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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsein
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richtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft und von Abfallstoffen,
insbesondere jedoch die Ausbildung des Wärmetauschers und die konstruktive Ausbildung
eines Anströmraumes, in den axial ein Brenner hineinfeuert.
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Derartige Verbrennungseinrichtungen gewinnen im Rahmen des Umweltschutzes
zunehmend an Bedeutung, insbesondere in den Fällen, in denen oxidierbare Substanzen
in geringen Mengen aus großen Abluftmengen entfernt werden mUssen, weil die gesetzlichen
Bestimmungen dies verlangen.
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Eine derartige Verbrennungseinrichtung ist aus US-PS 36 07 118 und
aus DE-AS 23 52 204 bekannt. Bei den bekannten Vorrichtungen werden die Gase durch
einen rekuperativen rmeaustauscher einem in Richtung der Längsachse der Verbrennungseinrichtung
in ein Flammrohr feuernden Brenner zugeführt unddienennach Verlassen eines eigentlichen
Brennraumes als Heizgase für den Wärmetauscher.
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Bei der aus der DE-AS 23 52 204 bekannten Verbrennungseinrichtung
ist der Wärmetauscher als ein konzentrisch zur Längsachse innerhalb der Verbrennungseinrichtung
erstreckendes Rohrbündel aus geraden Rohren ausgebildet, deren Enden Jeweils in
Lochplatten eingeschweißt sind.
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Diese konstruktive Gestaltung des Wärmetauschers kann sich Jedoch
als nachteilhaft erweisen, wenn die Verbrennungseinrichtung nur zeitweilig betrieben
wird. In Aufheiz- und Abkühlphasen und bei schwankenden Betriebszuständen erhalten
die einzelnen Rohre des Wärmetauscherbündels unterschiedliche Temperaturen,und es
entsteht damit eine unterschiedliche Ausdehnung, die zwangsläufig zu Spannungen
an den Endplatten führt, so daß es zum Ausreißen einzelner Rohre oder Rißbildung
an den Endplatten kommen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nun, eine Verbrennungseinrichtung
zu schaffen, bei der der Wärmetauscher so ausgebildet ist, daß temperaturbedingte
unterschiedliche Ausdehnungen einzelner Rohre keine Wärmespannungen an den Endplatten
des Wärmetauschers erzeugen und das eine Ende des Wärmetauschers gleichzeitig so
ausgebildet wird, daß die Anströmbedingungen des Brenners verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung
von Störstoffen in Abluft und von Abfall substanzen mit einem Brenner und einer
Mischvorrichtung, einem daran anschließenden Hochgeschwindigkeitsrohr, einer an
dessen freiem Ende gelegenen, als Brennraum ausgeführten Wirbelkammer, wobei das
Hochgeschwindigkeitsrohr konzentrisch weit in die Wirbelkammer hineinragt, sowie
einem mit der Wirbelkammer über einen Nachbrenner in Verbindung stehenden, diesen
konzentrisch umgebenden Wärmetauscher. Das Kennzeichnende ir Erfindung besteht darin,
daß die einzelnen Rohre des sich parallel zur Längsachse erstreckenden Rohrbündels
des Wärmetauschers an einem Ende in die Stirnwand des Ablufteintrittsringraumes
eingefügt sind und an ihrem anderen Ende nach innen auf die Längsachse der Verbrennungseinrichtung
abgebogen sind, wobei die abgebogenen Enden in einer konzentrisch den Brennervorbau
umgebenden Trommel eingefügt sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Durch die Biegung der einzelnen Rohre des Wärmetauschers in Richtung
auf die Achse der Verbrennungseinrichtung und das Eindringen der Rohrenden in eine
konzentrisch um die Längsachse angeordnete, vorzugsweise zylindrische oder kegelige
Lochtrommel, wird dieses Ende des Wärmetauschers nicht mehr direkt von den heißen
