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Drehströmungsfeuerung
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Die Erfingung betrifft eine Drehströmungsfeuerung für alle brennbaren
Stäube mit mindestens einer Umkehrung der Drehströmung in der Brennkammer und einer
nach innen weisenden Einschnürung der Brennkammer, insbesondere für Dreizugkessel,
nach Patent (P 31 45 799.1).
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Nach Patent ... (P 31 45 799.1) wird das Drehströmungsfeuerungsprinzip
in der Praxis dadurch nutzbar gemacht, daß unter Einhaltung der die Drehströmung
bestimmenden Grenzbedingungen eine beträchtliche Partikelbewegung in axialer Richtung
des zylinderförmigen Drehströmungsbrennraumes erzeugt wird. Dabei entsteht zugleich
die für eine ausreichende Verbrennung notwendige Verweilzeit der Staubpartikel im
Brennraum. Diese Verweilzeit wird insbesondere durch die verschiedenen Umlenkungen
der Drehströmung in axialer Richtung vorteilhaft beeinflußt. Jede Umlenkung entsteht
an einer Einschnürung der Anströmfläche der die Drehströmung gebenden Brennkammer.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist bei Verwendung der Brennkammer
für einen Dreizugkessel zugleich vorgesehen, daß ein Teil des ersten Zuges (Flammrohres)
des Dreizugkessels als Brennkammer für die Drehströmungsfeuerung ausgebildet ist.
Üblicherweise ist jeweils der erste Zug eines Dreizugkessels so dimensioniert, daß
im vorderen Teil des Flammrohres stets die Feuerungsanlage aufgenommen werden kann.
Für Nußkohlefeuerungen finden sich selbst für kleinere Kesselleistungen bereits
Flammrohrdurchmesser von mehr als 700 mm. Größere Kesselleistungen bedingen für
den gleichen Brennstoff Flammrohrdurchmesser ab 1 600 mm aufwärts. Ö1- oder gasgefeuerte
Dreizugkessel besitzen dagegen einen vergleichsweise bedeutend geringen Flammrohrdurchmesser.
In der Regel kann von einem Drittel bzw. der Hälfte des Flammrohrdurchmessers vergleichbarer
nußkohlegefeuerter Dreizugkessel ausgegangen werden.
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Vorteilhafterweise baut die erfindungsgemäße Brennkammer für Drehströmungsfeuerung
so klein, daß in etwa die üblichen Flammrohrdurchmesser für öl- oder gasgefeuerte
Dreizugkessel eingehalten werden können. Die erfindungsgemäße Ausbildung des ersten
Flammrohres an Dreizugkesseln eignet sich insbesondere für Neubauten von Dreizugkesseln.
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Eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Drehströmungsfeuerung
nach Patent ... (P 31 45 799.1) besteht in einer veränderten Zuführung der Verbrennungsluft.
Während der ursprüngliche Vorschlag noch von einer außenliegenden kanal- oder rohrförmigen
Verbrennungsluftzuführung ausgeht, ist nunmehr ein Zuführungsmantel vorgesehen,
der die Brennkammer an ihrem Umfang umschließt, so daß zwischen der äußeren Umfangsfläche
der Brennkammer und der Innenfläche des Zuführungsmantels Verbrennungsluft geführt
werden kann. uiese Bauform zeichnet sich durch einen geringeren baulichen Aufwand,
Platzersparnis und Vorteil der Vorwärmung der Verbrennungsluft am äußeren Umfang
der Brennkammer aus.
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In Ausbildung des ersten Zuges eines Dreizugkessels als erfindungsgemäße
Drehströmungsbefeuerung zeigt sich noch ein zusätzlicher Vorteil bei Wasserberührung
des Zuführungsmantels. Dann bewirkt die Berührung des Zuführungsmantels mit dem
Kesselwasser eine zusätzliche Vorwärmung der an der Innenseite des Zuführungsmantels
entlanggeführten Verbrennungsluft.
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In der baulichen Ausführung bildet der wasserumspülte Zuführungsmantel
mit dem ersten Zug des Dreizugkessels ein einziges Rohr, das dem bisherigen Flammrohr
entspricht.
