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Die
Erfindung betrifft einen Heizkessel mit einer Brennkammer zur Verbrennung
von Festbrennstoffen und mit einer Rauchgasführung zur
Abströmung des bei der Verbrennung entstehenden Rauchgases,
welche einen Katalysator und wenigstens einen, in Strömungsrichtung
des Rauchgases ersten Rauchgaszug aufweist, der aus wenigstens einem Wärmeübertragerkanal
eines wassergeführten Wärmeübertragers
gebildet ist.
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Die
Erfindung betrifft zudem eine Wärmeversorgungsanlage mit
einem Heizkessel der vorstehend genannten Art.
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Ein
Heizkessel der vorstehenden Art ist eine Feuerungsvorrichtung, die
als Wärmequelle feste Brennstoffe, wie naturbelassenes
Stückholz, Pellets, Holzschnitzel, Braunkohlebriketts oder
andere brennbare stückige Biomasse nutzt. Die Verbrennung
diese Festbrennstoffe findet in einer Brennkammer statt, die je
nach der Art des Festbrennstoffes händisch oder über
eine automatische Beschickungseinrichtung beschickt werden kann.
Zur Abfuhr des bei der Verbrennung in der Brennkammer erzeugten
Rauchgases schließt sich an diese eine Rauchgasführung
an, die die Strömungsrichtung des Rauchgases vorgibt.
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Der
Heizkessel dient vorrangig der Warmwasser- oder Heizwasserbereitung
in einer Sanitär- bzw. Heizungsanlage zur Wärmeversorgung
von Gebäuden. Dazu wird das erzeugte Rauchgas entlang der
Rauchgasführung über einen Wärmeübertrager geleitet. Üblicherweise
weist der in der Rauchgasführung eingebundene Wärmeübertrager
einen oder mehrere aufeinander folgende Rauchgaszüge auf, durch
die das Rauchgas nacheinander und im Wesentlichen geradlinig und
turbulenzarm strömt.
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Jeder
der Rauchgaszüge kann aus einem Wärmeübertragerkanal
oder aus mehreren, parallelen Wärmeübertragerkanälen
gebildet sein, wobei sich im letzteren Fall der Rauchgasstrom in
die entsprechenden Rauchgasteilströme aufteilt.
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Zur
Platzoptimierung sind die in Strömungsrichtung des Rauchgases
aufeinander folgenden Rauchgaszüge entlang der Rauchgasführung
gewöhnlich benachbart angeordnet und über Umlenkkammern
miteinander verbunden.
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Ein
Festbrennstoffkessel der vorstehend genannten Art ist aus der Druckschrift
EP 1 962 033 A1 bekannt.
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Es
ist außerdem bekannt, dass die bei der Verbrennung der
Festbrennstoffe in derartigen Heizkessel auftretende Schadstoffemission
durch den Einsatz von Katalysatoren gemindert werden kann. Die bei
der Verbrennung von Festbrennstoffen angewandten Katalysatoren bestehen
aus einem hochtemperaturbeständigen Trägermaterial
mit einer Edelmetallbeschichtung, die eine Oxydation der giftigen
Kohlenmonoxide zu Kohlendioxiden bewirkt. Die optimale Betriebstemperatur
dieser Katalysatoren liegt bei ca. 250°C bis 600°C.
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Diese
Betriebstemperatur des Katalysators wird in herkömmlichen
Heizkesseln erst nach einer längeren Anheizphase des Heizkessels
erreicht. Die Anheizphase ist bei den gattungsgemäßen
Heizkesseln mit Festbrennstoff beschickten Brennkammern und wassergeführten
Wärmeübertragern besonders ausgeprägt
und oft mit sehr ungleichmäßiger Heizgüte
verbunden, weshalb die bei diesen Heizkesseln eingesetzten Katalysatoren
bisher eine unbefriedigende Wirksamkeit erzielt haben. Die ausgeprägte Anheizphase
ergibt sich insbesondere durch den relativ niedrigen Heizwert der
Festbrennstoffe und die Wassermasse der Wärmeübertrager.
