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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung für Festbrennstoffe.
Diese Vorrichtung besteht aus einer von einem Motor angetriebenen
Zufuhrvorrichtung für
Brennstoffe, einer Steuereinheit die mit Befehlen den Betrieb des Brennstoffzufuhrmotors
steuert und einem Festbrennstoffofen.
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Stand der Technik
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Festbrennstoffe
weisen eine Anzahl signifikanter Vorteile gegenüber Heizöl auf; sie sind im Allgemeinen
billiger, in großen
Mengen lokal verfügbar, und
sie sind Teil eines natürlichen
Kreislaufes und belasten trotz ihrer Kohlendioxidemissionen die
Umwelt nicht, da sie auf nachwachsenden Rohstoffen wie Holz oder
anderen Bioprodukten basieren, welche während ihres Wachstums die entsprechende Menge
Kohlendioxid aus der Luft aufgenommen und mittels Photosynthese
in Biomasse umgewandelt haben.
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Dennoch
werden Festbrennstoffe nur in vergleichsweise geringem Ausmaß zu Heizzwecken verwendet.
Der Hauptgrund dafür
ist, dass es verhältnismäßig schwierig
ist die Verbrennung von Festbrennstoffen zu automatisieren. Weiter
ist es schwierig die Verbrennung so zu automatisieren, dass es zu einer
effizienten Verbrennung in verschiedenen Leistungsstufen kommt,
ohne dass dabei mit den Brenngasen Stoffe ausgestoßen werden,
welche die Umwelt schädigen.
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Ein
spezifisches bei Festbrennstoffen auftretendes Problem, welches
bei der Verbrennung von Heizöl
nicht existiert, ist der Qualitätsunterschied
zwischen unterschiedlichem Heizgut wie beispielsweise Pellets aus
verschiedenen Holzsorten, Sägemehl, Hobelspänen, oder
Hackschnitzel unterschiedlicher Größe.
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Bei
derartigen Verbrennungsvorrichtungen für Festbrennstoffe ist es vom
Wirkungsgrad her erwünscht,
dass nahezu der gesamte Sauerstoff, der der Verbrennungskammer zugeführt wird,
nach einer vollständigen
Verbrennung aufgebraucht ist. Wird dem Verbrennungsprozess jedoch
eine unzureichende Menge an Sauerstoff zugeführt, können nicht verbrannte pyrolytische
Gase produziert werden, die das Risiko einer Explosion in sich bergen.
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Lange
Zeit wurden Festbrennstofföfen
mit einer bestimmten Menge Brennstoff bestückt und die Verbrennung ausschließlich über die
Regulierung der Luft- und damit Sauerstoffzufuhr geregelt.
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Neuartige
Verbrennungsvorrichtungen verfügen
dagegen häufig über eine
kontinuierliche Beschickung des Brennraums mit Festbrennstoff, beispielsweise
mittels einer motorbetriebenen Förderschnecke.
Hier kann die Verbrennung und damit auch die Leistung des Ofens über eine
Regulierung der zugeführten
Brennstoffmenge erfolgen. Bei neueren Anlagen sind hier Wahlschalter
vorgesehen, mittels derer der Betreiber manuell zwischen unterschiedlichen Brennstoffe
umschalten kann.
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Aus
der
EP 1 036 287 B1 ist
beispielsweise eine Vorrichtung zur Erhitzung von Wasser bekannt, bei
der eine Brennstoffchargenzustelleinheit mit Unterbrechungen arbeitet,
gesteuert über
eine Steuereinheit, welche die Temperatur in der Heißwasserleitung
als Führungsgröße verwendet
und damit die Heizleistung steuert.
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Weiter
ist in der
DE 200
07 801 U1 ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Messvorrichtung ein
Messsignal über
die Inhalte des Rauchgases an die Steuereinheit sendet und die Inhalte
des Rauchgases mit Hilfe der Steuereinheit geregelt werden, indem
die Geschwindigkeit des Vorschubs einer Unterschubvorrichtung stufenlos eingestellt
wird anhand der mit der Lambda- oder CO-Messwertsonde gemessenen
Rauchgasmesswerte.