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Zur Referierung des Strömungswiderstandes in den Schlitzdüsen der
Brennkammer und zur weiteren Erhöhung der Vorwärmung der Verbrennungsluft sind in
die von Verbrennungsluft umströmte Umfangsfläche der Brennkammer Ausnehmungen eingearbeitet,
die zu den Schlitzdüsen führen. Diese Ausnehmungen weisen vorzugsweise eine halbzylindrische
Form auf und erstrecken sich in Brennkammerlängsrichtung.
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Die Schlitzdüsen weisen in Brennkammerlängsrichtung zum Austragsende
der Brennkammer hin abnehmende Längen auf. Im Bereich der Brennstaubzuführung ist
der jeweils größte Schlitzdüsenquerschitt vorgesehen. Diese Schlitzdüsenausbildung
dient der dosierten Sauerstoffzuführung, wobei dem größten Sauerstoffbedarf an der
Stelle der Brennstoffzuführung Rechnung getragen wird. Diese erfindungsgemäße Querschnittsgestaltung
der Schlitzdüsen ist unabhängig von der Ausgestaltung des Flammrohres in einem Dreizugkessel
als Brennkammer für alle erfindungsgemäßen Drehströmungsfeuerungen anwendbar.
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Die Schlitzdüsen weisen vorzugsweise rechteckigen Querschnitt auf,
wobei mit Breite die Absmessung der Schlitzdüsen in Umfangsrichtung und mit Länge
die Abmessung in Längsrichtung der Brennkammer bezeichnet werden. Nach der Erfindung
wird die Düsenbreite zwischen 10 und 25 mm und die Düsenlänge zwischen 20 und 250
mm gewählt.
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Die Drehströmungsfeuerung besitzt wahlweise eine drehzahlverstellbare
Brennstaubdosierung.
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Des weiteren ist für die erfindungsgemäße Drehströmungsfeuerung eine
Abschottung zum Schutz gegen Strahlungswärme für den Anfahr-Öl- oder Gasbrenner
vorgesehen. Der Ö1- oder Gasbrenner dient lediglich als Anfahrbrenner und wird nach
dem Erreichen einer entsprechend hohen Feuerrauminnenwandtemperatur abgestellt.
Die Abschottung spricht dann temperaturabhängig an. Die Temperatur wird gemessen,
elektrisch umgesetzt und als Abschaltsignal für den Ö1- oder Gasanfahrbrenner benutzt.
Das Abschalten des Anfahrbrenners ist gekoppelt mit einer Betätigung der Abschottung
sowie mit dem Anspringen der Brennstaubdosierschnecke und des Verbrennungsluftventilators.
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Die Abschottung ist als Schieber ausgebildet, der elektrisch oder
pneumatisch betätigt wird und zugleich doppelwandig ausgebildet ist.
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Die doppelwandige Ausbildung erlaubt das Einführen von Luft. Sie ist
ein Teilstrom der Verbrennungsluft und bewirkt gleichzeitig eine Kühlung der Abschottung.
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Vorteilhafterweise wird die so eingesetzte Kühl luft durch Öffnungen
an der dem Feuerungsraum der Brennkammer zugewandten Seite des Schiebers hindurch
in die Brennkammer geblasen.