Außerdem ergeben sich durch die unterschiedliche Qualität
der Festbrennstoffe und deren diskontinuierliche Beschickung in
die Brennkammer unbeständige Verbrennungsparameter, und
das nicht nur in der Anheizphase. So kann sich bei derartigen Heizkesseln
der Katalysator leicht mit unverbrannten Rauchpartikeln zusetzen
und die Rauchgasströmung nachhaltig stören. Zur
Vermeidung dieses Problems kann entsprechend verschiedener Ausführungen
nach dem Stand der Technik eine manuell oder automatisch gesteuerte
Anheiz- oder Bypassklappe vorgesehen sein, mit der die Rauchgase
in der Art eines Zweiwegeventils temporär über
eine zweite, parallel geschaltete Rauchgasführung an dem
Katalysator vorbei in die Atmosphäre leitet werden, bis
der Katalysator die gewünschte Betriebstemperatur erreicht
hat. Erst dann werden die Rauchgase durch die Rauchgasführung mit
dem Katalysator geführt.
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Eine
derartige Katalysatoreinheit mit automatischer Bypassklappe für
mit Festbrennstoffen betriebene Feuerungsanlagen ist aus der Druckschrift
AT 503 815 A4 bekannt.
Die Katalysatoreinheit besteht aus einem Katalysator und eine integrierte,
temperaturgesteuerte Bypassklappe. Damit wird gewährleistet,
dass Rauchgas, das ein bestimmte Temperatur unterschreitet, nicht
oder nur in geringen Mengen durch den Katalysator geleitet wird,
sondern entlang eines parallelen Weges durch die geöffnete Bypassklappe
geführt wird.
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Damit
wird allerdings der Heizkessel über eine längere
Zeit ohne Emissionsschutz betrieben, bevor der Rauchgasstrom zur
Schadstoffbeseitigung über den Katalysator geführt
wird.
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Der
konstruktive Aufwand für die Gestaltung einer zweiten Rauchgasführung
mit Bypassklappenregelung ist im Vergleich zum erzielten Effekt
sehr hoch.
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Außerdem
können Bedienungsfehler bei händisch betriebenen
Bypassklappen oder Störungen bei elektrisch betriebenen
Klappensteuerungen dazu führen, dass sich der Zeitraum,
in dem die Rauchgase ungereinigt in die Umwelt gelangen, noch zusätzlich
und unnötig verlängert.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Heizkessel für
Festbrennstoffe bereitzustellen, bei dem die Rauchgase mit einfachen
konstruktiven Mitteln zuverlässig und effizient gereinigt werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der erste Rauchgaszug in Strömungsrichtung des Rauchgases
unmittelbar der Brennkammer nachfolgend angeordnet ist, wobei der
Katalysator innerhalb des ersten Rauchgaszuges, vorzugsweise in
einem Einströmbereich des Rauchgases in den ersten Rauchgaszug,
angeordnet ist.
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Wesentlich
ist hierbei, dass der Katalysator in der vorbeschriebenen Weise
dem ersten Rauchgaszug zugeordnet ist. Der erste Rauchgaszug bezeichnet
den entlang der Rauchgasführung einzigen Rauchgaszug oder
beim Vorhandensein mehrerer Rauchgaszüge, denjenigen Rauchgaszug,
den das aus dem Brennraum entlang der Rauchgasführung abströmende
Rauchgas zuerst erreicht. In dem Einströmbereich des Rauchgases
in den ersten Rauchgaszug konzentriert sich das in der Brennkammer
erzeugte Rauchgas erstmalig und es bildet sich allmählich
eine turbulenzarme, stabile Rauchgasströmung aus, die durch
den ersten Rauchgaszug gefördert wird. Die Erfindung definiert
den Einströmbereich, in dem sich eine stabile Rauchgasströmung
ausbildet, bis in etwa die Hälfte der Förderstrecke
des Rauchgases durch den ersten Rauchgaszug.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung wird erreicht,
dass das erzeugte Rauchgas vollständig und auf dem kürzesten
Weg aus der Brennkammer direkt auf den Katalysator trifft, und zwar
bevor dem Rauchgas in der Rauchgasführung Verlust- bzw. Nutzwärme
entzogen wird.
