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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Verbrennung
von körnigem
Festbrennstoff, beispielsweise Holzmehl-Pellets, Spänen und ähnlichem,
die eine Verbrennungskammer aufweist, einen Lufteinlass mit einem
Gebläse
zum Zuführen
von Luft zu der Verbrennungskammer und zum Erzeugen einer vorbestimmten
Luftströmung durch
die Verbrennungskammer vor, während
und nach der Verbrennung des Brennstoffs, eine Dosiereinheit zum
Zuführen
des Brennstoffs in die Verbrennungskammer, eine Zündeinrichtung
zum Zünden des
Brennstoffs, eine Steuer- und Prüfeinheit
zum Betrieb von damit verbundenen oder zusammenwirkenden Teilen,
die in oder bei der Verbrennungsvorrichtung angeordnet sind, und
auch einen Auslass für heiße Verbrennungsgase
aus der Verbrennung des Brennstoffs aus der Verbrennungskammer in
einen Kesselabschnitt in einem Heizkessel zum Übertragen der Wärme zu dem
Heizsystem des Heizkessels, bspw. durch wassergekühlte Flächen in
dem Heizkessel.
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Darlegung der Aufgabe
und Hintergrund der Erfindung.
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Verbrennungsvorrichtungen,
im Folgenden auch Brenner genannt, vom oben genannten Typ sind in
verschiedenen Ausgestaltungen bekannt, zum Beispiel durch das schwedische
Patentdokument SE-B-450
734, welches einen Brenner mit einer drehbaren Verbrennungskammer
für körnigen Festbrennstoff,
z. B. in Form von Pellets zeigt, oder durch das schwedische Patent
SE-C-63 193, welches einen Ofen zur Verbrennung von insbesondere
Stadtabfall zeigt. Auch die letztere Verbrennungsvorrichtung umfasst
eine rotierende Trommel, welche als Brennstoffrost dient. Folglich
wird in diesen Verbrennungsvorrichtungen der Brennstoff während einer gleichzeitigen
Verbrennung desselben rotiert. Während
der Verbrennung werden teilweise Verbrennungsgase, teilweise Asche
und andere Schlackeprodukte gebildet. Der größte Teil der Aschen, ungefähr 80–90% aller
Aschen, folgt dem Luftstrom durch den Brenner als Flugasche, die
von den Verbrennungsgasen in dem tatsächlichen Heizkessel ausfällt. Man
wünscht
sich, dass 100% der Aschen außerhalb
des Brenners ausfällt,
was normalerweise passiert, wenn der Schmelzpunkt der Aschen oberhalb
des Temperaturintervalls liegt, in welchem der Brenner bestimmungsgemäß arbeitet,
d. h. wenn der Schmelzpunkt der Aschen oberhalb einer normalen Betriebstemperatur
von ungefähr
1100°C liegt.
Bei Verbrennung bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der
Aschen werden die ursprünglich pulverförmigen und
erleichterten Aschen zu Stücken aus
zusammengeschmolzenem Material umgewandelt, zu so genanntem Sinter.
Das Dokument EP-A2-0915289 offenbart ebenfalls eine Verbrennungsvorrichtung,
welche das technische Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft.
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In
gewissen besonderen Fällen
und vor allem bei der Verbrennung von unreinem Brennstoff mit einem
zu hohen Anteil von gewissen Substanzen mit schlechteren oder verschlechternden
Verbrennungseigenschaften werden die Aschen jedoch oft weich, kleben
zusammen und versintern bereits bei niedrigeren Temperaturen als
die genannten 1100°C.
Der zu Grunde liegende Grund oder die Gründe hierfür sind eher unklar, können jedoch
vom Borgehalt und/oder anderen Flussmittel-bildenden Substanzen in
den Pellets abhängen,
d. h. von Substanzen, welche den normalen Schmelzpunkt der Aschenteilchen verringern.
Brennstoff-Pellets zum Verbrennen in Heizkesseln für kleinere
Häuser
sind ein einheimischer, erneuerbarer Biobrennstoff, welcher unschädlich für die Umwelt
ist und keinerlei Nettoerhöhung von
Kohlendioxid in der Atmosphäre
erzeugt, und der zum Beispiel aus Rückständen der Bau- und Sägemühlenindustrie,
z. B. Säge-
und Schneidespänen hergestellt
wird. Normalerweise bestehen Brennstoff-Pellets aus ungefähr 10% Wasser
und ungefähr 12%
reiner Kohle, wobei im Wesentlichen der Rest der Pellets aus verschiedenen
Kohlenwasserstoffverbindungen besteht. Die Zusammensetzung der Pellets
variiert jedoch stark.
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Das
Sintern erzeugt eine Verstopfung der Öffnungen, welche für den Luftstrom
durch das Brennstoffbett notwendig sind, und führt zu einer Bildung von Aschenablagerungen,
unverbrannten Pellets und Sinterschlacke. Je mehr versintert, desto mehr
Luft muss zugeführt
werden, was zu einer geringeren Effizienz des Brenners führt, wenn
die Verbrennungsgase verdünnt
werden, und weil die extra zugeführte
Luft auch als Kühlmittel
wirkt. Es versteht sich, dass Verbrennungsvorrichtungen ohne irgendwelche
rotierenden Verbrennungskammern die oben erwähnten Probleme offensichtlich
verstärken.
Die Aschenablagerungen, Pellets und Schlacke wachsen relativ bald,
so dass sie einen größeren Haufen
bilden, der dazu führen
kann, dass die Position des Brennstoffbettes in einer Position überführt wird,
welche für
die Funktion unvorteilhaft ist, wobei sich gleichzeitig das Risiko
von Flammenrückschlag
dramatisch erhöht,
d. h. dass der Sitz des Feuers zur und in das Zufuhrrohr für den Brennstoff
angehoben wird, so dass das Sintern sowohl technisch schwierig als
auch gefährlich
ist.
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In
vielen Heizkesseln gibt es Container in Form eines Kastens innerhalb
des Kessels, in welchem Kasten die Aschen landen, während der
vordere Teil des Brenners in den Heizkessel eingeführt wird.
