DE4012363A1 - Vorrichtung zum verbrennen fester brennstoffe, insbesondere holz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe, insbesondere Holz, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Vorrichtungen werden vorwiegend als Heizkessel für den privaten oder für den industriellen Ge­ brauch eingesetzt. Verbrennungsvorrichtungen der genannten Art können aber auch für andere Zwecke verwendet werden wie z.B. für Trocknungsanlagen, zur Aufheizung flüssiger Kompo­ nenten in der Verfahrenstechnik usw. Die Vorrichtungen können mit Brennholz in verschiedenen Erscheinungsformen wie z.B. Scheite oder Holzspäne beschickt werden. Aber auch die Ver­ brennung anderer fester Brennstoffe mit im Vergleich zu Kohle niedrigem Heizwert wie z.B. Altpapier, Torf usw. ist ohne weiteres möglich.

Es ist bereits seit langem bekannt, daß niederwertiges Brenngut die Eigenschaft hat, nur unvollständig zu verbren­ nen, wobei schadstoffhaltige Rauch- und Schwelgase produziert werden, die aber noch brennbar sind. Zur besseren Wärmeaus­ nützung und zur Vernichtung der Schadstoffe wird daher eine Nachverbrennung durchgeführt, bei der die Rauchgase aus der Vorbrennkammer mit sauerstoffhaltiger Sekundärluft durch­ mischt werden. Dabei entstehen derart hohe Temperaturen, daß sich das Gas/Luft-Gemisch in der Nachbrennkammer von selbst entzündet.

Durch die US-A-45 43 890 ist eine gattungsmäßig vergleichba­ re Vorrichtung bekannt geworden, bei der die Vorbrennkammer und die Nachbrennkammer als konzentrisch ineinander angeord­ nete Zylinder ausgebildet sind, wobei die Vorbrennkammer einen etwas kürzeren, inneren Zylinder bildet. Die Sekundär­ luft wird in der Ringkammer zwischen den beiden Zylindern zugeführt. Von der Vorbrennkammer treten die Rauchgase direkt in die durch den größeren Zylinder gebildete Nachbrennkam­ mer, wobei lediglich ein paar Strömungsbleche am Innenmantel der Vorbrennkammer eine turbulente Strömung herbeiführen sollen.

Durch die DE-A-32 18 334 ist eine andere Vorrichtung bekannt geworden, bei der zwischen der Vorbrennkammer und der Nach­ brennkammer Öffnungen vorgesehen sind, die durch schrägge­ stellte Lamellen gebildet werden. Unmittelbar unter den Lamellen ist in der Nachbrennkammer eine Zutrittsöffnung für die Sekundärluft vorgesehen, wobei der Sekundärluftstrom von den Abgaseinzelströmen erfaßt und verwirbelt werden soll.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtungen besteht jedoch darin, daß die Durchmischung der Sekundärluft mit den Rauch­ gasen in der Nachbrennkammer noch ungenügend ist. Bei starkem Zug verläuft der Sekundärluftstrom weitgehend laminar, wobei er aus der Nachbrennkammer entweicht, ohne den Verbrennungs­ prozeß nachhaltig zu fördern.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der in der Nachbrenn­ kammer eine intensive Durchmischung der Sekundärluft mit den Rauchgasen stattfindet. Insbesondere soll auch bei intensivem Zug Sekundärluft voll wirksam werden, damit die Nachverbren­ nung in einem idealen stöchiometrischen Gas/Luft-Gemisch stattfindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale im Anspruch 1 aufweist. Die als Zufuhrkanal für die Sekundärluft ausgebildete Hohlwand ermög­ licht es, die Sekundärluft nicht nur in Randbereichen, son­ dern an beliebigen Stellen im Rauchgasstrom aus der Vorbrenn­ kammer in die Nachbrennkammer eintreten zu lassen. Auch die durch die Hohlwand durchtretenden Verbindungsleitungen können so angeordnet werden, daß eine ideale Strömung der Rauchgase erzielt wird.

Die Hohlwand ist vorzugsweise etwa vertikal angeordnet, so daß Vorbrennkammer und Nachbrennkammer seitlich nebeneinan­ der angeordnet werden können. Die Hohlwand könnte aber ohne weiteres auch als zylindrischer Wandabschnitt oder als Kombi­ nation verschiedener Wandabschnitte ausgebildet sein.

