DE4304057A1

DE4304057A1 - Heizkessel zur schadstoffarmen Verbrennung

Info

Publication number: DE4304057A1
Application number: DE19934304057
Authority: DE
Inventors: Edmund Pinsch; Michael Pfeifer; Norbert Volkmann
Original assignee: FROELING KESSEL APP
Current assignee: FROELING KESSEL APP
Priority date: 1993-02-11
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1994-08-18

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur schadstoff armen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brenn stoffen in einer zur Brennerdüse hin offenen, topfförmi gen Brennkammer, die in einem Feuerungsraum angeordnet ist, wobei ein Teil der entstandenen Rauchgase rezirku lierend der Brennerflamme im Bereich des offenen Brenn kammerbodens zugeführt wird und zwischen dem Türstein zur Aufnahme des Brennerflammrohres und der Außenseite des Brennkammerbodens ein ringförmiger Gasrückführungsraum vorgesehen ist.

Ein derartiger Heizkessel ist beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 90 02 832 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Dreizugkessel, bei dem der erste Zug durch die topfförmige Brennkammer, in der die Rauchgase entstehen und der zweite Zug durch das Rip penteil eines Wärmetauschers gebildet wird, durch den die entstandenen Rauchgase außerhalb der Brennkammer in Rich tung zur Brennerdüse zurückströmen. Der dritte Zug wird durch die Abgaszuführung zum Kamin gebildet.

Nach dem zweiten Zug, d. h. wenn die Rauchgase das Rippen profil des Wärmetauschers durchströmt haben, wird ein Teil des Rauchgases durch einen ringförmigen Gas rückführungsraum geleitet und schließlich durch eine Art Ringspaltdüse der Brennerflamme zugeführt.

Diese sogenannte Rezirkulation von Rauchgasen hat, wie durch umfangreiche Untersuchungen festgestellt werden konnte, einen bedeutsamen Einfluß insbesondere auf die Bildung von Stickoxyden. Grob vereinfachend kann in die sem Zusammenhang festgestellt werden, daß bei steigender Rezirkulationsmenge die NO_x-Bildung stark unterdrückt wird, wohingegen die Temperatur des rückgeführten Abgases auf die NO_x-Bildung von geringerem Einfluß ist.

Bei Kleinfeuerungsanlagen, wie sie zur Gebäudebeheizung üblich sind, ist dabei zu beachten, daß diese üblicher weise mit einstufigen Brennern ausgerüstet sind, die re lativ häufig ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch be findet sich der Heizkessel häufig in einem sogenannten Anfahrbereich, bei dem die Temperaturbeaufschlagung im Inneren des Kessels relativ gering ist und eine erhöhte Kohlenmonoxydbildung festzustellen ist.

Bei Heizkesseln der oben beschriebenen Art wird dieser Effekt durch die rezirkulierend rückgeführte Abgasmenge noch verstärkt, so daß hinsichtlich der Bildung des ex trem giftigen Kohlenmonoxyd bisher keine befriedigende Lösung bei häufig ein- und auszuschaltenden einstufigen Brennern gefunden werden konnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkes sel zur schadstoffarmen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen zu schaffen, bei dem trotz häu figen Ein- und Ausschaltens des Brenners die Stickoxyd- und Kohlenmonoxydbildung insgesamt verringert ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gasrückfüh rungsraum durch die geometrische Gestaltung des Türstei nes und des Brennkammerbodens als auf den Flammenkern weisendes venturidüsenartiges Beschleunigungsprofil für die rezirkulierende Rauchgasmenge ausgebildet ist.

Während bei den bisher bekannten Heizkesseln mit rezirku lierender Abgasrückführung die Abgase im Bereich der Zu führung zum Flammenmund einen erhöhten Strömungswider stand überwinden müssen, der zu einer Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit führt, wird die rezirkulierende Abgasmenge bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel in diesem Bereich durch die venturidüsenartige Ausbildung des Gas rückführungsraumes in Richtung zum Flammenkern hin be schleunigt. Dadurch treten die Abgase, die einen relativ niedrigen Sauerstoffpartialdruck aufweisen, in verstärk tem Maße in den Flammenkernbereich ein und können in die ser heißen Zone die Bildung von NO_x wirksam unterdrücken, da deren Bildung neben der Verbrennungstemperatur vom Sauerstoffpartialdruck des Brenngasgemisches abhängt. Die Absenkung der Verbrennungstemperatur im Flammenkern bereich hat, wie erwähnt, eine weitere Reduzierung der Stickoxydbildung zur Folge.

