EP0354165A2 - Kessel - Google Patents

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EP0354165A2
EP0354165A2 EP89710067A EP89710067A EP0354165A2 EP 0354165 A2 EP0354165 A2 EP 0354165A2 EP 89710067 A EP89710067 A EP 89710067A EP 89710067 A EP89710067 A EP 89710067A EP 0354165 A2 EP0354165 A2 EP 0354165A2
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EP
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exhaust gases
combustion chamber
burner
combustion
heat exchanger
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EP0354165B1 (de
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Hans-Albrecht Kohlmann
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N.V. VAILLANT S.A.
Vaillant Austria GmbH
Vaillant GmbH
Vaillant SARL
Vaillant Ltd
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Vaillant Austria GmbH
Nv Vaillant Sa
Joh Vaillant GmbH and Co
Vaillant GmbH
Vaillant SARL
Vaillant Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/08—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/30—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle being built up from sections
    • F24H1/32—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle being built up from sections with vertical sections arranged side by side

Definitions

  • the invention relates to methods and devices for recycling a portion of the exhaust gases resulting from the combustion of a mixture consisting of fuel gas and combustion air into the flame area of the combustion.
  • the return of exhaust gases into the flame area of a combustion can reduce the formation of NO x in the combustion chamber.
  • Such a desirable reduction of the pollutants mentioned is based on the lowering of the oxygen partial pressure, from which a reduction in the flame temperature, which prevents the thermally caused formation of NO x, subsequently results.
  • the object of the invention is to design a guide for this portion of the exhaust gases in such a way that their space requirement is low, that they require no complex devices and no energy expenditure to promote the exhaust gases, and finally also for cooling this portion of the exhaust gases and for recycling the contained therein Warm is usable.
  • this object is achieved procedurally in that this portion of the exhaust gases in counterflow to the flames exhaust gases leaving the area and is mixed with the combustion air flowing into the flame area.
  • this portion of the exhaust gases is conducted into a space below the flame area and mixed with the combustion air flowing into the flames through this space.
  • This portion of the exhaust gases can be cooled particularly advantageously in the countercurrent area of its guidance, in order to reduce the temperature in the flame area on the one hand and on the other hand to extract and utilize heat from this portion.
  • the invention also extends to devices suitable for carrying out this method.
  • a device in particular a water heater, with a combustion chamber that receives a burner, in particular a gas burner, and is laterally delimited by a combustion chamber wall, above which at least one heat exchanger extending over the cross section of the exhaust gas duct is arranged
  • at least one partition can be arranged within this combustion chamber be provided which, together with the combustion chamber wall, forms a guide which opens into a space below the burner for a portion of these exhaust gases which is conducted in counterflow to the exhaust gases flowing through the heat exchanger.
  • the exhaust gas flows out of the Combustion chamber initially due to its thermal buoyancy in the direction of the exhaust system.
  • the temperature in the flame area is around 1200 to 1300 ° C.
  • the temperature is significantly lower, so that a comparatively high temperature gradient results. This large temperature difference and the natural thermal lift build up a vacuum below the burner, which favors the return of the exhaust gases to this room.
  • the partition is advantageously arranged essentially parallel to the combustion chamber wall, regardless of the cross-sectional shape of the combustion chamber.
  • the partition wall can be designed to carry water, which also facilitates recovery of the heat contained in this portion of the exhaust gases.
  • a water heater in a circulation system e.g. a heater, included and connected to a flow and a return line, then a portion of the return can be led to the heat exchanger via this water-bearing partition.
  • the lower edge of the partition extends into the height range of a secondary air distributor which extends below the burner, for example formed from burner tubes, over its surface. This arrangement ensures good mixing and good distribution of the mixture consisting of the exhaust gas component and the primary and / or secondary combustion air.
  • the dividing wall can furthermore have passage openings for the entry or exit of the portion of the exhaust gas flowing in the guide immediately below the heat exchanger and / or immediately below the flame area of the burner.
  • FIG. 1 shows the principle of a water heater designed in accordance with the invention with a combustion chamber 1, in which a burner 3 consisting of two burner tubes 2 is accommodated.