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Im übrigen ist nach der Erfindung eine Rückführung der Grobstaubpartikel
zur Brennstaubdosierung vorgesehen. Durch diese Rückführung werden Teilchen mit
noch unverbrannten Bestandteilen erneut dem Feuerungsraum zugeführt. Dieser Recital
erhöht den Wirkungsgrad der Feuerungsanlage beträchtlich. Im einzelnen werden die
aus dem Dreizugkessel austretenden Abgase zunächst durch einen Entstauber geführt,
der vorzugsweise als mechanischer Abscheider ausgebildet ist. Im Entstauber werden
die groben Partikelchen mit noch brennbaren Bestandteilchen abgeschieden und über
eine Zellenradschleuse in die Dosierschnecke gegeben, die dann eine kontinuierliche
Brennstoffzuführung zur Drehströmungsfeuerung sicherstellt.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Dreizugkessel mit eingebauter Drehstromungsbrennkammer
im Schnitt Fig. 2 den Deizugkessel nach Fig. 1 in der Vorderansicht, die Drehströmungsfeuerung
im Schnitt mit Rotationsdüsen und Brennstaubdosierung und -eintritt Fig. 3 eine
Teilansicht des Verbrennungslufteintritts durch eine Rotationsdüse sowie Brennstaub-
und Wirbellufteintritt Fig. 4 die gleiche Ansicht wie Fig. 3 mit andersgestaltetem
Verbrennungslufteintritt Fig. 5 eine Teilansicht des Brennstaubeintritts nebst Wirbelluftabzweig
und -eintritt
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI/VI in Fig.
5 - Austritt der rotierenden Wirbel luft, die hier gleichzeitig als Kiilllluft dient
Fig. 7 eine schematische Gesamtansicht einer Warmwasserkesselanlage mit dem Dreizugkessel
gem. Fig. 1 - 6 Nach Fig. 7 wird der Brennstaub über eine pneumatische Förderleitung
1 aus einem nicht dargestellten Silo versorgt. Die Förderleitung 1 führt zu einem
kombinierten Zyklon-Gewebefilter 2. Hier vollzieht sich eine Trennung zwischen der
Transportluft und den Staubpratikeln. Die abgetrennte Transportluft tritt aus dem
Gewebefilter 2 in eine nicht dargestellte Leitung, die zu einem Gebläse bzw. zu
einer Vakuumpumpe führt. Das Gebläse bzw. die Vakuumpumpe und das kombinierte Zyklon-Gewebefilter
2 sowie die Verbindungsleitungen werden normalerweise baulich als Einheit ausgebildet.
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Die im kombinierten Zyklon-Gewebefilter abgeschiedenen Staubpartikel
fallen in einen darunter angeordneten Dosierbehälter 3. Aus dem Dosierbehälter 3
fördert eine am Boden des Dosierbehälters angeordnete Schnecke 4 mit stufenlos regelbarem
Antrieb 5 die Staubpartikel kontinuierlich über ein Fallrohr in eine Brennkammer.
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In Fig. 1 ist die Brennkammer mit 6 bezeichnet und in einen Rauchrohrdreizugkessel
7 integriert. Die Brennkammer 6 hat eine zylindrische Form und füllt nach Fig. 1
etwa bis zur Hälfte das Flammrohr des Dreizugkessels aus, das den sogenannten ersten
Zug dieses Kessels bildet. Dabei ist das mit 8 bezeichnete Flammrohr der Brennkammer
6 angepaßt. Aufgrund der baulichen Freiheit der in üblicherweise großvolumigen Drei
zugkessel n ist das unproblematisch. Die bauliche Anpassung wird darin deutlich,
daß das Flammrohr 8 einer Einschnürung 9 der Brennkammer 6 an deren Austragende
folgt.
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Eintragseitig ist die Brennkammer 6 mit einer Tür 10 versehen.
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Die Tür 10 besitzt eine definierte Ausbildung 11 und ist mit einem
zentrischen Stutzen 12 versehen, an den ein Anfahrbrenner 13 für Gas oder Öl angeflanscht
ist.
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Ferner weist die Tür 10 ein Schott 14 auf. Zu dem Schott 14 gehören
eine Führung 15 und ein Schieber 16. Der Schieber 16 ist mehrwandig ausgebildet,
innen hohl und an der dem Feuerraum der Brennkammer 6 zugewandten Seite mit einer
Vielzahl feiner Öffnungen versehen.
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Dadurch kann der Schieber von innen mit Luft gekühlt werden. Die Luft
tritt dann in geschlossenem Zustand des Schotts an der zur Brennkammer gewandten
Seite als kleine Verbrennungslufthilfsströmung aus.