Da bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel im Flammenaußen bereich nur wenig rezirkulierende kalte Abgase zugeführt werden, liegt hier die Verbrennungstemperatur in einem Bereich, in dem eine relativ vollständige Verbrennung der Kohlenstoffträger auch im Anfahrzustand des Heizkessels erfolgt und somit die Bildung von Kohlenmonoxid reduziert wird.

Die richtige Einstellung der Verbrennungstemperatur im Außenbereich der Flamme wird auch dadurch erreicht, daß ein gewisser Teil des heißen Rauchgases im Inneren der topfförmigen Brennkammer zirkuliert, der nicht oder nur relativ wenig abkühlt. Auf diese Weise werden bei dem er findungsgemäßen Heizkessel dem Flammenbereich im Prinzip zwei rezirkulierende Abgasmengen zugeführt, zum einen die abgekühlte Abgasmenge, die durch die Venturidüse in das Flammen innere beschleunigt wird und zum anderen eine kleinere im Inneren der Brennkammer rezirkulierende, heiße Abgasmenge, die die Verbrennungstemperatur im Außenbereich der Flamme erhöht.

Um diese beschriebene Wirkung zu erziehen, ist es vor teilhaft, wenn der Brennkammerboden mit zum Brennerstein kurvenartig vorgewölbten Übergängen trichterförmig ausge bildet ist. Auf diese Weise können sich für beide Abgas rezirkulationsmengen günstige Strömungsverhältnisse erge ben.

Ein verstärkter Rezirkulationseffekt von heißen Abgasen im Flammenmundbereich kann dadurch bewirkt werden, daß ein in die Brennkammer ragendes, den Flammenkern teil weise umhüllendes Rohrstück eingesetzt wird, wobei zwi schen dem Brennkammerboden und dem Rohrstück ein Ringspalt, Durchbrüche, Schlitze oder dergleichen vorge sehen sind, die einen bestimmten Teil der im unteren Be reich der Brennkammer rezirkulierenden heißen Abgase zur Flamme strömen lassen. Die Größe des Ringspaltes hängt dabei von der Kesselbaugröße bzw. den verwendeten Heiz medien ab.

Eine weitere Anpassung der in den Flammenbereich eintre tenden rezirkulierenden Abgasmenge kann dadurch erfolgen, daß in der Seitenwandung des Rohrstückes weitere Durch brüche, Schlitze oder dergleichen vorgesehen sind, durch die rezirkulierende heiße Verbrennungsgase in den Flam menbereich eintreten können. Wenn derartige Durchbrüche in der Seitenwandung des Rohrstückes mit inneren Ab rißkanten ausgebildet sind, kann auf diese Weise die In jektorwirkung der Flamme verstärkt werden und die Zumi schung von heißen Abgasen erhöht werden.

Bei den beschriebenen Ausbildungen des den Flammenmund umgebenden Rohrstückes bleibt jedoch die Zufuhr von rela tiv kaltem Rauchgas durch die Venturidüse zur Stick oxydreduzierung bei gleichzeitiger Kohlenmonoxidminimie rung wesentlich.

Durch die Beaufschlagung der Flamme im Flammenkern mit kaltem Rauch und die Zuführung von relativ heißem Rauch gas in den äußeren Flammenbereich wird auch gleichzeitig der Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen dra stisch reduziert, so daß der erfindungsgemäße Heizkessel insgesamt einen erheblich verminderten Schadstoffausstoß hat.

Die Rauchgasrückführung im Bereich des Brenner Flammrohres führt unter Umständen zu einer relativ starken thermi schen Beaufschlagung dieses Bauteiles. Dieser Tatsache wurde den bisherigen Kesseltypen relativ wenig Beachtung geschenkt.

Um das Brennerflammrohr in diesem Bereich zu schützen, weist der Türstein im Bereich des Brennerflammrohres einen vorzugsweise konisch sich verjüngenden Kegel auf, der das Brennerflammrohr bis zu seiner vorderen Stirnflä che umgibt. Dadurch wird gleichzeitig die Brennertür iso liert, so daß der Brennerstein eine doppelte Funktion wahrnimmt.

Die Erfindung wird in der Zeichnung beispielsweise veran schaulicht und nachfolgend im einzelnen anhand der Zeich nung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Dreizugheizkessel mit Rauchgasrezirkulation,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Fig. 1, der die Strö mungsverhältnisse im Bereich des Flammen mundes darstellt,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Heizkessel mit einem zylindrischen Rohrstück hinter dem Brennkammerboden,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Fig. 3 zur Verdeutli chung der Strömungsverhältnisse im Bereich des Flammenmundes und

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Fig. 5, bei dem das Rohrstück zusätzliche Durchtrittsöffnungen für rezirkulierende Rauchgase aufweist.

