EP0663563B1 - Method of combustion in combustion apparatuses and combustion apparatus - Google Patents
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- EP0663563B1 EP0663563B1 EP94119330A EP94119330A EP0663563B1 EP 0663563 B1 EP0663563 B1 EP 0663563B1 EP 94119330 A EP94119330 A EP 94119330A EP 94119330 A EP94119330 A EP 94119330A EP 0663563 B1 EP0663563 B1 EP 0663563B1
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- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
- F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
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- 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
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- 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
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- F24H1/263—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 forming an integral body with a dry-wall combustion chamber
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- F23C2900/09001—Cooling flue gas before returning them to flame or combustion chamber
Definitions
- the invention relates to a method for operating the combustion of fuels in combustion plants a boiler fired by a burner, in which the thermal energy of the fuel transferred to a heat transfer medium is, as well as on a device for performing a such a method according to the preambles of the claims 1 and 9.
- the design of the boiler or the heat generator of great importance is the design of the boiler or the heat generator of great importance.
- the construction the boiler is essentially influenced by the Geometry of the firebox and through the guidance of the Combustion gases. Boiler constructions are designed so that as much heat as possible, that arises during the chemical conversion of the fuel, completely transferred to the heat transfer medium without loss becomes. In addition to water, low or High pressure steam and organic liquids into consideration.
- the known ones Divide boiler designs into two construction elements: the combustion chamber in which the combustion process takes place and the thermal energy essentially through radiation or transfer heat radiation to the combustion gases becomes; and downstream cooled heat exchange surfaces, via the combustion gases change their enthalpy by convection dispense the heat transfer medium.
- the known furnace system includes one Boiler surrounded by a water-bearing housing is.
- the boiler also includes a combustion flame and the combustion gas-absorbing interior, in which a tubular insert is introduced. The interior is closed on its downstream side, so that the combustion gases are redirected there and then into one Heat exchange space between the wall of the tubular insert and the water-bearing housing wall are removed. The problem of corrosion prevention will not, however addressed.
- the invention aims to provide a firing system as well a method of operating the same ask for a large burner output range without Risk of corrosion formation is designed.
- the combustion gases that are produced during combustion of the fuel in the boiler arise, at least in part between a hot heat radiating surface, i.e. one hot radiant area, which is essentially the thermal energy transferred to the combustion gases by heat radiation, and a convective cooled by the heat transfer medium Heat exchanger surface to which the combustion gases give off their enthalpy by convection from the boiler dissipated.
- a hot heat radiating surface i.e. one hot radiant area
- Heat exchanger surface to which the combustion gases give off their enthalpy by convection from the boiler dissipated.
- the combustion gases flow through an intermediate space - furthermore as a heat exchange space designated - between the convective heat exchanger surface an infinitely large heat exchanger or heat bath and the hot radiation surface.
- the combustion gases flowing through the heat exchange chamber on the one hand Thermal energy to the convective heat exchanger surface and at the same time take heat from the Radiation area.
- those diverted in the firebox are deflected Combustion gases through a heat exchange space between a burner flame tube protruding into the combustion chamber and an inner heat transfer jacket surrounding the flame tube dissipated.
- the flame burns in one its downstream end closed firebox, and the combustion gases are shaped accordingly of the firebox floor in the firebox redirected and about the above Heat exchange space between flame tube and internal heat transfer jacket dissipated.
- the combustion gases are in a heat exchange space between the uncooled heat radiating wall of the combustion chamber and an outer one surrounding the combustion chamber wall Heat transfer jacket, in particular water jacket performed (claims 2 and 10). Extend the radiant heat Areas of the glowing combustion chamber wall during operation and the convective heat exchanger surfaces of the outer heat transfer jacket over the entire circumference and the axial height of the Combustion chamber, this is a particularly effective heat transfer from the combustion chamber wall to the combustion gases and further guaranteed to the heat transfer medium.
- the combustion gases are preferably also conducted in a region between the outer and the inner heat transfer jacket, in particular water jacket (claims 3 and 11). If both heat transfer jackets extend over the entire axial length of the combustion chamber, this achieves effective cooling of the combustion gases, which release a large part of their thermal energy by convection to the heat transfer medium. If the inner heat transfer jacket on the inside of the combustion chamber wall extends around the flame as a flame cooling cylinder, part of the thermal energy of the combustion gases is also transferred directly from the hot flame zone to the heat transfer medium and, at the same time, a reduction of the NO x by cooling the combustion chamber Education reached.
- Another preferred embodiment of the invention is that the combustion gases redirected in the combustion chamber first through the heat exchange space between the flame tube and flow inside the heat transfer jacket, then again deflected and through the purely convective heat exchanger room performed between the outer and inner heat transfer jacket and finally the heat exchange space between the combustion chamber wall and flow through the outer heat transfer jacket (Claims 4 and 12).
- Such exhaust gas routing works both on the stabilization of the lower exhaust gas limit temperature at low burner output, as well the most effective possible heat transfer to the heat transfer medium at high burner outputs.
- the redirected combustion gases first flow through radiation and Convection determined heat exchange space, then a pure one convective heat exchange room and finally another Radiation and convection heat exchange room.
- part of the deflected combustion gases is returned to the flame root area via cutouts in the flame tube of the burner, in particular after the combustion gases have passed through the heat exchange space between the flame tube and the inner heat transfer jacket (claims 5 and 16).
- the internal exhaust gas recirculation - especially when the combustion gases cool down beforehand - enables an effective reduction in flame temperatures, which further leads to a reduction in NO x formation.
- the invention has proven to be particularly advantageous Furnace and the method for operating the furnace in connection with a modulating or controllable burner (claims 7, 17).
- a modulating or controllable burner (claims 7, 17).
- Such a burner contains a continuously controllable control valve and a appropriately controllable blower for regulating the supplied Amount of combustion air. This can reduce the burner output continuously changed over a larger control range become.
- Flue gas routing in the boiler is both at high burner output guaranteed at all times, even with low burner output, that the exhaust gas temperature is the critical dew point not less.
- the boiler construction according to the invention is therefore controllable for all performance areas Suitable burner.
