-
-
Ofen zum Verbrennen festen Brennstoffs
-
Die Erfindung betrifft einen Ofen zum Verbrennen festen Brennstoffs
mit einer horizontalen oder schrägen Zuführebene zum Zuführen des Brennstoffs in
den Feuerraum.
-
Die Erfindung ist hauptsächlich zur Verwendung bei Heizsystemen mit
natürlichem Zug bestimmt, sie kann aber auch bei Heizsystemen mit künstlichem Zug
verwendet werden. Der erfindungsgemäße Ofen arbeitet mit allen Arten festen Brennstoffs,
wie Feuerholz, Spänen, Holzsplittern, Torf, Stroh und dgl..
-
Zum Verbrennen festen Brennstoffs sind zwei grundsätzliche Methoden
bekannt: verbrennen von oben und verbrennen von unten. Verbrennen von oben heißt,
daß das Verbrennen durch die gesamte Brennstoffschicht und auf deren oberer Oberfläche
erfolgt. In einem Kessel mit Verbrennung von oben bestimmt die Dichtheit der Füllung
die
Größe des Rauchfangs und die Größe des Zuges, der benötigt wird. In solch einem
Kessel ist es deshalb normalerweise nicht möglich eine dicke Brennstoffschicht zu
verbrennen, die aus kleinen Stückchen besteht. Wird dies dennoch gemacht, so wird
häufig eine große Menge unverbrannten Brennstoffs zu Asche. Außerdem fallen kleinere
Brennstoffstückchen leicht durch den Gitterrost und gehen in der Asche verloren.
Die relativ weiche Glutschicht auf dem Rost muß das Gewicht des Brennstoffs über
ihr tragen, was oft ebenfalls zur Folge hat, daß die Glut in die Asche fällt.
-
In einem Kessel mit Verbrennung von oben besteht der Verbrennungsprozeß
aus verschiedenen Stufen. Die erste Stufe ist eine Trocknungsstufe, in der die in
dem Brennstoff enthaltene Feuchtigkeit entweicht und mit den stark brennenden Gasen
vermischt wird. Das Volumen der Gasmenge im Ganzen vergrößert sich folglich. Der
Rauchfang arbeitet nicht richtig, da die Rauchgase feucht sind und eine große Menge
von ihnen in den Rauchfang gelangt. Der Kessel wird dadurch schmutzig. Daneben senkt
der entwichene Dampf die Verbrennungstemperatur und macht er die Verbrennung auch
in anderer Weise schwieriger. Der Verbrennungsprozeß ist dadurch unstetig, indem
die Flammen aufflackern und dann wieder zusammenfallen, und manchmal findet die
Verbrennung sogar im Rauchfang selbst statt.
-
Die Teersubstanzen, die aus der zu verbrennenden Substanz ausgeschieden
werden, verbrennen nicht richtig und sie kondensieren schnell an den Wänden des
Kessels, wo sie Rußschichten bilden. Nachdem der Brennstoff getrocknet ist, kann
seine Temperatur ansteigen. Zur selben Zeit hat der
Verbrennungsprozeß
im allgemeinen die Gesamtheit des Brennstoffs erfaßt. Die Verbrennung erfolgt in
dem getrockneten Brennstoff in schwelender Weise, ungeachtet von Begrenzungen in
der Menge der zugeführten Luft zum Fördern der Verbrennung. Je größer die Füllmenge,
desto schwieriger ist es, dieses Phänomen zu steuern.
-
Wenn der Verbrennungsprozeß sein Endstadium erreicht, so hat sich
die Gasmenge beträchtlich verringert. Die Gase sind jetzt trocken und sie geben
mäßig Wärme in den jetzt weiteren Kessel ab. Es ist schwierig, Sekundärluft zu führen,
da der Bereich der Füllung weit ist, und z.B. die Zugklappe im oberen Deckel nicht
geeignet ist, die notwendige Sekundärluft in gewünschter Weise über die brennende
Substanz als Ganzes zu leiten. Dies ist selbst in der unmittelbaren Nachbarschaft
der Zugklappe unmöglich, da die kalte und reichliche Sekundärluft häufig zur Verzögerung
des Verbrennungsprozesses beiträgt. Die Steuerung der Verbrennung durch Steuern
der Luftmenge resultiert in verminderter Leistung, aber die Menge des abgegebenen
unverbrannten Kohlenmonoxidgases vergrößert sich zur selben Zeit außerhalb der Kontrolle.