Weitere Vorteile bei der vertikalen Hohlwand können erzielt werden, wenn diese an eine vorzugsweise als Rost ausgebildete Bodenpartie der Vorbrennkammer angrenzt und wenn über der Bodenpartie eine tunnelartige Aussparung in der Hohlwand angeordnet ist, durch welche die Vorbrennkammer und die Nachbrennkammer unmittelbar miteinander verbunden sind. Wird die Vorbrennkammer mit Scheiten, Schwarten oder ähnlichem Brennholz bestückt, so können lange Stücke unmittelbar über dem Rost bis in die Nachbrennkammer durchgeschoben werden. Der Anfeuerungsprozeß kann so auf besonders einfache Weise in der Nachbrennkammer beginnen, so daß der für das Ansaugen der Rauchgase durch die Verbindungsleitungen nötige Zug aufgebaut wird und die Hohlwand auf die nötige Temperatur aufgeheizt wird. Anschließend breitet sich der Brand bzw. das Glutbett in die Vorbrennkammer aus. Das Glutbett kann so bis in die Nachbrennkammer hinein verlängert werden, ohne daß der Verbrennungsprozeß beeinträchtigt wird.

Besonders vorteilhaft wird die Hohlwand über einen Vorwärmka­ nal mit Sekundärluft gespeist, der sich unter der Bodenpartie der Vorbrennkammer erstreckt. Auf diese Weise wird die Sekun­ därluft schon vor dem Eintreten in die Hohlwand vorgewärmt, wodurch Wärmeverluste in der Nachbrennkammer vermieden werden können. In der Hohlwand selbst steigt die Temperatur der Sekundärluft nochmals stark an, bevor sie in die Nachbrenn­ kammer eingeblasen wird.

Eine intensive Durchmischung der Rauchgase mit der Sekundär­ luft kann erzielt werden, wenn jeder Verbindungsleitung wenigstens eine Eintrittsöffnung zugeordnet ist und wenn die Eintrittsöffnungen nahe beim Mündungsbereich der Verbindungs­ leitungen in die Nachbrennkammer liegen. Auf diese Weise tritt nicht nur ein einziger gebündelter Sekundärluftstrom in die Nachbrennkammer ein, sondern eine Vielzahl von Teilströ­ men, die über die gesamte Fläche der Hohlwand verteilt sein können. Außerdem tritt jeweils ein Rauchgasteilstrom zusam­ men mit einem Sekundärluftteilstrom in die Nachbrennkammer ein.

Die dabei entstehende Durchmischung und Verwirbelung kann noch verbessert werden, wenn sich jede Eintrittsöffnung im wesentlichen ringförmig um die ihr zugeordnete Verbindungs­ leitung erstreckt. Die Injektorwirkung kann dabei noch ver­ bessert werden, wenn jede Eintrittsöffnung einen in die Nachbrennkammer ragenden Rohrstutzen aufweist und wenn die Verbindungsleitungen koaxial in die Rohrstutzen hineinragen. Diese Ringdüsen bewirken eine besonders vorteilhafte Verbren­ nung der Rauchgase.

Die Hohlwand sowie auch die sie durchdringenden Verbindungs­ leitungen sind besonders vorteilhaft aus Metall wie z.B. hochwarmfestem Stahl gefertigt, so daß eine permanente Aufheizung bis auf Glühtemperatur möglich ist. Die Hohlwand wirkt so als Glühkörper zur Entflammung und/oder Aufheizung der Rauchgas-Sekundärluft-Mischung in der Nachbrennkammer. Eine möglichst vollständige Verbrennung bei hohen Temperatu­ ren ist auf diese Weise gewährleistet.

Unabhängig von der Anordnung der Eintrittsöffnungen kann die Verwirbelung in der Nachbrennkammer noch dadurch verbessert werden, daß die Verbindungsleitungen zwischen Vorbrennkammer und Nachbrennkammer auf eine Rückwand der Nachbrennkammer gerichtet sind, und daß an der Rückwand Umlenkelemente zur Bildung einer turbulenten Strömung angeordnet sind. Der von der Vorbrennkammer bzw. von der Hohlwand kommende Gasstrom strömt dadurch nicht ungebremst Richtung Kamin, sondern prallt gegen die Umlenkelemente und wird durch diese teilwei­ se zurückgeworfen, wobei eine möglichst lange Aufenthaltszeit in der Nachbrennkammer gewährleistet ist.

Die Umlenkelemente sind besonders wirksam, wenn sie im Quer­ schnitt nasenförmige Rippen sind, die horizontal an der Rückwand angeordnet sind. Dadurch kann eine walzenförmige Strömung erreicht werden, die sich über die ganze Breite der Nachbrennkammer erstreckt.