Rauchgasen angeströmt, sondern diese
werden durch eine Verbindungswand
so ab- und umgelenkt, daß sie auf ein noch nicht abgebogenes Teilstück des Rohres
auftreffen. Dies hat zur Folge, daß die thermische Belastung der Verbindungsstellen
zwischen den Rohrenden und der Trommel gleichmäßiger wird. Durch das Abbiegen in
Winkeln zwischen 450 und 1200, vorzugsweise annähernd 900 konzentrisch nach innen,
werden Kräfte, die durch Wärmeausdehnung auf die Rohre in Längsrichtung wirken,
aufgehoben und abgelenkt, so daß sich an beiden Enden der Rohre des Wärmetauschers
keine mechanischen Spannungen mehr aufbauen und ein Ausreißen der Rohre aus der
Endplatte bzw. der Lochtrommel oder Rißbildung an der Endplatte sicher und zuverlässig
vermieden wird. Durch die Ausbildung des einen Endes des Wärmetauschers als konzentrisch
angeordnete, vorzugsweise zylindrische oder kegelige Trommel entsteht in ihrem Inneren
ein Anströmraum für die vom Brenner gebildete eigentliche Flamme. Es wurde nun gefunden,
daß diese konstruktive Gestaltung des Wärmetauscherendes nicht nur Thermospannungen
innerhalb des Wärmetauschers zuverlässig vermeidet, sondern daß diese Ausbildung
eines Anströmraumes auch eine besonders günstige Vermischung des Abgases mit dem
Brennstoff ermöglicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb
des Anströmraumes im Abstand von der Trommel ein Brennervorbau vorgesehen, so daß
zwischen dem Ende des Brennervorbaus und dem Anströmkonus ein Ringspalt entsteht.
Der Brennervorbau ist mit Gasdurchlaßöffnungen einer solchen Größe versehen, so
daß deren Gesamtquerschnitt eine Teilung des aus dem Wärmetauscher in den Anströmraum
tretenden Gasstromes herbeiführt. Ein Teilgasstrom tritt durch den Ringspalt direkt
in das Hochgeschwindigkeitsrohr ein, und der andere Teilstrom gelangt durch die
Öffnungen direkt in den Innenraum des Brennervorbaus, in dem die eigentliche Brennstoff-Flamme
erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine besonders intensive Mischung
der
Abluft mit dem Brennstoff erreicht und der für das Brennen erforderliche Sauerstoff
aus der Abluft entnommen.
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Um den Querschnitt des Ringspaltes zwischen dem Rand des Brennervorbaues
und dem Anströmkonus den betrieblichen Erfordernissen anpassen zu können, ist bei
einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung der Brennervorbau in Richtung
der Längsachse verschiebbar ausgebildet und/ oder das im Mischraum zugewandte Ende
des Brennervorbaues weist einen verstellbaren, aufgesetzten Blendenring auf.
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Dieser Blendenring hat Einrichtungen, die ein Verstellen von außen
ohne Betriebsunterbrechungen ermöglichen. Durch das Verändern des Ringspaltquerschnittes
ändert sich die Größe dieser Austrittsfläche im Vergleich zur Fläche der Öffnungen
an der Fläche des Brennervorbaus und damit das Mengenverhältnis der der Flamme direkt
zugeführten Abluftmenge zu der erst im Mischraum hinzutretenden Abluftmenge, die
erst dort zur Teilnahme an der Verbrennung eingemischt wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Brennervorbau
und Trommel in ihren Durchmessern so dimensioniert, daß der dazwischen entstehende
Anströmraum ausreichend groß genug ausgebildet ist, um eine ringförmige Eindüsvorrichtung
für weitere Stoffe aufnehmen zu können.
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Wenn bei dieser Ausführungsform der Erfindung im Anströmraum eine
Eindüsvorrichtung vorhanden ist, besteht die Möglichkeit einer weiteren Optimierung
der Wirkungsweise der erfindungsgemäBen Verbrennungseinrichtung durch Einbringen
von flüssigen oder gasförmigen Substanzen, wie Wasser, Abfallflüssigkeiten u. dgl.