Folglich ist der tatsächliche Wirkungsgrad sehr gering bei Teillast.
-
Verbrennung von unten bedingt ein Verfahren, nach dem der Brennstoff
in einen vertikalen Silo oder einen anderen solchen Behälter eingegeben wird. Das
Verbrennen erfolgt in der unteren Schicht des Brennstoffs und neuer Brennstoff wird
von dem Silo eingeführt wie der Verbrennungsprozeß voranschreitet.
-
Ein Kessel mit einer Verbrennung von unten ist ebenfalls nicht ohne
Mängel. Wenn der Brennstoff in die Brennstoffzufuhr eingegeben wird, geht die dabei
abgegebene
Feuchtigkeit notwendigerweise durch den Strahlungsofen
und vermischt sie sich mit der in der Ofengrube brennenden Flamme. Bei dieser Kesselart
bestimmt ebenfalls die Brennstoffqualität die Höhe des Rauchfanges. Eine konstruktiv
enge Ofengrube ist somit häufig störend, da sie die Dicke der Brennstoffschicht
zur selben Zeit reguliert wie sie den austretenden Dampf mit den brennenden Flammen
in Kontakt bringt. Mit einer schmalen Ofengrube kann deshalb die Forderung nach
Zug verringert werden, die Verbrennung wird jedoch in anderer Weise schwieriger.
-
Eine weite Rostoberfläche ist verwendet worden, um die Wirkung des
beim Fortschreiten der Verbrennung aus dem Brennstoff austretenden Dampfes zu verringern,
da die von dem Brennstoff abgegebene Feuchtigkeit auch dazu neigt, sich selbst unter
die Oberfläche des Rostes auszubreiten.
-
Gleichzeitig läßt eine weite Rostoberfläche zu, daß mehr Brennstoff
in der Aschengrube vermischt wird. Eine Verringerung der Oberfläche des Rostes führt
zu verringerter Leistung, da die Kohle in der Ofengrube nicht allein in der Lage
ist, die gesamte Leistung zu erzeugen.
-
Es ist auch gut bekannt, daß Magazinöfen Korrosion unterworfen sind.
Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Verbrennung ihren Weg zu dem Magazin
oberhalb der Rostoberfläche findet, wobei erzeugt wird, da die Verbrennung schwieriger
wird. Die heißen Gase steigen trotz des Zuges in dem Rauchfang in den Magazinraum,
da die Fließmenge nahe dem Rost nicht ausreichend hoch ist, um zu verhindern, daß
die Verbrennung an die falschen Orte gelangt. Diesem Verbrennungsfehler kann begegnet
werden, indem der Magazinraum aus einem korrosionsbeständigen Material hergestellt
wird.
-
Selbst mit verbessertem Material besteht bei Kesseln mit Verbrennung
von unten und der Möglichkeit des Austritts von unverbrannten Gasen in die Brennstoffzufuhr
die offensichtliche Gefahr einer Explosion, wenn mehr Brennstoff zugeführt wird.
Dies gilt insbesondere, wenn die Zugklappe geschlossen wird, und kein weiterer Zug
in dem Kessel vorhanden ist. Die Verbrennung erzeugt Kohlenmonoxidgas das in der
Brennstoffzufuhr heiß wird.
-
Wenn der Brennstoff zu Ende geht, breitet sich die Verbrennung selbst
in das Magazin aus und wird sie unfreiwillig vergrößert. Da der Rauchfang normalerweise
ziemlich hoch ist, fließt eine große Luftmenge durch den Kessel, wenn der Brennstoff
verbraucht worden ist, wobei sie den Kessel kühlt. Der Kessel ist in normalem Gebrauch
durch einen geringen Wirkungsgrad gekennzeichnet. Andererseits wurden die Verbrennungstests
mit vollständiger Brennstoffzufuhr durchgeführt, so daß die Nachteile periodischen
Heizens nicht aufgetreten sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung obiger
Nachteile einen Ofen zum Verbrennen festen Brennstoffs zu schaffen, der einen hohen
Wirkungsgrad hat und leicht zu steuern ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem
Ofen der vorausgesetzten Gattung die Zuführebene des Brennstoffs an eine vertikale
oder nahezu vertikale Kanaloberfläche angebracht ist, gegen die der Brennstoff entweder
mit einer besonderen Zuführeinrichtung oder aufgrund der Schwerkraft gedrückt wird.