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Durch
die Nähe des ersten Rauchgaszuges zum Brenngut in der Brennkammer
kann das Rauchgas mit höchstmöglicher Temperatur und
auf kürzestem Weg dem Katalysator zugeführt werden,
so dass die Betriebstemperatur in kürzester Zeit erreicht
und mithin die katalytische Verbrennung der Schadstoffe des Rauchgases
schnellstmöglich eingeleitet wird.
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Es
hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass mit
einer derartigen Ausführung des Heizkessels die Betriebstemperatur
des Katalysators eher erreicht werden kann, als bei herkömmlichen Heizkesseln
mit Bypassregelung.
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Die
schnelle Erreichung der Betriebstemperatur des Katalysators erlaubt
es, auf eine herkömmliche Rauchgasführung mit
Bypassregung zu verzichten. Abgesehen von der konstruktiven Vereinfachung
der technischen Ausstattung des Heizkessels werden mit Wegfall der
Bypassregung der Weg des Rauchgases und dessen katalytische Verbrennung nicht
durch äußere Regelungseingriffe beeinflusst.
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Mit
dem vorgegebenen stetigen Weg der Rauchgase durch die erfindungsgemäße
Rauchgasführung kann die katalytische Verbrennung der Schadstoffe
zuverlässiger, frühestmöglich und weitestgehend
vollständig erfolgen. Im Ergebnis wird eine effiziente
Schadstoffreduktion aus dem Rauchgas erzielt.
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Die
in der Anheizphase anfänglich am Katalysator anfallenden
Rauchgaspartikel, werden durch die herrschende hohe Temperatur in
der Nähe zur Brennkammer in kurzer Zeit wieder verbrannt,
so dass hierdurch nur temporäre Ablagerungen entstehen,
die keinen derartigen Strömungswiderstand erzeugen, der
die Rauchgasströmung behindern könnte.
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Im
Ergebnis wird eine einfache und sichere Funktion des Heizkessels
bei zugleich geringer Umweltbelastung gewährleistet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Heizkessels gehen aus den abhängigen Schutzansprüchen
2 bis 12, der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörige Zeichnung
hervor.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rauchgasführung
mit dem ersten Rauchgaszug in der Brennkammer angeordnet. Damit
wird der Wasserinhalt und der Wärmeübertragerkanal
des wassergeführten Wärmetauschers beim Anfahrvorgang des
Heizkessels direkt durch das in der Brennkammer befindliche Brenngut
beheizt, was infolge der Wärmeleitung über die
Wandungen des Wärmeübertragerkanals die frühzeitige
Temperierung des Katalysators unterstützt.
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Ist
der Katalysator im Wärmeübertragerkanal des ersten
Rauchgaszuges angeordnet, gestaltet sich auch eine nachträgliche
Montage des Katalysators in den Rauchgaszug eines bestehenden Heizkessels
einfach und platzsparend.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn dabei der Katalysator in einer Position
nahe einer Einströmöffnung des Rauchgases in den
Wärmeübertragerkanal angeordnet ist. Nach einer
anfänglichen Strömungsberuhigung der eintretenden
Rauchgasströmung wird der Katalysator in dieser beabstandeten
Position zur Einströmöffnung weitestgehend gleichmäßig
und widerstandsarm mit dem Rauchgas beaufschlagt, was die Wirksamkeit
des Katalysators begünstigt. Zudem schützt eine
derartige Positionierung den Katalysator vor dem direkten Kontakt
mit dem Flammenschlag in der Brennkammer.
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Ist
der Anströmquerschnitt des Katalysators im Wesentlichen
kongruent mit dem Strömungsquerschnitt des Wärmeübertragerkanals
ausgebildet, nimmt der Anströmquerschnitt des Katalysators,
welcher senkrecht zur vorgesehenen Anströmrichtung des
Rauchgases ausgebildet ist, den Strömungsquerschnitt des
Warmeübertragerkanals vollständig ein, so dass
kein Rauchgasstrom unbehandelt am Katalysator vorbeiströmen
kann. Damit kann die katalytische Verbrennung weiter verbessert
werden.
