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P A T E N T - A N .1 1 1 [) N II 4 G @ (Beschreibung) Erfinder: Merschall
sen., Leonhard 8952 Marktoberdorf Sonnenbichlstr. 2 Mitel: Hochtemperatur-Zentrifugal-Gasreaktor
(µ % G) zum Einbau in Verbrennungs-Heizanlagen@@ Anwendungsgebiet: Zur Neausrüstung
bzw. zum nachträglichen Einbau in sämtliche stationäre und mobile Heizaglagen (z.B.)
Gehäude-Zentralheizungen, Heizkraftwerte, Schiffs-Dampfkesselanlagen, Fahrzeugheizungen
und dgl.) von beliebiger Größe und Heizleistung, die hauptsächlich mit folgenden
flüssigen, staub- oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden: n. Leichtes Heizöl
h, Leichtes Heizöl oder geeignetes Gas (z.t3. Azety]nn) als Zünd- und Vorheizbrennstoff
und schweres Heizöl im vollautomatischen Kombinationsbetriab c. wie unter b. und
Kohlenstaub (beliebiger Zusammensetzung) im vollautomatischen Kombinationsbetrieb
d. wie unter h. und Sägemehl im vollautomatischen Kombinationsbetrieb e. wie unter
b. und jeder beliebige, vergasbare, flüssige oder staubförmige Brennstoff in vollautomatischen
Kombinationsbetrieb f. wie unter b. und schwer brennbare Gase (z.B. Hochofen-Gichtgase
bzw. -Schwefelgase im beliebigen Kombinations- oder Einzelbetrieb
Zweck:
Die Erfindung ermöglicht bei allen Heizanlagen und bei allen genannten, zum Teil
schwer brennbaren Brennstoffe, eine vollständige und ruRfreie Verbrennung mit sehr
hohem Kesselwirkungsgrad (88 bis 93%) zu erzielen.
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Ferner zeichnet sich dadurch eine Möglichkeit ab, die Abgase weitgehend
zu entgiften.
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(hauptsächlich die Neutralisation und Beseitigung des sehr giftigen
und lästigen Schwefeldioxyds SO2 entsprechende Zusatzanmeldungen befinden sich in
Ausarbeitung) Aus der vollstAndigen rußfreien Verbrennung, wie man sie beispielsweise
bei Methan- Propan- oder Stadtgas-Brennern seit Jahrzehnten gewohnt ist, ergeben
sich Brennstoff-Ersparnisse in der Größenordnung von 10 bis 30 %, weil der durch
die bisherige Verrußung bewirkte starke Wirkungsgradabfall unterbleibt. Ruß wirkt
bekanntlich stark wZrmeisolierend.
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Stand der Technik: Es ist bekannt, daß einige Heizkessel- bzw. Ölbrenner-Hersteller
sogenannte Flammbleche oder Glühringe einbauen, die auf das Flammenende temperaturerhöhend
wirken. (z.B. besichtigt in einem relativ neuen Schweröl-GroRheizkessel der Schlepperwerke
X. FENDT in Marktoberdort; Kesselhersteller Fa. M A N - Heizleistung 10 000 000
koslih - Betriebsdauer ca. 5 Jahre ) Wie mir vom Heizwart bekanntgegeben wurde,
alarmierte das der Heizanlage gegenüberliegende Landratsamt schon mehrfach wegen
RUR- und Schwefelgas-Belästigung die Umweltschutz-Behörde.
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Die Störungs-Hauptursechen sind hierbei neben den Wetterbedingungen
(z08. Luftfeuchtigkeit, Verbrennungelufttemperatur) nach Angabe des Heizwerts die
ständig wechselnde Zusemmensetzung und Qualität des Rückstand Heizöles.
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Es ist ferner bekannt, daR zur Rußausscheidung verschiedene Abgasfilter
(z.B. Elektrostatik-Filter) verwendet werden bzw. sendantige Rußbindemittel in des
Flammenende
eingestreut werden.