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Aus
der
DE 601 10 100
T2 ist eine ähnliche Vorrichtung
bekannt, welche wieder die Brennstofffüllmenge entsprechend der Kohlendioxid-
und/oder Sauerstoff- Konzentration in den Rauchgasen regelt, hier
allerdings vorteilhaft über
einen intermittierenden Betrieb des Füllmotors.
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Diese
bekannten Ausführungen
haben jedoch den Nachteil gemeinsam, dass das Ergebnis der Verbrennung,
nämlich
die Rauchgase, die Führungsgröße der Regelung
bilden. Aufgrund der doch recht langsamen Abläufe und damit langen Zeitkonstanten
der Glieder im Regelkreis ist dieser daher sehr schwer regelbar.
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Aufgabenstellung
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur automatischen
Steuerung einer Verbrennungsvorrichtung für Festbrennstoffe zur Verfügung zu
stellen, welche eine möglichst
stabile, flexible und bedienerfreundliche Steuerung sicherstellt
für verschiedenste,
auch in Mischungen zugeführte,
und häufig
und rasch wechselnde Brennstoffe wie beispielsweise Hackgut, Sägemehl oder
Pellets.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ausführungsbeispiel
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Eine
solche Vorrichtung verwendet als Führungsgröße für die Regelung direkt den spezifischen Brennwert
des gerade zugeführten
Brennstoffes, welcher sich unmittelbar aus der Dichte des Brennstoffes
ermitteln lässt.
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Die
Dichte des jeweils gerade zugeführten Brennstoffes
wird laufend, oder in bestimmten Zeitabständen, bestimmt durch Wiegen
eines jeweils gleichen Brennstoffvolumens in einem Messbecher, der
bevorzugt in den Transportweg der Brennstoffzuführung gebracht wird, aber auch
außerhalb
angeordnet sein kann.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
eines solchen Festbrennstoffofens, sowie aus den anschließenden Ansprüchen.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische vertikale Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung
für Festbrennstoffe 2 eine
schematische vertikale Schnittansicht des Festbrennstoffofens
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3 eine
schematische vertikale Schnittansicht des Vorratsbehälters
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4 eine
schematische vertikale Schnittansicht der Zuführungs- und Messeinrichtung
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Die 1 zeigt
die Verbrennungsvorrichtung 10 für Festbrennstoffe, bestehend
aus einem Festbrennstoffofen 12, einem Vorratsbehälter 16 für Brennstoff 30 und
zwischen beidem einer Zuführungseinrichtung 14,
welche den Brennstoff 30 vom Vorratsbehälter 16 zum Ofen 12 befördert.
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Die 2 zeigt
den Ofen 12 im Detail. Dieser Ofen 12 besteht
aus einer Brennkammer 18 mit Schamottauskleidung 20.
In der Brennkammer 18 befindet sich ein Schubrost 26,
auf dem ein brennender Glutstock 22 in Richtung einer Aschenförderschnecke 28 transportiert
wird. Diese Aschenförderschnecke 28 entfernt
die abgebrannte Glut aus der Brennkammer 18. über eine
Brennraumförderschnecke 36 wird
Nachschub an Brennstoff 30 in die Brennkammer 18 befördert.
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Über eine
oder mehr Lichtschranken 24 wird bei konventionell betriebenen Öfen 12 der
Nachschub von Brennstoff 30 gesteuert.
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Die 3 zeigt
den Vorratsbehälter 16 im Detail.
In ihm lagert der Vorrat an Brennstoff 30, der über eine
Austragungsschnecke 32 durch eine Öffnung im Behälterboden
zu einer Siloförderschnecke 34 befördert wird.
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Die 4 zeigt
nun die Zuführeinrichtung 14, die
hier aus der Siloförderschnecke 34,
der Brennraumförderschnecke 36 besteht,
sowie zwischen beiden einer Zellenradschleuse 38, welche
einen Rückbrand
in den Vorratsbehälter 16 sicher
verhindert und den Brennstoff 30 in feste Volumeneinheiten
portioniert, sowie einer Messvorrichtung 46 für den Brennstoff 30 mit
Steuereinheit 48.