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Die
Erfindung geht dabei von der überraschenden Erkenntnis
aus, dass die für Festbrennstoffkessel üblicherweise
angewandten Katalysatoren auch bei einer vollständigen
Beaufschlagung durch die in der Anheizphase des Heizkessels entstehenden Rauchgase
keinen derartigen Druckverlust erzeugen, der die Rauchgasströmung
beeinträchtigen könnte.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist im ersten
Rauchgaszug ein zweiter Katalysator angeordnet, der dem ersten Katalysator
in Strömungsrichtung des Rauchgases nachfolgend angeordnet
ist.
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Dabei
macht sich die Erfindung den Gedanken zu Nutze, dass bei einer katalytischen
Verbrennung selbstständig Wärme erzeugt wird.
Somit kann die im ersten Katalysator entstehende Wärme
zusätzlich für die Beheizung des in Strömungsrichtung nachfolgenden
zweiten Katalysators genutzt werden, welcher das Rauchgas in einer
zweiten katalytischen Verbrennungsstufe nachreinigt. Im Ergebnis
werden die Schadstoffe im Rauchgase noch mehr reduziert. Von der
Erfindung ist mit selben vorteilhaftem Effekt umfasst, innerhalb
des ersten Rauchgaszuges weitere Katalysatoren in Folge anzuordnen.
Somit schützt und erwärmt jeweils der vorausgehende
Katalysator den ihm nachfolgenden Katalysator.
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Sind
die aufeinander folgenden Katalysatoren zueinander beabstandet angeordnet,
kann eine Mischzone bereitgestellt werden, in der eine erneute Vermischung
der Rauchgase stattfindet. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis
aus, dass die katalytische Verbrennung in den äußeren
Randzonen des Anströmquerschnittes des Katalysators weniger wirksam
ist als im Zentrum des Anströmquerschnittes. In der Mischzone
kann das ungleichmäßig vorgereinigte Rauchgas
homogenisiert werden, wodurch die Wirkung der Nachverbrennung im
zweiten Katalysator erhöht und die Schadstoffreduzierung
weiter verbessert wird.
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Weist
die Rauchgasführung einen Turbolator auf, so ist dieser
erfindungsgemäß in Strömungsrichtung
des Rauchgases dem Rauchgaszug nachfolgend angeordnet. Der Turbolator
besteht aus einem oder mehreren Leitblechen, die in der Rauchgasführung
eingebracht sind. Mit Hilfe des Turbolators kann der Kessel- bzw.
Schornsteinwiderstand wie gewünscht angepasst werden, und
damit die Verweilzeit und die Temperatur der Rauchgase beeinflusst werden.
Die dabei am Turbolator erzeugte Verwirbelung des Rauchgases kann
sich in dieser bevorzugten Anordnung in jedem Falle nicht temperaturmindernd
auf den Katalysator auswirken.
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Ist
der Turbolator verstellbar ausgebildet, kann der Kessel- bzw. Schornsteinwiderstand
variiert werden und unter anderem auch der anfängliche Druckverlust
im Kaltzustand des Kessels optimal eingestellt werden, wodurch die
Rauchgasströmung durch den Katalysator in der Anfahrphase
des Heizkessels besser gestützt werden kann.
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Vorzugsweise
ist der Katalysator oder sind die Katalysatoren lösbar
mit dem Wärmeübertragerkanal verbunden. Davon
ausgehend, dass der Katalysator einen Verschleiß unterworfen
ist, da sich die auf dem Trägermaterial aufgebrachte Edelmetallbeschichtung
mit der Zeit aufbraucht, ist es vorteilhaft, dass eine Befestigung
oder Fixierung des Katalysators an dem länger beständigen
Wärmeübertragerkanal zerstörungsfrei
gelöst werden kann, so dass der Katalysator in den entsprechenden
Verbrauchinterwallen problemlos ausgetauscht werden kann.
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Der
Katalysator ist sehr praktisch revisionierbar und für einen
Austausch zugänglich, wenn eine dem ersten Rauchgaszug
nachfolgend angeordnete Umlenkkammer eine verschließbare
Revisionsöffnung aufweist. Davon abgesehen, dass der Katalysator
von vorn über die Einströmöffnung in
den Wärmeübertragerkanal zugänglich sein
kann, kann es in Abhängigkeit der Konstruktion des Heizkessels
und der Befestigungsart des Katalysators günstig sein, den
Katalysator auch rückseitig des Wärmeübertragerkanals,
nämlich über die Revisionsöffnung in
der Umlenkkammer zugänglich zu machen.