- the burner output is preferably automatically dependent the reduced heat output of the heat transfer medium changed so that between the individual load points - So minimum and maximum combustion heat output - the Burner can adjust automatically at every load point, so that the fuel and combustion air supply of the removed Thermal output of the heat transfer medium corresponds.
- the burner output regulated such that the temperature of the heat transfer medium in the boiler, especially the boiler water in the boiler wall constant regardless of the load on the combustion system remains (claim 8).
- the boiler according to the invention is particularly cost-effective made of simple steel and / or cast iron (claim 18). Due to the guidance of the combustion gases according to the invention can be beneficial on expensive corrosion resistant Boiler materials are dispensed with.
- FIG. 1 shows a longitudinal section through a boiler 1, that of a burner 2, preferably a modulating one Burner being fired.
- the burner 2 opens with his Flame tube 3 in a combustion chamber 5 of the boiler 1. Die Combustion air is sent to burner 2 in the direction of the arrow I fed.
- the boiler 1 contains an outer one of a boiler circuit fed water jacket 6, which is essentially extends over the entire axial boiler length and the Fully surrounds combustion chamber wall 8 at a distance.
- a boiler circuit fed water jacket 6 fulfills the function of a heat exchanger or warm bath and is on the inside with Fitted heat exchanger fins 10, the radially inward directed almost over the entire axial length of the water jacket 6 run.
- the inner water jacket 12 is with convective heat exchanger fins facing the boiler axis 14 equipped.
- the firebox 5 is closed at its rear end, so that the combustion gases are deflected in the combustion chamber 5 and in Direction upstream.
- Another deflection area forms the inner wall of the boiler at the front end of the boiler 1, so that the inflowing from the combustion chamber 5 Combustion gases redirected again and in the downstream direction between the outer water jacket 6 and the inner one
- the water jacket 12 and the combustion chamber wall 8 flow up to they finally the boiler 1 through the combustion gas outlet 13 leave.
- the result is a combustion gas flow realized, the combustion gases in succession three Flow through annular heat exchange rooms: a first one Heat exchange space 15 between the flame tube 3 and the inner Water jacket 12 in which the combustion gases heat energy pick up from the "glowing" flame tube and at the same time Heat by convection via the heat exchanger fins 14 deliver the inner water jacket 12; a second one convective heat exchange space 16 between the inner 12 and the outer water jacket 6; and finally a third Heat exchange space 17 between the outer water jacket 6 and the uncooled heat radiating combustion chamber wall 8, in which also heat exchange through radiation and convection with the combustion gases.
- Combustion system is preferably used, depending on the burner's load, the combustion gases cooled in heat exchange rooms 15 and 17 or - ideally - with a low burner output at a constant Value held.
- the modulating firing saves depending the burner system load, frequent burner starts, which causes high starting emissions and the formation of corrosion when Start of the burner can be avoided.
- FIG. 2 The sectional view in Fig. 2 along the line A-A 'of Boiler construction in Fig. 1 illustrates that the outer 6 and the inner water jacket 12 conducting each other in Connected and jointly supplied by the boiler circuit become. 2 shows the radially inward directed heat exchanger fins 10 or 14 of the water jackets 6 or 12.
- FIG. 3 shows a furnace according to the invention with a boiler 1, in the combustion chamber a modulating Burner 2 protrudes.
- the boiler 1 is via a storage circuit 18 connected to a hot water tank 20, which is fed by boiler 1 with hot water.
- Parallel to Storage circuit 18, a boiler circuit 22 is arranged, which in turn is connected to a consumer circuit via a heat exchanger 24 26 is coupled.
- T K 60 ° C
Abstract
Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Betreiben
der Verbrennung von Brennstoffen in Feuerungsanlagen mit
einem von einem Brenner befeuerten Kessel, in dem die Wärmeenergie
des Brennstoffes an einen Wärmeträger übertragen
wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens nach den Oberbegriffen der Ansprüche
1 und 9.The invention relates to a method for operating
the combustion of fuels in combustion plants
a boiler fired by a burner, in which the thermal energy
of the fuel transferred to a heat transfer medium
is, as well as on a device for performing a
such a method according to the preambles of the
Für den Übergang der Wärmeenergie eines Brennstoffes an ein Wärmeträgermedium, und somit für den Wirkungsgrad einer Feuerungsanlage insgesamt, ist die Auslegung des Kessels bzw. des Wärmeerzeugers von großer Bedeutung. Die Konstruktion des Kessels wird im wesentlichen beeinflußt durch die Geometrie des Feuerraumes und durch die Führung der bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase. Kesselkonstruktionen werden derart ausgelegt, daß möglichst viel Wärme, die bei der chemischen Umsetzung des Brennstoffes entsteht, verlustfrei vollständig auf den Wärmeträger übertragen wird. Als Wärmeträger kommen neben Wasser auch Nieder- bzw. Hochdruckdampf sowie organische Flüssigkeiten in Betracht.For the transfer of the thermal energy of a fuel to one Heat transfer medium, and thus for the efficiency of one Total combustion plant, is the design of the boiler or the heat generator of great importance. The construction the boiler is essentially influenced by the Geometry of the firebox and through the guidance of the Combustion gases. Boiler constructions are designed so that as much heat as possible, that arises during the chemical conversion of the fuel, completely transferred to the heat transfer medium without loss becomes. In addition to water, low or High pressure steam and organic liquids into consideration.
Je nach Art des Wärmeüberganges lassen sich die bekannten Kesselkonstruktionen in zwei Konstruktionselemente unterteilen: den Feuerraum, in dem der Verbrennungsprozeß abläuft und die Wärmeenergie im wesentlichen durch Strahlung bzw. Wärmestrahlung auf die Verbrennungsgase übertragen wird; und nachgeschaltete gekühlte Wärmetauschflächen, über die die Verbrennungsgase ihre Enthalpie durch Konvektion an das Wärmeträgermedium abgeben.Depending on the type of heat transfer, the known ones Divide boiler designs into two construction elements: the combustion chamber in which the combustion process takes place and the thermal energy essentially through radiation or transfer heat radiation to the combustion gases becomes; and downstream cooled heat exchange surfaces, via the combustion gases change their enthalpy by convection dispense the heat transfer medium.