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Zur Brennkammer 6 gehören ein mehrwandiger Stahlhohlmantel 17, der
innen zunächst mit einer Schicht 18 aus Isoliersteinen und dann mit einer Feuerfestausmauerung
19 ausgekleidet ist.
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Der Stahlhohlmantel 17 dient zugleich als Verbrennungsluftführung
und ist über eine Leitung 20 an ein Gebläse 21 für Verbrennungsluft angeschlossen.
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Das Gebläse 21 drückt die Verbrennungsluft über tangential angeordnete
Öffnungen unter Bildung einer Rotationsströmung in die Brennkammer 6. Zu diesen
Öffnungen gehören viele gleichmäßig verteilt am Umfang der Brennkammer angeordnete
und noch näher zu beschreibende Schlitzdüsen sowie das schon beschriebene Schott
14, ein mit 22 bezeichnetes Fallrohr des Brennstaubeintrages und wahlweise nicht
dargestellte Schlitzdüsen bei 23. Die wahlweise bei 23 vorgesehenen Schlitzdüsen
dienen als Hilfsströmung zur Unterstützung einer definierten Luftführung innerhalb
der Brennkammer 6.
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Für das Fallrohr 22 ist eine Leitung 24 an den Stahlhohlmantel 17
angeflanscht. Die Leitung 24 führt Wirbel- und Kühl luft aus dem Stahlhohlmantel
zu dem Fallrohr.
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Zwischen dem Gebläse 21 und der Dosierschnecke 4 ist ein Aggregat
vorgesehen, welches sicherstellt, daß eine Änderung der Kesselwarmeleistung sofort
eine Drehzahländerung des Flügelrades des Gebläses 21 sowie der Dosierschnecke 4
bringt. Diese Verbindung stellt sicher, daß,unabhängig von der Kesselleistungsstets
mit einem hohen CO2-Gehalt in den Abgasen gefahren werden kann.
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Aus der Brennkammer 6 treten die Verbrennungsgase in das Flammrohr
8 des Dreizugkessels 7. Am Ende des Flammrohres 8 werden die Heißgase in der hinteren
Wendekammer 25 des Dreizugkessels 7 umgelenkt und in den zweiten Zug des Dreizugkessels
7 geleitet. Bei dem sogenannten zweiten Zug handelt es sich zum eine Anzahl von
Rauchrohren, die die Verbrennungsgase wieder nach vorne leiten. An der Vorderseite
des Dreizugkessels 7 münden die Rauchrohre des zweiten Zuges 26 in eine vordere
Wendekammer 27. Dort werden die Verbrennungsgase erneut um 1800 umgeleitet und in
die Rauchrohre des sogenannten dritten Zuges gelenkt, der mit 28 bezeichnet ist,
bis die Verbrennungsgase den Dreizugkessel 7 austrittfertig verlassen. Das Flammrohr
8, die Rauchrohre des zweiten Zuges 26 und die Rauchrohre des dritten Zuges 28 sind
wasserumspült.
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Aufgrund üblichen Wasservolumens sind das Flammrohr 8 und die Rauchrohre
des zweiten und dritten Zuges in verhältnismäßig großem Abstand vom Gehäuse des
Dreizugkessels 7 umgeben.
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Die aus dem Dreizugkessel 7 austretenden Abgase werden zunächst einem
Zyklon 29 zugeführt. Hier werden die groben Staubpartikel abgeschieden, die manchmal
noch brennbare Restbestandteile enthalten. Sie werden über eine Schleuse 30 der
Dosierschnecke 4 zugeführt. Die Schleuse 30 ist wahlweise als Zellenradschleuse
ausgebildet. Sie ermöglicht ein kontinuierliches Eindosieren der Partikel in den
Förderstrom der Schnecke 4.
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Die aus dem Zyklon 29 austretenden Abgase werden einem Filter 31 zugeführt.