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Zweifellos lassen sich mit den genannten Maßnahmen gewisse Teilverbesserungen
erzielen.
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Kritik des Stendes der Technik: Durch die erwähnten Maßnahmen wird
weder die frei werdende Verbrennungswärme so konzentriert, daß die unvermeidlich
entstehenden schwer brennbaren Teilverbrennungsprodukte (Fluß, schwere hochmolekulare
Kohlenwasserstoffverbindungen) nochmals ausreichend übsro hitzt und chemisch aufgespalten
werden, noch unterliegen sie den erforderlichen hohen Zentrifugalkräften, die das
erneute Zusammenführen und Verbrennen mit dem noch überschüssigen, stark vorgeheizten
Luftsauerstoff ermdglichen würden.
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Aufgobe: Der Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, durch den
relativ einfach neurüst- bzw. nachrüstbaren HoZ-ß in jeder vollautomatischen Heizanlage,
die mit einem oder mehreren der genannten Brennstoffe betrieben wird, optimale Verbrennungsbedingungen
herbeizuführen.
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Daraus ergeben sich Brennstofferparnisse zwischen 10 und 30 %, ferner
zeichnet sich eine Lösungsmöglichkeit ab, die Abgase vor dem Eintritt in den Schornstein
weitgehend zu entgiften.
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(Beseitigung von RuB -wird verbrannt- Schwefeldioxyd und Aschestaub,
desgleichen wird das Verbrennungswasser vor dem Eintritt der Abgase in den Schornstein
kondensiert.
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Dadurch läßt sich das "Versotten" der Schornsteine weitgehend vermeiden
und durch das Abkühlen der Abgase auf ca. 40 bis 50°C zusätzlich ca. 3 bis 5% Brennstoff
einsparen; - Betrieb unterhalb des Taupunktes und damit Rechnung mit oberem Heizwert
-Der erzielbare feuerungstechnische Gesamtwirkungsgrad kommt hierdurch bis in die
Höhe von 98 %.
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Zusatzarmeldung H-Z-G - Abgasentgiftung erfolgt demnächst.
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Lösung: diese Aufgabe wird erfindungsgemäfl dadurch gelöst, d a B
1. der Einlaßkanal (1) die gesamte, richtig dosierte Brennstoff- und Verbrennungsluftmenge
aufnimmt (siehe Abb. I) 2. der Verbrennungsvorgang auf Grund der unter "Erzielbare
Vorteile " geschilderten Zusammenhänge stark beschleunigt und intensiviert wird;
3. die bei der Verbrennung sehr schwerer Brennstoffe mit hohem Kohlenstoffgehalt
(z.B. Rückstandsheizöl, Kohlen staub) evtl. noch verbleibenden Teilverbrennungsprodukte
(insbesondere gröbere Rußpartikel) in den nachgeschalteten glühenden Secundär-Vergasungskammern
(3) infolge der hohen Zentrifugal-Kräfte solange am Umfang rctierend verbleiben,
bis deren Bestandteile infolge ständig zunehmender Überhitzung und Aufspaltung mit
dem ebenfalls am Umfang sich sammelnden Restsauerstoff vollstbndig verbrennen.
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4. die daraus entstandenen Verbrennungsgase auf Grund der mit höheren
Temperatur werringerten spezifischen Gewichts nun mit den übrigen heißen und vollständig
verbrannten Gasen in die einstellbaren Auslaßschlitze (a) zu drängen vermögen.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung: 5. Je nach 8renneranschluBbedingungen,
kann der Einlaßkanal rund, oval, rechteckig, quadratisch oder in beliebigen weiteren
geeigneten Querschnittsformen ausgebildet sein. Zur Erzielung hoher Wirbelgeschwindigkeiten
ist die Einmündung in das Überhitzerrohr düsenförmig ausgebildet 6. Über auswechselbare
oder teleskopierbare AnschluX-oder Zwischenstücklängen des Einlaßkanals (1) ist
die Lage des H-Z-G gegenüber den Sollheizflächen des Kessels soweit verstellbar,
daß unter Berücksichtigung der Brennraumgröße und -Form ein günstiger Abstand eingestellt
werden kann.