Der in Fig. 1 dargestellte Heizkessel arbeitet nach dem Prinzip eines sogenannten Dreizugkessels. Dabei wird die eigentliche Brennkammer 1 als erster Zug bezeichnet, in dem die Rauchgase aufgrund der Flammenverbrennung entste hen. Der zweite Zug wird durch die Innenseite 2 des Feue rungsraumes 3 und die Außenseite 4 der Brennkammer 1 ge bildet. Durch den durch diese Flächen gebildeten Rück strömraum 5 strömen die gebildeten Rauchgase entgegen der Flammenrichtung zurück, wobei sich in diesem Rückström raum 5 üblicherweise nicht dargestellte Wärmetauscher be finden, die die heißen Rauchgase abkühlen und die Wärme beispielsweise zur Warmwassererzeugung oder dergleichen abführen.

Nach dem Durchströmen des Rückströmraumes 5 treten die abgekühlten Rauchgase teilweise durch ein venturidüsen artiges Beschleunigungsprofil 6 im Bereich des Flammen mundes 7 erneut in die Brennkammer 1 ein und erniedrigen aufgrund ihrer Zusammensetzung den Sauerstoffpartialdruck der zur Verbrennung gelangenden Gase, so daß die Bildung von Stickoxyden reduziert wird. Der gleiche Effekt wird durch die Senkung der Flammenkerntemperatur erreicht.

Ein größerer Teil des durch den Rückströmraum 5 geführten Rauchgases tritt über den sogenannten dritten Zug in den Kamin bzw. die Rauchgasabführung ein.

Wie aus Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, ist der Brenn kammerboden 8 der Brennkammer 1 zur Brennerdüse 9 hin of fen und bildet eine Art Trichter, der mit der Innenfläche des Türsteines 10, der das Brennerflammrohr 11 umgibt, ein ringförmiges Beschleunigungsprofil 12 bildet, dessen Querschnitt sich zunächst verengt und unmittelbar vor der Brennerflamme 13 bzw. dem Flammenkern 14 im Bereich des Flammenmundes 7 erweitert, so daß eine Beschleunigung der durch das Beschleunigungsprofil 12 rezirkulierend geführ ten Rauchgase in Richtung auf den Flammenkern (14) er folgt.

Der Türstein 10 ist so ausgebildet, daß er eine ausrei chende Isolation des Heizkessels bewirkt und einen ther mischen Schutz für das Brennerflammrohr 11 darstellt.

Neben der durch die Pfeile 15 dargestellten rezirkulie renden Rauchgasmenge, die aufgrund des Durchströmens durch den zweiten Zug 5 relativ kalt ist, rezirkuliert ein kleinerer Teil der Rauchgasmenge im Inneren der Brennkammer 1. Diese relativ heiße rezirkulierende Rauch gasmenge ist durch die Pfeile 16 gekennzeichnet. Diese Rauchgasmenge 16 sorgt dafür, daß die Außenbereiche der Brennerflamme 13 von einem relativ heißen Gasgemisch um geben sind und somit eine gute Verbrennung erreicht wird, wodurch die Bildung von Kohlenmonoxid minimiert wird und der Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen redu ziert wird.

Eine Darstellung der Strömungsverhältnisse im Bereich des Flammenmundes 7 stellt Fig. 2 dar. Es ist zu erkennen, daß die durch das Beschleunigungsprofil 6 zugeführte Rauchgasmenge 15 unmittelbar in den Flammenkern 14 ein treten kann, während die im Inneren der Brennkammer 1 re zirkulierende Rauchgasmenge 16 unter Wirbelbildung ledig lich den Außenbereich der Brennerflamme 13 umgibt.

Der Heizkessel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 lediglich dadurch, daß ein den Flammenmund 7 umgebendes zylindrisches Rohrstück 17 vorgesehen ist, zwischen dessen Eintrittsöffnung 18 und der Öffnung 19 des Brennkammerbodens 8 ein Ringspalt 20 ausgebildet ist. Durch die beschleunigte Rauchgasmenge 15 und die Injek torwirkung der Brennerflamme 13 tritt ein Teil der innen zirkulierenden Rauchgasmenge 16 durch den Ringspalt 20 mit erhöhter Geschwindigkeit ein, so daß die Eindring tiefe der heißen Rauchgasmenge 16 in die Brennerflamme 13 bei dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Heizkessels etwas größer ist als bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 1.