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Von
großem Vorteil ist, dass die Revisionsöffnung
derart angeordnet ist, dass sie über eine Einfüllöffnung
der Brennkammer bedienbar ist. Somit kann der Katalysator über
die zur händischen Beschickung der Brennkammer mit Brennstoffen
ohnehin vorhandene Öffnung erreicht und ausgetauscht werden.
Der Austausch des Katalysators kann so einerseits mit geringem Aufwand
erfolgen. Andererseits ist mithin eine zusätzliche verschließbare Öffnung
im Kesselgehäuse zur Erreichung der des Katalysators konstruktiv
entbehrlich.
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In
einer günstigen Ausgestaltung ist die Revisionsöffnung
mittels einer verstellbaren Verschlussklappe verschließbar.
Diese Verstellbarkeit der Verschlussklappe ermöglicht die
Bereitstellung eines verschieden großen Öffnungsquerschnittes
der Revisionsöffnung. Obwohl die Erfindung normalerweise einen
Betrieb des Heizkessels ohne Bypassfunktion für den Katalysator
ermöglicht, kann bei besonders außergewöhnlichen
Situationen, wie z. B. bei sehr ungünstigen Witterungsbedingungen,
der erforderliche Kesselzug (rauchgasseitige Druckdifferenz) in der
Anfahrphase zu gering sein. In diesem Fall ermöglicht die
verstellbare Verschlussklappe der Revisionsöffnung mit
einfachen Mitteln einen Notfallbetrieb über eine zweite
Rauchgasführung, welche das Rauchgas an dem ersten Rauchgaszug
mit dem Katalysator kurzzeitig vorbeileitet und damit den Strömungswiderstand
im Heizkessel herabsetzt, bis sich der notwendige Kesselzug eingestellt
hat.
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Die
Aufgabe wird auch durch eine Wärmeversorgungsanlage gelöst,
welche den erfindungsgemäßen Heizkessel enthält,
wobei der wassergeführte Wärmeübertrager
und/oder ein Wassermantel des Heizkessels mit einem Heizwasserkreislauf
verbunden ist, der eine Bypassschaltung zur Rücklauftemperaturanhebung
aufweist.
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Mit
dieser Bypassschaltung kann in der Anheizphase des Heizkessels die
Wassertemperatur des in den Wärmetauscher einströmenden
Rücklaufwassers in kurzer Zeit erhöht werden.
Die Taupunkttemperatur des Rauchgases in der Brennkammer, die ungefähr
bei 54°C zu erwarten ist, kann somit schnell überwunden
werden. Auch kann die Temperatur der Gasflammen des Brenngutes zügiger
ansteigen. Dadurch fällt an der Oberfläche des
Wärmeübertragerkanals so gut wie kein Kondensat
an, was die Funktionsweise des Katalysators sichert und Schädigungen
des Katalysators vermeidet.
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Außerdem
werden durch die Rücklauftemperaturanhebung die durch den
Wärmetauscher begrenzten Wandungen des Brennraumes schneller temperiert,
was den Abbrand der Festbrennstoffe verbessert und beschleunigt.
Das erhöht zusätzlich die Effizienz des Katalysators
in der Anheizphase des Heizkessels.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der Wärmeversorgungsanlage
ist an den Heizwasserkreislauf ein an sich bekannter Pufferspeicher
angeschlossen. Dadurch kann der Heizkessel seine erzeugte Wärme
permanent an den Pufferspeicher abgeben und damit weitestgehend
im Volllastbetrieb betrieben werden, womit eine gleichmäßige
Verbrennung mit einer konstant hohen Rauchgastemperatur erfolgen
kann, die stets den Betrieb des Katalysators im günstigen
Betriebstemperaturbereich gewährleistet.