Die Aschen im Kasten werden entweder manuell oder durch ein Saugen
der Aschen mittels einer Saugvorrichtung ausgeleert. Die Aschenpfanne
kann relativ groß sein,
weshalb sie relativ selten gelehrt werden kann, ohne irgendwelche
Störungen
zu verursachen. Der Pelletverbrauch, wenn man Brennstoffpellets
mit einem Energiegehalt von ungefähr 4,7–5,0 kWh/kg verwendet, ist
ungefähr
4 Tonnen/Jahr für
einen normalen Heizkessel für
ein kleineres Haus, und mit einem normalen Aschengehalt von 0,5–1,0 Gewicht-%
muss man die Aschen nicht öfter
ausleeren als ungefähr
einmal pro Monat. Mit „Heizkessel
für ein
kleines Haus" werden
hier Kessel genannt, welche Brenner mit Leistungen im Bereich von
ungefähr
5–20 kW
haben. Die heute verwendeten Pelletbrenner sind normalerweise für höhere Leistungen,
ungefähr
30 kW, gedacht, so dass sie unnötig
groß sind,
um für
Standardheizkessel für
kleinere Häuser
genutzt zu werden.
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Folglich
wurde erkannt, dass das klar hervorstechende Problem für Pelletbrenner
die Sinterbildung innerhalb des tatsächlichen Brenners ist. In einer
bekannten Konstruktion mit einer feststehenden Verbrennungskammer
ist ein abnehmbarer Rost angeordnet, wobei der Rost ein Regal mit
durchgehenden Löchern
bildet und wobei die Pellets durch eine Zufuhrleitung nach unten
auf das Regal fallen. Das beschriebene Sintern blockiert die Öffnungen
in dem Rost, weshalb dieses normalerweise jede Woche zum Reinigen
herausgenommen werden muss, gelegentlich muss dies jedoch sehr viel öfter getan
werden, was große
Sorgen und Verärgerung
für den
Benutzer bedeutet. Aus diesem Grund wünscht man, dass der Brenner
ohne spezielle Maßnahmen über einen
längeren
Zeitraum arbeiten soll, z. B. soll es nicht notwendig sein, den
Rost öfter
als einmal pro Monat herauszunehmen und/oder zu reinigen.
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Das
Problem des Sinterns könnte
wahrscheinlich durch gewisse Zusätze
bei der Pelletproduktion verringert werden, z. B. durch Untermischen von
einer oder mehreren Substanzen, welche als Katalysatoren wirken
oder welche den Schmelzpunkt erhöhen.
Solange jedoch der Wille der Hersteller der Pellets gering ist,
die erwähnten
Probleme zu lösen, müssen stattdessen
Ausweichlösungen
der Brennerkonstruktion gefunden werden, um die mit dem Sintern
der Aschen einhergehenden Probleme zu lösen oder wenigstens wesentlich
zu verringern.
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Die Aufgabe der Erfindung
und ihre Merkmale:
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung für die Verbrennung
von körnigem
Festbrennstoff zu schaffen, welche Vorrichtung die oben erwähnten Probleme
der Aschenablagerung, unverbrannten Brennstoffrückständen und anderen Schlackenrückständen wie
Sinter löst
oder wenigstens wesentlich reduziert.
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Gemäß der Erfindung
ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung
auch eine bewegliche Aschenzufuhreinrichtung/Aschenfördereinrichtung
mit einer Antriebseinheit aufweist, welche(r) durch die Steuer-
und Prüfeinheit
gesteuert wird, um die Aschen, unverbrannten Brennstoff und Schlackenprodukte,
die während der
Verbrennung des Brennstoffs erzeugt werden, automatisch aus der
Verbrennungskammer herauszuführen.
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Gemäß zusätzlichen
Aspekten ist bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung folgendes vorgesehen:
- – Die
Vorrichtung ist in ein System zur Zentralheizung eines Gebäudes integriert,
welches Zentralheizungssystem außer dem Heizkessel mit dem dazugehörigen Heizungssystem
wenigstens einen weiteren Brennstoffvorrat und wenigstens eine Brennstofffördereinrichtung
zum automatischen Zuführen
des Brennstoffs aus dem Brennstoffvorrat zur Dosiereinheit aufweist.
- – Die
Verbrennungsvorrichtung weist neben oder anstelle der Brennstofffördereinrichtung
und des Brennstoffvorrats einen Brennstoffvorrat auf, der in die
Dosiereinheit eingebaut ist.
- – Die
Dosiereinheit weist eine Brennstofffördereinrichtung/Brennstoffzufuhreinrichtung
zum Dosieren des Brennstoffs von der Dosiereinrichtung und weiter
in die Verbrennungskammer über
ein Zufuhrrohr auf.
- – Das
Zufuhrrohr hat die Form eines bevorzugt etwas geneig ten Fallschachts,
entlang dessen der Brennstoff zur Verhinderung von Flammenrückschlag
frei eine gewisse bestimmte Länge
fällt.
- – In
der Nähe
des Zufuhrrohres sind Sicherheitsmittel angeordnet, die aus einem
Hitzewächter bestehen,
der Alarm gibt, wenn sich die Hitze in dem Rohr ausbreitet und/oder
die auf einem oder mehreren Schiebern zum Schließen des Zufuhrrohrs bestehen.
- – Die
Brennstoffzufuhreinrichtung umfasst eine Zufuhrschnecke, die schwenkbar
zwischen und in der Nähe
des oberen Endes des Zufuhrrohres an der Dosiereinrichtung und entweder
an einem Einlass zu der Dosiereinrichtung oder zu der Basis des
eingebauten Brennstoffvorrats angeordnet ist.
- – Das
Gebläse
weist einen Regelmotor auf und ist am hinteren Teil der Verbrennungskammer
angeordnet und zum Blasen und Umwälzen von Luft durch den Lufteinlass
und nach vorne und weiter nach außen durch den Auslass des vorderen
Teils der Brennstoffkammer ausgelegt.
- – Die
Brennstoffkammer umfasst äußere Wände, innere
Begrenzungswände
und einen bewegbaren inneren Boden, welch letzterer in einem bestimmten
Abstand zu den äußeren Wänden zur Aufteilung
der somit doppelwandigen Verbrennungskammer in eine vordere, eine
hintere und eine untere Luftkammer angeordnet ist, sowie zwei Luftkanäle entlang
der Längsseiten
der Verbrennungskammer.