Nach dem Stand der Technik werden - insbesondere in einem mittleren Leistungsbereich - vorzugsweise sogenannte Dreizugkessel eingesetzt. Diese sind meist mit einem zylindrischen Feuerraum ausgerüstet, wobei die "heißen" Verbrennungsgase am Ende des Feuerraumes über eine Umlenkkammer in die Nachschaltwärmetauschflächen, bestehend aus Stahlrohren, geführt werden.According to the state of the art - especially in one medium output range - preferably so-called three-pass boilers used. These are mostly cylindrical Furnace equipped, the "hot" combustion gases at the end of the combustion chamber via a deflection chamber in the secondary heat exchange surfaces, consisting of steel pipes, be performed.
Eine weitere bekannte Kesselkonstruktion ist der Kessel mit Umkehrflamme im Feuerraum. Dabei brennt die Flamme in einem zylindrischen an der Rückseite geschlossenen Feuerraum und die Verbrennungsgase werden im zylindrischen Feuerraum wieder umgeleitet und an den Kesseleingang zurückgeführt. Über eine entsprechende Umlenkkammer am Kesseleingang werden sodann die Verbrennungsgase an der Vorderseite des Kessels nach dem Dreizugprinzip den konvektiven Nachschaltwärmetauschflächen zugeführt.Another well-known boiler design is the boiler with Reverse flame in the firebox. The flame burns in one cylindrical firebox closed at the back and the combustion gases are in the cylindrical firebox redirected again and returned to the boiler entrance. Via a corresponding deflection chamber at the boiler entrance then the combustion gases at the front of the Boiler according to the three-pass principle, the convective secondary heat exchange surfaces fed.
Bei den bekannten Kesselkonstruktionen ist insbesondere darauf zu achten, daß die Geometrie des Feuerraumes und die Abführung der Verbrennungsgase exakt auf die Flammengeometrie und somit auf die Leistung des Brenners abgestimmt sind. Neben der Vermeidung von Konvektions- und Strahlungsverlusten gilt dies insbesondere für die Vermeidung der Auskühlung der Verbrennungsgase innerhalb des Kessels, - beispielsweise bei Überdimensionierung des Feuerraumes. Falls die Verbrennungsgase auf dem Weg aus dem Feuerraum auf eine Temperatur unterhalb des Wasser- oder Säuretaupunktes abkühlen, erfolgt eine Kondensation der Abgase, die auf Dauer eine Korrosionsbildung im Kessel und in den Abgasrohren verursacht. Die Kesselkorrosion ist hauptsächlich auf die korrodierende Wirkung der Schwefelsäure zurückzuführen. Aber auch ein Kondensatausfall, zum Beispiel Ascheteile des Brennöles, Ruße etc., führt mit der Zeit zu einem Angriff auf die Kesselwerkstoffe und schließlich zu deren Zerstörung.In the known boiler designs is particularly to ensure that the geometry of the firebox and the Exhaustion of the combustion gases exactly on the flame geometry and thus matched to the performance of the burner are. In addition to avoiding convection and radiation losses this applies in particular to avoiding the Cooling of the combustion gases inside the boiler, for example if the firebox is oversized. If the combustion gases come out of the combustion chamber to a temperature below the water or acid dew point cool down, the exhaust gases condense, which permanent formation of corrosion in the boiler and in the exhaust pipes caused. Boiler corrosion is major attributed to the corrosive effect of sulfuric acid. But also a condensate failure, for example ash parts of fuel oil, soot, etc. leads to one over time Attack on the boiler materials and finally on their Destruction.
Beispiele für bekannte Kesselkonstruktionen zeigen die folgenden Druckschriften:Examples of known boiler designs show the following publications:
Aus der DE-A-3 612 910 ist eine Feuerungsanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben nach der eingangs genannten Art bekannt. Die bekannte Feuerungsanlage umfaßt einen Heizkessel, der von einem wasserführenden Gehäuse umgeben ist. Der Heizkessel umfaßt weiter einen die Verbrennungsflamme und die Verbrennungsgase aufnehmenden Innenraum, in welchen ein rohrförmiger Einsatz eingeführt ist. Der Innenraum ist an seiner stromabwärtigen Seite verschlossen, so daß die Verbrennungsgase dort umgelenkt und sodann in einen Wärmetauschraum zwischen der Wandung des rohrförmigen Einsatzes und der wasserführenden Gehäusewand abgeführt werden. Das Problem der Korrosionsvermeidung wird jedoch nicht angesprochen.From DE-A-3 612 910 a firing system and a Method for operating the same according to the above Kind known. The known furnace system includes one Boiler surrounded by a water-bearing housing is. The boiler also includes a combustion flame and the combustion gas-absorbing interior, in which a tubular insert is introduced. The interior is closed on its downstream side, so that the combustion gases are redirected there and then into one Heat exchange space between the wall of the tubular insert and the water-bearing housing wall are removed. The problem of corrosion prevention will not, however addressed.
Ferner werden bei der aus der GB-A-2 224 346 bekannten Feuerungsanlage die bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase nach dem Austritt aus dem Feuerraum des Kessels an nachgeschalteten wassergekühlten Wärmetauscherflächen vorbeigeführt - bis sie schließlich durch den "Auspuff" aus der Feuerungsanlage austreten. Hierbei findet eine reine konvektive Energieübertragung von den Verbrennungsgasen an das Wärmetauschermedium, meist Wasser, statt; es sind jedoch keinerlei Wärmetauschräume zur Vermeidung von Korrosionsbildung vorgesehen.Furthermore, those known from GB-A-2 224 346 Combustion system the combustion gases generated during combustion after exiting the boiler's combustion chamber on downstream water-cooled heat exchanger surfaces passed - until they finally through the "exhaust" exit the furnace. Here takes place a pure convective energy transfer from the combustion gases to the heat exchange medium, usually water, instead; however, there are no heat exchange rooms to avoid provided by corrosion formation.