Die Verdampfung der eingehusten flüssigen Produkte erfolgt aufgrund der vorhandenen
Strahlungsenergie des Brenners.
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Das Flammrohr oder Hochgeschwindigkeitsrohr ist im Querschnitt sehr
eng ausgebildet, so daß darin Strömungsgeschwindigkeiten von 40 bis 60 m/sec erreicht
werden. Das dem Brennervorbau zugewandte Ende des Flammrohres ist konisch als Venturirohr
ausgebildet, dessen Innenraum als zusätzliche Mischzone für die Abluft mit den Brennergasen
dient. Das andere Ende des HochgeschwindiKrkeitsrohre3 ragt in den Hauptbrennraum
hinein.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmetauscherendes und des
Anströmraumes wird eine so intensive Vormischung des Abgases mit dem Brennstoff
erreicht, daß bei den hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Flammrohr schon bei Temperaturen
von 7200 im Brennraum ein weitgehender oder vollständiger Abbrand der in den Abgasen
enthaltenen Störstoffe erfolgt. Die Trennung von Wärmetauscherteil und Brennkammerteil
in der Verbrennungseinrichtung hat den besonderen Vorteil, daß am Rohr Länge und
Größe der eigentlichen Brennkammer Je nach den Erfordernissen des eigentlichen Verbrennungsprozesses
variiert werden können, der Wärmetauscherteil und das Kopfteil der Verbrennungseinrichtung
jedoch nicht verändert werden müssen. Damit ist aber eine kostengünstige Serienfertigung
dieser Teile in mehreren Grundgrößen möglich, während Hochgeschwindigkeitsrohr und
Brennraum Jeweils den spezifischen Verhältnissen angepaßt werden können.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verbrennungseinrichtung gestattet
es, Anlagen für einen Abluftdurchsatz von 5000 m3, aber auch von 20 000 m3 in einer
besonders kompakten Bauweise auszuführen und mit diesen Anlagen Störstoffgehalte
in der Abluft von 100 mg bis zu mehreren Gramm pro m3 sicher und zuverlässig zu
beseitigen und auf diese Weise die gesetzlichen Bestimmungen Uber die zulässigen
Grenzwerte in Abluft einzuhalten.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung
besteht aber darin, daß sie produktionsbedingte Betriebsunterbrechungen zuläßt,
ohne daß sich beim Aufheizen und Abkühlen Wärmespannungen, insbesondere im Bereich
des Wärmetauschers, aufbauen können, die zu Schäden in der Einrichtung führen können.
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Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung und einer Verfahrensbeschreibung
näher erläutert. Gleiche Bezugsziffern beziehen sich auf die gleichen Teile.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung
in Längsschnitt.
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Fig. la zeigt einen Querschnitt längs der Linie A-B von Fig. 1 Fig.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der im Ausströmraum eine ringförmige Eindüsvorrichtung
angeordnet ist.
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Die in Fig. 1 wiedergegebene Verbrennungseinrichtung besteht aus einem
in der Länge variierbaren und in seinem Querschnitt engen Hochgeschwindigkeitsrohr
1, dessen hinteres Ende in den eigentlichen Brennraum 4 ragt. Vorzugsweise reicht
das Hochgeschwindigkeitsrohr 1 weit in den Brennraum hinein, so daß zwischen dessen
Ende und der Stirnwand der Verbrennungseinrichtung ein Ringraum entsteht, der einen
Übergang in den eigentlichen Brennraum 4 ergibt. Durch diese Ausbildung wird eine
intensive Turbulenz des Gasstromes im eigentlichen Brennraum 4 erzeugt, um die Ablagerung
von in den Abgasen enthaltenen Feststoffteilchen an den Wänden der Wirbelkammer
4 zu vermeiden und einen nahezu vollständigen Abbrand derartiger Teilchen zu ermöglichen.