  • These burner tubes 2 are fed by (not shown) coaxial gas nozzles via coaxial mixing tubes 4 with a mixture consisting of fuel gas and primary combustion air, and from the flame area 5 of this burner 3 the main part of the exhaust gases resulting from the combustion flows in the arrow direction 6 through the heat exchanger 7 in an exhaust gas hood 8 to which an exhaust gas duct 9 leading to a chimney is connected.
  • the prismatic or cylindrical combustion chamber 1 is delimited on both sides or on all sides by the combustion chamber wall 10 and within this combustion chamber 1 there are 10 partition walls 11 parallel to the combustion chamber wall 10, which together with the combustion chamber wall 10 have guides 12 for one in the direction of the arrow 13, that is to say in countercurrent to that in FIG Direction of arrow 6 the exhaust gases flowing through the heat exchanger 7, form the guided portion of these exhaust gases.
  • These guides 12 open into the area 14 below the burner 3, from which secondary air flows in from the burner tubes 2 from below and mixes with the portion of the exhaust gases recirculated in the direction of the arrow 13.
  • the portion of the exhaust gases returned to the flame area can also be mixed in the area of the gas nozzles coaxially assigned to the mixing tubes 4 and with the primary air sucked in by these gas nozzles and to be mixed with the fuel gas.
  • a secondary air distributor 15 ensures a uniform distribution of the mixture consisting of combustion air and the recirculated exhaust gas portion over the entire burner surface.
  • Fig.2 represents in principle a sectional boiler, in which the heat exchanger 7 of boiler sections 16 and the combustion chamber wall 10 are embodied by end members 17.
  • the partitions 11 are formed by additional boiler elements 18 which have inlet openings 19 directly below the heat exchanger 7 and 3 outlet openings directly below the burner 3 for the portion of the exhaust gases recirculated in the guides 12 in the direction of arrow 13.
  • the heat exchanger 7 is connected to the feed line 23 and a return line 24 of a circulation system, for example a heater, and part of the return is connected to the two partition walls 11 via line 25 for the purpose of cooling the partition walls 11 and returned to the heat exchanger 7.
  • a circulation system for example a heater

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Abstract

Zur Verringerung der NOx-Bildung im Flammenbereich einer Ver­brennung wird ein Teil der bei dieser Verbrennung anfallenden Abgase, gegebenenfalls gekühlt, im Gegenstrom zu den diesen Flammenbereich verlassenden Abgasen rückgeführt und der dem Flammenbereich zuströmenden Verbrennungsluft zugemischt.
Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung mit einem einen Gasbrenner (3) aufnehmenden, durch eine Brenn­raumwandung (10) begrenzten Brennraum (1) enthält eine Trenn­wand (11), die gemeinsam mit der Brennraumwandung (10) eine Führung (12) für einen im Gegenstrom (13) zu den den Wärme­tauscher (7) durchströmenden Abgasen geführten Anteil dieser Abgase bildet und in einen unterhalb des Brenners (3) befind­lichen Raum (14) mündet, von dem aus dieser Anteil der Abgase der primären und/oder sekundären Verbrennungsluft zugemischt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Rückführen eines Anteiles der bei der Verbrennung eines aus Brenngas und Verbrennungsluft bestehenden Gemisches anfallenden Abgase in den Flammenbereich der Verbrennung.
  • Bekanntlich kann durch eine solche Rückführung von Abgasen in den Flammenbereich einer Verbrennung die Ausbildung von NOx im Brennraum verringert werden. Eine solche wünschenswerte Reduktion der genannten Schadstoffe beruht auf der Absenkung des Sauerstoffpartialdruckes, aus der sich in weiterer Folge eine der thermisch verursachten Ausbildung von NOx vorbeugende Reduktion der Flammentemperatur ergibt.