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7. Die in Strömungsrichtung und -Widerstand einstellbaren
Ausleßschlitze
(4) ermöglichen unter Berücksichtigung des Verdichterkennfeldes des Verbrennungsluftgeblbses
sowie unter Berücksichtigung der Lage des Schornsteinanschlusses am Heizkessel,
eine Optieierung bei jedem Kesseltyp. (Einfluß auf den Wärmetausch-Wirkungsgrad
der heißen Verbrennungsgase zum Wassermantel 8. bei Schweröl- und Kohlenstaub-H-Z-G
- Typen werden durch kleine Indikatorbohrungen oder Schlitze an von außen im Betrieb
gut sichtbaren Stellren, Einstell-und Überwachungsmöglichkeiten geschaffen, die
es jedem eingewiesenen Heizwert oder Kundendienstmonteur erlauben, das richtige
und optimele Luftverhältnis ohne komplizierte Meßgeräte ein- bzw. nachzuregulieren,
dadurch lassen sich die schwankenden Zusammensetzungen es Rückstandsheizöles sowie
des Kohlenstaubes in der Praxis leichter nachregeln und bewältigen.
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Die ohne Meßgeräte abzulesenden Beurteilungsparameter der Brennereinstellung
(Brennstoffmenge - Luftverhältnis) sind hierbei neben der Glühtemperatur (durch
Glühfarbenvergleichsblatt leicht abshätzbar) der an den Indikator-Bohrungen beginnende
Flammenaustritt (Über- bzw. Unterdruck im Zentrum des Flammenwirbeles) sowie die
Flbmmenfarben wie nachstehend angegeben: hellrot = Flammentemperatur ca. 900°C =
rußhaltig gelb = = " = ca. 1100°C = glühender und sich spaltender Ruß und Kohlenstoff;
blau 9 = " = ca. 1500° C r erwünschte Flammentemperatur - rußfrei; violett I I N
r ca. I?OO0 C = sehr gute konzentrierte Verbrennung, aber Überhitzungsgefahr; Erzielbare
Vorteile: Die mit dem"Hochtemperatur-Zentrifugal-Gareaktor zum Einbau in Verbrennungs-Heizanlagen"
erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, d a B 1. durch die mit dem H-Z-G
gegebene getrennte Einstellungsmöglichkeit der "Verbrennungsbedingungen - rußfrei
" und
der "Wärmetauschbedingungen" der heiBen as an den Sollheizflächen
der Kessel, Lufterhitzer und dgl. sich Heizungs-Wirkungsgrade bis 93% erzielen lassen
(Abgastemperatur ca. 150 bis 180°C) 2. im Einlaßkanal (1) die leichteren Kohlenwasserstoffverb:indungen
vollständig und die schwereren -Verbindungen teilweise verbrennen und den noch unverbrauchten
Luftsauerstoff auf ca. 900°C vorwärmen; 3. durch die vom Verbrennungsluft-Ventilator
erzeugte Strömungsbewegung dein gesamten Luft-Brennstoff-Flammen-Gemisch in dem
gegenüber dem EinlaRkanal (1) tangential angeordneten Überhitzerrohr (2) eine starke
rotatorische Wirbelbildung aufgezwungen wird, wodurch sich infolge der Zentrifugal-Gesetzmäßigkeiten
die teilverbrannten Gas- und Rußbestandteile von den verbrannten, heißeren und spezifisch
leichteren Gasen trennen, die sich in dos Zentrum des Feuerwirbels drängen; 4. sich
die genannten Teilverbrennungsprodukte am Umfang des überhitzer-Rohes (2) sammeln
und an der mit ca.