Um die Korrosionsbildung, insbesondere die Kesselkorrosion weitgehend zu vermeiden, sind bei den bekannten Kesselkonstruktionen für unterschiedliche Leistungsbereiche der Brenner auch verschiedene Kesselgrößen notwendig, um durch Anpassung der Feuerraumgeometrie an die Brennerleistung ein Absinken der Abgastemperaturen im Kessel zu vermeiden.Corrosion, especially boiler corrosion To be largely avoided in the known boiler designs for different performance areas of Burners also require different boiler sizes to pass through Adaptation of the combustion chamber geometry to the burner output Avoid lowering the exhaust gas temperatures in the boiler.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Feuerungsanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben zur Verfügung zu stellen, die für einen großen Brenner-Leistungsbereich ohne Gefahr der Korrosionsbildung ausgelegt ist.The invention aims to provide a firing system as well a method of operating the same ask for a large burner output range without Risk of corrosion formation is designed.
Dieses Ziel erreicht die Erfindung durch die Gegenstände
der Ansprüche 1 und 9. Weitere bevorzugte Ausführungen der
Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the invention
of
Danach werden die Verbrennungsgase, die bei der Verbrennung des Brennstoffes im Kessel entstehen, wenigstens teilweise zwischen einer heißen wärmestrahlenden Fläche, d.h. einer heißen Strahlungsfläche, die die Wärmeenergie im wesentlichen durch Wärmestrahlung an die Verbrennungsgase überträgt, und einer vom Wärmeträgermedium gekühlten konvektiven Wärmetauscherfläche, an welche die Verbrennungsgase ihre Enthalpie durch Konvektion abgeben, aus dem Kessel abgeführt. Auf diese Weise durchströmen die Verbrennungsgase einen Zwischenraum - im weiteren als Wärmetauschraum bezeichnet - zwischen der konvektiven Wärmetauscherfläche eines unendlich großen Wärmetauschers bzw. Wärmebades und der heißen Strahlungsfläche. Im Ergebnis geben damit die durch den Wärmetauschraum strömenden Verbrennungsgase einerseits Wärmeenergie an die konvektive Wärmetauscherfläche ab und nehmen andererseits gleichzeitig Wärme von der Strahlungsfläche auf. Dabei werden die im Feuerraum umgelenkten Verbrennungsgase durch einen Wärmetauschraum zwischen einem in den Feuerraum ragenden Flammenrohr des Brenners und einem inneren, das Flammenrohr umgebenden Wärmeträgermantel abgeführt. Dabei brennt die Flamme in einem an seinem stromabwärtigen Ende geschlossenen Feuerraum, und die Verbrennungsgase werden durch eine entsprechende Formgebung des Feuerraumbodens im Feuerraum wieder umgeleitet und über den o.g. Wärmetauschraum zwischen Flammenrohr und innerem Wärmeträgermantel abgeführt. Durch die Umkehrführung der Verbrennungsgase über die Flamme wird zunächst ein vollständiger einwandfreier Ausbrand des Brennstoffes gewährleistet. Sodann gelangen die Verbrennungsgase in den o.g. Wärmetauschraum, der insbesondere bei geringen Brennerleistungen ein Abkühlen der Verbrennungsgase unter kritische Taupunkttemperaturen verhindert.After that, the combustion gases that are produced during combustion of the fuel in the boiler arise, at least in part between a hot heat radiating surface, i.e. one hot radiant area, which is essentially the thermal energy transferred to the combustion gases by heat radiation, and a convective cooled by the heat transfer medium Heat exchanger surface to which the combustion gases give off their enthalpy by convection from the boiler dissipated. In this way, the combustion gases flow through an intermediate space - furthermore as a heat exchange space designated - between the convective heat exchanger surface an infinitely large heat exchanger or heat bath and the hot radiation surface. As a result, the combustion gases flowing through the heat exchange chamber on the one hand Thermal energy to the convective heat exchanger surface and at the same time take heat from the Radiation area. In doing so, those diverted in the firebox are deflected Combustion gases through a heat exchange space between a burner flame tube protruding into the combustion chamber and an inner heat transfer jacket surrounding the flame tube dissipated. The flame burns in one its downstream end closed firebox, and the combustion gases are shaped accordingly of the firebox floor in the firebox redirected and about the above Heat exchange space between flame tube and internal heat transfer jacket dissipated. By reversing the combustion gases over the flame will first turn on complete, perfect burnout of the fuel guaranteed. Then the combustion gases get into the o.g. Heat exchange room, especially at low burner outputs a cooling of the combustion gases below critical Dew point temperatures prevented.
