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Die
Erfindung betrifft eine Feststoffverbrennungsvorrichtung mit einem
in einer Brennkammer angeordneten Verbrennungsabschnitt und mit
einem dem Verbrennungsabschnitt benachbart angeordneten Wärmeübertrager.
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Aus
der
DE 198 06 257
A1 ist eine solche Feststoffverbrennungsvorrichtung bekannt,
bei der in einem Kachelofen eine Brennkammer angeordnet ist, der
Holzpellets zugeführt
werden, um eine kontinuierliche Verbrennung zu erreichen. Der Brennkammer
benachbart und diese umgebend sind flächige Wärmeübertrager angeordnet. Die
DE 202 18 082 U1 zeigt
ebenfalls eine Feststoffverbrennungsvorrichtung der Eingangs genannten
Art. Beschrieben wird darin ein sogenannter Grundofen zur Befeuerung
mit festen Brennstoffen, in dessen doppelwandige Außenhülle flächige Wärmeübertrager
angeordnet sind, um dadurch Wasser oder ein anderes Wärmeträgermedium
zu erhitzen. Mittels der bekannten Feststoffverbrennungsvorrichtungen
ergibt sich die Möglichkeit,
mit einem Feststoffofen nicht nur einen Raum zu beheizen, sondern
gleichzeitig ein Speichermedium, wie beispielsweise Wasser, zu erhitzen,
um auf diese Weise das Brauchwasser oder das Wasser einer Zentralheizung
zu erwärmen.
Nachteilig bei den bekannten Feststoffverbrennungsvorrichtungen
ist, daß nur
ein verhältnismäßig geringer
Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung
durch den Wärmeübertrager auf
das Speichermedium, beispielsweise Wasser, erzielt wird. Ein ähnlich hoher
Wirkungsgrad bei der Energienutzung der Festbrennstoffe wie bei
der für Öl- und Gasbrenner
bekannten Brennwerttechnik läßt sich
bei dem bekannten Feststoffverbrennungsvorrichtungen nicht erzielen.
Zur Brennwertnutzung werden für Öl- und Gasbrenner
sogenannte Wendelspaltwärmetauscher
mit verhältnismäßig schmalen
Ringspalten zwischen den Wendeln verwendet, die eine Abkühlung der
Rauchgase unter den Taupunkt ermöglichen,
so daß selbst
noch die Kondensationswärme
genutzt werden kann. Eine Verwendung derartiger Wendelspaltwärmeübertrager
bei Feststoffverbrennungsvorrichtungen ist problematisch, weil die
bei der Feststoffverbrennung verhältnismäßig starke Rußbildung
einerseits den Wendelspaltwärmeübertrager
schnell durch Verschmutzung unwirksam werden läßt. Andererseits ist eine Verbrennungssteuerung
für die
Feststoffverbrennung im Gegensatz zur Öl- und Gasverbrennung nur eingeschränkt möglich. Bei
einer Brennwertnutzung bei einer Feststoffverbrennungsvorrichtung
ist deshalb ein weiteres Problem, daß die Verbrennungstemperatur
in dem Verbrennungsabschnitt nicht zu sehr herabgesetzt werden darf,
weil sonst die Verbrennung nur schlecht bzw. unvollständig abläuft.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem ist es, eine Feststoffverbrennungsvorrichtung anzugeben,
mit der eine Brennwertnutzung einfach und mit geringem Wartungsaufwand
möglich
ist.
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Das
Problem wird dadurch gelöst,
daß bei
einer Feststoffverbrennungsvorrichtung der Eingangs genannten Art
der Wärmeübertrager
ein Wendelspaltwärmeübertrager
zur Brennwertnutzung ist, und daß der Wendelspaltwärmeübertrager
in einem an den Verbrennungsabschnitt angrenzenden Wärmeübertragungsabschnitt
der Brennkammer angeordnet ist.