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Eine,
mehrere oder vorzugsweise alle Begrenzungswände weisen Perforationen in
Form von kleinen Öffnungen,
Löchern
und/oder größeren Öffnungen
zum Durchblasen von Luft auf.
- – Die Begrenzungswände umschließen einen
inneren Teil der Verbrennungskammer, welcher innerer Teil zusammen
mit dem Boden eine Feuerstätte
für die
Verbrennung des Brennstoffs bildet.
- – Die
Zündeinrichtung
ist in der hinteren Luftkammer an der hinteren Begrenzungswand angeordnet.
- – Die
Zündeinrichtung
ist in der unteren Luftkammer und im Zusammenwirken mit der Aschenfördereinrichtung
angeordnet.
- – Die
Zündeinrichtung
ist innerhalb der Aschenfördereinrichtung
angeordnet, wobei die Zündeinrichtung
den Hin- und Herbewegungen
der Aschenfördereinrichtung
folgt.
- – Die
hintere Begrenzungswand weist Luftlöcher in die Zündeinrichtung
zum Durchblasen von Luft vom Gebläse durch die Zündeinrichtung
und weiter in den Feuerraum auf.
- – Die
Zündeinrichtung
weist eine Zündspule
zum elektrischen Erwärmen
der Zündeinrichtung
auf.
- – Die
Zündspule
ist als ein Induktionsheizelement vorgesehen.
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Die
Zündspule
weist ein Gehäuse
mit einem Lufteinlass zum Blasen von Luft von dem Gebläse auf.
- – Die
Aschenfördereinrichtung
umfasst einen vorderen Teil und eine oder mehrere längliche
Stangen, die an und zwischen dem vorderen Teil und der Antriebseinheit
für die
Aschenförderung
befestigt sind.
- – Der
vordere Abschnitt und das vordere Ende jeder Stange sind in der
unteren Luftkammer angeordnet, während
die Antriebseinheit und das hintere Ende jeder Stange in einem eigenen
Gehäuse
angeordnet sind.
- – Das
Gehäuse
ist außerhalb
der wärmeisolierenden
Verbrennungskammer an der hinteren äußeren Wand angeordnet, wobei
jede Stange durch eine Öffnung
in der hinteren äußeren Wand
verläuft.
- – Der
vordere Abschnitt hat die Form eines umgekehrten, an der hinteren
Seite offenen Kasten mit drei Seiten und einem nach oben angeordneten perforierten
Boden, wobei der Boden gleichzeitig den oben erwähnten, beweglichen inneren
Boden bildet, bei welchem eine Seite eine Vorderkante bildet, von
welcher der Boden und die anderen zwei Seiten in eine Richtung nach
hinten zu der Antriebseinheit angeordnet sind, und bei welchem die
Seiten in einem Abstand von den äußeren Längsseiten
der Verbrennungskammer angeordnet sind, um eine Fortführung der
oben erwähnten Luftkanäle nach
unten zu bilden.
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Die
Aschenfördereinrichtung
umfasst zwei Endpositionen, eine vordere Position, die Antriebsposition,
bei welcher der vordere Teil das untere Ende des Feuerraums schließt, und
eine hintere Position, die Aschenentleerungsposition, in welcher
der Feuerraum nach unten offen ist, wobei der vordere Teil dazu
ausgelegt ist, zwischen diesen Endpositionen mittels der Antriebseinheit über die
Stangen umgelegt zu werden.
- – Die Antriebseinheit
weist einen festgelegten vorderen Anschlag auf, zwei Gleithülsen, die
als eine vordere und eine hintere Gleithülse beweglich entlang jeder
Stange angeordnet sind, und eine Feder, die zwischen den Gleithülsen, einem
Exzenter und gegebenenfalls einem festgelegten hinteren Anschlag
am hinteren Endteil der Stange angeordnet ist.
- – Der
Exzenter weist einen Schwenkstab und zwei Verbindungsarme auf, von
welchen der eine länger
ist als der andere, wobei die beiden Verbindungsarme an einem gegenseitigen
Endteil schwenkbar aneinander gefügt sind, das andere Ende des
kürzeren
Verbindungsarms an dem Schwenkstab befestigt ist, während das
andere Ende des langen Verbindungsarms schwenkbar an der hinteren
Gleithülse
befestigt ist.
- – Die
Antriebseinheit weist einen Motor zum Betrieb des Exzenters mittels
des Schwenkstabes und dadurch der Hin- und Herbewegungen des vorderen Teils
auf.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Lösung,
eine Aschenfördereinrichtung zu
konstruieren, welche die Aschen, die Sinterablagerungen und jegliche
anderen unverbrannten Rückstände von
dem Brennstoff aus der Verbrennungsvorrichtung und herüber zum
Aschenbehälter
des herkömmlichen
Heizkessels entfernt, bietet eine sehr einfache Konstruktion mit
wenigen Teilen. Der Brenner ist insbesondere dazu gedacht, einen Ölbrenner in
einem herkömmlichen ölbefeuerten
Kessel zu ersetzen, d. h. die grundlegende Idee ist, dass ein Pelletbrenner
an einen herkömmlichen
Heizkessel anstatt des heutzutage so gebräuchlichen Ölbrenners befestigt wird. Dies
führt zu
einem Brenner, der klein ist, leicht betrieben werden kann und sehr
leistungsstark ist, und der neben der Aschenfördereinrichtung im Wesentlichen
nur ein Gebläse,
eine Zündeinrichtung
und eine Dosiereinheit enthält,
weshalb der Brenner nicht zu teuer in der Herstellung ist und ferner
sehr zuverlässig
ist. Zusätzlich
ist das Risiko des Flammenrückschlages
fast vollkommen eliminiert.
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Liste der
Figuren
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Mit
Bezug auf die beiliegenden Figuren wird die Erfindung nun im Folgenden
genauer beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 Eine
schematische Ansicht von Teilen einer Verbrennungsvorrichtung für Festbrennstoff, welche
in einem herkömmlichen
Zentralheizungssystem in einem kleinen Haus eingebaut ist, wobei
das Zentralheizungssystem auch einen Brennstoffvorrat, Fördereinrichtung,
Kessel und Schornstein aufweist.