Weitere Einzelmerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und aus den Zeichnun­ gen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vor­ richtung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Nachbrennkammer an einem etwas abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß der Ebene A-A bei Fig. 3,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Ebene D-D bei Fig. 4 in der Horizontalen,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch die Ebene B-B bei Fig. 3,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch die Ebene C-C bei Fig. 3,

Fig. 6 die Ansicht einer Hohlwand von der Nachbrennkammer aus gesehen, und

Fig. 7 einen Schnitt durch die Hohlwand gemäß Fig. 6.

In Fig. 1 ist ein Heizkessel dargestellt, der z.B. an eine Zentralheizung angeschlossen werden kann. Der Heizkessel besteht im wesentlichen aus einer liegend angeordneten Vor­ brennkammer 2, die über eine Fülltüre 14 mit dem Brennstoff 1 z.B. in der Form von Holzscheiten beschickt werden kann. Der Vorbrennkammer kaminseitig nachgeschaltet ist eine Nachbrenn­ kammer 3. Zwischen der Vorbrennkammer und der Nachbrennkammer liegt die vertikale Hohlwand 5, welche von mehreren Verbin­ dungsleitungen 6 zur Durchführung der Rauchgase durchdrungen ist.

Auf der Seite der Nachbrennkammer 3 sind an der Hohlwand unmittelbar um die Verbindungsleitungen Eintrittsöffnungen 4 für die Sekundärluft angeordnet. Die Hohlwand 5 wird über einen Vorwärmkanal 9 mit Sekundärluft gespeist, der sich unter der Vorbrennkammer durch erstreckt.

Der Brennstoff 1 liegt in der Vorbrennkammer 2 auf einem Rost 7, über dem sich im Betrieb ein Glutbett aufbaut. Die Ver­ brennungsrückstände können durch den Rost 7 in den Aschenraum 17 fallen, von wo sie entfernt werden können.

An der Fülltür 14 ist eine Luftklappe 15 angeordnet, über welche Primärluft in die Vorbrennkammer 2 geführt wird. Über eine weiter unten liegende weitere Luftklappe 16 gelangt einerseits Primärluft durch den Rost 7 in die Vorbrennkammer 2 und andererseits Sekundärluft über den Vorwärmkanal 9 in die Hohlwand 5. Für die Sekundärluft könnte bei Bedarf auch eine separate Luftklappe vorgesehen sein.

An der Rückwand 12 der Nachbrennkammer 3 sind Umlenkelemente 13 in der Form von nasenförmigen Rippen angeordnet. Über der Nachbrennkammer 3 werden die Abgase gesammelt und gelangen von dort über Nachschaltheizrohre 18 zum kaminseitigen Aus­ gang. Eine Regelung des Gasstroms ist über eine Feuerungs­ klappe 19 möglich. In der Rauchgaskehrkammer 22 werden die Rauchgase umgelenkt. Um die Vorbrennkammer und um die Nach­ schaltheizrohre 18 ist der Kesselraum 21 angeordnet, in dem das Wasser zirkuliert. Das heiße Wasser verläßt den Kessel­ raum 21 über den Vorlauf 20, während das abgekühlte Wasser aus dem System über den Rücklauf 23 wieder in den Kesselraum gelangt. Die ganze Anlage ist mit einer Außenisolation 24 versehen, um Verluste durch Wärmeabstrahlung zu vermeiden.

Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden am Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß den Fig. 2 bis 5 erläutert, das nur geringfügig vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 abweicht. Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab nochmals die Nach­ brennkammer 3, die auf einer Seite durch die Hohlwand 5 und auf der anderen Seite durch die Rückwand 12 begrenzt wird. Die Hohlwand 5 erstreckt sich nur über einen Teil der Höhe der Rückwand 12. Über der Hohlwand 5 ist ein segmentförmiges Abschlußelement 25 angeordnet, an dem ein in die Nachbrenn­ kammer ragendes Umlenkelement angeordnet ist. Auf der unteren Seite der Hohlwand 5 ist eine tunnelartige Aussparung 8 angeordnet, durch welche für den Anfeuerungsprozeß lange Holzscheite bis in die Nachbrennkammer 3 hineingeschoben werden können. Der Boden 26 der Nachbrennkammer 3 ist gegen die Vorbrennkammer abfallend leicht angeschrägt, was die Reinigung erleichtert.

