DE2942167C2 - Brennkammer für einen mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beheizten Heizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für einen mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beheizten Heizkessel, der aus mehreren halbschalenförmigen Wandungsteilen gebildet ist.

Konventionelle Wärmeerzeuger haben in der Regel eine gekühlte Brennkammer — auch Feuerraum genannt - (z. B. Heizkessel einer Warmwasser-Gebäudeheizung). Der Flamme wird ein großer Teil der Wärme entzogen. Sie wird gekühlt. Dadurch wird der Verbrennungsablauf ungünstig beeinflußt. Ein relativ guter Ausbrand ist nur mit erhöhtem Luftüberschuß möglich. Daraus ergibt sich eine Verminderung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades bzw. eine Erhöhung der Abgasverluste. Der Wirkungsgrad wird in doppelter Weise ungünstig beeinflußt, da ein höherer Luftüberschuß den COrGehalt der Rauchgase absenkt und ebenfalls die Flammentemperatur verringert, woraus wiederum eine Abgastemperatur-Erhöhung folgt. Die Heizflächengröße und -anordnung bedingt durch die große Brennkammer, die in vielen Fällen durch einen Aschekasten und Rost noch zusätzlich unterkühlt wird, ergibt keine ausreichende Wärmeübertragung. Daraus folgt ebenfalls eine höhere Abgastemperatur und Wirkungsgradabsenkung. Im Sinne des Immissionsschutzgesetzes und des Energieeinsparungsgesetzes soll ein hoher Wirkungsgrad bei minimalster Schadstoffemission angestrebt werden. Der Schadstoffauswurf wird durch die Rauchgasführung noch begünstigt. Die Rauchgase strömen von der Kesselrückwand nach vorn und werden in der Regel um 180° umgelenkt, bevor sie in die Nachschaltheizfläche eintreten, die über der konventionellen Brennkammer liegt. Dabei können unvollständig abgebrannte ölderivate (vorwiegend unterkühlte) von den Rauchgasen mitgerissen werden.

Um die o. g. Nachteile abzumindern, werden auf dem Markt verschiedene Systeme angeboten, die im folgenden beschrieben werden.

Es ist ein Kesseltyp bekannt, der sich von den

allgemein angebotenen Kesseln durch eine zylindrische »heiße« Umkehrbrennkammer aus Edelstahl auszeichnet, die eine hohe Flammentemperatur zuläßt und die Rezirkulation von Rauchgasen erzwingt. Dadurch wird der Abbrand verbessert. Es können aber immer noch unverbrannte Teile über der Brennermündung an der Vorderseite der Brennkammer von den Rauchgasen mitgerissen werden.

Umkehrbrennkammern eignen sich nur für kurze Brennräume (wegen des hohen Widerstandes) und benötigen einen relativ großen Durchmesser. Sie eignen sich daher auch nicht für den nachträglichen Einbau in einen beliebigen Kessel.

In VG B-Mitteilungen 52 (1972) 1, S. 1 ff- wird ein

Verbrennungssystem vorgestellt, bei dem die Brennkammer nicht in den Kessel, sondern an dessen Vorderfront montiert wird. Rauchgasführende Einbauten werden nicht verwendet. Das System eignet sich nicht für Kessel kleinerer Leistung, da bei diesen das Verhältnis Brennkammervolumen zum Kesselvolumen zu groß ist.

Auch ist eine »Verbrennungshilfe« bekannt, die zum nachträglichen Einbau geeignet ist. Es handelt sich um ein zylindrisches Rohr, dessen Wandung aus gepreßter Isolierfaser besteht und in einer Blechhalterung steckt, die so von innen an die Frontplatte des Kessels geschraubt wird, daß eine Stirnseite des Rohres an der Frontplatte anliegt und die Brennermündung konzentrisch in diese hineinragt. Diese Vorrichtung eignet sich nicht zum nachträglichen Einbau in einen beliebigen Kessel, da sie nicht teilbar ist. Sie hat keine rauchgasführenden Einbauten und beeinflußt die Rauchgaswege nicht wesentlich.
In der DE-PS 26 12 051.4 wird ein Gerät beschrieben, das in einen vorhandenen Brennraum einsetzbar ist. Das Gerät ist also selbst keine Brennkammer, sondern nur die Ergänzung einer vorhandenen. Die Flamme wird auch in diesem Falle von den konventionell wassergekühlten Brennkammerwänden stark gekühlt. Das Flammenbild wird durch Strömungsbeeinflussung geändert. Die Flammenlänge wird kürzer. Daraus folgt eine höhere Abgastemperatur. Meßergebnisse ließen keine Verbesserung erkennen.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der

Verbrennung soll erreicht werden, wenn man den Feuerraum mit Schamotte-Steinen auskleidet oder Brennkammern aus speziell vorgefertigten Schamotte-Steinen in den Feuerraum einsetzt. Diese unterliegen aber dem Zerfall durch Hochtemperatur-Korrosion. Sie müssen ca. alle zwei Jahre erneuert werden. Der Jahreswirkungsgrad wird durch sie verschlechtert, da bedingt durch ihre hohe Temperatur und ihren hohen Massenanteil die Auskühlverluste durch den natürlichen Kaminzug während der Brennerstillstandzeit zwischen

zwei Einschaltperioden relativ hoch sind. Das gleiche

gilt auch für Wärmespeichereinsätze, wie sie in der

Auslegeschrift D 24 57 529 und in der Offenlegungs· schrift D 24 40 451 beschrieben werden.

