahlungsheizfläche (17), eines Feuerungsraums (12) oder einer Wärmetauscherflä che gebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerbereich (7) zur Aufnahme von flüs sigen, gasförmigen und/oder festen Wärmeträgern ausge legt ist.