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Diese
Messvorrichtung 46 stellt die wesentliche Neuheit dieser
Erfindung dar und besteht aus einem Messbecher 40, der
in die Brennstoffzuführung 14 eingebracht
wird, sich mit Brennstoff 30 füllt und nach Abstreifen einer überschüssigen Menge
an Brennstoff 30 durch den Füllmengenabstreifer 42 ein definiertes
Volumen an Brennstoff 30 enthält. Dieser gefüllte Messbecher 40 wird
dann an Ort und Stelle gewogen. Eine Messklappe 44 überdeckt
während des
Wiegevorgangs den Messbecher 40, so dass während des
Messvorgangs die Beschickung der Brennkammer 18 mit Brennstoff 30 weitergeführt werden
kann ohne den Wiegevorgang zu stören. Durch
Abzug des Leergewichts des Messbechers 40 wird das Gewicht
des definierten Volumens an Brennstoff 30 ermittelt. Damit
ist die Dichte des jeweils gerade in die Brennkammer 18 beförderten Brennstoffs 30 bekannt
und der spezifische Brennwert kann über eine bekannte Beziehung
zumindest annäherungsweise
bestimmt werden.
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Alternativ
zur Messung in der Zuführungseinrichtung 14 kann
die Messvorrichtung 46 auch außerhalb der Zuführungseinrichtung 14 angeordnet
sein und in bestimmten Zeitabständen
ein definiertes Volumen an Brennstoff 30, beispielsweise über Schaufelräder oder
eine separate Förderschnecke,
der Zuführungseinrichtung 14 entnommen
und außerhalb der
Zuführungseinrichtung 14 gewogen
werden.
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Eine
Steuereinheit 48 steuert die Geschwindigkeit oder Einschaltdauer
der Förderschnecken 34 und 36 entsprechend
der aus der gewünschten
Heizleistung und dem über
Messung bestimmten spezifischen Brennwert des Brennstoffs 30 ermittelten
erforderlichen Brennstoffmengen. Dadurch wird im Gegensatz zu bekannten
Lösungen
ein Regelkreis vermieden, der durch Zeitglieder im Kreis mit langen Zeitkonstanten
sehr schwer regelbar ist.
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Optional
kann eine weitere Messvorrichtung vorhanden sein, die den Feuchtigkeitsgehalt
des jeweils gerade der Brennkammer 18 zugeführten Brennstoffs 30 ermittelt,
um anhand dessen in der Steuereinheit 48 eine Messwertkorrektur
vornehmen zu können,
und damit auch den Betrieb mit nicht völlig trockenen Brennstoffen 30 zu
ermöglichen.
Ein Betrieb mit nicht völlig
trockenen Brennstoffen 30 sollte aber aus Umweltschutzgründen nur
in Ausnahmefällen
vorkommen.
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Weiterhin
lässt ein
ungewöhnlicher
Anstieg der durch die Messeinrichtung 46 und die Steuereinheit 48 ermittelten
Dichten des Brennstoffs 30 darauf schließen, dass
möglicherweise
ein massiver Fremdkörper
in den Brennstoff 30 gelangt ist. Die Steuereinheit 48 gibt
dann ein Signal für
die Aussortierung dieser Brennstoffmenge inklusive Fremdkörper.
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- 10
- Verbrennungsvorrichtung
- 12
- Festbrennstoffofen
- 14
- Zuführungseinrichtung
- 16
- Vorratsbehälter
- 18
- Brennkammer
- 20
- Schamottauskleidung
- 22
- Glutstock
- 24
- Lichtschranke
- 26
- Schubrost
- 28
- Aschenförderschnecke
- 30
- Brennstoff
- 32
- Austragungsschnecke
- 34
- Siloförderschnecke
- 36
- Brennraumförderschnecke
- 38
- Zellenradschleuse
- 40
- Messbecher
- 42
- Füllmengenabstreifer
- 44
- Messklappe
- 46
- Messvorrichtung
- 48
- Steuereinheit