-
Der erfindungsgemäße Ofen hat gegenüber den bisher bekannten Kesseln
mehrere Vorteile. In dem erfindungemäßen l
Ofen erfolgt die Verbrennung
in einem hohen und schmalen bandartigen Bereich. Auf diese Weise können der Verbrennungsprozeß
und die Verbrennungintensität leichter kontrolliert und gesteuert werden. Das aus
dem Brennstoff während der Verbrennung abgegebene Kohlenmonoxid verteilt sich auf
einen relativ schmalen Bereich. Das Kohlenmonoxid steigt gerade auf und gelangt
nicht in den Zuführkanal des Brennstoffs, was erlaubt, es gründlich über der Brennstoffschicht
abzubrennen.
-
Die Gesamtmenge an Glut ist relativ gering, so daß sie leicht kontrolliert
werden kann. Da die Glutschicht jedoch sehr hoch ist, steigt die Temperatur genügend
an, so daß alle vergasbaren Substanzen in Gasform auftreten, was eine reinere Verbrennung
ergibt. Die Glut wird auch durch und durch verbrannt, da die Glutstücke allmählich
nach unten fallen und im wesentlichen ausgebrannt sind, bevor sie den Aschenkasten
unterhalb des Kanals erreichen.
-
Wärme von der Glut ist in die Richtung gerichtet, aus der der Brennstoff
zugeführt wird, so daß sie den Brennstoff gut trocknet, bevor er den Verbrennungsbereich
erreicht. Die gesamte dabei entweichende Feuchtigkeit steigt vertikal auf und wird
nicht in bedeutsamem Maße mit den Flammen gemischt und stört nicht den Verbrennungsprozeß.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es zweckmäßig
Sekundärluft von hinter der Kanaloberfläche durch die Kanaloberfläche auf der Vorderseite
zu leiten. Um dies zu erreichen, sind Öffnungen für Sekundärluft in dem oberen Teil
der Kanaloberfläche angeordnet worden. Diese Anordnung bringt den Vorteil, daß sich
die Sekundärluft gründlich mit den aufsteigenden Gasen vermischt und dadurch zu
einer
vollständigen Verbrennung beiträgt. Außerdem erwärmt sich die Sekundärluft hinter
der Ranaloberfläche, während sie die Kanaloberfläche kühlt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt eines Kessels mit einem
erfindungsgemäßen Ofen; Fig. 2 den Ofen von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab; Fig.
3 und 4 verschiedene Ausführungsformen für die Kanaloberfläche eines erfindungsgemäßen
Ofens.
-
Der in Fig. 1 dargestellte Kessel weist eine Wasserkammer 1 auf,
die in normaler Weise durch eine Wärmeisolierung 2 isoliert und durch eine äußere
Ummantelung 3 abgedeckt ist. In den unteren Teil des Kessels ist ein Ofen eingebaut,
der mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet ist. Eine schräge Zuführebene 5 führt zu
dem Ofen. Auf der Oberseite der Zuführebene 5 liegt der Brennstoff 6, der aufgrund
der Schwerkraft die Zuführebene 5 hinabgleiten kann. Die Schwerkraft drückt den
Brennstoff gegen eine vertikale Kanaloberfläche 7. Das untere Ende der Zuführebene
5 weist einen rostartigen Abschnitt 8 auf, durch den zum Teil Primärluft strömt,
um den Raum zwischen der Kanaloberfläche 7 und der Brennstoffschicht zu erreichen.
Verbrennungsluft wird durch die Tür 9 in den Kessel geleitet.
-
Die Fig. 2 zeigt in einem größeren Maßstab die Konstruktion des Ofens
4 aus Fig. 1. Die Kanaloberfläche 7 ist gebildet worden, indem in regelmäßigen Abständen
vertikale Platten 22 an die Ummantelung 21 des Kessels befestigt wurden.
-
Zwischen diesen vertikalen Platten ist eine Wand aus dünnen Feuerziegeln
23 aufgebaut worden. Der Aufbau der Wand ist in
größerer Einzelheit
in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Der Aufbau von Fig. 3 entspricht dem in Fig. 1 und
2 gezeigten Ofenaufbau. Die Platten 22 auf beiden Seiten jedes Ziegels stehen weiter
in den Ofen vor als die Oberfläche der Ziegel 23.
-
Wenn Brennstoff in die beschriebene Oberfläche gedrückt wird, werden
mehrere vertikale Kanäle 24 oder Rinnen gebildet, die von den Ziegeln 23, den Platten
22 und der Brennstoffschicht 6 umgrenzt sind.