Bei großer Brennerleistung ist die Wärmeabgabe der Verbrennungsgase an die Wärmetauscherfläche - und somit an den Wärmeträger - größer als die Wärmeaufnahme von der Strahlungsfläche, so daß schließlich eine Abkühlung der Verbrennungsgase erfolgt. Bei kleiner Brennerleistung stehen Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme der Verbrennungsgase im wesentlichen im Gleichgewicht, so daß die Verbrennungsgastemperatur in diesem Leistungsbereich konstant gehalten wird. Der Wert der unteren Grenztemperatur der Verbrennungsgase hängt dabei von der Temperatur und Geometrie der Wärmekontaktflächen ab. Je nach konstruktiver Auslegung, insbesondere der Wärmestrahlungsflächen, kann die Grenztemperatur auf einen bestimmten Wert - jedenfalls oberhalb der kritischen Taupunkttemperaturen - eingestellt werden, so daß die Gefahr von Korrosionen und anderen Kondensatausfällen ausgeschlossen ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Abgasführung im Kessel sind derartige Feuerungsanlagen für einen großen Leistungsbereich des Brenners - vorzugsweise von ca. 30% bis 100% - geeignet.When the burner output is high, the heat is released by the combustion gases to the heat exchanger surface - and thus to the Heat transfer medium - greater than the heat absorption from the radiation surface, so that finally a cooling of the combustion gases he follows. When the burner output is low, heat is emitted and heat absorption of the combustion gases essentially in equilibrium so that the combustion gas temperature is kept constant in this performance range. Of the The value of the lower limit temperature of the combustion gases depends the temperature and geometry of the thermal contact surfaces from. Depending on the design, especially the Heat radiation surfaces, the limit temperature can be set to one certain value - at least above the critical dew point temperatures - Set so that the danger excluded from corrosion and other condensate failures is. Due to the exhaust gas routing according to the invention Boilers are such firing systems for a large one Burner output range - preferably approx. 30% up to 100% - suitable.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
werden die Verbrennungsgase in einem Wärmetauschraum zwischen
der ungekühlten wärmestrahlenden Wandung des Feuerraumes
und einem die Feuerraumwandung umgebenden äußeren
Wärmeträgermantel, insbesondere Wassermantel geführt (Ansprüche
2 und 10). Erstrecken sich die wärmestrahlenden
Flächen der im Betrieb glühenden Feuerraumwandung und die
konvektiven Wärmetauscherflächen des äußeren Wärmeträgermantels
über den gesamten Umfang und die axiale Höhe des
Feuerraumes, so ist ein besonders effektiver Wärmeübergang
von der Feuerraumwandung an die Verbrennungsgase und weiter
an den Wärmeträger gewährleistet.In a preferred embodiment of the invention
the combustion gases are in a heat exchange space between
the uncooled heat radiating wall of the combustion chamber
and an outer one surrounding the combustion chamber wall
Heat transfer jacket, in particular water jacket performed (
Bevorzugt werden die Verbrennungsgase auch in einem Bereich zwischen dem äußeren und dem inneren Wärmeträgermantel, insbesondere Wassermantel geführt (Ansprüche 3 und 11). Erstrecken sich beide Wärmeträgermäntel über die gesamte axiale Länge des Feuerraumes, so erreicht man eine effektive Kühlung der Verbrennungsgase, die einen Großteil ihrer Wärmeenergie durch Konvektion an den Wärmeträger abgeben. Erstreckt sich ferner der innere Wärmeträgermantel an der Innenseite der Feuerraumwandung als Flammen-Kühlzylinder rund um die Flamme, so wird zusätzlich ein Teil der Wärmeenergie der Verbrennungsgase direkt aus der heißen Flammenzone an den Wärmeträger übertragen und gleichzeitig durch die Kühlung des Feuerraumes eine Reduzierung der NOx-Bildung erreicht.The combustion gases are preferably also conducted in a region between the outer and the inner heat transfer jacket, in particular water jacket (claims 3 and 11). If both heat transfer jackets extend over the entire axial length of the combustion chamber, this achieves effective cooling of the combustion gases, which release a large part of their thermal energy by convection to the heat transfer medium. If the inner heat transfer jacket on the inside of the combustion chamber wall extends around the flame as a flame cooling cylinder, part of the thermal energy of the combustion gases is also transferred directly from the hot flame zone to the heat transfer medium and, at the same time, a reduction of the NO x by cooling the combustion chamber Education reached.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, daß die im Feuerraum umgelenkten Verbrennungsgase zunächst durch den Wärmetauschraum zwischen Flammenrohr und innerem Wärmeträgermantel strömen, dann wiederum umgelenkt und durch den rein konvektiven Wärmetauscherraum zwischen äußerem und inneren Wärmeträgermantel geführt werden und schließlich den Wärmetauschraum zwischen Feuerraumwandung und äußerem Wärmeträgermantel durchströmen (Ansprüche 4 und 12). Eine derartige Abgasführung wirkt sich sowohl auf die Stabilisierung der unteren Abgasgrenztemperatur bei niedriger Brennerleistung, als auch auf einen möglichst effektiven Wärmeübergang an den Wärmeträger bei hohen Brennerleistungen aus. Die umgelenkten Verbrennungsgase durchströmen zunächst einen durch Strahlung und Konvektion bestimmten Wärmetauschraum, sodann einen reinen konvektiven Wärmetauschraum und schließlich wiederum einen Strahlungs- und Konvektions-Wärmetauschraum. Another preferred embodiment of the invention is that the combustion gases redirected in the combustion chamber first through the heat exchange space between the flame tube and flow inside the heat transfer jacket, then again deflected and through the purely convective heat exchanger room performed between the outer and inner heat transfer jacket and finally the heat exchange space between the combustion chamber wall and flow through the outer heat transfer jacket (Claims 4 and 12). Such exhaust gas routing works both on the stabilization of the lower exhaust gas limit temperature at low burner output, as well the most effective possible heat transfer to the heat transfer medium at high burner outputs. The redirected combustion gases first flow through radiation and Convection determined heat exchange space, then a pure one convective heat exchange room and finally another Radiation and convection heat exchange room.
Um die effektive Wärmekontaktfläche zu vergrößern, sind äußere und innere Wärmeträgermäntel mit Wärmetauschrippen ausgestattet (Anspruch 13). Aus demselben Grund ist auch die Außenseite der Feuerraumwandung mit entsprechendem Wärmetauschrippen versehen (Anspruch 14). Hierdurch wird erreicht, daß die Verbrennungsgase einen möglichst hohen Teil der bei der Verbrennung entstehenden Menge im Feuerraum an die Wärmetauschflächen übertragen und gleichermaßen möglichst viel Wärme von den wärmestrahlenden Flächen, insbesondere der Feuerraum- und Flammenrohrwandung, aufnehmen können.To increase the effective heat contact area, are outer and inner heat transfer jackets with heat exchange fins equipped (claim 13). For the same reason, too the outside of the combustion chamber wall with the corresponding Provide heat exchange fins (claim 14). This will achieved that the combustion gases as high as possible Part of the amount generated in the combustion chamber during combustion transferred to the heat exchange surfaces and alike as much heat as possible from the heat radiating surfaces, especially the combustion chamber and flame tube walls can.