An der Rückwand 12 sind Umlenkelemente 13 angeordnet. Jedes Umlenkelement ist im Querschnitt etwa nasenförmig ausgebil­ det, wobei die aufeinander geschichteten Umlenkelemente eine zusammenhängende Außenfläche ergeben. Zwischen dem Boden 26 und dem ersten Umlenkelement 13 ist ein flaches Stützelement 27 angeordnet. Die Umlenkelemente 13, der Boden 26, das Abschlußelement 25 und das Stützelement 27 sind vorzugsweise aus Schamottstein gefertigt.

Die Nachbrennkammer 3 ist von einem äußeren Stahlblechmantel 29 umgeben. Zwischen der Rückwand 12 und dem Stahlblechmantel ist noch eine zusätzliche Innenisolation 28 angeordnet.

Fig. 3 zeigt den Aufbau der Vorrichtung in einer teilweise geschnittenen Draufsicht, wobei der aus einzelnen Elementen bestehende Rost 7 gut sichtbar ist. Die Fülltüre 14 ist an einem Scharnier 30 am äußeren Stahlmantel 29 angelenkt.

In Fig. 4 ist in der linken Hälfte die Nachbrennkammer 3 und in der rechten Hälfte die Hohlwand 5 geschnitten. Dementspre­ chend sind die Umlenkelemente 13 in der Draufsicht sichtbar. Ebenfalls gut sichtbar ist die Aussparung 8 in der Hohlwand 5 sowie das segmentförmige Abschlußelement 25 über der Hohl­ wand. Die Einspeisung der Sekundärluft erfolgt auf beiden Seiten der Aussparung 8 von unten her über einen Hohlraum, der mit dem Vorwärmkanal 9 verbunden ist (Fig. 1).

Fig. 5 zeigt, wie die Vorbrennkammer 2 vom Kesselraum 21 ummantelt ist, der praktisch bis zur Ebene des Rostes 7 geführt ist. Die Vorbrennkammer 2 wird dabei durch einen inneren Stahlblechmantel 31 gebildet. Zur optimalen Wärmeaus­ nützung sind mehrere Nachschaltheizrohre 18 bogenförmig über der Vorbrennkammer 2 angeordnet.

Aus den Fig. 6 und 7 sind Details der Hohlwand 5 ersicht­ lich. Die Hohlwand ist als Schweißkonstruktion aufgebaut und hat insgesamt drei übereinander angeordnete Reihen von Ver­ bindungsleitungen 6, bestehend aus Rohren, die an einer Wand gasdicht eingeschweißt sind. Die Eintrittsöffnungen 4 in der gegenüberliegenden Wand haben einen etwas größeren Durchmes­ ser als die Verbindungsleitungen 6. Die Eintrittsöffnungen sind außerdem mit Rohrstutzen 11 versehen, wobei die Mündun­ gen 10 der Verbindungsleitungen 6 in die Rohrstutzen 11 hineinragen. Durch diesen Aufbau haben die Eintrittsöffnungen 4 etwa die Form einer Ringdüse. Um der Hohlwand eine ausrei­ chende Stabilität zu geben und um ein Verziehen der Verbin­ dungsleitungen unter den hohen Temperaturen zu vermeiden, ist jedoch jede einzelne Verbindungsleitung 6 über eine punktför­ mige Schweißung 33 noch mit der Wand verbunden, in der die Eintrittsöffnungen 4 liegen. Die Ringdüse ist dadurch an einer Stelle unterbrochen, was ebenfalls zur Verwirbelung der Gase beiträgt. Die Hohlwand könnte alternativ auch aus Guß gefertigt sein.

Über der tunnelartigen Aussparung 8 sind einzelne Zungen 32 angeschweißt, die eine Art Überdachung der Aussparung bilden. Zwischen den einzeinen Zungen 33 sind Zwischenraüme vorgesehen. Die Zungen 32 ragen in die Nachbrennkammer 3 und tragen zur Verwirbelung derjenigen Rauchgase bei, die über die Aussparung 8 in die Nachbrennkammer 3 gelangen.

Die Anzahl und die Anordnung der Verbindungsleitungen 6 bzw. der Eintrittsöffnungen 4 wird den jeweiligen Verhältnissen und insbesondere der Querschnittsform der Vorbrennkammer 2 angepaßt. Die Eintrittsöffnungen 4 könnten beispielsweise auch einzelne Bohrungen sein, die rund um die Verbindungslei­ tungen 6 oder über die gesamte Hohlwand 5 verteilt angeordnet sein könnten. Die Verbindungsleitungen 6 könnten als klassi­ sche Venturi-Rohre ausgebildet sein, um den Saugeffekt für die Sekundärluft noch zu verstärken.