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2 Einen
schematischen Querschnitt durch Teile einer Verbrennungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, welche in einem Zentralheizungssystem nach 1 verwendet
werden kann.
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3 Ein
schematischer Querschnitt durch Teile einer Verbrennungsvorrichtung
gemäß 2, in
welcher die notwendige Luftzirkulation genauer gezeigt ist.
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4a–f Schematisch das Handlungsvorgehen für eine Entleerung
von Asche und Schlacke in der Verbrennungsvorrichtung gemäß der 3.
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Detaillierte
Beschreibung der Konstruktion
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Mit
Bezug auf 1 ist dort eine schematische
Ansicht von Teilen einer Vorrichtung 3 zur Verbrennung
von Festbrennstoff in Form von körnigen Materialien,
z. B. kombinierten Holzmehl-Pellets
oder Briketts, Spänen
und Ähnlichem
mit einem geeigneten Durchmesser von ungefähr 6–12 mm gezeigt, welche in einem
herkömmlichen
Zentralheizungssystem 1 zum Heizen eines Gebäudes 2,
z. B. eines kleinen Hauses, installiert ist, dessen Zentralheizungssystem 1 in
Bezug auf die Verbrennungsvorrichtung 3 auch einen freistehenden
Brennstoffvorrat 4, wenigstens eine Brennstofffördereinrichtung 5,
einen herkömmlichen
Heizkessel 6 mit einem bekannten Heizungssystem (nicht
gezeigt), z. B. einem wasserbasierten Zirkulationssystem, welches
mit Heizkörpern
ausgestattet ist, wobei das System wassergekühlte Flächen in einem Heizkessel 6 aufweist,
und einen Schornstein 7 für die erzeugten Rauchgase aufweist.
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Die
Brennstoffzufuhreinrichtung umfasst einen Motor 8 mit einer Übertragungseinheit
zum Betrieb einer Zufuhrschnecke 10, welche in einem steifen
Zufuhrrohr 9 drehbar angeordnet ist, um den Brennstoff
vom Brennstoffvorrat 4 durch ein Fallrohr 11,
welches geeigneter Weise die Form eines flexiblen Schlauchs hat,
automatisch zu einer kleineren Dosiereinrichtung 12 in
der Verbrennungsvorrichtung 3 zu befördern. Die Brennstofffördereinrichtung 5 kann
auch mit mehreren Zufuhrschnecken 10 ausgerüstet sein,
deren optimale Länge
nach betriebstechnischen und raumabhängigen Überlegungen festgelegt wird.
Die Förderung
mit einer Zufuhrschnecke 10 ist gemäß dem Expertenwissen hinsichtlich
des Betriebs und der Sicherheit die beste Alternative, andere Arten
von bekannten Brennstoffförderern
können aber
selbstverständlich
ebenfalls bei der Verbrennungsvorrichtung 3 gemäß der Erfindung
verwendet werden. In der in 2 gezeigten
Ausführungsform der
Verbrennungsvorrichtung 3 kann diese zusätzlich oder
anstatt der beschriebenen Brennstofffördereinrichtung 5 mit
einem externen Brennstoffvorrat 4 auch einen kleineren
Brennstoffvorrat 13 aufweisen, der in die Dosiereinheit 12 eingebaut
ist, welcher manuell und dann ein- oder zweimal pro Woche regelmäßig gefüllt werden
kann.
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Die
Dosiereinheit 12 weist eine weitere Brennstoffzufuhreinrichtung 14 mit
einem Antriebsmotor 15 zur automatischen Dosierung des
Brennstoffs aus der Dosiereinrichtung 12 und weiter in
eine im Wesentlichen horizontale Verbrennungskammer 16 auf,
welche unterhalb der Dosiereinrichtung 12 angeordnet ist,
durch ein Zufuhrrohr 17. Das Zufuhrrohr 17, welches
in den oberen Teil der Verbrennungskammer 16 mündet, hat
vorzugsweise die Form eines etwas geneigten Fallschachtes, entlang dessen
der Brennstoff nach Zufuhr der korrekten Brennstoffdosis durch die
Brennstoffzufuhreinrichtung 14 frei eine gewisse und vorbestimmte
Länge fällt, um
Flammenrückschlag
zu verhindern. Zusätzliche
Sicherheitsmittel sind in der Nähe
des Zufuhrrohres 17 angeordnet. Diese umfassen beispielsweise einen
Hitzewächter 18,
welcher Alarm gibt, wenn sich die Hitze in dem Rohr 17 nach
oben ausbreitet, sowie eine oder mehrere Schiebewände 19 zum
Verschließen
des Heizungsrohres 17.
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In
der in 2 gezeigten Ausführungsform enthält die zusätzliche
Brennstoffzufuhreinrichtung 14 eine Zufuhrschnecke 20,
welche im Wesentlichen horizontal und drehbar zwischen der Nähe des oberen
Endteils 21 des Zufuhrrohres 17 an der Dosiereinrichtung 12 und
entweder dem Einlass 22 des nach unten gerichteten Rohres 11 zur
Dosiereinrichtung 12 oder dem Boden 23 des eingebauten
kleineren Brennstoffvorrats 13 angeordnet ist, falls ein
solcher vorhanden ist.
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Die
Verbrennungsvorrichtung 3 enthält außer der Dosiereinrichtung 12 und
der Verbrennungsvorrichtung 16 einen Lufteinlass 24 mit
einem Gebläse 25 zur
Luftzufuhr zur Verbrennungskammer 16 für die Verbrennung des Brennstoffs
und zur Ausfuhr der Verbrennungsgase und der Flugasche, welche bei der
Verbrennung erzeugt werden, durch einen Auslass 26 aus
der Verbrennungskammer 16 weiter in einen Kesselabschnitt 27 in
den Heizkessel 6 zur Übertragung
der Verbrennungswärme
auf das Heizungssystem des Heizkessels 6 (nicht gezeigt),
eine automatische Zündeinrichtung 28 zum
Zünden
des Brennstoffs, eine beweglich angeordnete Aschenfördereinrichtung 29 mit
einer Antriebseinheit 30 zum Ausrechen der Schlackenprodukte,
der Aschen und des unverbrannten Brennstoffs 31 aus der
Verbrennungskammer 16 und weiter in den Heizkessel 6,
und eine Steuer- und Prüfeinheit 32 für einen
im Wesentlichen vollautomatischen Betrieb der Verbrennungsvorrichtung 3 und
gewissen oder allen damit zusammenhängenden oder zusammenwirkenden
Teilen, die in oder an der Verbrennungsvorrichtung 3 angeordnet
sind.