-
Die Ziegel 23 sind so ausgebildet, daß hinter ihnen ein Sekundärluftkanal
25 geformt ist. Der Sekundärluftkanal 25 ist durch Sekundärluftöffnungen 26 auch
mit der Vorderseite der Kanaloberfläche verbunden.
-
Ein separater rostartiger Abschnitt 8 ist am unteren Ende der Zuführebene
angeordnet. Es handelt sich nicht um einen Rost im eigentlichen Sinne, da die Verbrennung
nicht wirklich auf ihm stattfindet. Ein Teil der für den Verbrennungsprozeß benötigten
Luft wird durch den Abschnitt 8 geleitet, wie dies durch die Pfeile 27 angedeutet
ist. Die Lufteintritte des Abschnitts 8 wurden sehr schmal gemacht, insbesondere
auf ihrer rechten Seite (in Fig.2),so daß jegliche Verbrennung, die auf der Oberseite
des Abschnitts 8 begonnen haben mag und die ganze daraus resultierende Verkohlung
die oben erwähnten Luftlöcher mit Asche füllt, und zwar ausgehend von der Richtung
der Brennstoffzufuhr, wodurch seinerseits die Verbrennung gestoppt wird.
-
Die Fig. 4 zeigt einen anderen vorteilhaften Weg zur Ausbildung der
Kanaloberfläche. Bei dieser Ausführungsform ist der Ziegel 44 selbst so aufgebaut,
daß er mehrere Rinnen 41 enthält. Die Querschnittsfläche jeder Rinne 41 kann nahezu
kreisförmig sein und jede Rinne ist mit der
Kanaloberfläche durch
einen Durchgang 42 verbunden, dessen Breite kleiner als der größte Durchmesser der
Rinne ist.
-
Dieser Aufbau eignet sich besonders zum Verbrennen sehr feinfasrigen
Brennstoffs, wie z.B. von Holzspreiseln.
-
Auch andere Arten von Durchgängen können in vorteilhafter Weise verwendet
werden. In dem in Fig.4 dargestellten Fall können z.B. die Durchgänge am Boden U-förmig
oder rechteckig sein. Es ist außerdem zweckmäßig, daß der Steg zwischen jedem Durchgang
einen zum Ofen vorstehenden Kamm 43 formt. Die Tiefe der Kanaloberfläche 24 beträgt
je nach Verbrennungsleistung im allgemeinen 1-25mm.
-
Der Ofen nach der Erfindung weist keinen Rost im eigentlichen Sinne
auf, da der Verbrennungsbereich so schmal ist. Die Aufgabe des rostartigen Abschnitts
8 am unteren Ende der Zuführebene besteht darin, die Brennstoffschicht zu tragen,
sie gegen die Kanaloberfläche zu führen und Primärluft zwischen der Kanaloberfläche
und der Brennstoffschicht zu verteilen. In der Praxis ist die freie Querschnittsfläche
des rostartigen Abschnitts 8 schmal und die freie Fläche ist hauptsächlich unter
dem Kanalraum angeordnet. Ansonsten ist der Abschnitt 8 dichter, so daß jedes austretende
Feuer die für sein Weiterbrennen erforderlichen Lufteintritte mit Asche verschließt.
-
Der Brennstoff rutscht von der Brennstoffzufuhr auf der anderen Seite
des Kessels hinunter gegen die Kanaloberfläche. Von dieser vertikalen Zufuhr wird
der Brennstoff über eine schräge Zuführebene 5 gegen die Kanaloberfläche geführt.
Die Neigung der Zuführebebene 5 kann etwa 400 betragen, es ist aber auch möglich,
eine mechanische Zufuhr zu verwenden. Da die schräge Zuführebene den Brennstoff
verdichtet,
bewirkt sie auch, daß die Verbrennung im Bereich des Kanalraums stattfindet.
-
Der erfindungsgemäße Ofen arbeitet in der folgenden Weise.
-
Primärluft für den Verbrennungsprozeß wird durch den Kanalraum geleitet.
Sekundärluft wird durch einen anderen Kanal hinter den Kanalziegeln geleitet, um
zu dem Verbrennungsprozeß in dem von der Brennstoffzufuhr aufsteigenden Gasgürtel
beizutragen. Die Sekundärluft kühlt gleichzeitig die heißen Kanalziegel und erwärmt
sich dabei.