In der Wirbelkammer 4 können deshalb auch noch in der Abbildung
nicht
gezeigte Einbauten vorhanden sein, um dem Gasstrom einen zusätzlichen Drall zu geben
und die Turbulenz zu erhöhen. Dadurch wird auch die Verweilzeit von Feststoffteilchen
in der Wirbelkammer 4 erhöht, so daß sich der Abbrand der Teilchen verbessert.
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Das entgegengesetzte Ende ia des Hochgeschwindigkeits-oder Flammrohres
(HGR) 1 ist als Venturirohr ausgebildet und dient als Mischvorrichtung oder zusätzliche
Mischraum. Der Ringraum 9, der das HGR 1 teilweise umgibt, dient als Nachbrennraum
und schließt sich an den Brennraum 4 an. Axial in Verlängerung an das Venturiteil
ia des HGR 1 schließt sich ein Brennervorbau 14 derart an, daß zwischen Anströmkonus
7 und Brennervorbau 14 ein Ringspalt 2 entsteht, durch den ein Teil des Abgases
in das HGR 1 eintreten kann.
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Unter dem mit Ziffer 13 bezeichneten Brenner wird jegliche Art von
konventionellen Industriebrennern verstanden, also auch sogenannte Flächenbrenner,
die entweder als Primär-oder als Sekundär-Luftbrenner ausgelegt sind. Die wesentlichen
Teile des Brenners 13 können außerhalb der Gesamtanlage sowie konzentrisch zur Anlagenachse
an der Stirnseite der Verbrennungseinrichtung angebracht sein.
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Der Brennervorbau 14 weist Löcher auf, durch die ein Teilstrom des
Abgases aus dem Anströmraum 15 zur Flamme 3 gelangen kann.
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Konzentrisch im Abstand wird der Brennervorbau 14 von einer zylindrischen
ider kegligen durchlöcherten Trommel 6 umgeben. Die eine Stirnseite der Trommel
6 ist durch en Anströmkonus 7. mit dem Ende der Mischvorrichtung 1a des Hochgeschwindigkeitsrohres
1 verbunden. Die andere Stirnseite
der Trommel 6 ist über die
Trennwand 8 mit der Außen wand der Verbrennungseinrichtung verbunden und schließt
so den Anströmraum 15 gegen den Außenraum 17 ab. Diese Trennwand ist vorzugsweise
als bewegliche Membran ausgebildet oder weist Wellkompensatoren auf.
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Die Trommel 6 weist eine zylindrische oder keglige Form auf, und die
Wandung ist durchlöchert zur Aufnahme der Enden der einzelnen Rohre des Rohrbündels
des Wärmetauschers 5.
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Diese Rohre sind in die Löcher der Trommel eingeschweißt oder eingerollt,
um eine gasdichte Verbindung zu erzeugen.
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In der Figur sind die einzelnen Rohre des Wärmetauscherrohrbündels
5 nicht als solche, sondern nur als Block wiedergegeben. Die einzelnen Rohre sind
auf zur Längsachse konzentrischen Kreisringen angeordnet. Der Abstand und die Anordnung
werden so gewählt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Gase an der Oberfläche der
Rohre gleich ist. Vorzugsweise beträgt die Strömungsgeschwindigkeit 8 - 18 m/sek.