Um einen guten Wärmeaustausch auch bei niedrigen Abgastemperaturen zu gewährleisten, sind in den o.g. Wärmetauschräumen Turbulenzen fördernde Vorrichtungen, insbesondere Sicken, Ringe, Scheiben und verdrallte Blechstreifen, angeordnet (Anspruch 15). Auch dies führt zu einer Vergrößerung der Wärmekontaktfläche und somit zu einem verbesserten Wärmeübergang.For good heat exchange even at low exhaust gas temperatures to ensure, are in the above Heat exchange rooms Devices promoting turbulence, in particular Beading, rings, disks and twisted metal strips, arranged (Claim 15). This also leads to an enlargement the thermal contact surface and thus to an improved Heat transfer.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
ein Teil der umgelenkten Verbrennungsgase über Aussparungen
im Flammenrohr des Brenners in den Flammenwurzelbereich
rückgeführt, - insbesondere nach dem Durchgang der Verbrennungsgase
durch den Wärmetauschraum zwischen Flammenrohr
und innerem Wärmeträgermantel (Ansprüche 5 und 16). Durch
die interne Abgasrückführung - insbesondere bei vorausgehender
Abkühlung der Verbrennungsgase - wird eine wirkungsvolle
Reduzierung der Flammentemperaturen ermöglicht, was
weiterhin zu einer Reduzierung der NOx-Bildung führt.According to a further preferred exemplary embodiment, part of the deflected combustion gases is returned to the flame root area via cutouts in the flame tube of the burner, in particular after the combustion gases have passed through the heat exchange space between the flame tube and the inner heat transfer jacket (
Besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Feuerungsanlage und das Verfahren zum Betreiben der Feuerungsanlage in Verbindung mit einem modulierenden bzw. regelbaren Brenner (Ansprüche 7, 17). Ein derartiger Brenner enthält ein stufenlos steuerbares Regelventil und ein entsprechend steuerbares Gebläse für die Regelung der zugeführten Verbrennungsluftmenge. Hierdurch kann die Brennerleistung über einen größeren Regelbereich stufenlos verändert werden. In Verbindung mit der verbindungsgemäßen Abgas führung im Kessel ist sowohl bei hoher Brennerleistung als auch bei geringer Brennerleistung jederzeit gewährleistet, daß die Abgastemperatur die kritischen Taupunktwerte nicht unterschreitet. Die erfindungsgemäße Kesselkonstruktion ist daher für alle Leistungsbereiche eines regelbaren Brenners geeignet.The invention has proven to be particularly advantageous Furnace and the method for operating the furnace in connection with a modulating or controllable burner (claims 7, 17). Such a burner contains a continuously controllable control valve and a appropriately controllable blower for regulating the supplied Amount of combustion air. This can reduce the burner output continuously changed over a larger control range become. In connection with the connection Flue gas routing in the boiler is both at high burner output guaranteed at all times, even with low burner output, that the exhaust gas temperature is the critical dew point not less. The boiler construction according to the invention is therefore controllable for all performance areas Suitable burner.
Vorzugsweise wird die Brennerleistung automatisch in Abhängigkeit der abgenommenen Wärmeleistung des Wärmeträgers verändert, so daß sich zwischen den einzelnen Lastpunkten - also minimaler und maximaler Feuerungswärmeleistung - der Brenner automatisch in jedem Lastpunkt einstellen kann, so daß die Brennstoff- und Verbrennungsluftzuführung der abgenommenen Wärmeleistung des Wärmeträgers entspricht. Auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Abgas führung wird mit Hilfe eines derartigen modulierenden Brenners die Brennerleistung derart geregelt, daß die Temperatur des Wärmeträgermediums im Kessel, insbesondere des Kesselwassers in der Kesselwandung unabhängig von der Belastung der Feuerungsanlage konstant bleibt (Anspruch 8).The burner output is preferably automatically dependent the reduced heat output of the heat transfer medium changed so that between the individual load points - So minimum and maximum combustion heat output - the Burner can adjust automatically at every load point, so that the fuel and combustion air supply of the removed Thermal output of the heat transfer medium corresponds. On the Basis of the exhaust gas management according to the invention is with the help of such a modulating burner the burner output regulated such that the temperature of the heat transfer medium in the boiler, especially the boiler water in the boiler wall constant regardless of the load on the combustion system remains (claim 8).
Hierdurch wird auch besonders vorteilhaft die Temperatur der Wärmetauschmäntel bzw. der konvektiven Wärmetauschflächen im Kessel, an denen die Verbrennungsgase vorbeiströmen, auf einem konstanten Wert gehalten. Dies hat zur Folge, daß auch die Temperatur der aus dem Kessel austretenden Verbrennungsgase auf einem definierten Wert gehalten wird, um der Kondensation der Abgase entgegen zu wirken.This also makes the temperature particularly advantageous the heat exchange jackets or the convective heat exchange surfaces in the boiler, which the combustion gases flow past, kept at a constant value. As a consequence, that the temperature of those emerging from the boiler Combustion gases are kept at a defined value, to counteract the condensation of the exhaust gases.
Besonders kostengünstig wird der erfindungsgemäße Kessel aus einfachem Stahl und/oder Grauguß gefertigt (Anspruch 18). Aufgrund der erfindungsgemäßen Führung der Verbrennungsgase kann vorteilhaft auf teuere korrosionsbeständige Kesselmaterialien verzichtet werden. The boiler according to the invention is particularly cost-effective made of simple steel and / or cast iron (claim 18). Due to the guidance of the combustion gases according to the invention can be beneficial on expensive corrosion resistant Boiler materials are dispensed with.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Darin wird auf die beigefügte schematische Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kesselkonstruktion im Längsschnitt;
- Fig. 2
- einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 1; und
- Fig. 3
- ein Beispiel für die erfindungsgemäße Feuerungsanlage mit Kessel-, Speicher- und Versorgungskreislauf.