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Das
Vorsehen eines Wendelspaltwärmeübertragers
an sich ermöglicht
die Brennwertnutzung. Das Anordnen des Wendelspaltwärmeübertragers
in einem an den Verbrennungsabschnitt angrenzenden Wärmeübertragungsabschnitt
der Brennkammer beeinflußt
einerseits möglichst
wenig die Verbrennungstemperatur in dem Verbrennungsabschnitt, und
verlängert
die Reaktionszeit des Rauchgases so daß eine möglichst vollständige und
ungestörte
Verbrennung stattfinden kann. Andererseits ist der Wendelspaltwärmeübertrager
gemeinsam mit dem Verbrennungsabschnitt in der Brennkammer angeordnet.
Durch diese gemeinsame Unterbringung in der Brennkammer und durch
die große
räumliche
Nähe zu
dem Verbrennungsabschnitt kann der Wendelspaltwärmeübertrager bei einer verhältnismäßig hohen
Eingangstemperatur betrieben werden. Dies ermöglicht einerseits einen guten
Wirkungsgrad und andererseits wird auf diese Weise die Selbstreinigung
des Wendelspaltwärmeübertragers
erleichtert.
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Für einen
dauerhaften und wartungsarmen Betrieb sind bei einer Weiterbildung
außerdem
Reinigungsmittel vorgesehen, damit die Herabsetzung des Wirkungsgrades
des Wendelspaltwärmeübertragers
durch Rußablagerungen
verhindert oder zumindest in Grenzen gehalten werden kann.
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Bei
einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Verbrennungsabschnitt
Feuerungsmittel zur Verbrennung von Festbrennstoffen auf, insbesondere
Pellets. Diese Feuerungsmittel können eine
Schale zur Aufnahme der Festbrennstoffe oder ein Feuerungsrost,
insbesondere in Form eines in sich geschlossenen Karussells sein.
Als Festbrennstoffe bieten sich Pellets an, da diese einerseits
in kleinen Mengen kontinuierlich den Feuerungsmitteln zur Verbrennung
zugeführt
werden können
und andererseits bei ihrer Verbrennung nur verhältnismäßig geringe Mengen an Rückständen hinterlassen.
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Bei
einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Wendelspaltwärmeübertrager
eine horizontal angeordnete zentrale Achse auf. Diese liegende Anordnung
des Wendelspaltwärmeübertragers
ermöglicht
es, eine Rauchgasführung
axial in den Innenraum des Wendelspaltwärmeübertragers hinein und sodann
radial zwischen den Wendeln hindurch nach außen vorzusehen. Die zentrale
Achse kann aber auch schräg,
beispielsweise unter einem Winkel von 30 Grad angeordnet sein. Dadurch
können
herabrieselnde Rückstände neben
den Wandelspaltwärmeübertrager,
beispielsweise in den Bereich der Feuerungsmittel befördert werden.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung hat einen Wendelspaltwärmeübertrager, der Wendeln mit
geringem Abstand voneinander aufweist, insbesondere 0,8 bis 2 Millimeter.
Mittels dieses geringen Abstandes zwischen den einzelnen Wendeln läßt sich
eine gute Wärmeübertragung
von den Rauchgasen auf das verwendete Speichermedium, beispielsweise
Wasser erzielen. Die Wendeln können
beispielsweise einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt
zum Erzielen einer möglichst
großen
Oberfläche
haben. Vorzugsweise ist eine Rauchgasführung, insbesondere radial
in Bezug auf die zentrale Achse, zwischen den Wendeln hindurch vorgesehen.
Dadurch läßt sich
ein besonders guter Wirkungsgrad erzielen.
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Es
hat sich bei der Erfindung außerdem
als vorteilhaft erwiesen, daß der
Wärmeübertragungsabschnitt
mittels eines Trennelementes von dem Verbrennungsabschnitt getrennt
ist. Das Trennelement sollte hierbei hinreichend temperaturbeständig sein. Es
bietet sich beispielsweise eine Ausbildung aus Schamotte an. Mittels
dieser Trennmittel kann einerseits eine gezielte Rauchgasführung von
dem Verbrennungsabschnitt in den Wendelspaltwärmeübertrager und durch diesen
hinaus zu einem Rauchgassauslaß erfolgen.