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Die
Steuer- und Prüfeinheit 32 wird
von einer bekannten Mikro prozessorbasierten Vorrichtung gebildet,
welche Sensoren aufweist, die für
die Funktion notwendig sind, z. B. den Hitzewächter 18, und soll im
Folgenden nicht genauer beschrieben werden. Man beachte jedoch,
dass durch die Einheit 32 und durch den Thermostaten zum
Betrieb des Kessels 6 ein vollautomatisches System, von
der Brennstoffzufuhr aus dem Vorrat 4 bis zum Ausrechen
der Schlackenprodukte 31 in den Aschenbehälter 61 des
Heizkessels 6, erhalten wird, einschließlich der Fähigkeit, mehrere vorprogrammierte
Leistungsschritte zu verwenden, z. B. 9, 12, 18, 23 kW.
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Das
Gebläse 25 zum
Blasen und zur Zirkulation von Luft durch den Lufteinsatz 24 und
nach vorne und weiter nach außen
durch den Auslauf 26 im vorderen oberen Teil 34 der
Verbrennungskammer 16, welcher am hinteren Teil 33 der
Verbrennungskammer 16 angebracht ist, weist einen geräuscharm
laufenden Motor 35 mit variablen Geschwindigkeitsregler
und einem eingebauten Thermoschalter auf, welcher bei Überlastung
abschaltet. Die Verbrennungskammer 16 umfasst teilweise äußere Wände 36,
welche vorzugsweise außen
zu einer im Wesentlichen kastenförmigen
Verbrennungskammer 16 geformt sind, teilweise innere Begrenzungswände 37 und
einen bewegbaren inneren Boden 45, welcher in einem vorbestimmten
Abstand von den äußeren Wänden 36 für eine Teilung
der somit doppelwandigen Verbrennungskammer 16 in eine
vordere, eine hintere und eine untere Luftkammer 38, 39, 40,
und zwei Luftkanäle 41, 42 entlang
der Längsseite
der Verbrennungskammer 16 angeordnet ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform
bildet die Verbrennungskammer 16 von außen ein quadratisches Rohr
mit einem quadratischen Querschnitt mit einer Breite von ungefähr 160 mm.
Eine, mehrere oder vorzugsweise alle der Begrenzungswände 37 weisen
Perforationen in Form von kleineren Öffnungen, Löchern und/oder größeren Öffnungen 43 zum
Durchblasen von Luft auf (siehe 3). Die
Begrenzungswände 37,
von denen mehrere oder eine beginnend an der Innenseite der Decke 48 der
Verbrennungskammer 16 oder beginnend bei einer, mehrerer
oder allen Innenseiten der Außenwände 36,
nach innen mit einer Neigung nach unten angeordnet sind, umschließen einen
inneren und geeigneterweise nach unten trichterförmigen Teil 44 der
Verbrennungskammer 16, deren innerer Teil zusammen mit
einem Boden 45 einen Feuerraum für die Verbrennung des Brennstoffs
bildet. Der Boden 45 des Feuerraums 44 bildet
den Rost, d. h. den normalerweise gitterförmigen Boden 45, auf
welchem während
der Verbrennung ein Brennstoffbett 46 liegt und welcher
zeitweilig oder ständig
von Luft durchflossen ist. Die Mündung 47 des
Zufuhrrohres 17 ist geeigneter Weise in der Decke 48 des
Feuerraums 44 und in der Nähe zu einer oder mehreren der
Innenseiten der Begrenzungswände 37 angeordnet,
wobei eine oder mehrere der Innenwände 37 eine Neigung
aufweisen, welche dazu gedacht ist, dem von der oben gelegenen Dosiereinrichtung 12 auf
kontrollierte Weise herunterfallenden Brennstoff eine Ausrichtung
hin zum Brennstoffbett 46 zu geben. Das obere und breitere
Tunnelende des Feuerraumes 44 ist am vorderen oberen Teil 34 der
Verbrennungskammer 16 in den Kesselabschnitt 27 offen
und bildet folglich den Auslass 26 für die oben erwähnten Verbrennungsgase.
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Geeigneterweise
ist die Zündeinrichtung 28 in
der hinteren Luftkammer 39 an der hinteren Begrenzungswand 37a angeordnet
und ist dazu ausgerichtet, automatisch zu zünden, wenn eine vorbestimmte
Menge an Brennstoff von der Dosiereinrichtung 12 auf den
Rost 45 gefallen ist (siehe 4e), was
im Folgenden Zündzusammensetzung 49 genannt
wird. Nach der Zündung
bildet die Zündzusammensetzung 49 das
oben erwähnte
Brennstoffbett 46. Die hintere Begrenzungswand 37a weist
Luftlöcher 57 in
die Zündeinrichtung 28 zum
Durchblasen von Luft vom Gebläse 25 durch
die Zündeinrichtung 28 und
weiter in den Feuerraum 45 auf. Vorzugsweise sind die Luftlöcher 57 oval,
um einen optimalen Luftstrom zu erlauben. In der in den Figuren
gezeigten Ausführungsform
weist die Zündeinrichtung 28 eine
Zündspule 50 von
jeglichem bekannten Typ auf, z. B. umfasst sie einen so genannten
Kanthal-Faden zur elektrischen Beheizung der Zündeinrichtung 28 auf
eine Temperatur von ungefähr
800°C, wobei
der Kanthal-Faden eine Temperatur von ungefähr 1100°C aufweist. Die Zündspule
kann auch als Induktionsheizer (nicht gezeigt) ausgebildet sein.