- Fig. 1
- an embodiment of the boiler construction according to the invention in longitudinal section;
- Fig. 2
- a cross section along the line AA 'in Fig. 1; and
- Fig. 3
- an example of the furnace system according to the invention with boiler, storage and supply circuit.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Heizkessel 1,
der von einem Brenner 2, vorzugsweise einem modulierenden
Brenner, befeuert wird. Der Brenner 2 mündet mit seinem
Flammenrohr 3 in einen Feuerraum 5 des Heizkessels 1. Die
Verbrennungsluft wird dem Brenner 2 in Richtung des Pfeiles
I zugeführt.1 shows a longitudinal section through a
Im Flammenrohr 3 sind stromab einer - in Fig. 1 nicht dargestellten Stauscheibe des Brenners 2 - waagrechte Schlitze 4 über den Umfang des Flammenrohres 3 gleichmäßig verteilt zur internen Rückführung der Verbrennungsgase in den Wurzelbereich der Flamme ausgebildet. In the flame tube 3 are downstream - not shown in Fig. 1 Burner baffle plate 2 - horizontal slots 4 evenly distributed over the circumference of the flame tube 3 for the internal return of the combustion gases to the root area the flame.
Der Heizkessel 1 enthält einen äußeren von einem Kesselkreislauf
gespeisten Wassermantel 6, der sich im wesentlichen
über die gesamte axiale Kessel länge erstreckt und die
Feuerraumwandung 8 in einem Abstand vollständig umgibt. Der
äußere Wassermantel 6 erfüllt die Funktion eines Wärmetauschers
bzw. Wärmebades und ist an der Innenseite mit
Wärmetauscherrippen 10 bestückt, die radial nach innen
gerichtet nahezu über die gesamte axiale Länge Wassermantels
6 verlaufen. Ferner ist ein innerer Wassermantel 12
zwischem dem äußeren Wassermantel 6 und dem Flammenrohr 3
derart angeordnet, daß er das Flammenrohr 3 in einem Abstand
vollständig umgibt. Auch der innere Wassermantel 12
ist mit zur Kesselachse gerichteten konvektiven Wärmetauscherrippen
14 ausgestattet.The
Der Feuerraum 5 ist an seinem hinteren Ende verschlossen,
so daß die Verbrennungsgase im Feuerraum 5 umgelenkt und in
Richtung stromaufwärts abgeführt werden. Einen weiteren Umlenkbereich
bildet die Kesselinnenwandung am vorderen Ende
des Kessels 1, so daß die aus dem Feuerraum 5 anströmenden
Verbrennungsgase erneut umgelenkt und in Richtung stromabwärts
zwischen dem äußeren Wassermantel 6 und dem inneren
Wassermantel 12 sowie der Feuerraumwandung 8 strömen bis
sie schließlich den Kessel 1 durch den Verbrennungsgasauslaß
13 verlassen.The
Im Ergebnis wird hierdurch eine Verbrennungsgasführung
realisiert, wobei die Verbrennungsgase nacheinander drei
ringförmige Wärmetauschräume durchströmen: Einen ersten
Wärmetauschraum 15 zwischen dem Flammenrohr 3 und dem inneren
Wassermantel 12, in dem die Verbrennungsgase Wärmeenergie
vom "glühenden" Flammenrohr aufnehmen und gleichzeitig
Wärme durch Konvektion über die Wärmetauscherrippen 14 an
den inneren Wassermantel 12 abgeben; einen zweiten rein
konvektiven Wärmetauschraum 16 zwischen dem inneren 12 und
dem äußeren Wassermantel 6; und schließlich einen dritten
Wärmetauschraum 17 zwischen dem äußeren Wassermantel 6 und
der ungekühlten wärmestrahlenden Feuerraumwandung 8, in dem
ebenfalls ein Wärmeaustausch durch Strahlung und Konvektion
mit den Verbrennungsgasen stattfindet.The result is a combustion gas flow
realized, the combustion gases in succession three
Flow through annular heat exchange rooms: a first one
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des äußeren 6 und
inneren Wassermantels 12 rund um die wärmestrahlenden Flächen
der Feuerraumwandung 8 bzw. des Flammenrohres 3 ist
bei großer Brennerleistung die Wärmeabgabe des Verbrennungsgasstromes
an die Wassermäntel größer als die Wärmeaufnahme
von den wärmestrahlenden Flächen, so daß eine
Abkühlung der Verbrennungsgase erfolgt. Bei kleiner Brennerleistung
stehen dagegen Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme
der Verbrennungsgase im Gleichgewicht, so daß die Verbrennungsgastemperatur
in diesem Leistungsbereich im wesentlichen
konstant bleibt. Sie wird insbesondere durch die Wärmeaufnahme
vom Flammenrohr 3 bzw. von der Feuerraumwandung
8 über den kritischen Taupunkttemperaturen gehalten. Aufgrund
der ausgeprägten Wärmekontaktflächen in den Wärmetauschräumen
15 und 17 liegt die Grenztemperatur der Verbrennungsgase
auch bei geringster Brennerleistung deutlich
über einem kritischen Wert von ca. T = 110°C. Somit besteht
keine Gefahr der Korrosion.Due to the inventive design of the outer 6 and
Bei einer modulierenden Feuerung, wie sie bei der erfindungsgemäßen
Feuerungsanlage vorzugsweise eingesetzt wird,
werden je nach Lastzustand des Brenners die Verbrennungsgase
in den Wärmetauschräumen 15 und 17 gekühlt oder -
idealerweise - bei kleiner Brennerleistung auf einem konstanten
Wert gehalten.In the case of a modulating furnace such as that used in the invention
Combustion system is preferably used,
depending on the burner's load, the combustion gases
cooled in
Ferner erspart die modulierende Feuerung in Abhängigkeit der Belastung der Feuerungsanlage häufige Brennerstarts, wodurch hohe Startemissionen und die Korrosionsbildung beim Start des Brenners vermieden werden.Furthermore, the modulating firing saves depending the burner system load, frequent burner starts, which causes high starting emissions and the formation of corrosion when Start of the burner can be avoided.