Außerdem
läßt sich
so eine Abschirmung des Verbrennungsabschnittes gegen den kälteren Wärmeübertragunsabschnitt
derart gewährleisten,
daß die
Verbrennungstemperaturen in dem Verbrennungsabschnitt einen vorgegebenen
Wert nicht unterschreiten. Gleichzeitig kann mittels dieses Trennelementes
eine Verlängerung
der Reaktionszeit der Rauchgase und damit eine verbesserte Verbrennung
erreicht werden.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung sind die Reinigungsmittel für eine Rauchgasführung von unten
durch den Wendelspaltwärmeübertrager
nach oben ausgebildet. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei der
Abkühlung
der Rauchgase auskondensierendes Wasser an dem Wendelspaltwärmeübertrager nach
unten läuft
und dabei den Ruß von
den einzelnen Wendeln nach unten hin abwäscht. Dabei sammelt sich der
Ruß unten
im Bereich der Rauchgaszufuhr zu den Wendelspaltwärmeübertrager
und wird durch Abtropfen des Kondensats abgewaschen.
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Eine
andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Reinigungselement
zur mechanischen Reinigung des Wendelspaltwärmeübertragers vorgesehen ist.
Dieses Reinigungselement kann beispielsweise eine Bürste oder
ein Schaber sein. Mittels eines solchen Schabers können verkrustete
Ablagerungen an dem Wendelspaltwärmeübertrager zum
Abplatzen gebracht werden. Es ist auch möglich, daß das Reinigungselement entlang
dem Innenumfang des Wendelspaltwärmeübertragers
rotierend, insbesondere motorisch, angetrieben ist. Mittels eines
solchen Reinigungselementes zur mechanischen Reinigung kann in gewissen
Zeitabständen oder
kontinuierlich die Rußablagerung
an dem Wendelspaltwärmeübertrager
beseitigt und so eine dauerhafte Nutzung des Wendelspaltwärmeübertragers mit
gutem Wirkungsgrad ohne eine Unterbrechung zu Wartungsarbeiten gewährleistet
werden.
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Bei
wieder einer anderen Ausführungsform der
Erfindung ist ein der Rauchgaszufuhr des Wendelspaltwärmeübertragers
zugewandt angeordnetes Sammelelement für Verunreinigungen vorgesehen. Das
Sammelelement kann eine am Innenumfang des Wendelspaltwärmeübertragers
angeordnete Schale sein. In dieser Schale sammeln sich überschüssige Rußablagerungen,
die von den Wendeln in die Schale hineinfallen und durch die zuströmenden heißen Rauchgase
verbrannt werden. Das Sammelelement sollte thermisch von dem Wendelspaltwärmeübertrager
entkoppelt sein. Außerdem
ist es von Vorteil, wenn sich das Sammelelement über das untere Drittel des
Wendelspaltwärmeübertragers
erstreckt.
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Für einen
dauerhaften wartungsarmen Betrieb ist es außerdem von Vorteil, wenn der
Wärmeübertragungsabschnitt
einen Kondensatauslaß aufweist.
Auf diese Weise kann auftretendes Kondensat einfach und unterbrechungsfrei
abgeführt
werden.
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Es
ist weiter von Vorteil, wenn der Wendelspaltwärmeübertrager in dem Wärmeübertragungsabschnitt
zwischen dem Verbrennungsabschnitt und einem Rauchgasauslaß angeordnet
ist. Hierdurch lassen sich gute Betriebsbedingungen für den Wendelspaltwärmeübertrager
erzielen.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Festbrennstoffkessels mit den Erfindungsmerkmalen,
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2 eine
schematische Darstellung eines Wendelspaltwärmeübertragers als ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 eine
schematische Darstellung eines Wendelspaltwärmeübertragers als ein zweites
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
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4 eine
schematische Darstellung eines Wendelspaltwärmeübertragers als ein weiteres
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Festbrennstoffkessels 10 mit
den Erfindungsmerkmalen. Der Festbrennstoffkessel 10 weist
einen Verbrennungsabschnitt 11 und einen Wärmeübertragungsabschnitt 12 auf,
die in einer gemeinsamen Brennkammer 28 angeordnet sind.