  • In konstruktiver Hinsicht war bei der Durchführung eines solchen Verfahrens die Führung jenes Anteiles der Abgase problematisch, der dem Flammenbereich zugeführt werden sollte.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Führung dieses Anteiles der Abgase derart zu gestalten, daß ihr Raumbedarf gering ist, daß sie keiner aufwendigen Vorrichtungen sowie keines Energie­aufwandes zur Förderung der Abgase bedarf und schließlich auch zur Kühlung dieses Anteiles der Abgase und zur Verwertung der darin enthaltenen Warme benutzbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß dieser Anteil der Abgase im Gegenstrom zu den den Flammen­ bereich verlassenden Abgasen geführt und der dem Flammenbereich zuströmenden Verbrennungsluft zugemischt wird.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dieser Anteil der Abgase in einen unterhalb des Flammenbereiches gele­genen Raum geführt und der den Flammen über diesen Raum zu­strömenden Verbrennungsluft zugemischt.
  • Dadurch wird gewährleistet, daß die Abgase bereits gut vermischt mit der Verbrennungsluft in den Flammenbereich des Brenners gelangen.
  • Im Gegenstrombereich seiner Führung kann dieser Anteil der Abgase besonders vorteilhaft gekühlt werden, um einerseits auch dadurch die Temperatur im Flammenbereich zu verringern und anderseits aus diesem Anteil Wärme zu gewinnen und zu verwerten.
  • Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstreckt sich die Erfindung auch auf zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtungen.
  • Bei einer solchen Einrichtung, insbesondere einem Wasserheizer, mit einem einen Brenner, insbesondere einen Gasbrenner, aufnehmenden, seitlich durch eine Brennraumwandung begrenzten Brennraum, oberhalb dessen zumindest ein sich über den Querschnitt der Abgasführung erstreckender Wärmetauscher angeordnet ist, kann innerhalb dieses Brennraumes erfindungsgemäß zumindest eine Trennwand vorgesehen sein, die gemeinsam mit der Brennraumwandung eine in einem unterhalb des Brenners gelegenen Raum mündende Führung für einen im Gegenstrom zu den den Wärmetauscher durch­strömenden Abgasen geführten Anteil dieser Abgase bildet. Gemäß dieser konstruktiven Lösung strömt das Abgas aus dem Brennraum zunächst infolge seines thermischen Auftriebes in Richtung zur Abgasführung. Im Flammenbereich beträgt die Tem­peratur etwa 1200 bis 1300°C. In der von der Brennkammer­wandung und der Trennwand gebildeten Führung ist jedoch die Temperatur wesentlich geringer, so daß sich ein vergleichsweise hoher Temperaturgradient ergibt. Dieser große Temperaturunter­schied sowie der natürliche thermische Auftrieb baut unterhalb des Brenners einen Unterdruck auf, der die Rückführung der Abgase in diesen Raum begünstigt.
  • Vorteilhafterweise ist die Trennwand im wesentlichen parallel zur Brennraumwandung angeordnet, unabhängig davon, welche Querschnittsform der Brennraum aufweist.
  • Zur Kühlung des dem Flammenbereich zugeführten Anteiles der Abgase kann die Trennwand wasserführend ausgebildet sein, wodurch auch eine Rückgewinnung der in diesem Anteil der Abgase enthaltenen Wärme erleichtert wird. Ist nämlich der Wärmetauscher eines Wasserheizers in ein Umlaufsystem, z.B. einer Heizung, einbezogen und an eine Vorlauf- und eine Rücklaufleitung ange­schlossen, dann kann ein Anteil des Rücklaufes über diese wasserführende Trennwand zum Wärmetauscher geführt werden.
  • Für eine vorteilbringende Führung des Abgasanteiles ist es ferner sehr günstig, wenn sich die Trennwand mit ihrer Unter­kante bis in den Höhenbereich eines Sekundärluftverteilers erstreckt, der sich unterhalb des, z.B. aus Brennerrohren gebildeten Brenners über dessen Fläche erstreckt. Diese Anordnung gewährleistet eine gute Durchmischung und gute Verteilung des aus dem Abgasanteil und der primären und/oder sekundären Ver­brennungsluft bestehenden Gemisches.