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Dieses Rohrbündel erstreckt sich von der Trommel 6 zunächst in Richtung
auf die Außenwand der Verbrennungseinrichtung und biegt dann in eine Richtung parallel
zur Längsachse der Verbrennungseinrichtung ab und verläuft durch den Außenraum des
Wärmetauschers 17 und endet an der Stirnwand zur Abgaseintrittsringkammer 17. Auch
an diesem Ende sind die einzelnen Rohre des RohrbUndels in die Wand eingeschweißt
oder eingerollt. Durch diese Ausbildung des Rohrbündels 5 im Außenraum 17 entsteht
ein rekuperativer Wärmetauscher, bei dem die kalten Gase in den Rohren strömen und
wobei diese Rohre außen im sogenannten Außenraum 17 von den heißen Verbrennungsgasen
umspült sind, so daß das der Verbrennungseinrichtung zugeführte Abgas durch die
heißen Verbrennungsgase vorgewärmt wird. Der Außenraum des Wärmetauschers 17 weist
an dem an die Eintrittsringkammer 12 anschließenden Ende einen Verbrennungsaustrittsstutzen
11 auf. Das Rohrbündel 5 wird innerhalb des Außenraumes 17 durch Abstandhalter 5a
gehalten, die so angeordnet und ausgebildet
sind, daß die Gase
einen Drall bekommen und sich spiralförmig durch den Raum 17 mit dem darin angeordneten
Rohrbündel 5 bewegen, so daß ein guter 51ärmeUbergang von den heißen Verbrennungsgasen
auf die zunächst kühleren Abgase erfolgt: Fig. 1a, ein Schnitt längs der Linie A-B
der Fig. 1, zeigt die nach innen in Richtung auf die Längsachse der Verbrennungseinrichtung
abgebogenen Enden der Rohre des Wärmetauscherrohrbündels 5, die in die Trommel 6
eingefügt sind. Der zwischen dem Brennervorbau 14 und der Trommel 6 im Innern entstehende
Raum ist der Anströmraum 15.
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Fig. 2 zeigt die Ausführungsform, bei der im Anströmraum 15 zusätzlich
eine Eindüsvorrichtung 18 angeordnet ist, um weitere Stoffe in die Verbrennungseinrichtung
einführen zu können. Um eine gleichmäßige Verteilung zu ermöglichen, ist eine ringförmige
Eindüsvorrichtung bevorzugt, dies ist aber nicht zwingend. Es sind auch andere Formen
möglich und geeignet.
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Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung
wird im nachfolgenden Beispiel aufgezeigt, wie diese Einrichtung arbeitet.
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20 000 Nm3 Abgas aus einem Prozeß, in welchem verschiedenartige Lösungsmittel
Verwendung finden, strömen durch den Abgaseintrittsstutzen 10 in die Abgaseintrittsringkammer
12 vor dem Wärmetauscher 5 der Verbrennungseinrichtung mittig von oben bzw. tangential
von oben mit beispielsweise 1000C ein. Das Abgas verteilt sich gleichmäßig in der
gesamten Anzahl der Einzelrohre des Wärmetauschers 5, durchströmt diese und wird
dabei auf 5500C aufgeheizt.
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Das vorgeheizte Abgas verläßt den Wärmetauscher 5 durch die Öffnungen
in der Trommel 6 und gelangt in den Anströmraum 15. Von dort aus gelangt es teilweise
durch die Öffnungen in dem Brennervorbau 14 zur eigentlichen Flamme 3, während ein
anderer Teilstrom durch den Ringspalt 2 direkt in den Venturiteil 1a (Mischvorrichtung)
des Flammrohres 1 eintritt. Der Teilstrom, der durch Brennervorbau 14 zur Flamme
3 gelangt, führt der Flamme den benötigten Sauerstoff zu und mischt sich durch die
Anströmung intensiv mit dem Brennstoff. Der durch den Ringspalt 2 eintretende Abgasstrom
wird in der Mischvorrichtung la dem bereits mit Abgas vermischten Brennstoff zugemischt.
Durch diese Führung des vorgeheizten Abgasstromes im Anströmraum 15 wird von Anfang
an eine besonders intensive Mischung des Abgasstromes mit dem Brennstoff erreicht.