Der Wärmeübertragungsabschnitt 12 ist
dem Verbrennungsabschnitt 11 unmittelbar benachbart und
durch Trennelemente 13, 14, 32 von diesem
getrennt angeordnet, wobei die Trennelemente 13, 14, 32 in
einem oberen Bereich einen Durchlaß zwischen dem Verbrennungsabschnitt
und dem Wärmeübertragungsabschnitt 12 freilassen.
Das Trennelement 32 bewirkt eine Verlängerung der Reaktionszeit und
damit eine bessere Verbrennung.
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Der
Verbrennungsabschnitt 11 weist in seinem unteren Bereich
Feuerungsmittel 15 zur Verteuerung von Festbrennstoffen 16 auf.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Feuerungsmittel eine Schale 15, in der als Festbrennstoff
Pellets 16 angeordnet sind. An Stelle der Schale 15 kann
auch ein Karussell oder ein Verbrennungsrost oder ein anderes geeignetes
Feuerungsmittel verwendet werden. Pellets 16 eignen sich
für den
kontinuierlichen Betrieb als Festbrennstoffe besonders gut, da sie
in geringen Mengen kontinuierlich zuführbar sind und nur geringe
Verbrennungsrückstände hinterlassen.
Als Festbrennstoffe können
aber auch alle anderen geeigneten Festbrennstoffe verwendet werden.
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Wie
sich der Figur weiter entnehmen läßt, weist der Wärmeübertragungsabschnitt 12 an
seiner Oberseite und in einem von dem Verbrennungsabschnitt 11 abgewandten
Bereich einen Rauchgasauslaß 17 und
in seinem unteren Bereich und in einem von dem Verbrennungsabschnitt 11 ebenfalls abgewandten
Abschnitt einen Kondensatauslaß 18 auf.
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In
dem Wärmeübertragungsabschnitt 12 ist darüber hinaus
ein Wendelspaltwärmeübertrager 19 angeordnet,
der mehrere voneinander beabstandete Wendeln 20 hat. Die
Wendeln 20 haben bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt.
Nicht in der Figur dargestellt sind Zuführleitungen und Rückführleitungen
zu den Wendeln 20, die den Wendelspaltwärmeübertrager 19 mit einem
Pufferspeicher für
das Wärmespeichermedium verbinden.
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Im
Betrieb werden durch nicht gezeigte Zufuhrmittel Pellets 16 kontinuierlich
in die Schale 15 gefördert
und dort verbrannt. Die heißen
Rauchgase strömen,
wie durch einen Pfeil angedeutet, von dem Verbrennungsabschnitt 11 axial
in den Wendelspaltwärmeübertrager 19 ein
und dort, wie ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet, radial durch
die Zwischenräume
zwischen den Wendeln 20 hindurch. Dabei wird die Wärmeenergie
von den Rauchgasen auf das in den Wendeln 20 geführte Wasser
als Speichermedium übertragen.
Das zwischen den Wendeln 20 hindurchgelangte, abgekühlte Rauchgas
entweicht sodann durch den Rauchgasauslaß 17. Beim Hindurchtreten
zwischen den Wendeln 20 wird das Rauchgas bis unter seinen
Taupunkt abgekühlt,
so daß Kondensat
an den Wendeln 20 nach unten hin abtropft und durch den
Kondensatauslaß 18 einer
geeigneten Sammeleinrichtung zugeführt wird.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Wendelspaltwärmeübertragers 19 in Seitenansicht.
Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist
an der Innenumfangsfläche
der Wendeln 20 ein Sammelelement 21 für Verunreinigungen
angeordnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich
bei dem Sammelelement um eine Schale 21, in der von den
Wendeln 20 herunter rieselnder Ruß aufgefangen und durch die
heißen
einströmenden
Rauchgase verbrannt wird.
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3 zeigt
einen Wendelspaltwärmeübertrager 22 als
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Der Wendelspaltwärmeübertrager 22 entspricht
im wesentlichen dem Wendelspaltwärmeübertrager 19.