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Vorzugsweise
erfolgt die Verbrennung der Festbrennstoffe in dem erfindungsgemäßen
Heizkessel über einen oberen Abbrand. Dazu werden die in
der Brennkammer eingebrachten Festbrennstoffe nur im oberen Bereich
gezündet. So werden von Anbeginn der Verbrennung sehr reine
Gasflammen mit geringem Wasserdampfgehalt erzeugt, was sich besonders
vorteilhaft auf die frühzeitige Erreichung der Betriebstemperatur
des Katalysators auswirkt. Die Erfindung berücksichtigt
dabei, dass andernfalls in der Anfahrphase des Heizkessels in erheblichen Mengen
wasserhaltige Rauchgase entstehen, die infolge der Verdampfung die
Temperatur des Rauchgases mindern.
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Diese
und weitere, aus den Schutzansprüchen, der Beschreibung
des Ausführungsbeispiels und der Zeichnung hervorgehenden
Merkmale können jeweils für sich oder in Kombination
als vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein,
für die hier Schutz beansprucht wird.
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Der
erfindungsgemäße Heizkessel wird nachfolgend an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die zugehörige Zeichnung nach 1 zeigt eine
schematische Schnittansicht durch einen solchen Heizkessel 1.
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Der
Heizkessel 1 umfasst in einem Kesselkörper eine
geschlossene Brennkammer 2, die teilweise von einem wassergeführten
Heizmantel 3 und zusätzlich von einer Wärmeisolierung 4 umgeben
ist. Über eine im oberen Bereich der Brennkammer 2 vorgesehene
Einfüllöffnung 5, die mittels einer Fülltür 6 verschließbar
ist, wird die Brennkammer 2 mit Scheitholz 7 befällt.
Der Heizkessel 1 kann auch mit anderen festen Brennstoffen 7,
wie Braunkohlebriketts, beschickt werden. Die eingefüllten
Scheithölzer 7 liegen während des Verbrennungsvorganges als
Brenngut in einem unteren Bereich der Brennkammer 2 auf
einen Einlegerost 8 auf. Über eine Entnahmeöffnung 9 im
unteren Bereich der Brennkammer, die mittels einer Entnahmetür 10 verschließbar ist,
können Asche und Reste des abgebrannten Brenngutes 7 entnommen
werden.
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Im
oberen Bereich der Brennkammer 2 ist eine Rauchgasführung 11 vorgesehen,
die der Abströmung des bei der Verbrennung erzeugten Rauchgases 12 aus
der Brennkammer 2 dient und dabei den Weg des Rauchgases
als Rauchgasstrom 2 vorgibt. Die Rauchgasführung 11 setzt
sich über einen Rauchrohranschluss 13 bis zu einem
nicht dargestellten Schornsteinanschluss fort. Die Rauchgasführung 11 weist
in einem, in die Brennkammer integrierten Teil einen ersten und
zweiten Rauchgaszug 14, 15 auf. Jeder der Rauchgaszüge 14, 15 entlang
der Rauchgasführung 11 wird von wasserführenden Heiztaschen 16 eines
Wärmeübertragers 17 umgeben, die den
jeweiligen Wärmeübertragerkanal 18, 19 des
Rauchgaszuges 14, 15 bilden. Der Wärmeübertrager 17 und
der Heizmantel 3 sind wasserseitig mit einander verbunden
und über einen Vorlaufleitungsstutzen 20 und einen
Rücklaufleitungsstutzen 21 an einen nicht dargestellten
Heizwasserkreislauf einer Heizungsanlage anschließbar.
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Rauchgasseitig
sind der erste und der zweite Rauchgaszug 14, 15 in
der in der Zeichnung durch Pfeile dargestellten Strömungsrichtung
des Rauchgases 12 aufeinander folgend angeordnet und über eine
Umlenkkammer 22 strömungstechnisch miteinander
verbunden, so dass der Rauchgasstrom 12 stets beide Rauchgaszüge 14, 15 nacheinander
passiert. Im Wärmeübertragerkanal 18 des
ersten Rauchgaszuges 14, etwas zurückgesetzt zu
einer Einströmöffnung 9 des Wärmeübertragerkanals 18, ist
ein erster Katalysator 24 angeordnet. In diesem Einströmbereich
hat sich der Rauchgasstrom 12 weitestgehend stabilisiert
und trifft widerstandsarm auf den ersten Katalysator 24 auf,
der in seiner etwas zurückgesetzten Position im Wärmeübertragerkanal 18 vor
dem direkten Flammenkontakt geschützt ist.