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Die
Aschenfördereinrichtung 29 umfasst
einen vorderen Teil 51, der im Folgenden auch Rechen genannt
wird, und eine oder mehrere längliche
Stangen 52, die am vorderen Teil 51 befestigt
sind und zwischen diesem und der Antriebseinheit 30 zur
Förderung
der Aschen verlaufen. Der Rechen 51 und das vordere Ende
jeder Stange 52 sind in der unteren Luftkammer 40 angeordnet,
während
die Antriebseinheit 30 und das hintere Ende jeder Stange 52 in
einem eigenen Behälter 53 angeordnet
sind, welcher passenderweise außerhalb
der wärmeisolierten
Verbrennungskammer 16 an der hinteren äußeren Wand 36a angeordnet
sind, wobei jede Stange 52 durch ein Loch 60 in
der Wand 36a verläuft.
Der vordere Teil 51 weist die Form eines umgekehrten Kastens
mit drei Seiten 54, 55, 56 auf, wobei
der Kasten hinten offen ist, und einem perforierten Boden, der nach
oben zeigt und gleichzeitig den oben erwähnten Rost 45 bildet.
Eine Seite 54 bildet eine Vorderkante, welche im Wesentlichen
vertikal ist und von der sich der Boden 45 und die beiden
anderen Seiten 55, 56 nach hinten und zur Antriebseinheit 30 erstrecken.
Die Längsseiten 55, 56 sind
im Wesentlichen im gleichen Abstand von den äußeren Längswänden 36 der Verbrennungskammer 16 angeordnet
wie die longitudinalen inneren Begrenzungswände 37, welche nach unten
eine Verlängerung
der oben erwähnten
Luftkanäle
bilden. Der Aschenförderer 29 umfasst
zwei Endpositionen, eine vordere Position, die Betriebsposition 58,
in welcher der Rechen 51 das untere Ende des Feuerraums 44 schließt, siehe 4a,
und eine hintere Position, die Aschenentleerungsposition 59, in
welcher der Feuerraum 44 fast vollkommen nach unten offen
ist, siehe 4c, wobei der Rechen 51 dazu
ausgelegt ist, zwischen den Endpositionen 58, 59 durch
die Antriebseinheit 30 über
die Stangen 52 geschaltet zu werden. Die Zündeinrichtung 28 kann auch
innerhalb der Aschenfördereinrichtung 29 angeordnet
sein, so dass die Zündeinrichtung 28 den Aschenförderer 29 in
seiner Hin- und Herbewegung unter dem Feuerraum 44 folgt.
Die Zündeinrichtung 28 weist
ein Gehäuse 71 mit
Lufteinlässen 72 zum Blasen
von Luft von dem Gebläse 25 auf.
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Die
Antriebseinheit 30, siehe 3 und 4, weist einen feststehenden vorderen Anschlag 62 an jedem
Stangenloch 60 auf, welcher geeigneterweise aus der Trennwand 36a zwischen
der Verbrennungskammer 16 und dem Behälter 53 besteht, Gleithülsen 63, 64,
welche bewegbar entlang der Stange 52 angeordnet sind,
und eine Feder 65, welche in der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform um jede Stange 52 zwischen
den Gleithülsen 63, 64 angeordnet
ist, einen Exzenter 66, welcher einen Schwenkstab 67 und
zwei Verbindungsarme 68, 69 aufweist, und einen
feststehenden hinteren Anschlag 70, welcher am hinteren
Ende der Stange 52 angeordnet ist. Die beiden Verbindungsarme 68, 69,
von denen einer 68 im Wesentlichen doppelt so lang ist
wie der andere 69, sind schwenkbar miteinander an einem
ihrer Endteile verbunden. Das andere Ende des kürzeren Verbindungsarms 69 ist
an dem Schwenkstab 67 befestigt, während das andere Ende des längeren Verbindungsarms 68 schwenkbar
an der hinteren Gleithülse 64 befestigt
ist. Ferner weist die Antriebseinheit einen Motor, nicht gezeigt,
für den
Betrieb des Excenters 66 über den Schwenkstab 67 und
somit für
die Hin- und Herbewegungen des Rechens 51 auf.
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Funktionale
Beschreibung
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Die
Funktion und die Verwendung der Verbrennungsvorrichtung 3 gemäß der Erfindung
sind wie folgt:
Mittels der Stromelektronik für den Heizkessel 6,
und gesteuert durch die Steuer- und Prüfeinheit 32, startet
und stoppt die Verbrennungsvorrichtung 3 automatisch gemäß der Konfigurierung,
welche der Betriebsthermostat des Zentralheizungssystems 1 aufweist.
Vor dem Starten der Verbrennungsvorrichtung 3 wurde die
Aschenfördereinrichtung 29 in
ihre vordere Betriebsposition 58, siehe 4a, überführt, so dass
der Boden 45 des Feuerraums 44 geschlossen ist
und die Brennstoffzufuhreinrichtung 14 der Dosiereinrichtung 12 Brennstoff
zugeführt
hat, siehe 1. Beim Starten wird eine gewisse,
kleinere Brennstoffmenge automatisch durch die Zufuhrschnecke 10 der Dosiereinrichtung 12,
siehe 2, geführt,
welche durch den Motor 15 betätigt wird, wobei diese kleinere
Menge entlang des Zufuhrrohrs 17 fällt, so dass eine für die Zündung des
Feuerbettes 46 notwendige Zündzusammensetzung 49 am
Boden 45 des Feuerraums 44 und vor den Luftlöchern 57 in
der hinteren Begrenzungswand 37a in die Zündeinrichtung 28 gebildet
wird, siehe 4e.
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Die
Zündeinrichtung 28,
siehe 2 und 3, wird in Gang gesetzt, wobei
die Zündspule 50 auf
ungefähr
750–800°C erhitzt
wird, was ungefähr
2 Minuten dauert. Wenn die Zündspule 50 die
richtige Temperatur erreicht hat, startet der Motor 35 des
Gebläses 25,
so dass Luft durch die Lufteinlässe 24 in die
hintere Luftkammer 39 und weiter durch den Lufteinlass 72 im
Gehäuse 71 der
Zündeinrichtung 28 und
weiter an der Zündspule 50 vorbei
geblasen wird. Folglich wird während
des Aufheizens der Zündspule 50 keine
Luft geblasen, da dieses die Spule nur abkühlen würde. Alternativ kann der Brennstoff
auch während
der Zeit zugeführt
werden, während
die Zündspule 50 auf
die gewünschte
Temperatur beheizt wird, und bis eine Zündzusammensetzung 49 mit
einer geeigneten Zündzeit
auf dem Boden 45 des Feuerraums 44 empfangen wurde.