Gleiche Elemente tragen die gleichen Bezugsziffern. Wie sich der
Figur entnehmen läßt, ist am
Innenumfang der Wendeln 20 eine Bürste 23 angeordnet.
Die Bürste 23 ist
mittels eines Hebels 24 rotierbar um eine Achse 25 angeordnet.
Die Achse 25 entspricht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der
Längsachse
des Wendelspaltwärmeübertragers 22.
Nicht in der Figur gezeigt sind geeignete Antriebsmittel zum Antreiben
der Bürste 23 zur
Rotation entlang der Innenumfangsfläche der Wendeln 20.
Bei einer solchen Rotation entlang der Innenumfangsfläche der
Wendeln 20 wird mittels der Bürste 23 Ruß von den
Wendeln 20 mechanisch entfernt und entlang der Schraubenlinienbahn
der Wendeln 20 aus dem Wendelspaltwärmeübertrager 22 hinaus
gekehrt.
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4 zeigt
einen Festbrennstoffkessel 26 als ein weiteres Ausführungsbeispiel
Erfindung. Der Festbrennstoffkessel 26 entspricht im wesentlichen dem
Festbrennstoffkessel 10. Gleiche Elemente tragen die gleichen
Bezugsziffern. Anders als bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
weist der Festbrennstoffkessel 26 einen Wärmeübertragungsabschnitt 27 auf.
Der Wärmeübertragungsabschnitt 27 entspricht
im wesentlichen dem Wärmeübertragungsabschnitt 12.
Gleiche Elemente tragen die gleichen Bezugsziffern. In dem Wärmeübertragungsabschnitt 27 ist
ein Wendelspaltwärmeübertrager 29 ähnlich den
Wendelspaltwärmeübertragern 19 und 20 angeordnet.
Gleiche Elemente tragen die gleichen Bezugsziffern.
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Anders
als bei dem Festbrennstoffkessel 10 sind bei dem Festbrennstoffkessel 26 nicht
in 4 dargestellte Trennelemente derart angeordnet,
daß eine
Rauchgaszufuhr von dem Verbrennungsabschnitt zu dem Wärmeübertragungsabschnitt
in der Figur von unten her in den Wendelspaltwärmeübertrager 29 erfolgt.
Führungsmittel 30 verhindern
dabei, daß die
heißen
Rauchgase den Wendelspaltwärmeübertrager 29 außen umströmen. Beim
Durchtreten durch die Zwischenräume
zwischen den Wendeln 20 in der Figur von unten nach oben,
wie durch Pfeile angedeutet, gibt das heiße Rauchgas seine Wärmeenergie
an das Wasser in den Wendeln 20 ab. Dabei wird der Taupunkt
der Rauchgase unterschritten, so daß Kondensat an den Wendeln 20 auskondensiert. Das
Kondensat läuft
an den Wendeln 20 in der Figur nach unten und wäscht dort
den sich an den Wendeln 20 durch die zuströmenden Rauchgase
bildenden Ruß 31 ab.
Auf diese Weise wird der Ruß 31 mit
dem abtropfenden Kondensat von den Wendeln 20 des Wendelspaltwärmeübertragers 29 abgewaschen
und durch den Kondensatauslaß 18 nach
draußen
befördert.
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- 10
- Festbrennstoffkessel
- 11
- Verbrennungsabschnitt
- 12
- Wärmeübertragungsabschnitt
- 13
- Trennelement
- 14
- Trennelement
- 15
- Feuerungsmittel
- 16
- Festbrennstoff
- 17
- Rauchgasauslaß
- 18
- Kondensatauslaß
- 19
- Wendelspaltwärmeübertrager
- 20
- Wendel
- 21
- Schale
- 22
- Wendelspaltwärmeübertrager
- 23
- Bürste
- 24
- Hebel
- 25
- Achse
- 26
- Festbrennstoffkessel
- 27
- Wärmeübertragungsabschnitt
- 28
- Gehäuse
- 29
- Wendelspaltwärmeübertrager
- 30
- Führungselement
- 31
- Ruß
- 32
- Trennelement