Dort findet eine Feinstabscheidung statt, bevor die Abgase über den nachgeschalteten
Kamin ins Freie entweichen. Zur Sicherstellung eines ausreichenden Zuges zwischen
dem Kessel und dem Filter 31 ist ein Gebläse 32 installiert. Das Gebläse 32 besitzt
im Saugstutzen eine Regelklappe 33, die unabhängig von der Wärmeleistung für stets
gleichbleibende Druckverhältnisse in der Brennkammer sorgt.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Dreizugkessel 7 mit 40 m2 Heizfläche
für eine Leistung von ca. 1 Gcal/h für eine Warmwasseranlage mit einem Vorlauf von
max. 120 OC ausgelegt. Der Heizungsvorlauf 34 und der Heizungsrücklauf 35 sind in
Fig. 7 schematisch dargestellt.
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Die Heizungsanlage besitzt eine übliche Umwälzpumpe 39, Schieber 37,
einen Dreiwegemischer 38 und Wärmemengenzähler 39 In Fig. 5 und 6 sind Einzelheiten
des Fallrohres 22 dargestellt.
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Danach besitzt das Fallrohr 22 austrittseitig eine trichterförmige
Aufweitung 50. Bevor die von der Schnecke 4 antransportierten und das Fallrohr 22
fallenden Brennstaubpartikel die Aufweitung 50 erreichen, tritt Wirbel luft = Kühl
luft durch tangential angeordnete Schlitzdüsen 51 in das Fallrohr 22. Die Wirbel
luft = Kühl luft wird durch die Leitung 24 zugeführt, die das Fallrohr 22 im Bereich
der Schlitzdüsen ringförmig und schließend umgibt. Die Wibelluftströmung in der
Leitung 24 läßt sich mit einer Regelklappe über einen Hebel 52 von Hand in Abhängigkeit
von der Brennstaubsorte einmalig und fest einstellen.
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Die tangential angeordneten Schlitzdüsen 51 verlaufen nach Fig. 5
in Längsrichtung des Fallrohres 22. In dem in Fig. 6 dargestellten Querschnitt verlaufen
die Schlitzdüsen so, daß die Wirbel luft auf einer zur Innenwandung des Fallrohres
22 tangentialen Bewegungsbahn in das Fallrohr 22 eintritt. Die Schlitzdüsen 51 sind
im vorliegenden Ausführungsbeispiel gerade geformt. Der tangentiale Wirbellufteintritt
bewirkt jedoch, daß den sich durch das Fallrohr 22 in-dem
Bereich
der trichterförmigen Aufweitung 50 bewegenden Staubpartitkeln eine spiralförmige
Bahn vermittelt wird, deren Spiraldurchmesser sich in der trichterförmigen Aufweitung
50 erweitert. Die dadurch entstehende Wirbelluft-Brennstaub-Spirale trifft dann
auf eine starke Drehströmung in der Brennkammer 6.
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Die Drehströmung wird mit Verbrennungsluft erzeugt, die durch Schlitzdüsen
53 aus dem als Verbrennungsluft zuführenden Stahimßntel 17 tritt. Die Düsen sind
in Reihen gleichmäßig verteilt am Anfang der Brennkammer 6 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel
sind 5 Reihen von Schlitzdüsen 53 vorgesehen.
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Jede Reihe von Schlitzdüsen hat ihrerseits drei Schl.itzdüsen 53,
die um 1200 versetzt am Umfang der Brennkammer angeordnet sind.
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Alle Schlitzdüsen 53 einer jeden Düsenreihe sind über den Stahl, hohlmantel
17 miteinander verbunden.
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Nach Fig. 3 sind die in gleicher Höhe angeordneten Schlitzdüsen einer
jeden Reihe durch Einsatzwölbungen 54 des Stahlhohlmantels 17 miteinander verbunden.