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Nach
ungefähr
2 Minuten startet das Gebläse 25,
so dass kurze, pulsierende Luftschübe aus sehr heißer Luft
aus und/oder nach oben durch die Zündzusammensetzung 49 durch
die Öffnungen 57 und
die Löcher 43,
geschoben werden, in Abhängigkeit
davon, ob die Zündeinrichtung 28 in
der hinteren (wie in den 2–4 gezeigt)
oder in der unteren Luftkammer 39, 40 (nicht gezeigt)
angebracht ist. Wenn der Brennstoff seine Zündtemperatur erreicht, welche durch
die hohe Lufttemperatur verursacht wird, was ungefähr 1 Minute
dauert, fängt
die Zündzusammensetzung 49 Feuer.
Genauer geschieht eine primäre Verbrennung
des Brennstoffs auf dem Rost 45, bei dem der Brennstoff
Verbrennungsgase abgibt, welche dann zünden. Normalerweise geschieht
die Zündung
bereits nach ungefähr
3 Minuten, die Zündspule 50 wird
jedoch bis zur vollen Zeit (5 Minuten) weiter betrieben, um sicher
zu gehen.
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Wenn
das Gebläse 25 nach
dem Start etwa 3,5 Minuten gelaufen ist, wird es so eingestellt,
dass jeder Luftschub länger
wird mit kürzeren
Unterbrechungen zwischen jedem Luftschub. Nach der Zündung der
Verbrennungsgase werden diese zu einer sekundären Verbrennung in Form einer
Flamme oder eines Feuers durch den Auslass 26 gebracht,
welche durch den Luftstrom vom Gebläse 25 gebildet wird und
eine Richtung aufweist, die durch die Luftkammern 38, 39, 40 und
die Luftkanäle 41, 42 bestimmt wird.
Der Betrieb wird dann durch die Tatsache aufrecht erhalten, dass
die Steuer- und Prüfeinheit 32 und
der Betriebsthermostat des Heizkessels 6 die Dosiereinheit 12 dazu
veranlassen, ausreichend Brennstoffmengen mit einem geeigneten Abstand zum
Erreichen einer gewählten
Temperatur auszugeben. Bei voller Leistung werden z. B. in Intervallen, die
so definiert sind, dass das Brennstoffbett 46 kontinuierlich
brennt, wohl definierte Brennstoffdosen in den Feuerraum 44 befördert. Bei
einem geringeren Leistungserfordernis muss der Brenner 16 nicht
kontinuierlich in Betrieb sein, weshalb man das Brennstoffbett ausgehen
lässt.
Folglich geschieht die automatische Zündung einer Zündzusammensetzung 49 beim
Einschalten des Zentralheizungssystems 1 zu gewissen definierten
Gelegenheiten während
des Betriebs des Zentralheizungssystems 1 und nach ungeplanten
Leistungsausfällen,
wobei die Zündung durch
die Steuer- und Prüfeinheit 32 gesteuert
wird.
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Nach
der sekundären
Verbrennung der Verbrennungsgase besteht der Wunsch, dass im Wesentlichen
der gesamte Brennstoff in Rauch verwandelt wurde, mit nur einer
kleinen Menge von Flugasche als Rest, welcher Aschenrest den Rauchgasen hinauf
in den Kesselabschnitt 27 und in den dort angeordneten
Aschenbehälter 61 folgt.
Dies ist jedoch nicht immer der Fall, wie weiter oben erklärt. Während der
Zündung
wird die Zündspule 50 ungefähr 800°C heiß, und der
Kanthal-Faden erreicht dann eine Temperatur um die 1100°C. Der Kanthal-Faden kann
nicht mehr als 1200°C
aushalten, da das Magnesiumoxyd im Faden schmilzt, wenn es eine
Temperatur von über
1200°C erreicht.
Das ausgebrannte Brennstoffbett 46 enthält unverbrannten Brennstoff, die
Aschen und den Sinter 31, die während der letzten Produktionsperiode
vor dem Stopp erzeugt wurden, und bildet einen Haufen auf dem oberen
Rost 45 des Feuerraums 44, d. h. des Rechens 51,
welcher Haufen 31 größer wird,
während
der Heizkessel 6 benutzt wird. Jede neue Zündzusammensetzung 49, die
nach unten dosiert wird, endet in einem kleinen Haufen etwas weiter
nach hinten auf dem Boden 45 auf dem Sinter 31.
Somit vergrößert jede
neue Zündzusammensetzung 49 den
Haufen 31 und verstopft ferner die Löcher 43 und die Öffnungen 57,
weshalb es für
den heißen
Luftstrom immer schwieriger wird, durchzudringen und die Zündung jeder
neuen Zündzusammensetzung 49 zu
starten. Folglich ist der Brennstoff frei von direktem Kontakt mit
der Zündspule 50.
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Vor
dem Wiederanlauf, und nachdem sich die Zündspule 50 abgekühlt hat,
bringt die Antriebseinheit 30 den Rechen 51, der
sowohl einen Boden 45 für
den Brennstoff und eine Aschenfördereinrichtung 29 für die Sinterprodukte 31 bildet,
zu einer hin- und hergehenden Bewegung, während welcher Bewegung gleichzeitig
Luft geblasen wird, so dass die Löcher 43 und Öffnungen 57 nicht
verstopft werden. Innerhalb des Heizkessels 6 herrscht
ein negativer Druck, weshalb die Luft mittels des Gebläses 25 in den
vorderen Teil 51 des Aschenförderers 29 und dann
weiter zum Feuerraum 44 durch die Rostlöcher 43 und nach oben
durch das Brennstoffbett 46 gezwungen werden muss. Ferner
bilden die doppelten Wände 36, 37 in
der Verbrennungskammer 16 Luftkanäle 41, 42 um
den kastenförmigen
Rost-Rechen 51, durch welche Kanäle 41, 42 das
Gebläse 25 Luft entlang
der Seiten 55, 56 des Rostkastens 51 zur vorderen
Luftkammer 38 und weiter nach innen von den Löchern 43 der
vorderen Luftkammer 38, aber auch durch die Löcher 43 in
die Längsseiten 37 des Feuerraums 44 führt. In
der Antriebsposition 58 ist der Rost entlang der inneren
Wände 37 komplett
zum Feuerraum 44 dicht, da der Rostkasten 51 etwas breiter
ist als die inneren Wände 37,
um zu verhindern, dass Brennstoff nach außen und neben den Rostkasten/den
Rechen 51 fällt.