  • Die Trennwand kann ferner unmittelbar unterhalb des Wärmetauschers und/oder unmittelbar unterhalb des Flammenbereiches des Brenners Durchtrittsöffnungen für den Eintritt bzw. den Austritt des in der Führung strömenden Anteiles des Abgases aufweisen.
  • Als besonders günstig erweist sich diese Ausbildung der Trennwand bei einem Gliederkessel, dessen Glieder den Wärmetauscher bilden und dessen Brennraum von Endgliedern begrenzt ist. Es können dann die Trennwände von zusätzlichen Kesselgliedern gebildet sein, die solche Durchtrittsöffnungen aufweisen und den beiden den Brennraum begrenzenden, die Brennraumwandung bildenden Endglie­dern des Kessels unmittelbar benachbart angefügt sind.
  • Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen veranschaulicht. Im einzelnen zeigt
    • Fig.1 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Einrichtung schematisch,
    • Fig.2 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäß gestalteten Gliederkessels in einem Teilschnitt,
    • Fig.3 ein zusätzliches Kesselglied dieses Kessels in einer Ansicht der Schmalseite und
    • Fig.4 in einer Ansicht der Breitseite.
    • Fig.5 stellt eine Ausführungsvariante eines Wasser­heizers gleichfalls in einem schematischen Schnitt wie Fig.1 dar.
  • Im einzelnen zeigt Fig.1 das Prinzip eines im Sinne der Erfin­dung gestalteten Wasserheizers mit einem Brennraum 1, in dem ein aus zwei Brennerrohren 2 bestehender Brenner 3 untergebracht ist.
  • Diese Brennerrohre 2 werden von (nicht dargestellten ) koaxialen Gasdüsen über koaxiale Mischrohre 4 mit einem aus Brenngas und primärer Verbrennungsluft bestehenden Gemisch gespeist und aus dem Flammenbereich 5 dieses Brenners 3 strömt der Hauptteil der bei der Verbrennung entstehenden Abgase in Pfeilrichtung 6 durch den Wärmetauscher 7 in eine Abgassammelhaube 8, an die eine zu einem Kamin führende Abgasführung 9 anschließt.
  • Der prismatische oder zylindrische Brennraum 1 wird beidseits bzw. allseits von der Brennkammerwandung 10 begrenzt und inner­halb dieses Brennraumes 1 sind parallel zur Brennraumwandung 10 Trennwände 11 vorgesehen, die gemeinsam mit der Brennraumwandung 10 Führungen 12 für einen in Pfeilrichtung 13, also im Gegenstrom zu den in Pfeilrichtung 6 den Wärmetauscher 7 durchströmenden Abgasen, geführten Anteil dieser Abgase bilden. Diese Führungen 12 münden in den unterhalb des Brenners 3 befindlicben Bereich 14, aus dem den Brennerrohren 2 von unten Sekundärluft zuströmt und sich mit dem in Pfeilrichtung 13 rückgeführten Anteil der Abgase vermischt.
  • In einem mehr oder weniger großen Ausmaß kann der in den Flammen­bereich rückgeführte Anteil der Abgase auch in den Bereich der den Mischrohren 4 koaxial zugeordneten Gasdüsen und mit der von diesen Gasdüsen angesaugten, mit dem Brenngas zu vermengenden Primärluft vermischt werden.
  • Ein Sekundärluftverteiler 15 sorgt für eine gleichmäßige Vertei­lung des aus Verbrennungsluft und dem rückgeführten Abgasanteil bestehenden Gemisches über die gesamte Brennerfläche.
  • Fig.2 stellt im Prinzip einen Gliederkessel dar, bei dem der Wärmetauscher 7 von Kesselgliedern 16 und die Brennraumwandung 10 von Endgliedern 17 verkörpert werden. Die Trennwände 11 werden in diesem Fall von zusätzlichen Keselgliedern 18 gebildet, die unmittelbar unterhalb des Wärmetauschers 7 Eintrittsöffnungen 19 und unmittelbar unterhalb des Brenners 3 Austrittsöffnungen für den in Pfeilrichtung 13 in den Führungen 12 rückgeführten Anteil der Abgase aufweisen.