Diese Einsatzwölbungen werden vorzugsweise durch halbzylindrische Rohre 55 gebildet,
die an den inneren Mantel des Stahlhohlmantels 17 angeschweißt sind. Die Rohre 55
stehen über Ausnehmungen des inneren Mantels des Stahlhohlmantels 17 mit dessen
Verbrennungsluft führenden Innenraum in Verbindung. Wahlweise erstrecken sich die
Rohre 55 über die Gesamtlänge des Stahlhohlmantels 17. Die Schlitzdüsen sind als
tangential angeordnete Flachstrahl düsen ausgebildet und ihrerseits mit den Rohren
55 verschweißt. Die Schlitzdüsen 53 sind so angeordnet, daß ihre Längsachse parallel
zur Brennkammerlängsachse verläuft und ihre Eintragsrichtung für Verbrennungsluft
in die Brennkammer 6 auf einer Tangente an einem bestimmten Kreis liegt, dessen
Durchmesser um das Maß 10 - 30 mm kleiner als der Innendurchmesserder zylindrisch
ausgebildeten Brennkammer 6 ist. Das bewirkt einen gewissen Abstand des in die Brennkammer
6 eintretenden Luftstrahles von der Brennkammerinnenwand, wobei vernachlässigt wird,
daß die Verwirbelung des Luftstrahles zwangsläufig eine geringe Berührung mit der
Innenwand der Brennkammer verursacht.
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Die einzelnen Schlitzdüsen haben in Längsrichtung der Brennkammer
6 unterschiedliche Längen. Dabei nimmt die Länge über die Längsrichtung der Brennkammer
6 zum Austragsende hin ab. Im Bereich der Brennstaubzuführung wird die jeweils größte
Länge und damit der größte Querschnitt vorgesehen. Insgesamt kann dabei die zweckmäßige
Düsenlänge zwischen 20 und 250 mm variieren. Entsprechendes ist für die Düsenbreite
vorgesehen. Für die Düsenbreite sind Abmessungen zwischen 10 und 25 mm geeignet.
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Die Gesamtlänge der Brennkammer steht zum Innendurchmesser in einem
bestimmten Verhältnis. Dieses Verhältnis liegt vorzugsweise zwischen 2 : 1 und 4
: 1. Das gilt insbesondere für möglichst genau zylindrische Innenräume der Brennkammer.
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Nach Fig. 4 sind anstelle der Düsen 53 und Rohre 55 Schlitzdüsen 56
vorgesehen, die unmittelbar an dem Innenmantel des Stahlhohlmantels 17 befestigt
sind.
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In Fig. 3 und 4 wird dargestellt, wie im Betriebsfall die mit 57 bezeichneten
Staubpartikel sich durch das Fallrohr 22 bewegen und von der aus den Düsen 51 austretenden
Wirbel luft in eine spiralförmige Bewegungsbahn gebracht werden, bevor sie von der
mit 58 bezeichneten Drehströmung erfaßt werden. Die Drehströmung 58 bewegt die Kohlenstaubpartikel
57 dann ihrerseits auf spiralförmiger Bahn durch die Brennkammer 6 gegen deren austrittseitige
Stirnfläche. An dieser Stirnfläche befindet sich eine kegelförmige Einschnürung.
Die Einschnürung bewirkt eine Umkehrung der auftreffenden Drehströmung.
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Nach dieser Umkehrung strömt die Verbrennungsluft mit den darin weiterbrennenden
Kohlenstaubpartikeln gegen die eintrittseitige Stirnfläche der Brennkammer 6 und
wird dort an einer weiteren Einschnürung bzw. erneut umgekehrt, um danach der Austrittsöffnung
der Brennkammer 6 zuzuströmen.
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Durch den Einbau des Stahlhohlmantels 17 im Dreizugkessel 7 und und
die gleichzeitige Verwendung des Stahlrohrmantels 7 als Führung für die Verbrennungsluft
ergibt sich eine vorteilhafte Vorwärmung der Verbrennungsluft im Stahlhohlmantel
17 durch das den Stahlhohlmantel im Dreizugkessel 7 umgebende Wasser. Neben der
kompakten Bauform hat der Einbau der Brennkammer 6 im Flammrohr 8 auch verbrennungstechnische
Vorteile.
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Für die kompakte Bauform ist ferner von Vorteil, daß die Brennstoffzuführung
über die Dosierschnecke 4 drehzahlverstellbar und insbesondere schwenkbar angeordnet
ist. Die Verstellbarkeit wird durch entsprechendes Anflanschen der Schnecke 4 an
das Fallrohr 22 erreicht.