Die Schnittdarstellung in Fig. 2 entlang der Linie A-A' der
Kesselkonstruktion in Fig, 1 veranschaulicht, daß der äußere
6 und der innere Wassermantel 12 miteinander leitend in
Verbindung stehen und gemeinsam vom Kesselkreislauf versorgt
werden. Ferner zeigt Fig. 2 die radial nach innen
gerichtete Wärmetauscherrippen 10 bzw. 14 der Wassermäntel
6 bzw. 12.The sectional view in Fig. 2 along the line A-A 'of
Boiler construction in Fig. 1 illustrates that the outer
6 and the
Schließlich zeigt Fig. 3 eine erfindungsgemäße Feuerungsanlage
mit einem Kessel 1, in dessen Feuerraum ein modulierender
Brenner 2 ragt. Der Kessel 1 ist über einen Speicherkreislauf
18 mit einem Warmwasserspeicher 20 verbunden,
der vom Kessel 1 mit Warmwasser gespeist wird. Parallel zum
Speicherkreislauf 18 ist ein Kesselkreislauf 22 angeordnet,
der seinerseits über einen Wärmetauscher 24 an einen Verbraucherkreislauf
26 gekoppelt ist.Finally, Fig. 3 shows a furnace according to the invention
with a
Über einen in Fig. 3 gestrichelt dargestellten Regelkreis
mit einem Thermostaten T wird die Brennerleistung des modulierenden
Brenners 2 in Abhängigkeit der abgenommenen
Wärmeleistung am Versorgugngskreis 26 derart gesteuert, daß
die Temperatur des (Kessel)wassers im Kesselkreislauf auf
einem konstanten Wert, z.B. auf TK = 60° C, bleibt. In Verbindung
mit der erfindungsgemäßen Abgas führung im Kessel 1
wird hierdurch einerseits auch die Temperatur der aus dem
Kessel 1 austretenden Verbrennungsgase unabhängig von der
Belastung am Versorgungskreis 26 auf einen bestimmten Wert
festgelegt.3 with a thermostat T, the burner output of the
Wird ferner die Vorlauftemperatur im Verbraucherkreislauf
auf einem konstanten Wert, z.B. auf TV = 30 °C gehalten, so
kann - je nach Belastung durch die Verbraucher 28 - Warmwasser
mit TK = 60° aus dem Kesselkreislauf über eine
Mischvorrichtung 30 in definierten Mengen in den Verbraucherkreis
26 nachgemischt werden.If the flow temperature in the consumer circuit is also kept at a constant value, e.g. at T V = 30 ° C, then - depending on the load on the consumer 28 - hot water with T K = 60 ° from the boiler circuit can be supplied in defined quantities in a
Claims (18)
- A method for operating the combustion in combustion apparatuses having a boiler (1) heated by a burner (2), wherebythe combustion gases are conveyed out of the boiler (1) between a hot heat-radiating surface and a cooled, more particularly a water cooled, heat exchanger surface (12),the combustion gases deflected in the combustion chamber (5) are conveyed through a heat exchange chamber (15) between a heating tube (3) extending into the combustion chamber (5) and an inner heat transfer shell (12).
- A method according to Claim 1,
characterised in that the combustion gases are conveyed in a heat exchange chamber (17) between an outer heat transfer shell (6), more particularly a water jacket, and a wall (8) of a combustion chamber (5) of the boiler (1). - A method according to Claim 1 or 2,
characterised in that the combustion gases are conveyed in a heat exchange chamber (16) between the outer (6) and inner heat transfer shell (12). - A method according to Claim 1, 2 and 3,
characterised in that the combustion gases deflected in the combustion chamber (5) first of all flow upstream through the heat exchange chamber (15), then are deflected and are conveyed downstream in succession through the heat exchange chambers (12) and (17). - A method according to one of the preceding Claims,
characterised in that a part of the combustion gases are returned via apertures (4) in the heating tube (3) into the flame root of the burner flame. - A method according to Claim 6,
characterised in that before returning into the flame root region the combustion gases are conveyed through the heat exchange chamber (15). - A method according to one of the preceding Claims,
characterised by the use of an adjustable or modulating burner (2). - A method according to Claim 8,
characterised in that the temperature of the heat transfer medium is kept constant in the boiler circulation (22). - A combustion apparatus, more particularly for performing a method as specified by one of the preceding Claims, having:a boiler (1), which is heated by a burner (2), the heating tube (3) of which opens into a combustion chamber (5) of the boiler (1),an inner heat transfer shell (12), more particularly a water cooling jacket, which surrounds the hot heat-radiating heating tube in the boiler (1) at a distance;an end at the outlet of the combustion chamber (5) for the deflection of the combustion gases;the inner heat transfer shell (12) surrounds the heating tube (3) at a distance in such a manner that the deflected combustion gases can be carried away between the inner heat transfer shell (12) and the heating tube (3) (heat exchange chamber 15)).
- A combustion apparatus according to Claim 9,
characterised in that a further outer heat transfer shell (6) surrounds the walls (8) of the combustion chamber (5) at a distance (heat exchange chamber (17)). - A combustion apparatus according to Claim 9 or 10,
characterised in that the outer heat transfer shell (6) surrounds the inner heat transfer shell (12) at a distance (heat exchange chamber 16). - A combustion apparatus according to Claim 9, 10 and 11,
characterised in that a deflection region is provided on the inner walls of the boiler, so that after their passage through the heat exchange region (15) the combustion gases (are) deflected on the inner walls of the boiler and flow in succession through the heat exchange chambers (16) and (17). - A combustion apparatus according to one of Claims 9 to 12,
characterised in that the inner (6) and/or outer heat transfer shells (12) is/are equipped with heat exchange ribs (10; 14). - A combustion apparatus according to one of Claims 9 to 13,
characterised in that heat exchange ribs are provided on the outside of the combustion chamber wall (8). - A combustion apparatus according to one of Claims 9 to 14,
characterised in that the turbulence-increasing devices, more particularly beads, rings, disks and twisted strip, are disposed in the heat exchange chamber (15; 16; 17). - A combustion apparatus according to one of Claims 1 to 15,
characterised by one or more apertures (4) in the heating tube (3) for the internal return of exhaust gas into the flame root region, more particularly after the passage of the combustion gases through the heat exchange chamber (15). - A combustion apparatus according to one of Claims 9 to 16,
characterised by a modulating or adjustable burner (2). - A combustion apparatus according to one of Claims 9 to 17,
characterised in that the boiler (1) is produced from steel and/or grey cast iron.
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