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1100 bis 1200 O C glühenden inneren Wandung stark aufheizen und chemisch
aufspalten und mit dem spezifisch relstiv schweren, ebenfalls am Umfang kreisenden
Sauerstoff, verbrennen; 5. sich Rille beteiligten Gase als Folge der mit fortschreitender
Verbrennung verbundenen Temperaturerhöhung und Wichteverringerung, unter intensivem
Wärmeaustausch mehrmals durchmischen, wodurch die Mßchverbrennung zeitlicil, räumlich
und in Bezug auf die entstehenden Maximaltemperaturen, sehr intensiviert und beschleunigt
wird; Zur Verdeutlichung der komplexen Zusammenhänge sind nachstehend die spezifischen
Gewichte der wichtigsten, un der Verbrennung genannter Brennstoffe beteiligten bzw.
entstehenden Gase bei Temperaturen zwischen O und L (; C aufgeführt.
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Gasart: Wasser- Stick- Kohlen- Sauer- Kohlen- Schwefeldampf stoff
oxyd stoff diuxyd dioxyd H2O N2 CO O2 CO2 SO2 kg/Nm³-0°C 0,768 1,25 1,25 1,429 1,977
2,930 kg/m³ bei 500°C 0,271 0,441 0,441 0,505 0,690 1,035 600°C 0,195 0,318 0,318
0,364 0,503 0,745 1100°C 0,153 0,248 0,246 0,204 0,393 0,583 1400°C 0,125 0,204
0,204 0,233 0,323 0,478 1700°C 0,106 0,173 0,173 0,198 0,274 0,405 b. die be i der
Verbrennung sehr schwerer Brennstoffe- z. 6.
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Rückstandsheizöl, Kohlenstaub - evtl. nach verbleibenden Teilverbrennungsprodukte
(insbesondere größere Huß-bzw.
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Kohlenstaubpartikel) in die den Überhitzerrohr (2) ntichgeschalteten,
ebenfalls stark beheizten und glühenden Secundär-Vergasungskammern (3) strömen und
dort solange rotierend verbleiben, bis deren Bestandteile infolge der ständig zunehmenden
Überhitzuny und chemischen Aufspaltung mit oem ebenfalls am Umfang kreisenden Restsaurstoff
verbrennen und die daraus entstandenen sehr heilen Gase (hauptsächlich CO2 mit ca.
1500°C) sich entgegen der wirksamen Zentrifugal-Kräften in die Auslaßschlitze (4)
im Zentrum der Vergasungs- bzw. Verbrennungskammern zu drängen vermögen; 7. sich
die gesamten rußfreien Verbrennungsgase beim Verlassen des H-Z-G zu einer mittleren
Temperatur von ca.
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1000 bis 1100 o C mischen und auf Grund der im"Unteranspruch" beshriebenen
Maßnahmen, breit gefächert an die Soll-Heiflächen der betreffenden Heizanlage (z.B.
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Wassermantel) anstrahlen und - blasen; 8. durch die mit dem"Hochtemaperarur-Zentrifugal-Gasreaktor
zum Einbau in Vrebrennungs-Heizanlagen" gegebene getrennte Einstellungsmöglichkeit
der "verbrennungsbedungungen" und der "Wärmetauschbedingungen" der heißen rußfreien
Abgase an den Soll-Heizflächen, lassen sich auch bei kleineren sowie alten Zentralhcizkesseln,
Lufterhitzer und dgl., nachweislich Gesamtwirkungsgrade zwischen 88 und 93% erzielen
@.
auch kein Wirkurgsgradabfall infolge allmähliche 2 Verrußung der Heizflächen mehr
ergibt und sich dadurch insgesamt Brennstoffersparnisse Zwischen 10 und 30% erzielen
lassen; 10. der HOCHTEMPERATUR~ZENTRIFUGAL~GASREAKTOR in Schwerölausführung (siehe
Abb. II) die Umrüstung Kleinerer und mittlerer Heizanlagen auf Schwerölbetrieb ermöglicht;
(ein nachträglich einbaubarer Umrüstsatz befindet sich in Entwicklung, einschließlich
eines beheizten, vollautomatisch hydraulisch geregelten Schweröl-Dosier-Heglers;
(Zusatzanmeldungen erfolgen nach Entwicklungsabschluß) Bekanntlich wurden wegen
der schlechten Absatzmöglichkeit des Rückstandsheizöles von der Erdöl-Industrie
mehrfach die Benzin- Diesel- und Leichtheizölpreise erhöht.
