DE4012363C2 - 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 Gebrauch eingesetzt. Verbrennungavorrichtungen der genannten Art können aber auch für andere Zwecke verwendet werden wie z. B. für Trock­ nungsanlagen, zur Aufheizung flüssiger Komponenten in der Verfahrenstechnik usw. Die Vorrichtungen können mit Brennholz in verschiedenen Erscheinungsformen wie z. B. Scheite oder Holzspäne beschickt werden. Aber auch die Verbrennung anderer fester Brennstoffe mit im Vergleich zu Kohle niedrigem Heizwert wie z. B. Altpapier, Torf usw. ist ohne weiteres möglich.

Aus der britischen Patentbeschreibung GB 216 012 A ist bereits ein gattungsmäßig vergleichbarer Ofen mit einer ersten und mit einer zweiten Brennkammer bekannt. Zwischen den beiden Brenn­ kammern ist eine Hohlwand angeordnet, die von einzelnen Rohren durchsetzt ist. Sekundärluft kann in die Hohlwand eintreten und die Rohre erwärmen. Die Sekundärluft tritt jedoch nur im äußeren Randbereich der Hohlwand wieder in die zweite Brennkammer ein und trägt daher nicht zu einer optimalen Verwirbelung und Nach­ verbrennung der Rauchgase bei.

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

Durch die US 4,543,890 A ist eine gattungsmäßig vergleichbare Vorrichtung bekannt geworden, bei der die Vorbrennkammer und die Nachbrennkammer als konzentrisch ineinander angeordnete 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 32 18 334 A1 ist eine andere Vorrichtung bekannt geworden, beider zwischen der Vorbrennkammer und der Nach­ brennkammer Oeffnungen 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. Ueber 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. Ueber 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. Ueber 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.

Ueber der tunnelartigen Aussparung 8 sind einzelne Zungen 32 angeschweisst, die eine Art Ueberdachung der Aussparung bilden. Zwischen den einzelnen Zungen 32 sind Zwischenräume 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. Ueber 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 (8)

1. Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe, insbesondere Holz, mit einer Vorbrennkammer (2) zur Aufnahme des Brenn­ stoffes und mit einer der Vorbrennkammer (2) kaminseitig nachgeschalteten Nachbrennkammer (3) zur Nachverbrennung der Rauchgase, wobei zwischen der Vorbrennkammer (2) und der Nachbrennkammer eine als Hohlwand (5) ausgebildete Trennwand angeordnet ist, welche von Verbindungsleitungen (6) zur Durchleitung der Rauchgase durchdrungen ist, wobei die Hohlwand (5) einen Zufuhrkanal für die Sekundärluft bildet, und wobei die Nachbrennkammer (3) wenigstens eine Eintrittsöffnung für die Zufuhr von Sekundärluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verbindungsleitung (6) eine Eintrittsöffnung (4) in der Hohlwand (5) zugeordnet ist, die sich ringförmig um die Verbindungsleitung (6) erstreckt, daß jede Eintritts­ öffnung (4) zur Erzeugung einer Injektorwirkung einen in die Nachbrennkammer (3) ragenden Rohrstutzen (11) aufweist, und daß die Verbindungsleitungen (6) koaxial in die Rohr­ stutzen (11) hineinragen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwand (5) an eine vorzugsweise als Rost (7) ausgebildete Bodenpartie der Vorbrennkammer (2) angrenzt, und daß über der Bodenpartie eine tunnelartige Aussparung (8) in der Hohlwand angeordnet ist, durch welche die Vorbrennkammer (2) und die Nachbrennkammer (3) unmittelbar miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwand (5) über einen Vorwärmkanal (9) mit Sekundärluft gespeist wird, der sich unter der Bodenpartie der Vorbrennkammer erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwand (5) wenigstens drei übereinander angeord­ nete Reihen von Verbindungsleitungen (6) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (6) zwischen Vorbrennkammer (2) und Nachbrennkammer (3) auf eine Rückwand (12) der Nachbrennkammer (3) gerichtet sind, und daß an der Rückwand Umlenkelemente (13) zur Bildung einer turbulenten Strömung angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkelemente (13) im Querschnitt nasenförmige Rippen sind, die zur Bildung einer walzenförmigen Strömung horizontal an der Rückwand (12) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückwand (12) wenigstens drei Rippen (13) angeordnet sind.