Aus der CH-PS 3 86 080 ist eine aus halbschalenförmigen Wandungsteilen gebildete Brennkammer bekannt, deren Wandungsteile verschraubt werden. Die formschlüssige Verspannung der Wandungsteile führt durch die relativ hohe Wechselbeanspruchung infolge Wärmedehnung und -schrumpfung zu Verwerfungen

(besonders bei dünnen Wandungsteilen). Bei dicken steifen Wandungsteilen ist die relativ hohe Wärmekapazität während der An- und Abschaltzeit nachteilig. Ein nachträglicher Einbau der Wandungsteile ist aufwendig.

Außerdem können die Schraubengewinde korrosiv beschädigt oder verkrustet werden, so daß eine demontage erheblich erschwert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung zur Verfügung zu stehen, mit der der Betrieb konventioneller Heizkessel verbessert wird, indem die Flammentemperatur, der Ausbrand und die Rauchgasführung und somit die Abgastemperatur günstig beeinflußt werden. Dabei soll die Vorrichtung mit wenigen Handgriffen auch nachträglich in bereits installierte Feuerungsanlagen eingebaut werden können und auch bei hohen Wechselbeanspruchungen zu keiner Verwerfung führen.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zumindest an einem Wandungsteil kraftschlüssige Halterungen für den anderen Wandungsteil angeordnet sind. Bevorzugt weisen die Wandungsteile die Form eines Hohlzylinders oder Hohlkegelstumpfes oder einer Kombination dieser Grundkörper auf. Die Wandstärke soll möglichst dünn sein. In den Wandungsteilen können Ausnehmungen oder Falze oder Sicken angebracht sein. Wesentlich ist, daß die Brennkammer so geteilt ist, daß sie durch vorhandene Öffnungen im Frontgeschränk des Kessels leicht in den Feuerraum eingeführt werden kann. Die Wandungsteile bestehen aus einem korrosionsbeständigen, metallischen oder keramischen Werkstoff, bevorzugt aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer spezifischer Wärmekapazität.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß im Inneren der Brennkammer eine scheibenförmige, topfförmige, klappenförmigc oder kegelförmige Stauscheibe angeordnet ist. Die Stauscheibe dient zur Rezirkulation und dazu, den Gasdruck im Flammenbereich und die Rauchgasführung zu beeinflussen. Ein erhöhter Druck in der Flamme und die Rezirkulation fördern, wie bekannt, die Verbrennung. Durch die Brennkammer und Stauscheibe werden längere Rauchgaswege erzwungen, die den Wärmeübergang begünstigen.

Die Brennkammer wird an eine Halterung angebracht oder auf eine Konsole gesetzt, die ebenfalls durch die Geschränköffnung des Kessels montiert werden kann und zudem so beschaffen ist, daß die Brennkammerauflage in der Höhe einstellbar ist, damit die Brennkammer konzentrisch und achsengleich zur Brennermündung ausgerichtet werden kann.

Durch die heiße Brennkammer wird die direkte Wärmeabstrahlung aus der Flamme an die Kesselwände gedämmt. Dadurch entsteht eine höhere Flammentemperatur (die Flamme wird nicht unterkühlt), und daraus folgt ebenfalls eine bessere Verbrennung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in den Figuren wiedergegeben. Es zeigt im einzelnen

F i g. 1 Heizkessel mit Brennkammer im Längsschnitt,

Fig. 2 Querschnitt des Heizkessels nach Fig. 1 gemäß Schnittlinie A -D,

Fig.3 und 4 Stauscheiben mit verschiedenen Bördelungen.

F i g. 5 einstellbare Klappe als Stauscheibe,

Fig. 6 eine weitere Stauscheibenausführung mit aufgebördelter Brennkammer.

Fig. 1 und 2 zeigen eine in einem Heizkessel (11) eingebaute Brennkammer. Der Heizkessel besteht konstruktiv aus dem Feuerraum (12), der Nachschaltheizfläche (13), dem Heizwasserraum (14), dem Abgassammelraum (15) und dem Abgasro'ir-Anschlußstutzen (16). In den Heizkesselfeuerraum ragt das Brennermischrohr (17) mit z. B. bei Ölbrennern der Ölzerstäubungsdüse (18) und der Stauscheibe (19) hinein.