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Die sich aus diesem Zusammenhang ergebenden Vorteile sind nach meiner
Überzeugung von $VOLKSWIATSCHAFILICHER BEDEUTUNG 11. der H-Z-G eine wesentliche
Vorzussetzung darstellt, die Abgase aller Heizanlagen, die mit den genannten Brennstoffen
betrieben werden weitgehend zu entgiften. Das hauptsächlich bei der Verbrennung
von schwerem Heizöl und schwefelhaltiger Kokhle entstehende Schwefeldioxyd SO2 ist
bekanntlich sehr giftig, nach bei 100 000-facher Verdünnung stechend riechbar, stark
pflanzenwachstumshemmend, beschleunigt das Rasten bzw. Oxydieren fast aller Metalle
und bewirkt ein rascheres Verwittern des Gesteins der Bauwerke sowie in besonderem
Maße der Kamine.
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Die Neutralisation bzw. Beseitigung des Schwefeldioxyds vor dem Eintritt
der Verbrennungsgase in den Schornstein ist daher ebenfalls von gesundheitspolitischer,
naturschutzbezogener und volkswirtschaftlicher Bedeutung.
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tentsprechende Zusatzanmeldungen zur Abgasentgiftung -hauptsächlich
Schwefeldioxyd und Aschestaub erfolgen
nach abschluß der entsprechenden
Versuchs- und Meßarbeiten.) Die bisherigen Versuche mit dem in Abb. 111 dargestellten,
einfacheren H-Z-G - Typ für Leichtölbetrieb haben in drei verschiedenen Kassel-
und Brennertyp gezeigt, daß die Anpassung an verschiedene Verbrennungsluft-Gebläse-Kennfelder,
Einspritzdrücke, Dösengrößen und -Strahlwinkel relativ problemlos ist; Kessel I
18000 kcal/h; Kessel II 20000 kcal/h; Kessel III 28000 kcal/h Heizleistung; Desgleichen
wurden durch provisiorischen Detrieb mit auf ca. 100°C vorgeheiztem Schweröl relativ
günstige Ergebnisse erzielt (Rußbild 2) dgl. Kohlenstaub und Sägemehl Die bisher
mit dem H-Z-G- Typ I (geschweißte Graugußkonstruktion) erreichten Glühtemperaturen
betrugen ca.
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900 bis 1000°C (Glühfarbe an den heißesten Zonen = gleb) Uurc:h Erweiterung
des H-Z-G - Typs I .auf den H-Z-G - Typ II gelang die anhähernd rußfreie Verbrennung
mit schwerem Heizöl (Rußbild zwischen 0 und 0,5) Für die hohen erzielten Glütemperaturen
sind aber hochhitze- und zunderbeständige höchstlegierte Werkstuffe erforderlich,
die zur Zeit beschafft werden.
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Die Grauguß-Konstruktion kam im Überhitzerbereich auf ca. 1200° C
Glühtemperatur"weißgelb" und deformierte sich daher örtlich (Fließgrenze von unlegiertem
Grauguß) Eine Verscuhs- und Demonstrationskessel-Heizanlage mit einer Heizleistung
von ca. 40000 kcal/h für Schwerol-, Kohlenstaub- und Sägemehlbetrich befindet sich
im ßau. Die Produktion einre Baureihe des H-Z-G- Typs für Leichtäl (Rußbild C) für
Kesselgrößen zwischen 15000 his 40000 kcal/h beginnt demnächst.
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L e e r s e i t e