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Die
Position des Katalysators 24 im Wärmeübertragerkanal 18 ist
durch ein kleines, nicht dargestelltes Anschlagelement bestimmt,
das in einem Abstand zur Einströmöffnung 9 im
Wärmeübertragerkanal 18 befestigt ist.
Zur seiner exakten Positionierung wird der Katalysator 24 in
den Wärmeübertragerkanal 18 eingeschoben
und liegt einseitig und lose am Anschlagelement an. Ist der Wärmeübertragerkanal 18,
wie im Ausführungsbeispiel leicht geneigt, wird der Katalysator 24 noch
sicherer in seiner Position gehalten.
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Mit
einem Abstand zum ersten Katalysator 24 ist nachfolgend
ein zweiter Katalysator 25 im Wärmeübertragerkanal 18 positioniert,
so dass sich dazwischen eine Wirbelzone 26 ausbildet. Der
Abstand zwischen den Katalysatoren 24, 25 wird
durch ein ebenfalls nicht dargestelltes flaches Distanzblech bestimmt,
das vor dem Einführen des zweiten Katalysators 25 in
den Wärmeübertragerkanal 18 flach aufliegend
auf der unteren Wand des Wärmeübertragerkanals 18 an
den ersten Katalysator 24 angelegt wird. Die exakte Positionierung
des Katalysators 25 im Wärmeübertragerkanal 18 ergibt
sich dann durch dessen einseitiges Anlegen an das Distanzblech.
Ist der Wärmeübertragerkanal 18, wie
im Ausführungsbeispiel leicht geneigt, wird auch der Katalysator 25 zuverlässig
in seiner Position gehalten.
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Die
nicht näher dargestellten Katalysatoren 24, 25 in
diesem Ausführungsbeispiel bestehen aus jeweils einer wabenartigen
Trägerstruktur aus einer hochtemperaturbeständigen
Keramik, deren Durchströmungsröhren mit einem
Edelmetall oder Edelmetallverbindungen aus z. B. Platin, Palladium
oder Rhodium, beschichtet sind.
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Die äußeren
Umfangsmaße der Trägerstruktur der Katalysatoren 24, 25 sind
passend zum Strömungsquerschnitt des Wärmeübertragerkanals 18 ausgebildet
und lediglich mit einer Spielpassung versehen, die die Verschiebbarkeit
der Katalysatoren 24, 25 entlang des Wärmeübertragerkanals 18 gewährleistet.
Die Katalysatoren 24, 25, die in dieser Weise
bündig an den Wandungen des Wärmeübertragerkanals 18 anschließen,
werden während des Kesselbetriebes vollständig
mit dem Rauchgasstrom 12 beaufschlagt und liefern in dieser
Ausführung jeweils einen Strömungswiderstand von
ca. 2 Pa. Im Vergleich dazu liegt der optimale Kesselzug bzw. die erforderliche
Druckdifferenz des Heizkessels 1 im Anfahrzustand bei ca.
15 Pa und ist durch verschiedene Mittel einstellbar.
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Über
die Einfüllöffnung 5 und die Umlenkkammer 22,
die eine verschließbare Revisionsöffnung 27 aufweist,
können die Wärmeübertragerkanäle 18, 19 gewartet
und gereinigt werden. Da die Katalysatoren 24, 25 lose
mit dem Wärmeübertragerkanal 18 verbunden
sind, können sie über die verschließbare
Revisionsöffnung 27 ohne der Zuhilfenahme von
Werkzeug montiert und ausgetauscht werden.
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Zum
Anfeuern des Heizkessels 1 werden nur die oben aufliegenden
Stücke der eingefüllten Scheithölzer 7 über
die Einfüllöffnung 5 angezündet, während
die erforderliche Verbrennungsluft von unten über eine
geöffnete Primärluftklappe 28, die in der
Entnahmetür 10 integriert ist, nachströmt.