Anfangs wird der Rechen 51 nach hinten bewegt, so dass
die Aschen, die Schlacke und der Sinter 31 an der hinteren
Kante der inneren Wand 37a, welche als Amboss dient, abgeschabt
werden und nach unten vor den Rechen 51 fallen, während dieser
sich bis zu seiner am weitesten hinten befindlichen Endposition
bewegt, die Aschenentleerungsposition 59. An der Aschenentleerungsposition 59 ist
im Wesentlichen der gesamte Rechen 51 in die hintere Begrenzungswand 37a eingezogen,
wonach der Rechen durch die Antriebseinheit 30 umgekehrt
und in die andere Richtung nach vorne bewegt wird, und zwar wenigstens
bis zu seiner Antriebsposition 58 oder sogar weiter, vorzugsweise
wenigstens bis zu der Höhe
der vorderen Außenwand 36 der
Verbrennungskammer 16, wobei die Aschen, die Sinterprodukte
und der unverbrannte Brennstoff 31 vor dem Rechen her geschoben
und nach unten in den Aschenbehälter 61 des
Heizkessels 6 geschoben werden. Der Rechen 51 wird
dann in seine Anfangsposition, d. h. die Antriebsposition 58,
zurück
versetzt.
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Schlackenförderung
wird dann gemacht, wenn der Betrieb unterbrochen ist, normalerweise etwa
ungefähr
alle 30 Minuten, und danach ist die Temperatur in der Verbrennungskammer 16 verringert.
Wenn die Temperatur von 200°C
erreicht wird, wird ein anfängliches
30 Sekunden langes Gebläse durchgeführt, um
die Flugaschen auszublasen. Die Schlacke 31 ist dann fest
geworden und bleibt zurück.
Der Thermostat schaltet sich im Sommer etwa 6-mal ein und aus, und
im Winter bis zu 24-mal, 30 Minuten Betrieb, 30 Minuten Kühlen, 24
Stunden am Tag.
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Die
genauere Funktion der Antriebseinheit für die in den 3 und 4a–f gezeigte Ausführungsform ist wie folgt:
Während des
Betriebs der Verbrennungsvorrichtung 3 bewegen sich die
beiden Verbindungsarme 68, 69 des Exzenters 66 der
Antriebseinheit 30 nach vorne und in Richtung der Verbrennungskammer 16.
Wenn eine Aschenentleerung eingeleitet wird, aktiviert die Steuer-
und Prüfeinheit 32 den
Motor der Antriebseinheit 30, welcher den Schwenkstab 67 (gemäß 4a)
dreht, so dass der Exzenter 66 durch die Verbindungsarme 68, 69 den
Rostkasten 51 nach hinten von seiner vorderen Antriebsposition 58 schiebt.
In der Aschenentleerungsposition 59 sind die beiden Verbindungsarme 68, 69 vollständig nach hinten
gerichtet. Der Feuerraum 44 ist vollkommen offen und die
Schlackenprodukte 31, welche übrig geblieben sind, nachdem
die Gebläsereinigung
vor dem Einziehen des Rechens 51 durchgeführt wurde, liegen
nun vor dem Rechen 54. Der Schwenkstab 67 dreht
sich weiter, so dass er die Stange 52 mit sich in eine
vordere Position zieht, bis die ursprüngliche Position, d. h. die
Antriebsposition 58, wieder erreicht ist. Indem in einer
alternativen und nicht gezeigten Ausführungsform einer oder mehrere
und etwas längere
Stangen zusammen mit der Antriebseinheit verwendet werden, kann
der Aschenförderer
den ganzen Weg nach vorne und auf die Höhe der vorderen Außenwand
der Verbrennungskammer gebracht werden, bevor die Antriebsposition
des Rechens eingenommen wird, in welcher Position die Verbindungsarme
in diesem besonderen Fall zwischen sich einen Winkel aufspannen,
der größer ist
als Null und kleiner als 180°C.
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Wenn
die vorwärts
gerichtete Bewegung des Rechens 51 durch einen zu großen Haufen
von Schlackenprodukten und unverbranntem Brennstoff 31 blockiert
wird, die während
der rückwärts gerichteten
Bewegung vor den Rechen 51 gefallen sind, erlaubt die Feder 65 dem
Exzenter, eine komplette Rotation auszuführen, wonach die Steuer- und
Prüfeinheit 32 oder
ein nicht gezeigter Schalter sicherstellt, dass die Aschenentleerungsbewegung
wiederholt wird, bis ein vollständiger
Hubweg des Rechens 51 durchgeführt wurde, d. h. dass der Rechen 51 zwischen
seinen maximalen Endpositionen 58, 59 hin- und
herbewegt wird, die durch die Länge
der verwendeten Stangen 52 festgelegt sind.
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Alternative
Ausführungsformen
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Die
Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt und
kann auf verschiedene Weise innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche variiert
werden. Es versteht sich z. B., dass bei einem herkömmlichen
Heizkessel 6 es hier z. B. angedacht ist, einen so genannten ölbefeuerten
Kessel für
kleinere Häuser 2,
bei denen der normale Ölbrenner durch
einen Brenner 16 für
Festbrennstoff, vorzugsweise Pellets, ersetzt ist, und bei welchem
das Heizungssystem, z. B. das existierende wasserbasierte System
auf genau die gleiche Weise wie bei normaler Ölbefeuerung verwendet wird.
Der Pelletbrenner 16 wird mit einer Verbindung zum Standard-Antriebsthermostat
des Brenners 6 installiert. Selbstverständlich wird bei der Verwendung
der Verbrennungsvorrichtung 3 keine Beschränkung gemacht,
dass diese z. B. nur in bereits existierenden Brennern 6 verwendet
werden darf, vielmehr kann die Verbrennungsvorrichtung in jeder
neuen Installation von geeigneten Zentralheizungssystemen 1 verwendet
werden.