Die erfindungsgemäße Brennkammer besteht aus den halbscl.alenförmigen Wandungsteilen (1) und (2). An dem unteren Wandungsteil (2) sind an beiden Seiten (axiale Schnittstellen) je zwei kraftschlüssige Halterungen für den anderen Wandungsteil vorgesehen (10). Der ooere Wandungsteil (1) überlappt den unteren und wird durch die Halterungen kraftschlüssig gehalten. In das hintere Ende der so zusammengesetzten Brennkammer ist eine scheibenförmige Stauscheibe (3) zentrisch eingebaut. Diese hat drei um 120° versetzte Arme (4), die in entsprechende Ausstanzungen (5) am Brennkammer-Umfang hineinragen und so die Stauscheibe (3) in Position halten. Möglich sind u. a. auch vier um 90° versetzte Arme (4). Die Brennkammer liegt in einer Konsole, die aus den Teilen (7,8,9) und (20) besteht. Teil (7) ist ein halbschalenförmig gebogenes Flacheisen, an dem jeweiis zwei Rohre (8) angeschweißt sind. In diese Rohre ragt ein U-förmig gebogener Rohrbügel (9) hinein, auf dem das Flacheisen (7) aufliegt. Die Teile (7, 8) und (9) sind jeweils an der hinteren und vorderen Seite der Brennkammer vorhanden. Ihr Abstand zueinander und ihre aufrechte Haltung wird durch Querstreben (20) realisiert. Die Schenkel der Rohrbügel (9) können auf die erforderliche Hohe abgeschnitten werden, so daß c'ie Brennkammer koaxial zum Brenner-Mischrohr (17) in Position liegt.

Brennkammerabmessungen und -abstände zu den Feuerraumwänden können für bekannte Kesselleistungen nach Formeln und Diagrammen aus der Fachliteratur festgelegt werden. Sie können durch Versuche optimiert werden.

Fi g. 3 und F i g. 4 zeigen Stauscheiben (21) und (22) mit verschiedenen Bördelungen. Mit der Stauscheibe (22) wurden sehr gute Ergebnisse erzielt. Stauscheibenabmessungen und Bordelung müssen dem Durchsatz angepaßt werden.

Fig.5 zeigt eine einstellbare Klappe (23) als Stauscheibe. Die Einstellung kann über ein Hebelsystem von der Vorderseite der Brennkammer erfolgen. Das Hebelsystem oder Schraubsystem kann auch so konstruiert sein, daß von außerhalb des Kessels während des. Betriebes die Einstellung erfolgen kann. Möglich wäre auch eine Einstellung in Abhängigkeit des Abgaszuges mit Hilfe eines Schrittmotors von der Kesselaußenseite her, um so einen optimalen Brennkammerdruck bei Witterungsschwankungen zu erhalten. Die Konstruktion des Hebel- oder Schraubsystems kann nach dem bekannten Stand der Technik erfolger und ist hier nicht besonders dargestellt. Die Lagerung der Klappe kann außermittig erfolgen, um so einen Regeleffekt durch Komponenten des Klappengewichtes zu erhalten. Dieser Regeleffekt sollte einen leichten und konstanten Überdruck in der Brennkammer (0,2 mbar) aufrechterhalten.

Fig. 6 /eigt eine weitere Stauscheibenausführung (24) mit einer Aufbördelung der Brennkammer. Bei dieser Ausführung werden bessere Strömungvorgänge realisiert. Regelungstechnisch gilt für diese Konstruktion das gleiche, wie bei F i g. 5 beschrieben.

Beschrieben wurde hier eine zweischalige Brennkammer. Bei entsprechend kleineren Heizkesselöffnungen können auch drei oder mehr Schalen verwendet werden.

Der Rohrbügel (9) kann auch längs anstatt quer zur Brennkammerachse angeordnet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für einen mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beheizten Heizungskessel, der aus mehreren halbschalenförmigen Wandungsteilen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an einem Wandungsteil (2) kraftschlüssige Halterungen (10) für den anderen Wandungsteil (1) angeordnet sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungsteile (1, 2) aus einem korrosionsbeständigen, metallischen oder keramischen Werkstoff gebildet sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungsteile (t, 2) aus einem Werkstoff mit geringer Leitfähigkeit und geringer spezifischer Wärmekapazität gebildet sind.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern eine scheibenförmige (3), topfförmige (21, 22), klappenförmige (23) oder kegelförmige (24) Stauscheibe angeordnet ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter den Wandungsteilen (1,2) eine in der Höhe verstellbare Konsole (7, 8, 9) angeordnet ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an ihrem brennerfernen Ende zur Halterung der Stauscheibe (3) dienende Ausstanzungen (5) vorgesehen sind.