Beim Betrieb der Vorrichtung wird der Brennstoff 1 in der Vorbrennkammer 2 mit Hilfe der Primärluft einem Schwelbrand ausgesetzt, wobei sich über dem Rost 7 ein Glutbett bildet. Die noch nicht restlos verbrannten Rauchgase gelangen über die Verbindungsleitungen 6 in die Nachbrennkammer 3. Die gesamte Hohlwand 5 mit den Verbindungsleitungen 6 werden dabei bis auf Glühtemperatur aufgeheizt und dienen so als Glühkörper, der die Rauchgase in der Nachbrennkammer 3 entzün­ det. Über die Hohlwand 5 werden die Rauchgase intensiv mit vorgewärmter Sekundärluft vermischt, so daß eine optimale Verbrennung bei Temperaturen über 1000°C stattfindet. Die Umlenkelemente 13 an der Rückwand der Nachbrennkammer 3 gewährleisten den Gasen eine lange Aufenthalts- und Flamm­ zeit. Nach erfolgter Verbrennung werden die Gase über eine durch die Nachschaltheizrohre 18 gebildete, relativ große Heizfläche geführt und verlassen dann den Heizkessel mit ca. 200°C Abgastemperatur. Durch die hohen Verbrennungstempera­ turen enthalten die Abgase nur noch geringe Schadstoffmengen. Der Einsatz von Ventilatoren oder Gebläsen zur Erzielung einer intensiven Durchmischung der Sekundärluft mit den Rauchgasen ist nicht erforderlich.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe, insbe­ sondere Holz, mit einer Vorbrennkammer (2) zur Auf­ nahme des Brennstoffes (1) und mit einer der Vor­ brennkammer kaminseitig nachgeschalteten Nachbrenn­ kammer (3) zur Nachverbrennung der Rauchgase, wobei die Nachbrennkammer wenigstens eine Eintrittsöffnung (4) für die Zufuhr von Sekundärluft aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Trennwand zwischen der Vorbrennkammer (2) und der Nachbrennkammer (3) wenigstens teilweise als Hohlwand (5) ausgebildet ist, welche von Verbindungsleitungen (6) zur Durch­ leitung der Rauchgase durchdrungen ist, und daß die Eintrittsöffnung (4) in der Hohlwand (5) angeordnet ist, wobei die Hohlwand einen Zufuhrkanal für die Sekundärluft bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwand (5) etwa vertikal angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwand (5) an eine vorzugsweise als Rost (7) ausgebildete Bodenpartie der Vorbrennkammer (2) angrenzt, und daß über der Bodenpartie eine tunnel­ artige Aussparung (8) in der Hohlwand angeordnet ist, durch welche die Vorbrennkammer (2) und die Nach­ brennkammer (3) unmittelbar miteinander verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hohlwand (5) über einen Vorwärm­ kanal (9) mit Sekundärluft gespeist wird, der sich unter der Bodenpartie der Vorbrennkammer erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verbindungsleitung (6) wenigstens eine Eintrittsöffnung (4) zugeordnet ist, und daß die Eintrittsöffnungen nahe beim Mündungsbe­ reich (10) der Verbindungsleitungen (6) in die Nach­ brennkammer liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Eintrittsöffnung (4) im wesentlichen ringförmig um die ihr zugeordnete Verbindungsleitung (6) erstreckt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Eintrittsöffnung (4) zur Erzeugung einer Injektorwirkung einen in die Nachbrennkammer ragen­ den Rohrstutzen (11) aufweist, und daß die Verbin­ dungsleitungen (6) koaxial in die Rohrstutzen (11) hineinragen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwand (5) wenigstens drei übereinander angeordnete Reihen von Verbindungslei­ tungen (6) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwand (5) aus Metall gefertigt ist und derart aufheizbar ist, daß sie als Glühkörper zur Entflammung und/oder Aufheizung der Rauchgas-Sekundärluft-Mischung in der Nachbrennkammer (3) dient.

10. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungs­ leitungen (6) zwischen Vorbrennkammer (2) und Nach­ brennkammer (3) auf eine Rückwand (12) der Nachbrenn­ kammer (3) gerichtet sind, und daß an der Rückwand Umlenkelemente (13) zur Bildung einer turbulenten Strömung angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkelemente (13) im Querschnitt nasenför­ mige Rippen sind, die zur Bildung einer walzenförmi­ gen Strömung horizontal an der Rückwand (12) angeord­ net sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückwand (12) wenigstens drei Rippen angeordnet sind.