Eine weitere Möglichkeit, die Menge und Eindringtiefe der rezirkulierenden Rauchgasmenge 16 zu beeinflussen, be steht darin, in der Außenwandung 21 des zylindrischen Rohrstückes 17 Schlitze 22 mit nach innen weisenden Ab rißkanten 23 vorzusehen.

Durch den hinter den Abrißkanten 23 auftretenden Unter druck werden hier zusätzliche relativ heiße Rauchgasmen gen 16 in das Rohrstück 17 und damit in die Brennerflamme 13 eingesaugt.

Die jeweilige optimale Ausgestaltung der Brennkammer 1 bzw. des Brennkammerbodens 8 oder des zylindrischen Rohr stückes 17 hängt vom u. a. eingesetzten Verbrennungs medium, der Wärmeleistung des Heizkessels und der Be triebsart ab. So konnte beispielsweise bei Heizkesseln, deren Brenner sehr häufig ein- und ausgeschaltet werden, die CO-Bildung beim Anfahren bzw. Aufheizen des Kessels bei einer Anordnung gemäß Fig. 5 auf den geringsten Wert eingestellt werden.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Innenseite
3 Feuerungsraum
4 Außenseite
5 Rückströmraum
6 Beschleunigungsprofil
7 Flammenmund
8 Brennkammerboden
9 Brennerdüse
10 Türstein
11 Brennerflammrohr
12 Beschleunigungsprofil
13 Brennerflamme
14 Flammenkern
15 außen rezirkulierende Rauchgasmenge
16 innen rezirkulierende Rauchgasmenge
17 zylindrisches Rohrstück
18 Eintrittsöffnung
19 Öffnung
20 Ringspalt
21 Außenwandung
22 Schlitz
23 Abrißkante

Claims

1. Heizkessel zur schadstoffarmen Verbrennung von flüs sigen oder gasförmigen Brennstoffen in einer zur Brennerdüse hin offenen, topfförmigen Brennkammer, die in einem Feuerungsraum angeordnet ist, wobei ein Teil der entstandenen Rauchgase rezirkulierend der Brennerflamme im Bereich des offenen Brennkammer bodens zugeführt wird und zwischen dem Türstein zur Aufnahme des Brennerflammrohres und der Außenseite des Brennkammerbodens ein ringförmiger Gasrückfüh rungsraum vorgesehen ist, dadurch ge kennzeichnet, daß der Gasrückführungs raum durch die geometrische Gestaltung des Türsteines (10) und des Brennkammerbodens (8) ein auf den Flam menkern (14) weisendes venturidüsenartiges Beschleu nigungsprofil (12) für die rezirkulierende Rauchgas menge (15) ausgebildet ist.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Brennkammerboden (8) zur Erzielung einer im Inneren der Brennkammer (1) stattfindenden Rauchgasrezirkulation mit kurven artig vorgewölbten Übergängen trichterförmig ausge bildet ist.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Brennkammerbodenöffnung (19) ein in die Brennkammer (1) ragendes, die Brennerflamme (13) teilweise umhül lendes, zylindrisches Rohrstück (17) vorgesehen ist, wobei zwischen der Innenseite des Brennkammerbodens (8) und der Seitenwandung des Rohrstückes (17) ein Ringspalt (20), Durchbrüche, Schlitze oder derglei chen zum Eintritt von im Inneren der Brennkammer (1) rezirkulierenden Rauchgasen (16) in die Brennerflamme (13) vorgesehen sind.

4. Heizkessel nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Seitenwandung des Rohrstückes (17) im Abstand zu seiner offenen Stirnfläche Durchbrüche, Schlitze (22) oder derglei chen zum Durchtritt von im Inneren der Brennkammer (1) rezirkulierenden Rauchgasen (16) in die Brenner flamme (13) vorgesehen sind.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (17) im Bereich der Durchbrüche, Schlitze (22) oder dergleichen in Strömungsrichtung der Bren nerflamme (13) nach innen weisende Abrißkanten (23) zur Erhöhung der Injektorwirkung aufweisen.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der Türstein (10) zur Aufnahme des Brennerflammrohres (11) einen bis an die stirnseitige Umfangsfläche des Brennerflammrohres (11) reichenden Vorsprung auf weist.

7. Heizkessel nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Vorsprung als sich konisch verjüngender Kegelstumpf ausgebildet ist.