  • Fig. 3 und 4 zeigen ein solches zusätzliches Kesselglied 18 mit den wasserführenden Anschlußverbindungen 21 und 22.
  • Gemäß der in Fig.5 dargestellten Variante ist der Wärmetauscher 7 an die Vorlaufleitung 23 und eine Rücklaufleitung 24 eines Umlaufsystems, z.B. einer Heizung, angeschlossen und ein Teil des Rücklaufes ist - zwecks Kühlung der Trennwände 11 - über die Leitung 25 den beiden Trennwänden 11 angeschlossen und zum Wärmetauscher 7 rückgeführt. Dadurch wird nicht nur die Temperatur der rückgeführten Abgase und des Flammenbereiches verringert, um der NOx-Bildung vorzubeugen, sondern auch Wärme aus diesem Anteil der Abgase gewonnen und verwertet.

Claims (10)

1. Verfahren zum Rückführen eines Anteiles der bei der Verbrennung eines aus Brenngas und Verbrennungsluft bestehenden Gemisches anfallenden Abgase in den Flammenbereich der Ver­brennung, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Anteil im Gegen­strom zu den den Flammenbereich verlassenden Abgasen geführt und der dem Flammenbereich zuströmenden Verbrennungsluft zu­gemischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Anteil der Abgase in einen unterhalb des Flammenbereiches gelegenen Raum geführt und der den Flammen über diesen Raum zuströmenden Verbrennungsluft zugemischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Anteil der Abgase im Gegenstrombereich seiner Führung gekühlt wird.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere Wasserheizer, mit einem einen Brenner, insbesondere einen Gasbrenner, aufnehmenden, seitlich durch eine Brennraumwandung begrenzten Brennraum, oberhalb dessen zumindest ein sich über den Querschnitt der Abgasführung erstreckender Wärmetauscher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb dieses Brennraumes (1) zumindest eine Trennwand (11) vorgesehen ist, die gemeinsam mit der Brennraumwandung (10) eine in einem unterhalb des Brenners (3) gelegenen Raum (14) mündende Führung (12) für einen im Gegenstrom (13) zu den den Wärmetauscher (7) durch­strömenden Abgasen (6) geführten Anteil dieser Abgase bildet (Fig.1).
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Trennwand (11) im wesentlichen parallel zur Brennraum­wandung (10) angeordnet ist (Fig. 1,2,5).
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­net, daß diese Trennwand (11) wasserführend ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6 mit einem in ein Umlauf­system einbezogenen, an eine Vorlauf- und eine Rücklaufleitung angeschlossenen Wärmetauscher eines Wasserheizers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des Rücklaufes (24) über die wasserführende Trennwand (11) zum Wärmetauscher (7) geführt ist (Fig.5).
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Trennwand (11) mit ihrer Unter­kante bis in den Höhenbereich eines Sekundärluftverteilers (15) erstreckt, der sich unterhalb des, z.B. aus Brennerrohren (2) gebildeten Brenners (3) über dessen Fläche erstreckt (Fig.1).
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (11) unmittelbar unterhalb des Wärmetauschers (7) und/oder unmittelbar unterhalb des Flammenbereiches (5) des Brenners (3) Durchtrittsöffnungen (19 bzw. 20) für den Eintritt bzw. für den Austritt des in der Führung (12) strömenden Anteiles (13) deer Abgase aufweist (Fig.2).
10. Einrichtung nach Anspruch 9, bestehend aus einem Gieder­kessel, dessen Glieder den Wärmetauscher bilden und dessen Brenn­raum von Endgliedern begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (11) von zusätzlichen Kesselgliedern (18) gebildet sind, die solche Durchtrittsöffnungen (19 bzw. 20) aufweisen und den beiden den Brennraum (1) begrenzenden, die Brennraumwandung (10) bildenden Endgliedern (17) des Kessels unmittelbar benachbart angefügt sind (Fig. 2 bis 4).
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