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Um den Mischvorgang den speziellen Bedürfnissen im Einzelfall noch
besonders anpassen zu können, ist eine Ausführungsform vorgesehen, die eine Verstellung
des Querschnittes des Ringspaltes 2 ermöglicht. Das kann entweder durch einen auf
das Ende des Brennervorbaues 14 aufgesetzten verstellbaren Blendenring oder durch
die in Richtung der Längsachse der Verbrennungseinrichtung verschiebbar ausgebildeten
Brennervorbau geschehen. Durch die Veränderung des Querschnittes des Ringspaltes
2 kann dessen Fläche im Verhältnis zur offenen Fläche des Brennervorbaues 14 variiert
und damit die Teilung des Gasstromes gesteuert werden.
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Der Brenner 13 feuert in Richtung des Hochgeschwindigkeitsrohres 1
längs der Achse der Verbrennungseinrichtung. In Nachbarschaft des Brenners 13 befindet
sich das vom Nachbrennraum 9 umgebene Hochgeschwindigkeitsrohr 1, das den kleineren
Teil des Gesamtbrennvolumens darstellt. In diesem in seinem Durchmesser kleinen
und in seiner Länge mindestens
über die Länge des Wärmetauschers
hinausragenden Flamrnrohr 1 findet eine weitere Durchmischung dcr Abgase und der
Flamrauchgase sowie eine Er.Nirmung derselben um etwa 80°C auf e-twa 650°C statt.
Am Ende des Flammrohres 1 werden die durchmischten Abgase gegebenenfalls durch zusätzliche
Dralleinrichtungen verirbelt und umgelenkt, gelangen dabei in die eigentliche Brenn-
oder Wirbelkammer 4, wo sie sich um weitere 1200C auf etwa 7500C aufheizen (Eigenwänme
aufgrund exothermer Reektion). An der Stirnseite der Verrnungseinrichtung, d h.
der eigentllcnen Brrnkammer, serden die Abgase wiederum um 180°C umgelenkt und dadurch.
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durch den Brannraum 4 in Richtung Nachbrennkammer 9 bewegt, wobei
eine zusätzliche Verwirbelung der Abgase bewirkt wird.
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Am Ende des Nachbrennraumes 9 werden die Gase an der Verbindungswand
zwischen Flammrohr und zylindrischer Trommel ab- und umgelenkt in den Außenraum
17 des Wärmetauschers.
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In einer bis mehreren Umlenkungen durchströmt das oxidierte heiße
Rauchgas das Ringbündel (Röhren- oder Taschenbündel) des Wärmetauschers 5, wobei
das Rauchgas das Rohrbündel von innen nach außen oder von außen nach innen umströmt.
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Dadurch werden die heißen Rauchgase auf eta 3150C abgekühlt und verlassen
durch den Austrittsstutzen 11 die Verbrennungseinrichtung.
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Fällt aus technischen Gründen des vorgeschalteten Prozesses die Konzentration
der Störstoffe im Abgas ab, so wird der Brenner 13 automatisch auf höhere Leistung
geregelt, so daß eine nahezu konstante Temperatur von 720 bis 7500C in der Brennkammer
ermöglicht wird.
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Im umgekehrten Fall, also beim Ansteigen der Konzentration der Störstoffe
im Abgas kann unverbranntes Abgas über einen den Eintrittsringraum 12 und das Flammrohr
verbindenden, in der Abbildung nicht gezeigten Durchgang, der dann geöffnet wird,
direkt in das Flammrohr eingedüst werden, ohne daß dieser Teil des Abgases vorher
im Wärmetauscher aufgeheizt worden ist.
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Die in Ganzstahl oder Mauerwerk oder in Kombinationen ausgeführte
Verbrennungseinrichtung besitzt zusätzlich ein konzentrisch zur Achse der Gesamtanlage
angeordnetes, in der Abbildung nicht gezeigtes Mannloch an der Stirnseite, welches
die Begehung des Flammrohres 1 gestattet. An dieser an den eigentlichen Brennraum
4 anschließenden Stirnseite können weiterhin Beobachtungsklappen für die direkte
Beobachtung der Flamme sowie Temperaturmeßeinrichtungen angeordnet sein.