-
Die Verkohlungs- und Vergasungsprozesse spielen sich in dem Kanal
raum ab, der ein sehr enger Bereich ist. Die Höhe der Brandoberfläche ist dagegen
beträchtlich, was eine Hitzekonzentration ergibt, einen Druck erzeugt und den von
dem Kanal aufsteigenden Gasgürtel heiß und frei von nichtvergasbaren Substanzen
macht. Die Glut fällt nicht einfach in den Aschenkasten, da der Brennstoff nicht
von oben auf sie drückt. Die Glut wird "auf die lange Bank gelegt" und weiter verbrannt.
In der untersten Ebene enthält die Primärluft den meisten Sauerstoff und die Glut
wird rasch ausgebrannt.
-
Die Glutschicht ist schmal und abhängig von der Qualität des Brennstoffs.
Wenn z.B. starke Feuerholzstücke verwendet werden, ist sie etwa 50mm breit. Die
Breite der Glutschicht ist leicht zu steuern, da die Hitze immer nach oben steigt,
und es ist möglich, einen Zugregulator zu verwenden, z.B. die Luft-Zugklappe zu
schließen und ein Aufwärtssteigen der Gase zu veranlassen, um zu verhindern, daß
sie den Brennstoff so schnell in Gas überführen, wie dies normalerweise in anderen
Kessel typen erfolgt. Mit einer
geringen Luftmenge füllt sich der
Kanal mit Glut, was den Widerstand in dem Kanalraum erhöht. Der Luftstrom kann dann
leicht einen anderen Weg, den Sekundärkanal, nehmen und das noch von der Zufuhr
austretende Gas verbrennen.
-
Da die Temperatur in dem Kanalraum hoch ist, kann angenommen werden,
daß der größere Dampfdruck in dem Kanalraum verhindert, daß der von dem Brennstoff
aufsteigende Dampf in bedeutendem Maße in den Kanalraum eintritt. Der Dampf steigt
durch seine eigene Säule auf der Oberseite der Füllung. Da die Gase aufsteigen können
und keine Mischung stattfindet, ist die Verbrennung sicherlich trockener als in
anderen Kesseltypen. Der Verbrennungsprozeß geht folglich mehr durch und er erzeugt
auch Wärme aus den Teersubstanzen.
-
Praktische Untersuchtungen bestätigen dies: der Kessel blieb wesentlich
reiner selbst unter schwierigen Verbrennungsbedingungen.
-
Da sich die Verbrennungszone nach oben bewegt, laufen der Trocknungs-,
Vergasungs- und Verkohlungsprozeß kontinuierlich ab und führen zu einem verbesserten
Endergebnis.
-
Die Flamme brennt in einer schmalen bandartigen Zone auf der Oberseite
der Füllung und teilweise auf deren Seite.
-
Wenn Sekundärluft in schmalen Strahlen, z.B. durch mehrere Löcher
zur Wurzel der Flamme geleitet wird, so wird die Verbrennung vollständig sein.
-
Das Durchführen der Verbrennung in einem Kanalraum hat den Vorteil,
daß die Verbrennungsgase nicht zwischen dem Brennstoff in dem Kessel aufsteigen.
Da die heißen Gase immer aufwärts steigen und der Brennstoff ein Hindernis bildet,
wenn er von der-Brennstoffzufuhr hereinrutscht, besteht in der Praxis keine Explosionsgefahr.
Ebenso tritt
in dem Kessel weniger Korrosion auf.
-
Bei kleinfasrigem Brennstoff werden in dem Kanal raum Ziegel mit
Rinnen benutzt, so daß sich der Brennstoff in der Öffnung jeder einzelnen Rinne
sammelt, innerhalb der der Verbrennungsprozeß stattfindet. Erst wenn ein Feuerholzstück
klein genug herabgebrannt ist, kann es durch die enge Öffnung der Rinne in den weiteren
Raum dahinter eintreten und in den Aschenkasten fallen. Sekundärluft wird in derselben
Weise wie normalen Ziegeln dem Verbrennungsprozeß zugeführt. Bei kleinfasrigem Brennstoff
wird auch ein engerer Rost verwendet.
-
Zahlreiche Abwandlungen sind gegenüber dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
möglich. So kann die Kanaloberfläche auch in einer schiefwinkligen Lage angeordnet
werden, z.B. senkrecht zur Zuführrinne. Dies ist zweckmäßig, wenn Strohballen oder
dgl. verbrannt werden. Der Brennstoff kann auch mit Hilfe einer besonderen Zuführeinrichtung
zugeführt werden, in welchem Fall die Zuführebene horizontal oder selbst leicht
aufwärts gerichtet sein kann.