Die Einfülltür 6 ist während
des Anfeuerns geschlossen. Eine in der Einfülltür 6 integrierte
Sekundärluftklappe 29 ist entsprechend einer vorgegebenen
Voreinstellung geöffnet und sorgt für die nötige
Sauerstoffzufuhr zur katalytischen Verbrennung des Rauchgases 12 in
den Katalysatoren 24, 25.
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Nach
dem Anfeuern übernimmt ein üblicher temperaturgesteuerter
Feuerzugregler 30 die Regulierung der Verbrennung über
eine Ansteuerung der Primärluftklappe 28. Damit
wird vor allem in der Anfahrphase eine Verbrennung der Scheithölzer 7 durch
oberen Abbrand realisiert, bei dem weitestgehend reines und wasserdampfarmes
Rauchgas 12 entsteht, das in kurzer Zeit eine Temperatur
von ca. 250°C erreicht, die der optimalen Betriebstemperatur der
Katalysatoren 24, 25, welche in einem Temperaturbereich
von 250 bis 600°C liegt, entspricht.
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Das
Rauchgas 12 steigt unter Turbulenzen in der Brennkammer 2 auf,
sammelt sich zu dem Rauchgasstrom 12, der unmittelbar aus
der Brennkammer 2 in den Wärmeübertragerkanal 18,
des ersten Rauchgaszuges 14 einströmt. Dort, an
der Einströmöffnung 23 des Wärmeübertragerkanals 18, trifft
der Rauchgasstrom 12 auf den ersten Katalysator 24 auf.
In diesem Katalysator 24 werden in einer ersten Stufe der
katalytischen Verbrennung die im Rauchgas 12 enthaltenen
Kohlenmonoxide zu Kohlendioxid unter Wärmeabgabe oxidiert.
Nach im Wesentlichen geradlinigem Durchgang des Rauchgasesstromes 12 durch
den ersten Katalysator 24 folgt in der Wirbelzone 26 eine
weitestgehend thermische und stöchiometrische Vermischung
des Rauchgasesstromes 12, bevor das Rauchgas 12 den
zweiten Katalysator 15 passiert und die noch enthaltenen Kohlenmonoxide
in einer zweiten Stufe der katalytischen Verbrennung oxidiert werden.
Der Rauchgasstrom 12 passiert stets und als erstes die
Katalysatoren 24, 25, bevor sich das Rauchgas 12 durch
den Entzug der Nutzwärme entlang der nachfolgenden Streckenführung
durch die Wärmeübertragerkanäle 18, 19 des
ersten und zweiten Rauchgaszuges 14, 15 abkühlt.
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Mit
dem vorbeschriebenen Heizkessel 1 nach dem Ausführungsbeispiel
erreichen die Katalysatoren 24, 25 bereits nach
einer kurzen Anheizphase ihre optimale Betriebstemperatur und realisieren eine
dauerhafte und weitestgehend vollständige katalytische
Verbrennung des Rauchgases 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizkessel
- 2
- Brennkammer
- 3
- Heizmantel
- 4
- Wärmeisolierung
- 5
- Einfüllöffnung
- 6
- Fülltür
- 7
- Scheitholz,
fester Brennstoff, Brenngut
- 8
- Einlegerost
- 9
- Entnahmeöffnung
- 10
- Entnahmetür
- 11
- Rauchgasführung
- 12
- Rauchgas,
Rauchgasstrom
- 13
- Rauchrohranschluss
- 14
- erster
Rauchgaszug
- 15
- zweiter
Rauchgaszug
- 16
- Heiztaschen
- 17
- Wärmeübertrager
- 18
- Wärmeübertragerkanal
- 19
- Wärmeübertragerkanal
- 20
- Vorlaufleitungsstutzen
- 21
- Rücklaufleitungsstutzen
- 22
- Umlenkkammer
- 23
- Einströmöffnung
- 24
- erster
Katalysator
- 25
- zweiter
Katalysator
- 26
- Wirbelzone
- 27
- Revisionsöffnung
- 28
- Primärluftklappe
- 29
- Sekundärluftklappe
- 30
- Feuerzugregler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1962033
A1 [0007]
- - AT 503815 A4 [0010]